Всяко наше движение или мисъл изисква енергия от тялото. Тази сила се съхранява от всяка клетка на тялото и я натрупва в биомолекули с помощта на макроергични връзки. Именно тези молекули на батерията осигуряват всички жизнени процеси. Постоянният обмен на енергия в клетките определя самия живот. Какви са тези биомолекули с макроергични връзки, откъде идват и какво се случва с енергията им във всяка клетка на нашето тяло - това е разгледано в статията.
Биологични медиатори
Във всеки организъм енергията от генератор на енергия към консуматор на биологична енергия не преминава директно. Когато вътремолекулните връзки на хранителните продукти се разрушат, се освобождава потенциалната енергия на химичните съединения, която далеч надхвърля способността на вътреклетъчните ензимни системи да я използват. Ето защо в биологичните системи освобождаването на потенциални химикали става стъпаловидно с постепенното им превръщане в енергия и натрупването й в макроергични съединения и връзки. И именно биомолекулите, които са способни на такова натрупване на енергия, се наричат високоенергийни.
Какви връзки се наричат макроергични?
Нивото на свободната енергия от 12,5 kJ/mol, което се образува по време на образуването или разпадането на химическа връзка, се счита за нормално. Когато по време на хидролизата на определени вещества се образува свободна енергия повече от 21 kJ / mol, тогава това се нарича макроергични връзки. Те се обозначават със символа тилда - ~. За разлика от физическата химия, където макроергичната връзка означава ковалентна връзка от атоми, в биологията те означават разликата между енергията на изходните агенти и техните продукти на разпад. Тоест енергията не е локализирана в конкретна химическа връзка на атомите, а характеризира цялата реакция. В биохимията те говорят за химическо конюгиране и образуването на макроергично съединение.
Универсален биоенергиен източник
Всички живи организми на нашата планета имат един универсален елемент за съхранение на енергия - това е макроергичната връзка ATP - ADP - AMP (аденозин три, ди, монофосфорна киселина). Това са биомолекули, които се състоят от азот-съдържаща аденинова основа, прикрепена към рибозен въглехидрат и прикрепени остатъци от фосфорна киселина. Под действието на вода и рестрикционен ензим се образува молекула аденозин трифосфат (C10H16N5 O 13P3) може да се разложи в молекула на аденозин дифосфорна киселина и ортофосфатна киселина. Тази реакция е придружена от освобождаване на свободна енергия от порядъка на 30,5 kJ/mol. Всички жизнени процеси във всяка клетка на нашето тяло се случват, когато енергията се натрупва в АТФ и се използва, когато е разбита.връзки между остатъци от ортофосфорна киселина.
Донор и приемник
Високоенергийните съединения включват също вещества с дълги имена, които могат да образуват молекули на АТФ в реакции на хидролиза (например пирофосфорна и пирогроздна киселини, сукцинил коензими, аминоацилни производни на рибонуклеинови киселини). Всички тези съединения съдържат атоми на фосфор (P) и сяра (S), между които има високоенергийни връзки. Енергията, която се освобождава при разрушаване на високоенергийната връзка в АТФ (донор), се абсорбира от клетката по време на синтеза на нейните собствени органични съединения. И в същото време резервите на тези връзки непрекъснато се попълват с натрупването на енергия (акцептор), освободена по време на хидролизата на макромолекулите. Във всяка клетка на човешкото тяло тези процеси протичат в митохондриите, докато продължителността на съществуването на АТФ е по-малко от 1 минута. През деня тялото ни синтезира около 40 килограма АТФ, които преминават през до 3 хиляди цикъла на разпад всеки. И във всеки един момент в тялото ни присъстват около 250 грама АТФ.
Функции на високоенергийни биомолекули
В допълнение към функцията на донор и акцептор на енергия в процесите на разлагане и синтез на макромолекулни съединения, молекулите на АТФ играят няколко други много важни роли в клетките. Енергията на разрушаването на макроергичните връзки се използва в процесите на генериране на топлина, механична работа, натрупване на електричество и луминесценция. В същото време трансформациятаенергията на химичните връзки в термични, електрически, механични в същото време служи като етап на обмен на енергия с последващо съхранение на АТФ в същите макроенергийни връзки. Всички тези процеси в клетката се наричат пластичен и енергиен обмен (схема на фигурата). Молекулите на АТФ също действат като коензими, регулирайки активността на определени ензими. В допълнение, АТФ може да бъде и медиатор, сигнален агент в синапсите на нервните клетки.
Потокът на енергия и материя в клетката
По този начин АТФ в клетката заема централно и основно място в обмена на материя. Има много реакции, чрез които възниква и се разпада АТФ (окислително и субстратно фосфорилиране, хидролиза). Биохимичните реакции на синтеза на тези молекули са обратими; при определени условия те се изместват в клетките в посока на синтез или разпад. Пътищата на тези реакции се различават по броя на трансформациите на веществата, вида на окислителните процеси и по начините на конюгиране на енергозахранващите и енергоемки реакции. Всеки процес има ясни адаптации към обработката на определен тип „гориво“и неговите граници на ефективност.
Оценка на изпълнението
Индикаторите за ефективността на преобразуването на енергия в биосистемите са малки и се оценяват в стандартни стойности на коефициента на ефективност (съотношението на полезната работа, изразходвана за работа, към общата изразходвана енергия). Но тук, за да се гарантира изпълнението на биологичните функции, разходите са много високи. Например, един бегач, по отношение на единица маса, харчи толкова многоенергия, колко и голям океански лайнер. Дори в покой поддържането на живота на организма е тежка работа и за това се изразходват около 8 хиляди kJ / mol. В същото време около 1,8 хиляди kJ / mol се изразходват за синтеза на протеини, 1,1 хиляди kJ / mol за работата на сърцето, но до 3,8 хиляди kJ / mol за синтеза на АТФ.
Аденилатна клетъчна система
Това е система, която включва сумата от всички ATP, ADP и AMP в клетка за определен период от време. Тази стойност и съотношението на компонентите определят енергийното състояние на клетката. Системата се оценява по отношение на енергийния заряд на системата (съотношението на фосфатните групи към аденозиновия остатък). Ако в клетъчните макроергични съединения присъства само АТФ - тя има най-висок енергиен статус (индекс -1), ако само AMP - минимално състояние (индекс - 0). В живите клетки обикновено се поддържат показатели от 0,7-0,9. Стабилността на енергийния статус на клетката определя скоростта на ензимните реакции и поддържането на оптимално ниво на жизнена активност.
И малко за електроцентралите
Както вече споменахме, синтезът на АТФ се осъществява в специализирани клетъчни органели - митохондриите. И днес сред биолозите има спорове за произхода на тези невероятни структури. Митохондриите са електроцентралите на клетката, "гориво" за които са протеини, мазнини, гликоген и електричество - молекули АТФ, чийто синтез се осъществява с участието на кислород. Можем да кажем, че дишаме, за да работят митохондриите. Колкото повече работа за вършенеклетките, толкова повече енергия имат нужда. Прочетете - ATP, което означава - митохондрии.
Например, професионален атлет има около 12% митохондрии в скелетните си мускули, докато неатлетичен лаик има наполовина по-малко. Но в сърдечния мускул тяхната честота е 25%. Съвременните тренировъчни методи за атлети, особено маратонци, се основават на MOC (максимална консумация на кислород), която пряко зависи от броя на митохондриите и способността на мускулите да извършват продължителни натоварвания. Водещите тренировъчни програми за професионални спортове са насочени към стимулиране на синтеза на митохондриите в мускулните клетки.
