Αν παραφράσουμε τη γνωστή έκφραση "η κίνηση είναι ζωή", γίνεται σαφές ότι όλες οι εκδηλώσεις της ζωντανής ύλης - ανάπτυξη, αναπαραγωγή, διαδικασίες σύνθεσης θρεπτικών ουσιών, αναπνοή - είναι, στην πραγματικότητα, η κίνηση των ατόμων και τα μόρια που αποτελούν το κύτταρο. Είναι δυνατές αυτές οι διαδικασίες χωρίς τη συμμετοχή της ενέργειας; Φυσικά όχι.
Πού αντλούν τα εφόδιά τους ζωντανά σώματα, από γιγάντιους οργανισμούς όπως η γαλάζια φάλαινα ή η αμερικανική σεκόγια, μέχρι τα υπερμικροσκοπικά βακτήρια;
Η Βιοχημεία βρήκε την απάντηση σε αυτό το ερώτημα. Το τριφωσφορικό οξύ αδενοσίνης είναι μια καθολική ουσία που χρησιμοποιείται από όλους τους κατοίκους του πλανήτη μας. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε τη δομή και τις λειτουργίες του ATP σε διάφορες ομάδες ζωντανών οργανισμών. Επιπλέον, θα προσδιορίσουμε ποια οργανίδια είναι υπεύθυνα για τη σύνθεσή του στα φυτικά και ζωικά κύτταρα.
Ιστορικό ανακάλυψης
Στις αρχές του 20ου αιώνα, στο εργαστήριο της Ιατρικής Σχολής του Χάρβαρντ, αρκετοί επιστήμονες, συγκεκριμένα οι Subbaris, Loman και Friske, ανακάλυψαν μια ένωση κοντά στη δομή του αδενυλίουνουκλεοτίδιο ριβονουκλεϊκού οξέος. Ωστόσο, δεν περιείχε ένα, αλλά έως και τρία υπολείμματα φωσφορικού οξέος συνδεδεμένα με τον μονοσακχαρίτη ριβόζη. Δύο δεκαετίες αργότερα, ο F. Lipman, μελετώντας τις λειτουργίες του ATP, επιβεβαίωσε την επιστημονική υπόθεση ότι αυτή η ένωση μεταφέρει ενέργεια. Από εκείνη τη στιγμή, οι βιοχημικοί είχαν μια μεγάλη ευκαιρία να εξοικειωθούν λεπτομερώς με τον πολύπλοκο μηχανισμό της σύνθεσης αυτής της ουσίας που συμβαίνει στο κύτταρο. Αργότερα, ανακαλύφθηκε μια βασική ένωση: ένα ένζυμο - συνθάση ATP, το οποίο είναι υπεύθυνο για το σχηματισμό μορίων οξέος στα μιτοχόνδρια. Για να προσδιορίσουμε ποια λειτουργία εκτελεί το ATP, ας μάθουμε ποιες διεργασίες συμβαίνουν σε ζωντανούς οργανισμούς δεν μπορούν να πραγματοποιηθούν χωρίς τη συμμετοχή αυτής της ουσίας.
Μορφές ύπαρξης ενέργειας σε βιολογικά συστήματα
Διάφορες αντιδράσεις που συμβαίνουν σε ζωντανούς οργανισμούς απαιτούν διαφορετικούς τύπους ενέργειας που μπορούν να μετασχηματιστούν ο ένας στον άλλο. Αυτές περιλαμβάνουν μηχανικές διεργασίες (κίνηση βακτηρίων και πρωτόζωων, συστολή μυοϊνιδίων στον μυϊκό ιστό), βιοχημική σύνθεση. Αυτή η λίστα περιλαμβάνει επίσης ηλεκτρικές παρορμήσεις που αποτελούν τη βάση της διέγερσης και της αναστολής, θερμικές αντιδράσεις που διατηρούν μια σταθερή θερμοκρασία σώματος στα θερμόαιμα ζώα και τους ανθρώπους. Η φωτεινή λάμψη του θαλάσσιου πλαγκτόν, ορισμένων εντόμων και των ψαριών βαθέων υδάτων είναι επίσης ένας τύπος ενέργειας που παράγεται από ζωντανά σώματα.
Όλα τα παραπάνω φαινόμενα που συμβαίνουν σε βιολογικά συστήματα είναι αδύνατα χωρίς μόρια ATP, των οποίων οι λειτουργίες είναι να αποθηκεύουνενέργειας με τη μορφή μακροεργικών δεσμών. Εμφανίζονται μεταξύ του νουκλεοζίτη αδενυλίου και των υπολειμμάτων φωσφορικού οξέος.
Από πού προέρχεται η κυτταρική ενέργεια;
Σύμφωνα με τους νόμους της θερμοδυναμικής, η εμφάνιση και η εξαφάνιση της ενέργειας συμβαίνει για ορισμένους λόγους. Η διάσπαση των οργανικών ενώσεων που συνθέτουν τα τρόφιμα: πρωτεΐνες, υδατάνθρακες και ιδιαίτερα λιπίδια οδηγεί στην απελευθέρωση ενέργειας. Οι πρωταρχικές διεργασίες της υδρόλυσης συμβαίνουν στον πεπτικό σωλήνα, όπου τα μακρομόρια των οργανικών ενώσεων εκτίθενται στη δράση των ενζύμων. Μέρος της λαμβανόμενης ενέργειας διαχέεται με τη μορφή θερμότητας ή χρησιμοποιείται για τη διατήρηση της βέλτιστης θερμοκρασίας του εσωτερικού περιεχομένου της κυψέλης. Το υπόλοιπο τμήμα συσσωρεύεται με τη μορφή στα μιτοχόνδρια - τους σταθμούς παραγωγής ενέργειας του κυττάρου. Αυτή είναι η κύρια λειτουργία του μορίου ATP - παρέχει και αναπληρώνει τις ενεργειακές ανάγκες του σώματος.
Ποιος είναι ο ρόλος των καταβολικών αντιδράσεων
Μια στοιχειώδης μονάδα ζωντανής ύλης - ένα κύτταρο, μπορεί να λειτουργήσει μόνο εάν η ενέργεια ενημερώνεται συνεχώς στον κύκλο ζωής της. Για να εκπληρωθεί αυτή η συνθήκη στον κυτταρικό μεταβολισμό, υπάρχει μια κατεύθυνση που ονομάζεται αφομοίωση, καταβολισμός ή μεταβολισμός ενέργειας. Στο στάδιο χωρίς οξυγόνο, που είναι ο απλούστερος τρόπος σχηματισμού και αποθήκευσης ενέργειας, από κάθε μόριο γλυκόζης, ελλείψει οξυγόνου, συντίθενται 2 μόρια μιας ενεργοβόρας ουσίας που παρέχουν τις κύριες λειτουργίες του ATP στο κύτταρο - τροφοδοτώντας το με ενέργεια. Οι περισσότερες αντιδράσεις του ανοξικού σταδίου συμβαίνουν στο κυτταρόπλασμα.
Ανάλογα με τη δομή του κυττάρου, μπορεί να προχωρήσει με διάφορους τρόπους, για παράδειγμα, με τη μορφή γλυκόλυσης, αλκοόλης ή ζύμωσης γαλακτικού οξέος. Ωστόσο, τα βιοχημικά χαρακτηριστικά αυτών των μεταβολικών διεργασιών δεν επηρεάζουν τη λειτουργία του ATP στο κύτταρο. Είναι καθολικό: η διατήρηση των ενεργειακών αποθεμάτων του κυττάρου.
Πώς σχετίζεται η δομή ενός μορίου με τις λειτουργίες του
Νωρίτερα, διαπιστώσαμε το γεγονός ότι το τριφωσφορικό οξύ αδενοσίνης περιέχει τρία φωσφορικά υπολείμματα συνδεδεμένα με μια νιτρική βάση - αδενίνη, και έναν μονοσακχαρίτη - ριβόζη. Δεδομένου ότι σχεδόν όλες οι αντιδράσεις στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου πραγματοποιούνται σε ένα υδατικό μέσο, τα μόρια οξέος, υπό τη δράση υδρολυτικών ενζύμων, σπάνε τους ομοιοπολικούς δεσμούς για να σχηματίσουν πρώτα το διφωσφορικό οξύ αδενοσίνης και μετά το AMP. Οι αντίστροφες αντιδράσεις που οδηγούν στη σύνθεση του τριφωσφορικού οξέος αδενοσίνης συμβαίνουν παρουσία του ενζύμου φωσφοτρανσφεράση. Δεδομένου ότι το ATP εκτελεί τη λειτουργία μιας καθολικής πηγής κυτταρικής ζωτικής δραστηριότητας, περιλαμβάνει δύο μακροεργικούς δεσμούς. Με μια διαδοχική ρήξη καθενός από αυτά, απελευθερώνονται 42 kJ. Αυτός ο πόρος χρησιμοποιείται στον μεταβολισμό των κυττάρων, στις διαδικασίες ανάπτυξης και αναπαραγωγής του.
Τιμή της συνθετάσης ATP
Στα οργανίδια γενικής σημασίας - τα μιτοχόνδρια, που βρίσκονται σε φυτικά και ζωικά κύτταρα, υπάρχει ένα ενζυματικό σύστημα - η αναπνευστική αλυσίδα. Περιέχει το ένζυμο ATP συνθάση. Τα μόρια του βιοκαταλύτη, τα οποία έχουν τη μορφή εξαμερούς που αποτελείται από πρωτεϊνικά σφαιρίδια, βυθίζονται τόσο στη μεμβράνη όσο και σεστρώμα μιτοχονδρίων. Λόγω της δραστηριότητας του ενζύμου, η ενεργειακή ουσία του κυττάρου συντίθεται από ADP και υπολείμματα ανόργανου φωσφορικού οξέος. Τα σχηματισμένα μόρια ATP επιτελούν τη λειτουργία της συσσώρευσης της ενέργειας που απαιτείται για τη ζωτική του δραστηριότητα. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του βιοκαταλύτη είναι ότι όταν υπάρχει υπερβολική συγκέντρωση ενεργειακών ενώσεων, συμπεριφέρεται σαν υδρολυτικό ένζυμο, διασπώντας τα μόριά τους.
Χαρακτηριστικά της σύνθεσης του τριφωσφορικού οξέος αδενοσίνης
Τα φυτά έχουν ένα σοβαρό μεταβολικό χαρακτηριστικό που διακρίνει ριζικά αυτούς τους οργανισμούς από τα ζώα. Συνδέεται με τον αυτότροφο τρόπο διατροφής και την ικανότητα επεξεργασίας της φωτοσύνθεσης. Ο σχηματισμός μορίων που περιέχουν μακροεργικούς δεσμούς συμβαίνει στα φυτά σε κυτταρικά οργανίδια - χλωροπλάστες. Το ένζυμο ATP συνθάση που είναι ήδη γνωστό σε εμάς είναι μέρος των θυλακοειδών και του στρώματος των χλωροπλαστών τους. Οι λειτουργίες του ATP στο κύτταρο είναι η αποθήκευση ενέργειας τόσο σε αυτότροφους όσο και σε ετερότροφους οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων.
Οι ενώσεις με μακροεργικούς δεσμούς συντίθενται σε σαπρότροφους και ετερότροφους σε αντιδράσεις οξειδωτικής φωσφορυλίωσης που λαμβάνουν χώρα στους μιτοχονδριακούς κρύστες. Όπως μπορείτε να δείτε, στη διαδικασία της εξέλιξης, διάφορες ομάδες ζωντανών οργανισμών έχουν σχηματίσει έναν τέλειο μηχανισμό για τη σύνθεση μιας τέτοιας ένωσης όπως το ATP, οι λειτουργίες του οποίου είναι να παρέχει στο κύτταρο ενέργεια.
