Κάθε κίνηση ή σκέψη μας απαιτεί ενέργεια από το σώμα. Αυτή η δύναμη αποθηκεύεται από κάθε κύτταρο του σώματος και τη συσσωρεύει σε βιομόρια με τη βοήθεια μακροεργικών δεσμών. Αυτά τα μόρια της μπαταρίας είναι που παρέχουν όλες τις διαδικασίες ζωής. Η συνεχής ανταλλαγή ενέργειας μέσα στα κύτταρα καθορίζει την ίδια τη ζωή. Τι είναι αυτά τα βιομόρια με μακροεργικούς δεσμούς, από πού προέρχονται και τι συμβαίνει με την ενέργειά τους σε κάθε κύτταρο του σώματός μας - αυτό συζητείται στο άρθρο.
Βιολογικοί μεσολαβητές
Σε κανέναν οργανισμό, η ενέργεια από έναν παράγοντα παραγωγής ενέργειας σε έναν βιολογικό καταναλωτή ενέργειας δεν περνά άμεσα. Όταν σπάνε οι ενδομοριακοί δεσμοί των προϊόντων διατροφής, απελευθερώνεται η δυναμική ενέργεια των χημικών ενώσεων, η οποία υπερβαίνει κατά πολύ την ικανότητα των ενδοκυτταρικών ενζυματικών συστημάτων να τη χρησιμοποιούν. Γι' αυτό στα βιολογικά συστήματα η απελευθέρωση πιθανών χημικών ουσιών συμβαίνει σταδιακά με τη σταδιακή μετατροπή τους σε ενέργεια και τη συσσώρευσή της σε μακροεργικές ενώσεις και δεσμούς. Και είναι τα βιομόρια που είναι ικανά για μια τέτοια συσσώρευση ενέργειας που ονομάζονται υψηλής ενέργειας.
Ποιοι δεσμοί ονομάζονται μακροεργικοί;
Το επίπεδο ελεύθερης ενέργειας των 12,5 kJ/mol, το οποίο σχηματίζεται κατά τον σχηματισμό ή την αποσύνθεση ενός χημικού δεσμού, θεωρείται φυσιολογικό. Όταν, κατά την υδρόλυση ορισμένων ουσιών, σχηματίζεται ελεύθερη ενέργεια μεγαλύτερη από 21 kJ / mol, τότε αυτό ονομάζεται μακροεργικοί δεσμοί. Συμβολίζονται με το σύμβολο tilde - ~. Σε αντίθεση με τη φυσική χημεία, όπου ένας μακροεργικός δεσμός σημαίνει έναν ομοιοπολικό δεσμό ατόμων, στη βιολογία σημαίνουν τη διαφορά μεταξύ της ενέργειας των αρχικών παραγόντων και των προϊόντων διάσπασής τους. Δηλαδή, η ενέργεια δεν εντοπίζεται σε συγκεκριμένο χημικό δεσμό ατόμων, αλλά χαρακτηρίζει ολόκληρη την αντίδραση. Στη βιοχημεία, μιλούν για χημική σύζευξη και σχηματισμό μακροεργικής ένωσης.
Καθολική βιολογική πηγή ενέργειας
Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί στον πλανήτη μας έχουν ένα καθολικό στοιχείο αποθήκευσης ενέργειας - αυτός είναι ο μακροεργικός δεσμός ATP - ADP - AMP (αδενοσίνη τρι, δι, μονοφωσφορικό οξύ). Πρόκειται για βιομόρια που αποτελούνται από μια βάση αδενίνης που περιέχει άζωτο συνδεδεμένη με έναν υδατάνθρακα ριβόζης και συνδεδεμένα υπολείμματα φωσφορικού οξέος. Υπό τη δράση του νερού και ενός περιοριστικού ενζύμου, ένα μόριο τριφωσφορικής αδενοσίνης (C10H16N5 O 13P3) μπορεί να αποσυντεθεί σε μόριο διφωσφορικού οξέος αδενοσίνης και ορθοφωσφορικό οξύ. Η αντίδραση αυτή συνοδεύεται από την απελευθέρωση ελεύθερης ενέργειας της τάξης των 30,5 kJ/mol. Όλες οι διαδικασίες ζωής σε κάθε κύτταρο του σώματός μας συμβαίνουν όταν η ενέργεια συσσωρεύεται στο ATP και χρησιμοποιείται όταν σπάσει.δεσμούς μεταξύ των υπολειμμάτων ορθοφωσφορικού οξέος.
Δωρητής και αποδέκτης
Οι ενώσεις υψηλής ενέργειας περιλαμβάνουν επίσης ουσίες με μεγάλα ονόματα που μπορούν να σχηματίσουν μόρια ATP σε αντιδράσεις υδρόλυσης (για παράδειγμα, πυροφωσφορικά και πυροσταφυλικά οξέα, συνένζυμα ηλεκτρυλίου, αμινοακυλικά παράγωγα ριβονουκλεϊκών οξέων). Όλες αυτές οι ενώσεις περιέχουν άτομα φωσφόρου (P) και θείου (S), μεταξύ των οποίων υπάρχουν δεσμοί υψηλής ενέργειας. Είναι η ενέργεια που απελευθερώνεται όταν σπάσει ο δεσμός υψηλής ενέργειας στο ATP (δότης) που απορροφάται από το κύτταρο κατά τη σύνθεση των δικών του οργανικών ενώσεων. Και ταυτόχρονα, τα αποθέματα αυτών των δεσμών αναπληρώνονται συνεχώς με τη συσσώρευση ενέργειας (δέκτη) που απελευθερώνεται κατά την υδρόλυση των μακρομορίων. Σε κάθε κύτταρο του ανθρώπινου σώματος, αυτές οι διεργασίες συμβαίνουν στα μιτοχόνδρια, ενώ η διάρκεια ύπαρξης του ΑΤΡ είναι μικρότερη από 1 λεπτό. Κατά τη διάρκεια της ημέρας, το σώμα μας συνθέτει περίπου 40 κιλά ATP, τα οποία περνούν έως και 3 χιλιάδες κύκλους αποσύνθεσης ο καθένας. Και ανά πάσα στιγμή, περίπου 250 γραμμάρια ATP υπάρχουν στο σώμα μας.
Λειτουργίες βιομορίων υψηλής ενέργειας
Εκτός από τη λειτουργία του δότη και του δέκτη ενέργειας στις διαδικασίες αποσύνθεσης και σύνθεσης μακρομοριακών ενώσεων, τα μόρια ATP παίζουν αρκετούς άλλους πολύ σημαντικούς ρόλους στα κύτταρα. Η ενέργεια της διάσπασης των μακροεργικών δεσμών χρησιμοποιείται στις διαδικασίες παραγωγής θερμότητας, μηχανικής εργασίας, συσσώρευσης ηλεκτρικής ενέργειας και φωταύγειας. Ταυτόχρονα, η μεταμόρφωσηη ενέργεια των χημικών δεσμών σε θερμικούς, ηλεκτρικούς, μηχανικούς ταυτόχρονα χρησιμεύει ως στάδιο ανταλλαγής ενέργειας με επακόλουθη αποθήκευση του ATP στους ίδιους μακροενεργειακούς δεσμούς. Όλες αυτές οι διεργασίες στο κύτταρο ονομάζονται πλαστικές και ενεργειακές ανταλλαγές (διάγραμμα στο σχήμα). Τα μόρια ATP δρουν επίσης ως συνένζυμα, ρυθμίζοντας τη δραστηριότητα ορισμένων ενζύμων. Επιπλέον, το ATP μπορεί επίσης να είναι ένας μεσολαβητής, ένας παράγοντας σηματοδότησης στις συνάψεις των νευρικών κυττάρων.
Η ροή της ενέργειας και της ύλης στο κύτταρο
Έτσι, το ATP στο κύτταρο καταλαμβάνει κεντρική και κύρια θέση στην ανταλλαγή της ύλης. Υπάρχουν πολλές αντιδράσεις μέσω των οποίων προκύπτει και διασπάται το ATP (οξειδωτική και φωσφορυλίωση υποστρώματος, υδρόλυση). Οι βιοχημικές αντιδράσεις της σύνθεσης αυτών των μορίων είναι αναστρέψιμες· υπό ορισμένες συνθήκες, μετατοπίζονται στα κύτταρα προς την κατεύθυνση της σύνθεσης ή της αποσύνθεσης. Οι διαδρομές αυτών των αντιδράσεων διαφέρουν ως προς τον αριθμό των μετασχηματισμών των ουσιών, τον τύπο των οξειδωτικών διεργασιών και τους τρόπους σύζευξης των αντιδράσεων που τροφοδοτούν και καταναλώνουν ενέργεια. Κάθε διεργασία έχει σαφείς προσαρμογές στην επεξεργασία ενός συγκεκριμένου τύπου «καυσίμου» και στα όρια απόδοσής του.
Αξιολόγηση απόδοσης
Οι δείκτες της αποδοτικότητας της μετατροπής ενέργειας στα βιοσυστήματα είναι μικροί και εκτιμώνται σε τυπικές τιμές του συντελεστή απόδοσης (ο λόγος της χρήσιμης εργασίας που δαπανάται στην εργασία προς τη συνολική ενέργεια που δαπανάται). Αλλά εδώ, για να εξασφαλιστεί η απόδοση των βιολογικών λειτουργιών, το κόστος είναι πολύ υψηλό. Για παράδειγμα, ένας δρομέας, ως προς τη μονάδα μάζας, ξοδεύει τόσα πολλάενέργεια, πόση και ένα μεγάλο υπερωκεάνιο. Ακόμη και σε κατάσταση ηρεμίας, η διατήρηση της ζωής ενός οργανισμού είναι σκληρή δουλειά και δαπανώνται περίπου 8 χιλιάδες kJ / mol για αυτό. Ταυτόχρονα, περίπου 1,8 χιλιάδες kJ / mol δαπανώνται για τη σύνθεση πρωτεϊνών, 1,1 χιλιάδες kJ / mol για το έργο της καρδιάς, αλλά έως και 3,8 χιλιάδες kJ / mol για τη σύνθεση ATP.
Σύστημα αδενυλικών κυττάρων
Πρόκειται για ένα σύστημα που περιλαμβάνει το άθροισμα όλων των ATP, ADP και AMP σε ένα κελί σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο. Αυτή η τιμή και η αναλογία των συστατικών καθορίζουν την ενεργειακή κατάσταση της κυψέλης. Το σύστημα αξιολογείται ως προς το ενεργειακό φορτίο του συστήματος (ο λόγος των φωσφορικών ομάδων προς το υπόλειμμα αδενοσίνης). Εάν υπάρχει μόνο ATP στις μακροεργικές ενώσεις των κυττάρων - έχει την υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση (δείκτης -1), εάν μόνο AMP - την ελάχιστη κατάσταση (δείκτης - 0). Στα ζωντανά κύτταρα συνήθως διατηρούνται δείκτες 0,7-0,9. Η σταθερότητα της ενεργειακής κατάστασης του κυττάρου καθορίζει τον ρυθμό των ενζυματικών αντιδράσεων και τη διατήρηση ενός βέλτιστου επιπέδου ζωτικής δραστηριότητας.
Και λίγα για τους σταθμούς παραγωγής ενέργειας
Όπως ήδη αναφέρθηκε, η σύνθεση ATP συμβαίνει σε εξειδικευμένα κυτταρικά οργανίδια - μιτοχόνδρια. Και σήμερα μεταξύ των βιολόγων υπάρχουν διαφωνίες σχετικά με την προέλευση αυτών των εκπληκτικών δομών. Τα μιτοχόνδρια είναι τα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας του κυττάρου, «καύσιμα» για τα οποία είναι πρωτεΐνες, λίπη, γλυκογόνο και μόρια ηλεκτρικής ενέργειας - ATP, η σύνθεση των οποίων γίνεται με τη συμμετοχή οξυγόνου. Μπορούμε να πούμε ότι αναπνέουμε για να λειτουργήσουν τα μιτοχόνδρια. Όση περισσότερη δουλειά πρέπει να κάνουμετα κύτταρα, τόσο περισσότερη ενέργεια χρειάζονται. Διαβάστε - ATP, που σημαίνει - μιτοχόνδρια.
Για παράδειγμα, ένας επαγγελματίας αθλητής έχει περίπου 12% μιτοχόνδρια στους σκελετικούς μύες του, ενώ ένας μη αθλητικός λαϊκός έχει τα μισά. Όμως στον καρδιακό μυ, ο ρυθμός τους είναι 25%. Οι σύγχρονες μέθοδοι προπόνησης για αθλητές, ειδικά για δρομείς μαραθωνίου, βασίζονται στη MOC (μέγιστη κατανάλωση οξυγόνου), η οποία εξαρτάται άμεσα από τον αριθμό των μιτοχονδρίων και την ικανότητα των μυών να εκτελούν παρατεταμένα φορτία. Κορυφαία προγράμματα προπόνησης για επαγγελματικά αθλήματα στοχεύουν στην τόνωση της σύνθεσης μιτοχονδρίων στα μυϊκά κύτταρα.
