Každý náš pohyb alebo myšlienka vyžaduje energiu z tela. Túto silu ukladá každá bunka tela a pomocou makroergických väzieb ju akumuluje v biomolekulách. Práve tieto molekuly batérie zabezpečujú všetky životné procesy. Neustála výmena energie v bunkách určuje samotný život. Čo sú to za biomolekuly s makroergickými väzbami, odkiaľ pochádzajú a čo sa deje s ich energiou v každej bunke nášho tela – o tom hovoríme v článku.
Biologickí mediátori
V žiadnom organizme energia z látky generujúcej energiu k biologickému spotrebiteľovi energie neprechádza priamo. Keď sa prerušia intramolekulárne väzby potravinových produktov, uvoľní sa potenciálna energia chemických zlúčenín, ktorá ďaleko prevyšuje schopnosť vnútrobunkových enzymatických systémov ju využiť. Preto v biologických systémoch dochádza k uvoľňovaniu potenciálnych chemikálií postupne s ich postupnou premenou na energiu a jej akumuláciou v makroergických zlúčeninách a väzbách. A práve biomolekuly, ktoré sú schopné takejto akumulácie energie, sa nazývajú vysokoenergetické.
Aké väzby sa nazývajú makroergické?
Hladina voľnej energie 12,5 kJ/mol, ktorá vzniká pri vzniku alebo rozpade chemickej väzby, sa považuje za normálnu. Keď sa pri hydrolýze určitých látok vytvorí voľná energia viac ako 21 kJ / mol, potom sa to nazýva makroergické väzby. Označujú sa symbolom vlnovky - ~. Na rozdiel od fyzikálnej chémie, kde makroergická väzba znamená kovalentnú väzbu atómov, v biológii znamenajú rozdiel medzi energiou východiskových látok a ich rozpadových produktov. To znamená, že energia nie je lokalizovaná v špecifickej chemickej väzbe atómov, ale charakterizuje celú reakciu. V biochémii sa hovorí o chemickej konjugácii a tvorbe makroergickej zlúčeniny.
Univerzálny zdroj bioenergie
Všetky živé organizmy na našej planéte majú jeden univerzálny prvok na ukladanie energie – tým je makroergická väzba ATP – ADP – AMP (kyselina adenozín tri, di, monofosforečná). Sú to biomolekuly, ktoré pozostávajú z adenínovej bázy obsahujúcej dusík pripojenej k sacharidu ribózy a pripojených zvyškov kyseliny fosforečnej. Pôsobením vody a reštrikčného enzýmu vzniká molekula adenozíntrifosfátu (C10H16N5 O 13P3) sa môže rozložiť na molekulu kyseliny adenozíndifosforečnej a kyselinu ortofosfátovú. Táto reakcia je sprevádzaná uvoľnením voľnej energie rádovo 30,5 kJ/mol. Všetky životné procesy v každej bunke nášho tela sa vyskytujú, keď sa energia hromadí v ATP a používa sa, keď sa rozbije.väzby medzi zvyškami kyseliny ortofosforečnej.
Darca a príjemca
Medzi vysokoenergetické zlúčeniny patria aj látky s dlhými názvami, ktoré môžu vytvárať molekuly ATP v hydrolytických reakciách (napríklad kyseliny pyrofosforečné a pyrohroznové, sukcinylkoenzýmy, aminoacylové deriváty ribonukleových kyselín). Všetky tieto zlúčeniny obsahujú atómy fosforu (P) a síry (S), medzi ktorými sú vysokoenergetické väzby. Práve energia, ktorá sa uvoľní pri prerušení vysokoenergetickej väzby v ATP (donor), je absorbovaná bunkou počas syntézy vlastných organických zlúčenín. A zároveň sa zásoby týchto väzieb neustále dopĺňajú akumuláciou energie (akceptor) uvoľnenej pri hydrolýze makromolekúl. V každej bunke ľudského tela sa tieto procesy vyskytujú v mitochondriách, pričom trvanie existencie ATP je menej ako 1 minúta. Počas dňa naše telo syntetizuje asi 40 kilogramov ATP, z ktorých každý prejde až 3 000 cyklami rozpadu. A v každom okamihu je v našom tele prítomných asi 250 gramov ATP.
Funkcie vysokoenergetických biomolekúl
Okrem funkcie donoru a príjemcu energie v procesoch rozkladu a syntézy makromolekulárnych zlúčenín zohrávajú molekuly ATP v bunkách niekoľko ďalších veľmi dôležitých úloh. Energia rozbitia makroergických väzieb sa využíva v procesoch tvorby tepla, mechanickej práce, akumulácie elektriny a luminiscencie. Zároveň aj premenaenergia chemických väzieb na tepelné, elektrické, mechanické zároveň slúži ako stupeň výmeny energie s následným ukladaním ATP do rovnakých makroenergetických väzieb. Všetky tieto procesy v bunke sa nazývajú výmeny plastov a energie (schéma na obrázku). Molekuly ATP pôsobia aj ako koenzýmy, ktoré regulujú aktivitu určitých enzýmov. Okrem toho môže byť ATP aj mediátorom, signálnym činidlom v synapsiách nervových buniek.
Tok energie a hmoty v bunke
ATP v bunke teda zaujíma ústredné a hlavné miesto vo výmene hmoty. Reakcií, pomocou ktorých ATP vzniká a odbúrava, je pomerne veľa (oxidačná a substrátová fosforylácia, hydrolýza). Biochemické reakcie syntézy týchto molekúl sú reverzibilné, za určitých podmienok sú v bunkách posunuté v smere syntézy alebo rozpadu. Dráhy týchto reakcií sa líšia počtom premien látok, typom oxidačných procesov a spôsobmi konjugácie reakcií dodávajúcich energiu a spotrebúvajúcich energiu. Každý proces má jasné prispôsobenia na spracovanie konkrétneho typu „paliva“a jeho limity účinnosti.
Hodnotenie výkonu
Ukazovatele účinnosti premeny energie v biosystémoch sú malé a odhadujú sa v štandardných hodnotách faktora účinnosti (pomer užitočnej práce vynaloženej na prácu k celkovej vynaloženej energii). Ale tu, aby sa zabezpečil výkon biologických funkcií, náklady sú veľmi vysoké. Napríklad bežec v prepočte na jednotku hmotnosti minie toľkoenergie, koľko a veľký zaoceánsky parník. Aj v pokoji je udržanie životaschopnosti organizmu náročná práca a minie sa na to asi 8 tisíc kJ / mol. Zároveň sa na syntézu bielkovín minie asi 1,8 tisíc kJ / mol, na prácu srdca 1,1 tisíc kJ / mol, ale až 3,8 tisíc kJ / mol na syntézu ATP.
Adenylátový bunkový systém
Toto je systém, ktorý zahŕňa súčet všetkých ATP, ADP a AMP v bunke za určité časové obdobie. Táto hodnota a pomer zložiek určuje energetický stav článku. Systém sa hodnotí z hľadiska energetického náboja systému (pomer fosfátových skupín k adenozínovému zvyšku). Ak je v bunkových makroergických zlúčeninách prítomný iba ATP - má najvyšší energetický stav (index -1), ak len AMP - minimálny stav (index -0). V živých bunkách sa zvyčajne udržiavajú ukazovatele 0,7-0,9 Stabilita energetického stavu bunky určuje rýchlosť enzymatických reakcií a udržanie optimálnej úrovne vitálnej aktivity.
A niečo málo o elektrárňach
Ako už bolo spomenuté, k syntéze ATP dochádza v špecializovaných bunkových organelách – mitochondriách. A dnes medzi biológmi existujú spory o pôvode týchto úžasných štruktúr. Mitochondrie sú elektrárne bunky, „palivom“sú bielkoviny, tuky, glykogén a elektrina – molekuly ATP, ktorých syntéza prebieha za účasti kyslíka. Dá sa povedať, že dýchame, aby mitochondrie fungovali. O to viac prácebunky, tým viac energie potrebujú. Prečítajte si - ATP, čo znamená - mitochondrie.
Napríklad profesionálny športovec má v kostrových svaloch približne 12 % mitochondrií, zatiaľ čo nešportujúci laik má polovicu menej. Ale v srdcovom svale je ich miera 25%. Moderné tréningové metódy pre športovcov, najmä maratónskych bežcov, sú založené na MOC (maximálna spotreba kyslíka), ktorá priamo závisí od počtu mitochondrií a schopnosti svalov vykonávať dlhodobú záťaž. Popredné tréningové programy pre profesionálny šport sú zamerané na stimuláciu syntézy mitochondrií vo svalových bunkách.
