Iga meie liigutus või mõte nõuab keh alt energiat. Seda jõudu salvestab iga keharakk ja akumuleerib selle makroergiliste sidemete abil biomolekulidesse. Just need aku molekulid tagavad kõik eluprotsessid. Pidev energiavahetus rakkude sees määrab elu enda. Mis on need makroergiliste sidemetega biomolekulid, kust nad tulevad ja mis juhtub nende energiaga meie keha igas rakus – sellest räägitakse artiklis.
Bioloogilised vahendajad
Üheski organismis ei liigu energia energiat tootvast ainest bioloogilise energiatarbijani otse. Toidukaupade molekulisiseste sidemete katkemisel vabaneb keemiliste ühendite potentsiaalne energia, mis ületab tunduv alt rakusiseste ensümaatiliste süsteemide võimet seda ära kasutada. Sellepärast toimub bioloogilistes süsteemides potentsiaalsete kemikaalide vabanemine järk-järgult, nende järkjärguline muundumine energiaks ja selle akumuleerumine makroergilistes ühendites ja sidemetes. Ja just biomolekule, mis on võimelised selliseks energia akumuleerimiseks, nimetatakse kõrgenergiaks.
Milliseid võlakirju nimetatakse makroergilisteks?
Keemilise sideme tekkimisel või lagunemisel tekkivat vaba energia taset 12,5 kJ/mol peetakse normaalseks. Kui teatud ainete hüdrolüüsi ajal tekib vaba energiat rohkem kui 21 kJ / mol, nimetatakse seda makroergilisteks sidemeteks. Neid tähistatakse tilde sümboliga - ~. Erinev alt füüsikalisest keemiast, kus makroergiline side tähendab aatomite kovalentset sidet, tähendavad need bioloogias erinevust lähteainete energia ja nende lagunemissaaduste vahel. See tähendab, et energia ei paikne aatomite konkreetses keemilises sidemes, vaid iseloomustab kogu reaktsiooni. Biokeemias räägitakse keemilisest konjugatsioonist ja makroergilise ühendi moodustumisest.
Universaalne bioenergiaallikas
Kõigil meie planeedi elusorganismidel on üks universaalne energia salvestamise element – see on makroergiline side ATP – ADP – AMP (adenosiin tri, di, monofosforhape). Need on biomolekulid, mis koosnevad lämmastikku sisaldavast adeniini alusest, mis on seotud riboosi süsivesiku külge ja kinnitunud fosforhappe jääkidega. Vee ja restriktsiooniensüümi toimel adenosiintrifosfaadi molekul (C10H16N5 O 13P3) võib laguneda adenosiindifosforhappe molekuliks ja ortofosfaathappeks. Selle reaktsiooniga kaasneb vaba energia vabanemine suurusjärgus 30,5 kJ/mol. Kõik eluprotsessid meie keha igas rakus toimuvad siis, kui energia koguneb ATP-sse ja kasutatakse selle purunemisel.sidemed ortofosforhappe jääkide vahel.
Doonor ja aktsepteerija
Kõrge energiaga ühendite hulka kuuluvad ka pikkade nimetustega ained, mis võivad hüdrolüüsireaktsioonides moodustada ATP molekule (näiteks pürofosfor- ja püroviinamarihape, suktsinüülkoensüümid, ribonukleiinhapete aminoatsüülderivaadid). Kõik need ühendid sisaldavad fosfori (P) ja väävli (S) aatomeid, mille vahel on kõrge energiaga sidemed. Just energia, mis vabaneb ATP-s (doonoris) oleva suure energiaga sideme katkemisel, neelab rakk enda orgaaniliste ühendite sünteesi käigus. Ja samal ajal täienevad nende sidemete varud pidev alt makromolekulide hüdrolüüsi käigus vabaneva energia (aktseptori) kogunemisega. Igas inimkeha rakus toimuvad need protsessid mitokondrites, samas kui ATP olemasolu kestus on alla 1 minuti. Päeva jooksul sünteesib meie keha umbes 40 kilogrammi ATP-d, millest igaüks läbib kuni 3 tuhat lagunemistsüklit. Ja igal ajahetkel on meie kehas umbes 250 grammi ATP-d.
Kõrge energiaga biomolekulide funktsioonid
Lisaks energia doonori ja aktseptori funktsioonile makromolekulaarsete ühendite lagunemis- ja sünteesiprotsessides mängivad ATP molekulid rakkudes veel mitmeid väga olulisi rolle. Makroergiliste sidemete katkemise energiat kasutatakse soojuse tekke, mehaanilise töö, elektrienergia akumulatsiooni ja luminestsentsi protsessides. Samal ajal ka ümberkujundaminekeemiliste sidemete energia termiliseks, elektriliseks ja mehaaniliseks toimib samal ajal energiavahetuse etapina, millele järgneb ATP salvestamine samades makroenergia sidemetes. Kõiki neid protsesse rakus nimetatakse plastiliseks ja energiavahetuseks (joonisel diagramm). ATP molekulid toimivad ka koensüümidena, reguleerides teatud ensüümide aktiivsust. Lisaks võib ATP olla ka vahendaja, signaali edastaja närvirakkude sünapsis.
Energia ja aine voog rakus
Seega on ATP-l rakus ainevahetuses keskne ja peamine koht. Reaktsioone, mille käigus ATP tekib ja laguneb, toimub üsna palju (oksüdatiivne ja substraadi fosforüülimine, hüdrolüüs). Nende molekulide sünteesi biokeemilised reaktsioonid on pöörduvad, teatud tingimustel nihkuvad need rakkudes sünteesi või lagunemise suunas. Nende reaktsioonide teed erinevad ainete transformatsioonide arvu, oksüdatiivsete protsesside tüübi ning energiat andvate ja energiat tarbivate reaktsioonide konjugeerimise viiside poolest. Igal protsessil on selged kohandused teatud tüüpi "kütuse" töötlemiseks ja selle tõhususe piirideks.
Toimivuse hindamine
Biosüsteemide energia muundamise efektiivsuse näitajad on väikesed ja neid hinnatakse efektiivsusteguri standardväärtustes (tööle kulutatud kasuliku töö suhe kogu kulutatud energiasse). Kuid siin on bioloogiliste funktsioonide toimimise tagamiseks kulud väga suured. Näiteks jooksja kulutab massiühikus nii paljuenergiat, kui palju ja suur ookeanilaev. Isegi puhkeolekus on organismi elu säilitamine raske töö ja sellele kulub umbes 8 tuhat kJ / mol. Samal ajal kulub valgusünteesile umbes 1,8 tuhat kJ / mol, südame tööle 1,1 tuhat kJ / mol, kuid ATP sünteesile kuni 3,8 tuhat kJ / mol.
Adenüleeri rakusüsteem
See on süsteem, mis sisaldab kogu ATP, ADP ja AMP summat lahtris kindlal ajavahemikul. See väärtus ja komponentide suhe määravad raku energiaseisundi. Süsteemi hinnatakse süsteemi energialaengu järgi (fosfaatrühmade ja adenosiinijäägi suhe). Kui raku makroergilistes ühendites on ainult ATP - sellel on kõrgeim energiastaatus (indeks -1), kui ainult AMP - minimaalne staatus (indeks - 0). Elusrakkudes säilivad tavaliselt näitajad 0,7-0,9 Raku energiaseisundi stabiilsus määrab ensümaatiliste reaktsioonide kiiruse ja elutegevuse optimaalse taseme säilimise.
Ja natuke elektrijaamadest
Nagu juba mainitud, toimub ATP süntees spetsiaalsetes rakuorganellides – mitokondrites. Ja tänapäeval on bioloogide seas vaidlusi nende hämmastavate struktuuride päritolu üle. Mitokondrid on raku jõujaamad, mille "kütuseks" on valgud, rasvad, glükogeen ja elekter - ATP molekulid, mille süntees toimub hapniku osalusel. Võib öelda, et me hingame selleks, et mitokondrid töötaksid. Mida rohkem tööd teharakud, seda rohkem energiat nad vajavad. Loe – ATP, mis tähendab – mitokondrid.
Näiteks professionaalsel sportlasel on skeletilihastes umbes 12% mitokondreid, samas kui mittesportlikul võhikul on poole vähem. Kuid südamelihases on nende määr 25%. Sportlaste, eriti maratonijooksjate kaasaegsed treeningmeetodid põhinevad MOC-l (maksimaalne hapnikutarbimine), mis sõltub otseselt mitokondrite arvust ja lihaste võimest sooritada pikaajalisi koormusi. Profispordi juhtivad treeningprogrammid on suunatud mitokondrite sünteesi stimuleerimisele lihasrakkudes.
