Kiekvienas mūsų judesys ar mintis reikalauja energijos iš kūno. Šią jėgą saugo kiekviena kūno ląstelė ir makroerginių ryšių pagalba kaupia ją biomolekulėse. Būtent šios baterijos molekulės užtikrina visus gyvybės procesus. Nuolatiniai energijos mainai ląstelėse nulemia pačią gyvybę. Kas yra šios biomolekulės su makroerginiais ryšiais, iš kur jos atsiranda ir kas nutinka su jų energija kiekvienoje mūsų kūno ląstelėje – apie tai kalbama straipsnyje.
Biologiniai tarpininkai
Jokiame organizme energija iš energiją generuojančio agento į biologinį energijos vartotoją nepereina tiesiogiai. Nutrūkus maisto produktų intramolekuliniams ryšiams, išsiskiria potenciali cheminių junginių energija, kuri gerokai viršija tarpląstelinių fermentinių sistemų galimybes ją panaudoti. Štai kodėl biologinėse sistemose potencialių cheminių medžiagų išsiskyrimas vyksta laipsniškai, joms palaipsniui virstant energija ir jai kaupiantis makroerginiuose junginiuose ir jungtyse. Ir būtent biomolekulės, galinčios taip kaupti energiją, vadinamos didelės energijos.
Kokios obligacijos vadinamos makroerginėmis?
Laisvosios energijos lygis 12,5 kJ/mol, kuris susidaro formuojantis arba irstant cheminei jungtiei, laikomas normaliu. Kai hidrolizės metu tam tikroms medžiagoms susidaro daugiau nei 21 kJ/mol laisvosios energijos, tai vadinama makroerginiais ryšiais. Jie žymimi tildės simboliu – ~. Priešingai nei fizikinėje chemijoje, kur makroerginis ryšys reiškia kovalentinį atomų ryšį, biologijoje jie reiškia skirtumą tarp pradinių agentų energijos ir jų skilimo produktų. Tai yra, energija nėra lokalizuota konkrečioje cheminėje atomų jungtyje, bet apibūdina visą reakciją. Biochemijoje jie kalba apie cheminę konjugaciją ir makroerginio junginio susidarymą.
Universalus biologinės energijos š altinis
Visi gyvi organizmai mūsų planetoje turi vieną universalų energijos kaupimo elementą – tai makroerginis ryšys ATP – ADP – AMP (adenozino tri, di, monofosforo rūgštis). Tai biomolekulės, susidedančios iš azoto turinčios adenino bazės, prijungtos prie ribozės angliavandenio, ir prijungtų fosforo rūgšties likučių. Veikiant vandeniui ir restrikcijos fermentui, adenozino trifosfato molekulė (C10H16N5 O 13P3) gali suskaidyti į adenozino difosforo rūgšties molekulę ir ortofosfato rūgštį. Šią reakciją lydi 30,5 kJ/mol laisvosios energijos išsiskyrimas. Visi gyvybės procesai kiekvienoje mūsų kūno ląstelėje vyksta, kai energija kaupiama ATP ir panaudojama jai suskaidžius.ryšiai tarp ortofosforo rūgšties likučių.
Donoras ir priėmėjas
Didelės energijos junginiai taip pat apima medžiagas ilgais pavadinimais, kurios hidrolizės reakcijose gali sudaryti ATP molekules (pavyzdžiui, pirofosforo ir piruvo rūgštys, sukcinilo kofermentai, ribonukleino rūgščių aminoacilo dariniai). Visuose šiuose junginiuose yra fosforo (P) ir sieros (S) atomų, tarp kurių yra didelės energijos jungtys. Būtent energiją, kuri išsiskiria, kai nutrūksta ATP (donoro) didelės energijos jungtis, kurią ląstelė sugeria savo organinių junginių sintezės metu. Ir tuo pačiu metu šių ryšių atsargos nuolat pildomos sukaupta energija (akceptoriu), išsiskiriančia makromolekulių hidrolizės metu. Kiekvienoje žmogaus kūno ląstelėje šie procesai vyksta mitochondrijose, o ATP egzistavimo trukmė yra trumpesnė nei 1 minutė. Per dieną mūsų organizmas susintetina apie 40 kilogramų ATP, kurių kiekvienas praeina iki 3 tūkstančių skilimo ciklų. Bet kuriuo momentu mūsų kūne yra apie 250 gramų ATP.
Didelės energijos biomolekulių funkcijos
Be energijos donoro ir akceptoriaus funkcijos skilimo ir stambiamolekulinių junginių sintezės procesuose, ATP molekulės atlieka keletą kitų labai svarbių vaidmenų ląstelėse. Makroerginių ryšių nutraukimo energija naudojama šilumos gamybos, mechaninio darbo, elektros energijos kaupimo, liuminescencijos procesuose. Tuo pačiu ir transformacijacheminių ryšių energija į šiluminę, elektrinę, mechaninę tuo pačiu metu yra energijos mainų etapas, o vėliau ATP saugomas tose pačiose makroenergijos jungtyse. Visi šie procesai ląstelėje vadinami plastiniais ir energijos mainais (schema paveikslėlyje). ATP molekulės taip pat veikia kaip kofermentai, reguliuojantys tam tikrų fermentų veiklą. Be to, ATP taip pat gali būti tarpininkas, signalizuojantis agentas nervų ląstelių sinapsėse.
Energijos ir materijos srautas ląstelėje
Taigi, ATP ląstelėje užima pagrindinę ir pagrindinę vietą medžiagų mainuose. Vyksta gana daug reakcijų, kurių metu ATP atsiranda ir suyra (oksidacinis ir substratinis fosforilinimas, hidrolizė). Šių molekulių sintezės biocheminės reakcijos yra grįžtamos, tam tikromis sąlygomis jos ląstelėse pasislenka sintezės arba irimo kryptimi. Šių reakcijų keliai skiriasi medžiagų virsmų skaičiumi, oksidacinių procesų rūšimi, energiją tiekiančių ir energiją vartojančių reakcijų konjugacijos būdais. Kiekvienas procesas yra aiškiai pritaikytas tam tikros rūšies „kuro“apdorojimui ir jo efektyvumo riboms.
Veiklos įvertinimas
Energijos konversijos efektyvumo biosistemose rodikliai yra maži ir įvertinami standartinėmis naudingumo koeficiento reikšmėmis (darbui sunaudoto naudingo darbo ir visos sunaudotos energijos santykis). Tačiau čia, siekiant užtikrinti biologinių funkcijų atlikimą, išlaidos yra labai didelės. Pavyzdžiui, bėgikas, skaičiuojant masės vienetu, išleidžia tiek daugenergijos, kiek ir didelis vandenyno laineris. Net ir ramybėje palaikyti organizmo gyvybę yra sunkus darbas, kuriam išleidžiama apie 8 tūkst. kJ/mol. Tuo pačiu metu b altymų sintezei išleidžiama apie 1,8 tūkst. kJ/mol, širdies darbui – 1,1 tūkst. kJ/mol, ATP sintezei – iki 3,8 tūkst. kJ/mol.
Adenilinti ląstelių sistemą
Tai sistema, apimanti visų ATP, ADP ir AMP sumą langelyje per tam tikrą laikotarpį. Ši vertė ir komponentų santykis lemia ląstelės energetinę būklę. Sistema vertinama pagal sistemos energetinį krūvį (fosfatų grupių ir adenozino liekanų santykį). Jei ląstelės makroerginiuose junginiuose yra tik ATP – jis turi aukščiausią energetinę būseną (indeksas –1), jei tik AMP – minimalią būseną (indeksas – 0). Gyvose ląstelėse paprastai išlaikomi 0,7-0,9 rodikliai. Ląstelės energetinės būklės stabilumas lemia fermentinių reakcijų greitį ir optimalaus gyvybinės veiklos lygio palaikymą.
Ir šiek tiek apie elektrines
Kaip jau minėta, ATP sintezė vyksta specializuotose ląstelių organelėse – mitochondrijose. Ir šiandien tarp biologų kyla ginčų dėl šių nuostabių struktūrų kilmės. Mitochondrijos yra ląstelės jėgainės, kurių „degalai“yra b altymai, riebalai, glikogenas, o elektra – ATP molekulės, kurių sintezė vyksta dalyvaujant deguoniui. Galima sakyti, kad kvėpuojame tam, kad veiktų mitochondrijos. Kuo daugiau darboląstelės, tuo daugiau energijos joms reikia. Skaitykite – ATP, o tai reiškia – mitochondrijos.
Pavyzdžiui, profesionalaus sportininko skeleto raumenyse yra apie 12 % mitochondrijų, o nesportuojančiam pasauliečiui – perpus mažiau. Tačiau širdies raumenyje jų dažnis yra 25%. Šiuolaikiniai sportininkų, ypač maratono bėgikų, treniruočių metodai yra pagrįsti MOC (maksimalus deguonies suvartojimas), kuris tiesiogiai priklauso nuo mitochondrijų skaičiaus ir raumenų gebėjimo atlikti ilgalaikius krūvius. Pirmaujančios profesionalaus sporto treniruočių programos yra skirtos stimuliuoti mitochondrijų sintezę raumenų ląstelėse.
