Elk van onze bewegingen of gedachten vereist energie van het lichaam. Deze kracht wordt opgeslagen door elke cel van het lichaam en accumuleert deze in biomoleculen met behulp van macro-erge bindingen. Het zijn deze batterijmoleculen die zorgen voor alle levensprocessen. De constante uitwisseling van energie in de cellen bepa alt het leven zelf. Wat zijn deze biomoleculen met macro-erge bindingen, waar komen ze vandaan en wat gebeurt er met hun energie in elke cel van ons lichaam - dit wordt besproken in het artikel.
Biologische mediatoren
In elk organisme gaat energie van een energiegenererend middel niet rechtstreeks naar een biologische energieverbruiker. Wanneer de intramoleculaire bindingen van voedselproducten worden verbroken, komt de potentiële energie van chemische verbindingen vrij, die het vermogen van intracellulaire enzymatische systemen om het te gebruiken ver overtreft. Dat is de reden waarom in biologische systemen de afgifte van potentiële chemicaliën stapsgewijs plaatsvindt met hun geleidelijke omzetting in energie en de accumulatie ervan in macro-erge verbindingen en bindingen. En het zijn de biomoleculen die in staat zijn tot een dergelijke accumulatie van energie die hoge energie worden genoemd.
Welke bindingen worden macroergisch genoemd?
Het vrije-energieniveau van 12,5 kJ/mol, dat wordt gevormd tijdens de vorming of het verval van een chemische binding, wordt als normaal beschouwd. Wanneer bij de hydrolyse van bepaalde stoffen vrije energie ontstaat van meer dan 21 kJ/mol, dan spreekt men van macro-erge bindingen. Ze worden aangegeven met het tilde-symbool - ~. In tegenstelling tot de fysische chemie, waar een macro-erge binding een covalente binding van atomen betekent, betekenen ze in de biologie het verschil tussen de energie van de initiële agenten en hun vervalproducten. Dat wil zeggen, de energie is niet gelokaliseerd in een specifieke chemische binding van atomen, maar kenmerkt de hele reactie. In de biochemie praten ze over chemische conjugatie en de vorming van een macro-erge verbinding.
Universele bio-energiebron
Alle levende organismen op onze planeet hebben één universeel element van energieopslag - dit is de macro-erge binding ATP - ADP - AMP (adenosine tri, di, monofosforzuur). Dit zijn biomoleculen die bestaan uit een stikstofbevattende adeninebase bevestigd aan een ribosekoolhydraat en daaraan gehechte fosforzuurresiduen. Onder invloed van water en een restrictie-enzym wordt een adenosinetrifosfaatmolecuul (C10H16N5 O 13P3) kan ontleden in een adenosinedifosforzuurmolecuul en orthofosfaatzuur. Deze reactie gaat gepaard met het vrijkomen van vrije energie in de orde van grootte van 30,5 kJ/mol. Alle levensprocessen in elke cel van ons lichaam vinden plaats wanneer energie wordt geaccumuleerd in ATP en wordt gebruikt wanneer deze wordt verbroken.bindingen tussen orthofosforzuurresiduen.
Donor en acceptant
Hoogenergetische verbindingen omvatten ook stoffen met lange namen die ATP-moleculen kunnen vormen bij hydrolysereacties (bijvoorbeeld pyrofosfor- en pyrodruivenzuren, succinylco-enzymen, aminoacylderivaten van ribonucleïnezuren). Al deze verbindingen bevatten fosfor (P) en zwavel (S) atomen, waartussen zich hoogenergetische bindingen bevinden. Het is de energie die vrijkomt wanneer de hoogenergetische binding in ATP (donor) wordt verbroken die door de cel wordt geabsorbeerd tijdens de synthese van zijn eigen organische verbindingen. En tegelijkertijd worden de reserves van deze bindingen constant aangevuld met de accumulatie van energie (acceptor) die vrijkomt tijdens de hydrolyse van macromoleculen. In elke cel van het menselijk lichaam vinden deze processen plaats in mitochondriën, terwijl de duur van het bestaan van ATP minder dan 1 minuut is. Gedurende de dag synthetiseert ons lichaam ongeveer 40 kilogram ATP, die elk tot 3000 cycli van verval doormaken. En op elk willekeurig moment is er ongeveer 250 gram ATP in ons lichaam aanwezig.
Functies van biomoleculen met hoge energie
Naast de functie van de donor en acceptor van energie in de processen van ontbinding en synthese van macromoleculaire verbindingen, spelen ATP-moleculen verschillende andere zeer belangrijke rollen in cellen. De energie van het verbreken van macro-erge bindingen wordt gebruikt in de processen van warmteopwekking, mechanisch werk, accumulatie van elektriciteit en luminescentie. Tegelijkertijd is de transformatiede energie van chemische bindingen in thermische, elektrische, mechanische tegelijkertijd dient als een fase van energie-uitwisseling met daaropvolgende opslag van ATP in dezelfde macro-energiebindingen. Al deze processen in de cel worden plastische en energie-uitwisselingen genoemd (diagram in de figuur). ATP-moleculen werken ook als co-enzymen en reguleren de activiteit van bepaalde enzymen. Daarnaast kan ATP ook een mediator zijn, een signaalstof in de synapsen van zenuwcellen.
De stroom van energie en materie in de cel
ATP in de cel neemt dus een centrale en belangrijkste plaats in bij de uitwisseling van materie. Er zijn nogal wat reacties waardoor ATP ontstaat en afbreekt (oxidatieve en substraatfosforylering, hydrolyse). De biochemische reacties van de synthese van deze moleculen zijn omkeerbaar; onder bepaalde omstandigheden worden ze in de cellen verschoven in de richting van synthese of verval. De paden van deze reacties verschillen in het aantal transformaties van stoffen, het type oxidatieve processen en in de manieren van conjugatie van energieleverende en energieverbruikende reacties. Elk proces heeft duidelijke aanpassingen aan de verwerking van een bepaald type "brandstof" en zijn efficiëntielimieten.
Prestatie-evaluatie
Indicatoren van de efficiëntie van energieconversie in biosystemen zijn klein en worden geschat in standaardwaarden van de efficiëntiefactor (de verhouding van nuttig werk besteed aan werk tot de totale verbruikte energie). Maar hier, om de prestaties van biologische functies te waarborgen, zijn de kosten erg hoog. Een hardloper geeft bijvoorbeeld, uitgedrukt in een eenheid van massa, zoveel uitenergie, hoeveel en een grote oceaanstomer. Zelfs in rust is het in stand houden van het leven van een organisme hard werken en wordt er ongeveer 8 duizend kJ / mol aan uitgegeven. Tegelijkertijd wordt ongeveer 1,8 duizend kJ / mol besteed aan eiwitsynthese, 1,1 duizend kJ / mol aan het werk van het hart, maar tot 3,8 duizend kJ / mol aan ATP-synthese.
Adenylaat celsysteem
Dit is een systeem dat de som van alle ATP, ADP en AMP in een cel in een bepaalde tijdsperiode omvat. Deze waarde en de verhouding van componenten bepa alt de energiestatus van de cel. Het systeem wordt geëvalueerd in termen van de energielading van het systeem (de verhouding van fosfaatgroepen tot het adenosineresidu). Als er alleen ATP in de cel aanwezig is, hebben macro-erge verbindingen - het heeft de hoogste energiestatus (index -1), al is het maar AMP - de minimale status (index - 0). In levende cellen worden meestal indicatoren van 0,7-0,9 aangehouden. De stabiliteit van de energiestatus van de cel bepa alt de snelheid van enzymatische reacties en het behoud van een optimaal niveau van vitale activiteit.
En een beetje over elektriciteitscentrales
Zoals reeds vermeld, vindt ATP-synthese plaats in gespecialiseerde celorganellen - mitochondriën. En vandaag zijn er onder biologen geschillen over de oorsprong van deze verbazingwekkende structuren. Mitochondriën zijn de krachtcentrales van de cel, "brandstof" waarvoor eiwitten, vetten, glycogeen en elektriciteit zijn - ATP-moleculen, waarvan de synthese plaatsvindt met de deelname van zuurstof. We kunnen zeggen dat we ademen om de mitochondriën te laten werken. Hoe meer werk te doencellen, hoe meer energie ze nodig hebben. Lezen - ATP, wat betekent - mitochondriën.
Een professionele atleet heeft bijvoorbeeld ongeveer 12% mitochondriën in zijn skeletspieren, terwijl een niet-atletische leek de helft minder heeft. Maar in de hartspier is hun snelheid 25%. Moderne trainingsmethoden voor atleten, vooral marathonlopers, zijn gebaseerd op MOC (maximaal zuurstofverbruik), dat rechtstreeks afhangt van het aantal mitochondriën en het vermogen van spieren om langdurige belastingen uit te voeren. Toonaangevende trainingsprogramma's voor professionele sporten zijn gericht op het stimuleren van de synthese van mitochondriën in spiercellen.
