Pārfrāzējot labi zināmo izteicienu "kustība ir dzīvība", kļūst skaidrs, ka visas dzīvās vielas izpausmes - augšana, vairošanās, barības vielu sintēzes procesi, elpošana - patiesībā ir atomu kustība. un molekulas, kas veido šūnu. Vai šie procesi ir iespējami bez enerģijas līdzdalības? Protams, nē.
Kur dzīvo ķermeņi, sākot no tādiem milzīgiem organismiem kā zilais valis vai Amerikas sekvoja, līdz pat ultramikroskopiskām baktērijām, iegūst krājumus?
Bioķīmija ir atradusi atbildi uz šo jautājumu. Adenozīna trifosforskābe ir universāla viela, ko izmanto visi mūsu planētas iedzīvotāji. Šajā rakstā mēs aplūkosim ATP struktūru un funkcijas dažādās dzīvo organismu grupās. Turklāt mēs noteiksim, kuras organellas ir atbildīgas par tā sintēzi augu un dzīvnieku šūnās.
Atklājumu vēsture
20. gadsimta sākumā Hārvardas Medicīnas skolas laboratorijā vairāki zinātnieki, proti, Subbaris, Lomans un Friske, atklāja savienojumu, kas pēc struktūras ir tuvu adenilam.ribonukleīnskābes nukleotīds. Tomēr tajā bija nevis viens, bet pat trīs fosfātskābes atlikumi, kas saistīti ar monosaharīda ribozi. Divas desmitgades vēlāk F. Lipmans, pētot ATP funkcijas, apstiprināja zinātnisko pieņēmumu, ka šis savienojums nes enerģiju. Kopš šī brīža bioķīmiķiem bija lieliska iespēja detalizēti iepazīties ar šīs vielas sarežģīto sintēzes mehānismu, kas notiek šūnā. Vēlāk tika atklāts galvenais savienojums: enzīms – ATP sintāze, kas atbild par skābes molekulu veidošanos mitohondrijās. Lai noteiktu, kādu funkciju veic ATP, noskaidrosim, kādus procesus, kas notiek dzīvos organismos, nevar veikt bez šīs vielas līdzdalības.
Enerģijas eksistences formas bioloģiskajās sistēmās
Dažādām reakcijām, kas notiek dzīvos organismos, ir nepieciešama dažāda veida enerģija, kas var pārveidoties viena par otru. Tie ietver mehāniskos procesus (baktēriju un vienšūņu pārvietošanos, miofibrilu kontrakciju muskuļu audos), bioķīmisko sintēzi. Šajā sarakstā ir iekļauti arī elektriskie impulsi, kas ir pamatā ierosināšanai un kavēšanai, termiskās reakcijas, kas uztur nemainīgu ķermeņa temperatūru siltasiņu dzīvniekiem un cilvēkiem. Jūras planktona, dažu kukaiņu un dziļjūras zivju luminiscējošais spīdums ir arī dzīvu ķermeņu radītais enerģijas veids.
Visas iepriekš minētās parādības, kas notiek bioloģiskajās sistēmās, nav iespējamas bez ATP molekulām, kuru funkcijas ir saglabātenerģija makroerģisko saišu veidā. Tās atrodas starp adenilnukleozīdu un fosfātskābes atlikumiem.
No kurienes nāk šūnu enerģija?
Saskaņā ar termodinamikas likumiem enerģijas parādīšanās un izzušana notiek noteiktu iemeslu dēļ. Organisko savienojumu, kas veido pārtiku: olb altumvielu, ogļhidrātu un īpaši lipīdu, sadalīšanās izraisa enerģijas izdalīšanos. Primārie hidrolīzes procesi notiek gremošanas traktā, kur organisko savienojumu makromolekulas tiek pakļautas enzīmu iedarbībai. Daļa saņemtās enerģijas tiek izkliedēta siltuma veidā vai tiek izmantota šūnas iekšējā satura optimālās temperatūras uzturēšanai. Atlikusī daļa uzkrājas mitohondrijās - šūnas spēkstacijās. Tā ir ATP molekulas galvenā funkcija – organisma enerģijas vajadzību nodrošināšana un papildināšana.
Kāda ir katabolisko reakciju loma
Dzīvās matērijas elementāra vienība - šūna, var funkcionēt tikai tad, ja tās dzīves ciklā pastāvīgi tiek atjaunināta enerģija. Lai izpildītu šo nosacījumu šūnu metabolismā, ir virziens, ko sauc par disimilāciju, katabolismu vai enerģijas metabolismu. Tās bezskābekļa stadijā, kas ir vienkāršākais enerģijas veidošanās un uzkrāšanas veids, no katras glikozes molekulas skābekļa trūkuma gadījumā tiek sintezētas 2 energoietilpīgas vielas molekulas, kas nodrošina galvenās ATP funkcijas šūnā - apgādājot to ar enerģiju. Lielākā daļa anoksiskās stadijas reakciju notiek citoplazmā.
Atkarībā no šūnas uzbūves tā var noritēt dažādos veidos, piemēram, glikolīzes, spirta vai pienskābes fermentācijas veidā. Tomēr šo vielmaiņas procesu bioķīmiskās īpašības neietekmē ATP darbību šūnā. Tas ir universāls: lai saglabātu šūnas enerģijas rezerves.
Kā molekulas struktūra ir saistīta ar tās funkcijām
Agrāk mēs konstatējām faktu, ka adenozīna trifosforskābe satur trīs fosfātu atlikumus, kas saistīti ar nitrātu bāzi - adenīnu un monosaharīdu - ribozi. Tā kā gandrīz visas reakcijas šūnas citoplazmā tiek veiktas ūdens vidē, skābes molekulas hidrolītisko enzīmu iedarbībā sarauj kovalentās saites, veidojot vispirms adenozīna difosforskābi un pēc tam AMP. Reversās reakcijas, kas izraisa adenozīna trifosforskābes sintēzi, notiek enzīma fosfotransferāzes klātbūtnē. Tā kā ATP pilda universāla šūnu dzīvībai svarīgās aktivitātes avota funkciju, tas ietver divas makroerģiskās saites. Ar katras no tām secīgu pārrāvumu izdalās 42 kJ. Šis resurss tiek izmantots šūnu metabolismā, to augšanas un vairošanās procesos.
ATP sintāzes vērtība
Vispārējas nozīmes organellās – mitohondrijās, kas atrodas augu un dzīvnieku šūnās, ir fermentatīvā sistēma – elpošanas ķēde. Tas satur fermentu ATP sintāzi. Biokatalizatora molekulas, kurām ir heksamēra forma, kas sastāv no proteīna globulām, ir iegremdētas gan membrānā, ganmitohondriju stroma. Pateicoties fermenta darbībai, šūnas enerģētiskā viela tiek sintezēta no ADP un neorganiskās fosfātskābes atlikumiem. Izveidotās ATP molekulas veic tās dzīvībai nepieciešamās enerģijas uzkrāšanas funkciju. Biokatalizatora īpatnība ir tāda, ka, ja ir pārmērīga enerģētisko savienojumu koncentrācija, tas uzvedas kā hidrolītisks enzīms, sadalot to molekulas.
Adenozīna trifosforskābes sintēzes iezīmes
Augiem ir nopietna vielmaiņas iezīme, kas radikāli atšķir šos organismus no dzīvniekiem. Tas ir saistīts ar autotrofisko uztura režīmu un spēju apstrādāt fotosintēzi. Makroerģiskās saites saturošu molekulu veidošanās augos notiek šūnu organellās – hloroplastos. Mums jau zināmais enzīms ATP sintāze ir daļa no to tilakoīdiem un hloroplastu stromas. ATP funkcijas šūnā ir enerģijas uzkrāšana gan autotrofos, gan heterotrofos organismos, tostarp cilvēkos.
Savienojumi ar makroerģiskām saitēm tiek sintezēti saprotrofos un heterotrofos oksidatīvās fosforilēšanas reakcijās, kas notiek uz mitohondriju kristāliem. Kā redzat, evolūcijas procesā dažādas dzīvo organismu grupas ir izveidojušas perfektu mehānismu tāda savienojuma kā ATP sintēzei, kura funkcijas ir nodrošināt šūnu ar enerģiju.
