Kui parafraseerida üldtuntud väljendit "liikumine on elu", saab selgeks, et kõik elusaine ilmingud - kasv, paljunemine, toitainete sünteesi protsessid, hingamine - on tegelikult aatomite liikumine. ja raku moodustavad molekulid. Kas need protsessid on võimalikud ilma energia osaluseta? Muidugi mitte.
Kust ammutavad elusorganismid, alates hiiglaslikest organismidest, nagu sinivaal või ameerika sekvoia, kuni ultramikroskoopiliste bakteriteni?
Biokeemia on sellele küsimusele vastuse leidnud. Adenosiintrifosforhape on universaalne aine, mida kasutavad kõik meie planeedi elanikud. Selles artiklis käsitleme ATP struktuuri ja funktsioone erinevates elusorganismide rühmades. Lisaks teeme kindlaks, millised organellid vastutavad selle sünteesi eest taime- ja loomarakkudes.
Avastuste ajalugu
20. sajandi alguses avastasid mitmed teadlased, nimelt Subbaris, Loman ja Friske, Harvardi meditsiinikooli laboris adenüülile oma struktuurilt lähedase ühendiribonukleiinhappe nukleotiid. Kuid see ei sisaldanud üht, vaid koguni kolme fosfaathappe jääki, mis olid seotud monosahhariidi riboosiga. Kaks aastakümmet hiljem kinnitas F. Lipman ATP funktsioone uurides teaduslikku oletust, et see ühend kannab energiat. Sellest hetkest alates oli biokeemikutel suurepärane võimalus tutvuda üksikasjalikult selle aine rakus esineva sünteesi keeruka mehhanismiga. Hiljem avastati võtmeühend: ensüüm – ATP süntaas, mis vastutab happemolekulide moodustumise eest mitokondrites. Et teha kindlaks, millist funktsiooni ATP täidab, uurime välja, milliseid elusorganismides toimuvaid protsesse ei saa ilma selle aine osaluseta läbi viia.
Energia eksisteerimise vormid bioloogilistes süsteemides
Elusorganismides toimuvad mitmesugused reaktsioonid nõuavad erinevat tüüpi energiat, mis võivad üksteiseks muutuda. Nende hulka kuuluvad mehaanilised protsessid (bakterite ja algloomade liikumine, müofibrillide kokkutõmbumine lihaskoes), biokeemiline süntees. See loend sisaldab ka elektrilisi impulsse, mis on ergutamise ja pärssimise aluseks, termilised reaktsioonid, mis hoiavad soojaverelistel loomadel ja inimestel püsivat kehatemperatuuri. Mereplanktoni, mõnede putukate ja süvamere kalade luminestseeruv kuma on samuti teatud tüüpi elusorganismide toodetud energia.
Kõik ülalmainitud bioloogilistes süsteemides esinevad nähtused on võimatud ilma ATP molekulideta, mille ülesanne on säilitadaenergia makroergiliste sidemete kujul. Need esinevad adenüülnukleosiidi ja fosfaathappe jääkide vahel.
Kust tuleb rakuenergia?
Vastav alt termodünaamika seadustele toimub energia ilmumine ja kadumine teatud põhjustel. Toidu moodustavate orgaaniliste ühendite: valkude, süsivesikute ja eriti lipiidide lagunemine toob kaasa energia vabanemise. Hüdrolüüsi esmased protsessid toimuvad seedetraktis, kus orgaaniliste ühendite makromolekulid puutuvad kokku ensüümide toimega. Osa saadud energiast hajub soojuse kujul või kasutatakse raku sisemise sisu optimaalse temperatuuri hoidmiseks. Ülejäänud osa koguneb kujul mitokondritesse - raku elektrijaamadesse. See on ATP molekuli põhifunktsioon – keha energiavajaduse tagamine ja täiendamine.
Mis roll on kataboolsetel reaktsioonidel
Elusaine elementaarüksus – rakk, saab toimida ainult siis, kui energiat oma elutsüklis pidev alt uuendatakse. Selle tingimuse täitmiseks raku ainevahetuses on suund, mida nimetatakse dissimilatsiooniks, katabolismiks või energia metabolismiks. Hapnikuvabas etapis, mis on kõige lihtsam viis energia moodustamiseks ja salvestamiseks, sünteesitakse igast glükoosi molekulist hapniku puudumisel 2 energiamahuka aine molekuli, mis täidavad rakus ATP põhifunktsioone - varustada seda energiaga. Enamik anoksilise etapi reaktsioone toimub tsütoplasmas.
Sõltuv alt raku struktuurist võib see kulgeda mitmel viisil, näiteks glükolüüsi, alkoholi või piimhappe fermentatsiooni vormis. Kuid nende metaboolsete protsesside biokeemilised omadused ei mõjuta ATP funktsiooni rakus. See on universaalne: raku energiavarude säilitamiseks.
Kuidas molekuli struktuur on seotud selle funktsioonidega
Varem tegime kindlaks, et adenosiintrifosforhape sisaldab kolme fosfaadijääki, mis on seotud nitraataluse – adeniini – ja monosahhariidi – riboosiga. Kuna peaaegu kõik raku tsütoplasmas toimuvad reaktsioonid viiakse läbi vesikeskkonnas, lõhuvad happemolekulid hüdrolüütiliste ensüümide toimel kovalentsed sidemed, moodustades kõigepe alt adenosiindifosforhappe ja seejärel AMP. Pöördreaktsioonid, mis viivad adenosiintrifosforhappe sünteesini, toimuvad ensüümi fosfotransferaasi juuresolekul. Kuna ATP täidab rakkude elutähtsa aktiivsuse universaalse allika funktsiooni, sisaldab see kahte makroergilist sidet. Nende igaühe järjestikusel purunemisel vabaneb 42 kJ. Seda ressurssi kasutatakse rakkude ainevahetuses, nende kasvu- ja paljunemisprotsessides.
ATP süntaasi väärtus
Üldise tähtsusega organellides – mitokondrites, mis paiknevad taime- ja loomarakkudes, on olemas ensümaatiline süsteem – hingamisahel. See sisaldab ensüümi ATP süntaasi. Biokatalüsaatori molekulid, mis on valgu gloobulitest koosneva heksameeri kujuga, on sukeldatud nii membraani kui kamitokondrite strooma. Tänu ensüümi aktiivsusele sünteesitakse ADP-st ja anorgaanilise fosfaathappe jääkidest raku energiaaine. Moodustunud ATP molekulid täidavad oma elutegevuseks vajaliku energia kogumise funktsiooni. Biokatalüsaatori eripäraks on see, et kui energiaühendeid on liiga palju, käitub see hüdrolüütilise ensüümina, lõhestades nende molekule.
Adenosiintrifosforhappe sünteesi tunnused
Taimedel on tõsine metaboolne omadus, mis eristab neid organisme loomadest radikaalselt. Seda seostatakse autotroofse toitumisviisiga ja võimega töödelda fotosünteesi. Makroergilisi sidemeid sisaldavate molekulide moodustumine toimub taimedes raku organellides - kloroplastides. Meile juba tuntud ensüüm ATP süntaas on osa nende tülakoididest ja kloroplastide stroomas. ATP funktsioonid rakus on energia salvestamine nii autotroofsetes kui heterotroofsetes organismides, sealhulgas inimestes.
Makroergiliste sidemetega ühendid sünteesitakse saprotroofides ja heterotroofides mitokondriaalsetel kristallidel toimuvates oksüdatiivsetes fosforüülimisreaktsioonides. Nagu näete, on erinevad elusorganismide rühmad evolutsiooni käigus moodustanud täiusliku mehhanismi sellise ühendi nagu ATP sünteesiks, mille ülesanne on varustada rakku energiaga.
