Ако перифразираме добре познатия израз "движението е живот", става ясно, че всички прояви на живата материя - растеж, размножаване, процеси на синтез на хранителни вещества, дишане - всъщност са движението на атомите и молекули, които изграждат клетката. Възможни ли са тези процеси без участието на енергия? Разбира се, че не.
Откъде живите тела, вариращи от гигантски организми като синия кит или американската секвоя, до ултрамикроскопичните бактерии, черпят своите запаси?
Биохимията намери отговора на този въпрос. Аденозинтрифосфорната киселина е универсално вещество, използвано от всички жители на нашата планета. В тази статия ще разгледаме структурата и функциите на АТФ в различни групи живи организми. Освен това ще определим кои органели са отговорни за неговия синтез в растителни и животински клетки.
История на откриването
В началото на 20-ти век, в лабораторията на Harvard Medical School, няколко учени, а именно Субарис, Ломан и Фриске, откриха съединение, близко по структура до аденилнуклеотид на рибонуклеинова киселина. Той обаче съдържаше не един, а цели три остатъка от фосфатна киселина, свързани с монозахарида рибоза. Две десетилетия по-късно Ф. Липман, изучавайки функциите на АТФ, потвърждава научното предположение, че това съединение носи енергия. От този момент нататък биохимиците имаха чудесна възможност да се запознаят подробно със сложния механизъм на синтеза на това вещество, което се случва в клетката. По-късно е открито ключово съединение: ензим - АТФ синтаза, който е отговорен за образуването на киселинни молекули в митохондриите. За да определим каква функция изпълнява АТФ, нека да разберем какви процеси, протичащи в живите организми, не могат да се извършват без участието на това вещество.
Форми на съществуване на енергия в биологичните системи
Разнообразните реакции, протичащи в живите организми, изискват различни видове енергия, които могат да се трансформират една в друга. Те включват механични процеси (движение на бактерии и протозои, свиване на миофибрилите в мускулната тъкан), биохимичен синтез. Този списък включва и електрически импулси, които са в основата на възбуждането и инхибирането, термични реакции, които поддържат постоянна телесна температура при топлокръвни животни и хора. Луминесцентното сияние на морския планктон, някои насекоми и дълбоководни риби също е вид енергия, произведена от живите тела.
Всички горепосочени явления, възникващи в биологичните системи, са невъзможни без АТФ молекули, чиито функции са да съхраняватенергия под формата на макроергични връзки. Те се появяват между адениловия нуклеозид и остатъците на фосфатната киселина.
Откъде идва клетъчната енергия?
Съгласно законите на термодинамиката, появата и изчезването на енергията се случва по определени причини. Разграждането на органични съединения, съставляващи храната: протеини, въглехидрати и особено липиди, води до освобождаване на енергия. Първичните процеси на хидролиза протичат в храносмилателния тракт, където макромолекулите на органичните съединения са изложени на действието на ензими. Част от получената енергия се разсейва под формата на топлина или се използва за поддържане на оптималната температура на вътрешното съдържание на клетката. Останалата част се натрупва под формата в митохондриите - електроцентралите на клетката. Това е основната функция на молекулата АТФ - осигуряване и попълване на енергийните нужди на тялото.
Каква е ролята на катаболните реакции
Елементарна единица от жива материя - клетка, може да функционира само ако енергията се актуализира постоянно в жизнения си цикъл. За да се изпълни това условие в клетъчния метаболизъм, има посока, наречена дисимилация, катаболизъм или енергиен метаболизъм. В безкислородния си стадий, който е най-простият начин за образуване и съхраняване на енергия, от всяка молекула глюкоза, при липса на кислород, се синтезират 2 молекули от енергоемко вещество, които осигуряват основните функции на АТФ в клетката - снабдяването му с енергия. Повечето реакции от аноксичната стъпка се случват в цитоплазмата.
В зависимост от структурата на клетката, тя може да протече по различни начини, например под формата на гликолиза, алкохолна или млечнокисела ферментация. Въпреки това, биохимичните характеристики на тези метаболитни процеси не влияят на функцията на АТФ в клетката. Той е универсален: за запазване на енергийните резерви на клетката.
Как структурата на една молекула е свързана с нейните функции
По-рано установихме факта, че аденозинтрифосфорната киселина съдържа три фосфатни остатъка, свързани с нитратна основа - аденин, и монозахарид - рибоза. Тъй като почти всички реакции в цитоплазмата на клетката се извършват във водна среда, киселинните молекули под действието на хидролитични ензими разрушават ковалентните връзки, за да образуват първо аденозин дифосфорна киселина, а след това AMP. Обратните реакции, водещи до синтеза на аденозин трифосфорна киселина, протичат в присъствието на ензима фосфотрансфераза. Тъй като АТФ изпълнява функцията на универсален източник на клетъчна жизнена активност, той включва две макроергични връзки. При последователно разкъсване на всеки от тях се отделят 42 kJ. Този ресурс се използва в клетъчния метаболизъм, в неговия растеж и репродуктивни процеси.
Стойност на ATP синтаза
В органели от общо значение – митохондриите, разположени в растителни и животински клетки, има ензимна система – дихателната верига. Съдържа ензима АТФ синтаза. Молекулите на биокатализатора, които имат формата на хексамер, състоящ се от протеинови глобули, са потопени както в мембраната, така и встрома на митохондриите. Благодарение на активността на ензима, енергийната субстанция на клетката се синтезира от ADP и остатъци от неорганична фосфатна киселина. Образуваните молекули АТФ изпълняват функцията да натрупват енергията, необходима за неговата жизнена дейност. Отличителна черта на биокатализатора е, че когато има прекомерна концентрация на енергийни съединения, той се държи като хидролитичен ензим, разделяйки техните молекули.
Характеристики на синтеза на аденозин трифосфорна киселина
Растенията имат сериозна метаболитна характеристика, която радикално отличава тези организми от животните. Свързва се с автотрофния начин на хранене и способността да се обработва фотосинтезата. Образуването на молекули, съдържащи макроергични връзки, се случва в растенията в клетъчни органели - хлоропласти. Познатият ни вече ензим АТФ синтаза е част от техните тилакоиди и строма на хлоропластите. Функциите на АТФ в клетката са съхраняването на енергия както в автотрофните, така и в хетеротрофните организми, включително хората.
Съединения с макроергични връзки се синтезират в сапротрофи и хетеротрофи в реакции на окислително фосфорилиране, протичащи върху митохондриалните кристи. Както можете да видите, в процеса на еволюция различни групи живи организми са формирали перфектен механизъм за синтез на такова съединение като АТФ, чиито функции са да снабдяват клетката с енергия.
