Každý náš pohyb nebo myšlenka vyžaduje energii z těla. Tuto sílu ukládá každá buňka těla a pomocí makroergických vazeb ji akumuluje v biomolekulách. Právě tyto molekuly baterií zajišťují všechny životní procesy. Neustálá výměna energie v buňkách určuje život samotný. Jaké jsou tyto biomolekuly s makroergickými vazbami, odkud pocházejí a co se děje s jejich energií v každé buňce našeho těla - to je probráno v článku.
Biologičtí mediátoři
V žádném organismu nepřechází energie z látky generující energii k biologickému spotřebiteli energie přímo. Při porušení intramolekulárních vazeb potravinářských produktů se uvolňuje potenciální energie chemických sloučenin, která daleko převyšuje schopnost intracelulárních enzymatických systémů ji využít. Proto v biologických systémech dochází k uvolňování potenciálních chemikálií postupně s jejich postupnou přeměnou na energii a její akumulací v makroergických sloučeninách a vazbách. A právě biomolekuly, které jsou schopné takové akumulace energie, se nazývají vysokoenergetické.
Jaké vazby se nazývají makroergické?
Hladina volné energie 12,5 kJ/mol, která vzniká při vzniku nebo rozpadu chemické vazby, je považována za normální. Když se při hydrolýze určitých látek vytvoří volná energie více než 21 kJ / mol, pak se to nazývá makroergické vazby. Jsou označeny symbolem vlnovky - ~. Na rozdíl od fyzikální chemie, kde makroergická vazba znamená kovalentní vazbu atomů, v biologii znamenají rozdíl mezi energií výchozích látek a produktů jejich rozpadu. To znamená, že energie není lokalizována ve specifické chemické vazbě atomů, ale charakterizuje celou reakci. V biochemii se mluví o chemické konjugaci a tvorbě makroergní sloučeniny.
Univerzální zdroj bioenergie
Všechny živé organismy na naší planetě mají jeden univerzální prvek pro ukládání energie - to je makroergická vazba ATP - ADP - AMP (kyselina adenosin tri, di, monofosforečná). Jedná se o biomolekuly, které se skládají z adeninové báze obsahující dusík navázané na uhlohydrát ribózy a navázané zbytky kyseliny fosforečné. Působením vody a restrikčního enzymu vzniká molekula adenosintrifosfátu (C10H16N5 O 13P3) se může rozložit na molekulu kyseliny adenosindifosforečné a kyselinu orthofosfátovou. Tato reakce je doprovázena uvolněním volné energie řádově 30,5 kJ/mol. Ke všem životním procesům v každé buňce našeho těla dochází, když je energie akumulována v ATP a využívána, když je rozbitá.vazby mezi zbytky kyseliny ortofosforečné.
Dárce a příjemce
Mezi vysokoenergetické sloučeniny patří také látky s dlouhými názvy, které mohou při hydrolýzních reakcích tvořit molekuly ATP (například kyseliny pyrofosforečné a pyrohroznové, sukcinylkoenzymy, aminoacylové deriváty ribonukleových kyselin). Všechny tyto sloučeniny obsahují atomy fosforu (P) a síry (S), mezi kterými jsou vysokoenergetické vazby. Právě energie, která se uvolní při porušení vysokoenergetické vazby v ATP (donor), je absorbována buňkou během syntézy vlastních organických sloučenin. A přitom zásoby těchto vazeb jsou neustále doplňovány akumulací energie (akceptoru) uvolněné při hydrolýze makromolekul. V každé buňce lidského těla probíhají tyto procesy v mitochondriích, přičemž doba existence ATP je kratší než 1 minuta. Během dne naše tělo syntetizuje asi 40 kilogramů ATP, z nichž každý projde až 3 tisíci cykly rozpadu. A v každém okamžiku je v našem těle přítomno asi 250 gramů ATP.
Funkce vysokoenergetických biomolekul
Kromě funkce dárce a příjemce energie v procesech rozkladu a syntézy makromolekulárních sloučenin hrají molekuly ATP v buňkách několik dalších velmi důležitých rolí. Energie štěpení makroergických vazeb se využívá v procesech tvorby tepla, mechanické práce, akumulace elektřiny a luminiscence. Zároveň proměnaenergie chemických vazeb na tepelné, elektrické, mechanické zároveň slouží jako stupeň energetické výměny s následným ukládáním ATP do stejných makroenergetických vazeb. Všechny tyto procesy v buňce se nazývají plastické a energetické výměny (schéma na obrázku). Molekuly ATP působí také jako koenzymy, regulující aktivitu určitých enzymů. Kromě toho může být ATP také mediátorem, signálním činitelem v synapsích nervových buněk.
Proud energie a hmoty v buňce
ATP v buňce tedy zaujímá centrální a hlavní místo ve výměně hmoty. Reakcí, kterými ATP vzniká a rozkládá se, je poměrně hodně (oxidační a substrátová fosforylace, hydrolýza). Biochemické reakce syntézy těchto molekul jsou reverzibilní, za určitých podmínek jsou v buňkách posunuty ve směru syntézy nebo rozpadu. Dráhy těchto reakcí se liší počtem přeměn látek, typem oxidačních procesů a způsoby konjugace reakcí dodávajících energii a spotřebovávajících energii. Každý proces má jasné přizpůsobení zpracování konkrétního typu „paliva“a jeho limitům účinnosti.
Hodnocení výkonu
Ukazatele účinnosti přeměny energie v biosystémech jsou malé a jsou odhadovány ve standardních hodnotách faktoru účinnosti (poměr užitečné práce vynaložené na práci k celkové vynaložené energii). Ale zde, aby bylo zajištěno plnění biologických funkcí, jsou náklady velmi vysoké. Například běžec v přepočtu na jednotku hmotnosti tolik utrácíenergie, kolik a velký zaoceánský parník. I v klidu je udržení životaschopnosti organismu těžká práce a spotřebuje se na to asi 8 tisíc kJ / mol. Na syntézu bílkovin se přitom spotřebuje asi 1,8 tisíc kJ/mol, na práci srdce 1,1 tisíc kJ/mol, ale až 3,8 tisíc kJ/mol na syntézu ATP.
Adenylátový buněčný systém
Toto je systém, který zahrnuje součet všech ATP, ADP a AMP v buňce za určité časové období. Tato hodnota a poměr složek určuje energetický stav článku. Systém je hodnocen z hlediska energetického náboje systému (poměr fosfátových skupin k adenosinovému zbytku). Pokud je v buňce přítomen pouze ATP, má nejvyšší energetický stav (index -1), pokud pouze AMP - minimální stav (index -0). V živých buňkách se obvykle udržují ukazatele 0,7-0,9 Stabilita energetického stavu buňky určuje rychlost enzymatických reakcí a udržení optimální úrovně vitální aktivity.
A něco málo o elektrárnách
Jak již bylo zmíněno, k syntéze ATP dochází ve specializovaných buněčných organelách – mitochondriích. A dnes mezi biology existují spory o původu těchto úžasných struktur. Mitochondrie jsou elektrárny buňky, „palivem“pro ně jsou bílkoviny, tuky, glykogen a elektřina – molekuly ATP, jejichž syntéza probíhá za účasti kyslíku. Dá se říci, že dýcháme, aby mitochondrie fungovaly. Čím více prácebuňky, tím více energie potřebují. Přečtěte si - ATP, což znamená - mitochondrie.
Například profesionální sportovec má ve svých kosterních svalech asi 12 % mitochondrií, zatímco nesportující laik má polovinu méně. Ale v srdečním svalu je jejich frekvence 25%. Moderní tréninkové metody pro sportovce, zejména maratónské běžce, jsou založeny na MOC (maximální spotřebě kyslíku), která přímo závisí na počtu mitochondrií a schopnosti svalů vykonávat dlouhodobou zátěž. Přední tréninkové programy pro profesionální sporty jsou zaměřeny na stimulaci syntézy mitochondrií ve svalových buňkách.
