Svaki naš pokret ili misao zahtijeva energiju iz tijela. Tu silu pohranjuje svaka tjelesna stanica i akumulira je u biomolekulama uz pomoć makroergijskih veza. Upravo te molekule baterije osiguravaju sve životne procese. Stalna izmjena energije unutar stanica određuje sam život. Koje su to biomolekule s makroergijskim vezama, odakle dolaze i što se događa s njihovom energijom u svakoj stanici našeg tijela - o tome se govori u članku.
Biološki posrednici
U bilo kojem organizmu energija od agensa koji stvara energiju do potrošača biološke energije ne prolazi izravno. Kada se intramolekularne veze prehrambenih proizvoda razbiju, oslobađa se potencijalna energija kemijskih spojeva, koja daleko nadilazi sposobnost intracelularnih enzimskih sustava da je iskoriste. Zato se u biološkim sustavima oslobađanje potencijalnih kemikalija događa postupno uz njihovu postupnu transformaciju u energiju i njezino nakupljanje u makroergijskim spojevima i vezama. A upravo se biomolekule koje su sposobne za takvu akumulaciju energije nazivaju visokoenergetskim.
Koje se veze nazivaju makroergijskim?
Razina slobodne energije od 12,5 kJ/mol, koja nastaje tijekom stvaranja ili raspada kemijske veze, smatra se normalnom. Kada se tijekom hidrolize određenih tvari stvara slobodna energija više od 21 kJ/mol, tada se to naziva makroergijskim vezama. Označavaju se simbolom tilde - ~. Za razliku od fizikalne kemije, gdje makroergijska veza znači kovalentnu vezu atoma, u biologiji oni označavaju razliku između energije početnih agenasa i njihovih produkata raspadanja. To jest, energija nije lokalizirana u specifičnoj kemijskoj vezi atoma, već karakterizira cjelokupnu reakciju. U biokemiji govore o kemijskoj konjugaciji i stvaranju makroergijskog spoja.
Univerzalni izvor bioenergije
Svi živi organizmi na našem planetu imaju jedan univerzalni element skladištenja energije - to je makroergijska veza ATP - ADP - AMP (adenozin tri, di, monofosforna kiselina). To su biomolekule koje se sastoje od adeninske baze koja sadrži dušik, a vezana je za ugljikohidrat riboze i vezanih ostataka fosforne kiseline. Pod djelovanjem vode i restrikcijskih enzima, molekula adenozin trifosfata (C10H16N5 O 13P3) može se razgraditi u molekulu adenozin difosforne kiseline i ortofosfatnu kiselinu. Ova reakcija je popraćena oslobađanjem slobodne energije reda veličine 30,5 kJ/mol. Svi životni procesi u svakoj stanici našeg tijela nastaju kada se energija akumulira u ATP-u i koristi kada se razbije.veze između ostataka ortofosforne kiseline.
Donator i primatelj
Visokoenergetski spojevi također uključuju tvari s dugim nazivima koje mogu formirati ATP molekule u reakcijama hidrolize (na primjer, pirofosforne i pirogrožđane kiseline, sukcinil koenzimi, aminoacil derivati ribonukleinskih kiselina). Svi ovi spojevi sadrže atome fosfora (P) i sumpora (S), između kojih postoje visokoenergetske veze. Energija koja se oslobađa kada se razbije visokoenergetska veza u ATP-u (donoru) apsorbira je stanica tijekom sinteze vlastitih organskih spojeva. A u isto vrijeme, rezerve ovih veza stalno se nadopunjuju akumulacijom energije (akceptora) koja se oslobađa tijekom hidrolize makromolekula. U svakoj stanici ljudskog tijela ti se procesi odvijaju u mitohondrijima, dok je trajanje postojanja ATP-a manje od 1 minute. Tijekom dana naše tijelo sintetizira oko 40 kilograma ATP-a, koji svaki prolaze do 3 tisuće ciklusa raspadanja. I u svakom trenutku, oko 250 grama ATP-a je prisutno u našem tijelu.
Funkcije visokoenergetskih biomolekula
Osim funkcije donora i akceptora energije u procesima razgradnje i sinteze makromolekularnih spojeva, molekule ATP-a imaju još nekoliko vrlo važnih uloga u stanicama. Energija raskidanja makroergijskih veza koristi se u procesima stvaranja topline, mehaničkog rada, akumulacije električne energije i luminescencije. Istovremeno, transformacijaenergija kemijskih veza u toplinsku, električnu, mehaničku u isto vrijeme služi kao faza razmjene energije s naknadnim skladištenjem ATP-a u istim makroenergetskim vezama. Svi ti procesi u stanici nazivaju se plastična i energetska izmjena (dijagram na slici). ATP molekule također djeluju kao koenzimi, regulirajući aktivnost određenih enzima. Osim toga, ATP također može biti posrednik, signalno sredstvo u sinapsama živčanih stanica.
Protok energije i materije u ćeliji
Dakle, ATP u stanici zauzima središnje i glavno mjesto u razmjeni tvari. Postoji dosta reakcija u kojima nastaje i razgrađuje ATP (oksidativna i supstratna fosforilacija, hidroliza). Biokemijske reakcije sinteze ovih molekula su reverzibilne, pod određenim uvjetima pomiču se u stanicama u smjeru sinteze ili propadanja. Putovi tih reakcija razlikuju se po broju transformacija tvari, vrsti oksidativnih procesa te po načinima konjugacije energetskih opskrbnih i energetskih reakcija. Svaki proces ima jasne prilagodbe za obradu određene vrste "goriva" i njegove granice učinkovitosti.
Procjena izvedbe
Pokazatelji učinkovitosti pretvorbe energije u biosustavima su mali i procjenjuju se u standardnim vrijednostima faktora učinkovitosti (omjer korisnog rada utrošenog na rad i ukupne potrošene energije). Ali ovdje, kako bi se osiguralo obavljanje bioloških funkcija, troškovi su vrlo visoki. Na primjer, trkač, u smislu jedinice mase, troši tolikoenergije, koliko i veliki oceanski brod. Čak iu mirovanju, održavanje života organizma je težak posao, a na to se troši oko 8 tisuća kJ / mol. Istodobno se oko 1,8 tisuća kJ/mol troši na sintezu proteina, 1,1 tisuća kJ/mol na rad srca, ali do 3,8 tisuća kJ/mol na sintezu ATP-a.
Adenilat stanični sustav
Ovo je sustav koji uključuje zbroj svih ATP, ADP i AMP u ćeliji u određenom vremenskom razdoblju. Ova vrijednost i omjer komponenti određuju energetski status stanice. Sustav se ocjenjuje u smislu energetskog naboja sustava (omjer fosfatnih skupina prema ostatku adenozina). Ako je samo ATP prisutan u stanici makroergijskim spojevima - ona ima najviši energetski status (indeks -1), ako je samo AMP - minimalni status (indeks - 0). U živim stanicama obično se održavaju pokazatelji od 0,7-0,9. Stabilnost energetskog statusa stanice određuje brzinu enzimskih reakcija i održavanje optimalne razine vitalne aktivnosti.
I malo o elektranama
Kao što je već spomenuto, sinteza ATP-a odvija se u specijaliziranim staničnim organelama - mitohondrijima. I danas među biolozima postoje sporovi o podrijetlu ovih nevjerojatnih struktura. Mitohondriji su elektrane stanice, "gorivo" za koje su proteini, masti, glikogen i električna energija - molekule ATP-a, čija se sinteza odvija uz sudjelovanje kisika. Možemo reći da dišemo kako bi mitohondriji radili. Što više posla treba obavitistanice, potrebno im je više energije. Pročitaj - ATP, što znači - mitohondrije.
Na primjer, profesionalni sportaš ima oko 12% mitohondrija u svojim skeletnim mišićima, dok neatletski laik ima upola manje. Ali u srčanom mišiću njihova stopa je 25%. Suvremene metode treninga sportaša, posebice maratonaca, temelje se na MOC-u (maksimalna potrošnja kisika), što izravno ovisi o broju mitohondrija i sposobnosti mišića za izvođenje dugotrajnih opterećenja. Vodeći programi treninga za profesionalni sport usmjereni su na poticanje sinteze mitohondrija u mišićnim stanicama.
