Pokud parafrázujeme známý výraz „pohyb je život“, je jasné, že všechny projevy živé hmoty – růst, rozmnožování, procesy syntézy živin, dýchání – jsou ve skutečnosti pohybem atomů a molekuly, které tvoří buňku. Jsou tyto procesy možné bez účasti energie? Samozřejmě že ne.
Kde berou zásoby živá těla, od obřích organismů, jako je modrá velryba nebo sekvojovec americký, až po ultramikroskopické bakterie?
Biochemie našla odpověď na tuto otázku. Kyselina adenosintrifosforečná je univerzální látka, kterou používají všichni obyvatelé naší planety. V tomto článku se budeme zabývat strukturou a funkcemi ATP v různých skupinách živých organismů. Kromě toho určíme, které organely jsou zodpovědné za jeho syntézu v rostlinných a živočišných buňkách.
Historie objevů
Na začátku 20. století v laboratoři Harvard Medical School objevilo několik vědců, jmenovitě Subbaris, Loman a Friske, sloučeninu blízkou strukturou adenylunukleotid ribonukleové kyseliny. Neobsahoval však jeden, ale až tři zbytky kyseliny fosforečné napojené na monosacharid ribózu. O dvě desetiletí později F. Lipman při studiu funkcí ATP potvrdil vědecký předpoklad, že tato sloučenina přenáší energii. Od té chvíle měli biochemici skvělou příležitost seznámit se podrobně se složitým mechanismem syntézy této látky, ke které v buňce dochází. Později byla objevena klíčová sloučenina: enzym – ATP syntáza, která je zodpovědná za tvorbu molekul kyseliny v mitochondriích. Abychom určili, jakou funkci plní ATP, pojďme zjistit, jaké procesy probíhající v živých organismech nelze provádět bez účasti této látky.
Formy existence energie v biologických systémech
Různorodé reakce probíhající v živých organismech vyžadují různé druhy energie, které se mohou vzájemně přeměňovat. Patří sem mechanické procesy (pohyb bakterií a prvoků, kontrakce myofibril ve svalové tkáni), biochemická syntéza. Tento seznam také zahrnuje elektrické impulsy, které jsou základem excitace a inhibice, tepelné reakce, které udržují konstantní tělesnou teplotu u teplokrevných zvířat a lidí. Luminiscenční záře mořského planktonu, některých druhů hmyzu a hlubinných ryb je také druhem energie produkované živými těly.
Všechny výše uvedené jevy vyskytující se v biologických systémech jsou nemožné bez molekul ATP, jejichž funkcí je ukládatenergie ve formě makroergických vazeb. Vyskytují se mezi adenylovým nukleosidem a zbytky fosfátové kyseliny.
Odkud pochází buněčná energie?
Podle zákonů termodynamiky dochází z určitých důvodů ke vzniku a zániku energie. Rozklad organických sloučenin tvořících potravu: bílkovin, sacharidů a zejména lipidů vede k uvolnění energie. Primární procesy hydrolýzy probíhají v trávicím traktu, kde jsou makromolekuly organických sloučenin vystaveny působení enzymů. Část přijaté energie se odvádí ve formě tepla nebo je využita k udržení optimální teploty vnitřního obsahu článku. Zbývající část je akumulována ve formě v mitochondriích - elektrárnách buňky. Toto je hlavní funkce molekuly ATP - poskytování a doplňování energetických potřeb těla.
Jaká je role katabolických reakcí
Elementární jednotka živé hmoty – buňka, může fungovat pouze tehdy, je-li energie ve svém životním cyklu neustále aktualizována. Ke splnění této podmínky v buněčném metabolismu existuje směr nazývaný disimilace, katabolismus nebo energetický metabolismus. V jeho bezkyslíkaté fázi, což je nejjednodušší způsob tvorby a ukládání energie, se z každé molekuly glukózy za nepřítomnosti kyslíku syntetizují 2 molekuly energeticky náročné látky, které zajišťují hlavní funkce ATP v buňce - dodávat mu energii. Většina reakcí anoxického kroku probíhá v cytoplazmě.
V závislosti na struktuře buňky může probíhat různými způsoby, například ve formě glykolýzy, alkoholové nebo mléčné fermentace. Biochemické vlastnosti těchto metabolických procesů však neovlivňují funkci ATP v buňce. Je univerzální: pro zachování energetických zásob buňky.
Jak souvisí struktura molekuly s jejími funkcemi
Dříve jsme zjistili, že kyselina adenosintrifosforečná obsahuje tři fosfátové zbytky spojené s nitrátovou bází - adeninem a monosacharidem - ribózou. Protože téměř všechny reakce v cytoplazmě buňky probíhají ve vodném prostředí, molekuly kyseliny působením hydrolytických enzymů rozbíjejí kovalentní vazby za vzniku nejprve kyseliny adenosindifosforečné a poté AMP. Reverzní reakce vedoucí k syntéze kyseliny adenosintrifosforečné probíhají v přítomnosti enzymu fosfotransferázy. Protože ATP plní funkci univerzálního zdroje buněčné vitální aktivity, zahrnuje dvě makroergické vazby. Při postupném prasknutí každého z nich se uvolní 42 kJ. Tento zdroj se využívá v buněčném metabolismu, při jeho růstu a reprodukčních procesech.
Hodnota ATP syntázy
V organelách obecného významu - mitochondriích, umístěných v rostlinných a živočišných buňkách, se nachází enzymatický systém - dýchací řetězec. Obsahuje enzym ATP syntázu. Molekuly biokatalyzátoru, které mají formu hexameru sestávajícího z proteinových globulí, jsou ponořeny jak do membrány, tak dostroma mitochondrií. Díky aktivitě enzymu je energetická látka buňky syntetizována z ADP a zbytků anorganické fosfátové kyseliny. Vytvořené molekuly ATP plní funkci akumulace energie nezbytné pro jeho životně důležitou činnost. Charakteristickým rysem biokatalyzátoru je, že při nadměrné koncentraci energetických sloučenin se chová jako hydrolytický enzym a štěpí jejich molekuly.
Vlastnosti syntézy kyseliny adenosintrifosforečné
Rostliny mají vážnou metabolickou vlastnost, která radikálně odlišuje tyto organismy od zvířat. Je spojena s autotrofním způsobem výživy a schopností zpracovávat fotosyntézu. K tvorbě molekul obsahujících makroergické vazby dochází u rostlin v buněčných organelách – chloroplastech. Nám již známý enzym ATP syntáza je součástí jejich thylakoidů a stromatu chloroplastů. Funkce ATP v buňce spočívá v ukládání energie v autotrofních i heterotrofních organismech, včetně lidí.
Sloučeniny s makroergickými vazbami jsou syntetizovány v saprotrofech a heterotrofech v oxidativních fosforylačních reakcích probíhajících na mitochondriálních kristách. Jak můžete vidět, v procesu evoluce různé skupiny živých organismů vytvořily dokonalý mechanismus pro syntézu takové sloučeniny, jako je ATP, jehož funkcí je poskytnout buňce energii.
