Svaki naš pokret ili misao zahtijeva energiju iz tijela. Ovu silu pohranjuje svaka tjelesna stanica i akumulira je u biomolekulama uz pomoć makroergijskih veza. Upravo ti molekuli baterija osiguravaju sve životne procese. Stalna razmjena energije unutar ćelija određuje sam život. Šta su to biomolekule sa makroergijskim vezama, odakle dolaze i šta se dešava sa njihovom energijom u svakoj ćeliji našeg tela - o tome se govori u članku.
Biološki posrednici
U bilo kojem organizmu, energija od agensa koji stvara energiju do potrošača biološke energije ne prolazi direktno. Kada se pokidaju intramolekularne veze prehrambenih proizvoda, oslobađa se potencijalna energija hemijskih jedinjenja, koja daleko prevazilazi sposobnost intracelularnih enzimskih sistema da je iskoriste. Zato se u biološkim sistemima oslobađanje potencijalnih hemikalija odvija postupno uz njihovu postepenu transformaciju u energiju i njeno nakupljanje u makroergijskim jedinjenjima i vezama. A biomolekule koje su sposobne za takvu akumulaciju energije nazivaju se visokoenergetskim.
Koje se veze zovu makroergijske?
Nivo slobodne energije od 12,5 kJ/mol, koji nastaje tokom formiranja ili raspada hemijske veze, smatra se normalnim. Kada se prilikom hidrolize određenih tvari formira slobodna energija veća od 21 kJ/mol, onda se to naziva makroergijskim vezama. Označeni su simbolom tilde - ~. Za razliku od fizičke hemije, gdje makroergijska veza označava kovalentnu vezu atoma, u biologiji oni označavaju razliku između energije početnih agenasa i njihovih proizvoda raspada. Odnosno, energija nije lokalizirana u specifičnoj kemijskoj vezi atoma, već karakterizira cjelokupnu reakciju. U biohemiji govore o hemijskoj konjugaciji i formiranju makroergijskog jedinjenja.
Univerzalni izvor bio energije
Svi živi organizmi na našoj planeti 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 i vezanih za ugljikohidrat riboze i vezanih ostataka fosforne kiseline. Pod dejstvom vode i restriktivnog enzima, molekula adenozin trifosfata (C10H16N5 O 13P3) može se razgraditi na molekul adenozin difosforne kiseline i ortofosfatnu kiselinu. Ova reakcija je praćena oslobađanjem slobodne energije reda veličine 30,5 kJ/mol. Svi životni procesi u svakoj ćeliji našeg tijela nastaju kada se energija akumulira u ATP-u i koristi kada se razbije.veze između ostataka ortofosforne kiseline.
Donator i primatelj
Visokoenergetska jedinjenja takođe uključuju supstance sa dugim nazivima koje mogu da formiraju ATP molekule u reakcijama hidrolize (na primer, pirofosforne i pirogrožđane kiseline, sukcinil koenzimi, aminoacil derivati ribonukleinskih kiselina). Sva ova jedinjenja sadrže atome fosfora (P) i sumpora (S), između kojih postoje visokoenergetske veze. To je energija koja se oslobađa kada se visokoenergetska veza u ATP-u (donoru) prekine, a apsorbuje je ćelija tokom sinteze sopstvenih organskih jedinjenja. A u isto vrijeme, rezerve ovih veza stalno se popunjavaju akumulacijom energije (akceptora) koja se oslobađa tijekom hidrolize makromolekula. U svakoj ćeliji ljudskog tijela ti se procesi odvijaju u mitohondrijima, a trajanje postojanja ATP-a je manje od 1 minute. U toku dana naše tijelo sintetiše oko 40 kilograma ATP-a, koji svaki prolaze do 3 hiljade ciklusa raspadanja. I u svakom trenutku, oko 250 grama ATP-a je prisutno u našem tijelu.
Funkcije visokoenergetskih biomolekula
Pored funkcije donora i akceptora energije u procesima razgradnje i sinteze makromolekularnih jedinjenja, molekuli ATP-a imaju još nekoliko veoma važnih uloga u ćelijama. Energija raskidanja makroergijskih veza koristi se u procesima stvaranja toplote, mehaničkog rada, akumulacije električne energije i luminescencije. Istovremeno, transformacijaenergija hemijskih veza u toplotnu, električnu, mehaničku istovremeno služi kao faza razmene energije sa naknadnim skladištenjem ATP-a u istim makroenergetskim vezama. Svi ovi procesi u ćeliji nazivaju se plastična i energetska izmjena (dijagram na slici). Molekuli ATP-a djeluju i kao koenzimi, regulišući aktivnost određenih enzima. Osim toga, ATP može biti i posrednik, signalni agens u sinapsama nervnih ćelija.
Protok energije i materije u ćeliji
Dakle, ATP u ćeliji zauzima centralno i glavno mjesto u razmjeni materije. Postoji dosta reakcija u kojima nastaje i razgrađuje ATP (oksidativna i supstratna fosforilacija, hidroliza). Biohemijske reakcije sinteze ovih molekula su reverzibilne; pod određenim uslovima, one se pomeraju u ćelijama u pravcu sinteze ili propadanja. Putevi ovih reakcija razlikuju se po broju transformacija supstanci, vrsti oksidativnih procesa, kao i po načinima konjugacije energetskih reakcija i reakcija koje troše energiju. Svaki proces ima jasne prilagodbe za obradu određene vrste "goriva" i njegove granice efikasnosti.
Procjena učinka
Indikatori efikasnosti konverzije energije u biosistemima su mali i procjenjuju se u standardnim vrijednostima faktora efikasnosti (odnos korisnog rada utrošenog na rad prema ukupno utrošenoj energiji). 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 okeanski brod. Čak i u mirovanju, održavanje života organizma je težak posao, a na to se troši oko 8 hiljada kJ / mol. Istovremeno se oko 1,8 hiljada kJ/mol troši na sintezu proteina, 1,1 hiljada kJ/mol na rad srca, ali do 3,8 hiljada kJ/mol na sintezu ATP-a.
Adenilat ćelijski sistem
Ovo je sistem koji uključuje zbir svih ATP, ADP i AMP u ćeliji u određenom vremenskom periodu. Ova vrijednost i odnos komponenti određuju energetski status ćelije. Sistem se vrednuje u smislu energetskog naboja sistema (odnos fosfatnih grupa prema ostatku adenozina). Ako je u ćelijskim makroergijskim jedinjenjima prisutan samo ATP - ona ima najviši energetski status (indeks -1), ako je samo AMP - minimalni status (indeks - 0). U živim ćelijama se obično održavaju indikatori od 0,7-0,9. Stabilnost energetskog statusa ćelije određuje brzinu enzimskih reakcija i održavanje optimalnog nivoa vitalne aktivnosti.
I malo o elektranama
Kao što je već pomenuto, sinteza ATP-a se dešava u specijalizovanim ćelijskim organelama - mitohondrijama. I danas među biolozima postoje sporovi o porijeklu ovih nevjerovatnih struktura. Mitohondrije su elektrane ćelije, "gorivo" za koje su proteini, masti, glikogen i električna energija - ATP molekuli, čija se sinteza odvija uz učešće kiseonika. Možemo reći da dišemo da bi mitohondrije radile. Što više posla treba uraditićelijama, potrebno im je više energije. Pročitaj - ATP, što znači - mitohondrije.
Na primjer, profesionalni sportista ima oko 12% mitohondrija u svojim skeletnim mišićima, dok neatletski laik ima upola manje. Ali u srčanom mišiću njihova stopa je 25%. Savremene metode treninga sportista, posebno maratonaca, baziraju se na MOC-u (maksimalna potrošnja kiseonika), što direktno zavisi od broja mitohondrija i sposobnosti mišića da izvode dugotrajna opterećenja. Vodeći programi obuke za profesionalni sport usmjereni su na stimulaciju sinteze mitohondrija u mišićnim ćelijama.
