Katra mūsu kustība vai doma prasa enerģiju no ķermeņa. Šo spēku uzglabā katra ķermeņa šūna un ar makroerģisko saišu palīdzību uzkrāj to biomolekulās. Tieši šīs akumulatora molekulas nodrošina visus dzīvības procesus. Pastāvīgā enerģijas apmaiņa šūnās nosaka pašu dzīvi. Kas ir šīs biomolekulas ar makroerģiskām saitēm, no kurienes tās nāk un kas notiek ar to enerģiju katrā mūsu ķermeņa šūnā - tas ir apspriests rakstā.
Bioloģiskie mediatori
Jebkurā organismā enerģija no enerģiju ģenerējošā aģenta līdz bioloģiskās enerģijas patērētājam nenonāk tieši. Pārtraucot pārtikas produktu intramolekulārās saites, izdalās ķīmisko savienojumu potenciālā enerģija, kas krietni pārsniedz intracelulāro fermentatīvo sistēmu spēju to izmantot. Tāpēc bioloģiskajās sistēmās potenciālo ķīmisko vielu izdalīšanās notiek pakāpeniski, to pakāpeniski pārveidojot enerģijā un uzkrājoties makroerģiskos savienojumos un saitēs. Un tieši biomolekulas, kas spēj uzkrāt šādu enerģiju, sauc par augstas enerģijas.
Kādas obligācijas sauc par makroerģiskām?
Brīvās enerģijas līmenis 12,5 kJ/mol, kas veidojas ķīmiskās saites veidošanās vai sairšanas laikā, tiek uzskatīts par normālu. Ja noteiktu vielu hidrolīzes laikā brīvā enerģija veidojas vairāk nekā 21 kJ / mol, tad to sauc par makroerģiskajām saitēm. Tos apzīmē ar tildes simbolu - ~. Atšķirībā no fizikālās ķīmijas, kur makroerģiskā saite nozīmē atomu kovalento saiti, bioloģijā tie nozīmē atšķirību starp sākotnējo aģentu enerģiju un to sabrukšanas produktiem. Tas ir, enerģija nav lokalizēta noteiktā atomu ķīmiskajā saitē, bet gan raksturo visu reakciju. Bioķīmijā viņi runā par ķīmisko konjugāciju un makroerģiska savienojuma veidošanos.
Universāls bioenerģijas avots
Visiem mūsu planētas dzīvajiem organismiem ir viens universāls enerģijas uzkrāšanas elements – tā ir makroerģiskā saite ATP – ADP – AMP (adenozīntri, di, monofosforskābe). Tās ir biomolekulas, kas sastāv no slāpekli saturošas adenīna bāzes, kas pievienota ribozes ogļhidrātam, un pievienotajām fosforskābes atliekām. Ūdens un restrikcijas enzīma iedarbībā adenozīna trifosfāta molekula (C10H16N5 O 13P3) var sadalīties adenozīna difosforskābes molekulā un ortofosfātskābē. Šo reakciju pavada brīvās enerģijas izdalīšanās apmēram 30,5 kJ/mol. Visi dzīvības procesi katrā mūsu ķermeņa šūnā notiek, kad enerģija tiek uzkrāta ATP un tiek izmantota, kad tā tiek salauzta.saites starp ortofosforskābes atlikumiem.
Ziedotājs un akceptētājs
Pie augstas enerģijas savienojumiem pieder arī vielas ar gariem nosaukumiem, kas hidrolīzes reakcijās var veidot ATP molekulas (piemēram, pirofosforskābe un pirovīnskābe, sukcinilkoenzīmi, ribonukleīnskābju aminoacilatvasinājumi). Visi šie savienojumi satur fosfora (P) un sēra (S) atomus, starp kuriem ir augstas enerģijas saites. Tā ir enerģija, kas izdalās, kad tiek pārtraukta augstas enerģijas saite ATP (donorā), ko šūna absorbē savu organisko savienojumu sintēzes laikā. Un tajā pašā laikā šo saišu rezerves tiek pastāvīgi papildinātas ar enerģijas (akceptora) uzkrāšanos, kas izdalās makromolekulu hidrolīzes laikā. Katrā cilvēka ķermeņa šūnā šie procesi notiek mitohondrijās, savukārt ATP pastāvēšanas ilgums ir mazāks par 1 minūti. Dienas laikā mūsu ķermenis sintezē apmēram 40 kilogramus ATP, kas katrs iziet līdz 3 tūkstošiem sabrukšanas ciklu. Un jebkurā brīdī mūsu organismā ir aptuveni 250 grami ATP.
Augstas enerģijas biomolekulu funkcijas
Papildus enerģijas donora un akceptora funkcijai makromolekulāro savienojumu sadalīšanās un sintēzes procesos, ATP molekulām ir vairākas citas ļoti svarīgas lomas šūnās. Makroerģisko saišu pārraušanas enerģija tiek izmantota siltuma ģenerēšanas, mehāniskā darba, elektroenerģijas uzkrāšanas un luminiscences procesos. Tajā pašā laikā transformācijaķīmisko saišu enerģija siltuma, elektriskās, mehāniskās, tajā pašā laikā kalpo kā enerģijas apmaiņas posms ar sekojošu ATP uzglabāšanu tajās pašās makroenerģijas saitēs. Visi šie procesi šūnā tiek saukti par plastisko un enerģijas apmaiņu (shēma attēlā). ATP molekulas darbojas arī kā koenzīmi, regulējot noteiktu enzīmu darbību. Turklāt ATP var būt arī starpnieks, signālu aģents nervu šūnu sinapsēs.
Enerģijas un matērijas plūsma šūnā
Tādējādi ATP šūnā ieņem galveno un galveno vietu vielu apmaiņā. Ir diezgan daudz reakciju, kuru laikā rodas un sadalās ATP (oksidatīvā un substrāta fosforilēšanās, hidrolīze). Šo molekulu sintēzes bioķīmiskās reakcijas ir atgriezeniskas, noteiktos apstākļos tās šūnās tiek nobīdītas sintēzes vai sabrukšanas virzienā. Šo reakciju ceļi atšķiras pēc vielu pārvērtību skaita, oksidatīvo procesu veida un enerģijas padeves un enerģiju patērējošo reakciju konjugācijas veidiem. Katram procesam ir skaidri pielāgojumi noteikta veida "degvielas" apstrādei un tā efektivitātes ierobežojumiem.
Darbības novērtējums
Enerģijas pārveidošanas efektivitātes rādītāji biosistēmās ir nelieli un novērtēti lietderības koeficienta standartvērtībās (darbam iztērētā lietderīgā darba attiecība pret kopējo iztērēto enerģiju). Bet šeit, lai nodrošinātu bioloģisko funkciju izpildi, izmaksas ir ļoti augstas. Piemēram, skrējējs masas vienības izteiksmē tērē tik daudzenerģija, cik daudz un liels okeāna laineris. Pat miera stāvoklī organisma dzīvības uzturēšana ir smags darbs, un tam tiek iztērēti aptuveni 8 tūkstoši kJ/mol. Tajā pašā laikā olb altumvielu sintēzei tiek tērēti aptuveni 1,8 tūkstoši kJ / mol, sirds darbam - 1,1 tūkstoši kJ / mol, bet ATP sintēzei - līdz 3,8 tūkstoši kJ / mol.
Adenilēt šūnu sistēmu
Šī ir sistēma, kas ietver visu ATP, ADP un AMP summu šūnā noteiktā laika periodā. Šī vērtība un komponentu attiecība nosaka šūnas enerģētisko stāvokli. Sistēma tiek novērtēta pēc sistēmas enerģijas lādiņa (fosfātu grupu attiecība pret adenozīna atlikumu). Ja šūnu makroerģiskajos savienojumos ir tikai ATP - tam ir visaugstākais enerģētiskais statuss (indekss -1), ja tikai AMP - minimālais statuss (indekss - 0). Dzīvās šūnās parasti saglabājas rādītāji 0,7-0,9. Šūnas enerģētiskā stāvokļa stabilitāte nosaka fermentatīvo reakciju ātrumu un optimāla vitālās aktivitātes līmeņa uzturēšanu.
Un nedaudz par spēkstacijām
Kā jau minēts, ATP sintēze notiek specializētās šūnu organellās – mitohondrijās. Un šodien starp biologiem notiek strīdi par šo apbrīnojamo struktūru izcelsmi. Mitohondriji ir šūnas spēkstacijas, kuru "degviela" ir olb altumvielas, tauki, glikogēns un elektrība - ATP molekulas, kuru sintēze notiek ar skābekļa līdzdalību. Mēs varam teikt, ka mēs elpojam, lai mitohondriji strādātu. Jo vairāk darāmāšūnas, jo vairāk enerģijas tām nepieciešams. Lasīt - ATP, kas nozīmē - mitohondriji.
Piemēram, profesionālam sportistam skeleta muskuļos ir aptuveni 12% mitohondriju, bet nesportiskam cilvēkam – uz pusi mazāk. Bet sirds muskuļos to rādītājs ir 25%. Mūsdienu treniņu metodes sportistiem, īpaši maratona skrējējiem, balstās uz MOC (maksimālais skābekļa patēriņš), kas tieši atkarīgs no mitohondriju skaita un muskuļu spējas veikt ilgstošas slodzes. Vadošās apmācības programmas profesionālajam sportam ir vērstas uz mitohondriju sintēzes stimulēšanu muskuļu šūnās.
