Будь-який наш рух або думка вимагають від організму витрат енергії. Цією силою запасається кожна клітина тіла і накопичує її в біомолекулах з допомогою макроергічних зв'язків. Саме ці молекули-батарейки забезпечують всі процеси життєдіяльності. Постійний обмін енергією всередині клітин обумовлює саму життя. Що представляють собою ці біомолекули з макроергічними зв'язками, звідки вони беруться, і що відбувається з їх енергією в кожній клітині нашого тіла – про це йдеться у статті.
Біологічні посередники
У будь-якому організмі енергія від енергогенеруючого агента до біологічного споживачу енергії не переходить безпосередньо. При розрив внутрішньомолекулярних зв'язків харчових продуктів виділяється потенційна енергія хімічних сполук, набагато перевершує можливості внутрішньоклітинних ферментативних систем використовувати її. Саме тому в біологічних системах звільнення потенційних хімічних речовин відбувається ступінчасто з поступовим перетворенням їх в енергію і накопиченням її в макроергічних сполуках і зв'язках. І саме біомолекули, які здатні до такої акумуляції енергії, називають високоенергетичними.
Які зв'язки називаються макроергічними?
Рівень вільної енергії в 125 кДж/моль, яка утворюється при утворенні або розпад хімічного зв'язку вважається нормальною. Коли при гідролізі деяких речовин відбувається утворення вільної енергії більше 21 кДж/моль, то це називають зв'язками макроергічними. Вони позначаються символом "тільда" - ~. На відміну від фізичної хімії, де під макроэргической зв'язком розуміється ковалентний зв'язок атомів, в біології мають на увазі різницю між енергією вихідних агентів і продуктів їх розпаду. Тобто, енергія не локалізована в конкретній хімічного зв'язку атомів, а характеризує всю реакцію. В біохімії говорять про хімічний сполученні та освіті макроэргического з'єднання.
Універсальне біоджерело енергії
Всі живі організми на нашій планеті мають один універсальний елемент запасания енергії – це макроергічний зв'язок АТФ - АДФ – АМФ (аденозин три, ді, монофосфорная кислота). Це біомолекули, які складаються з азотосодержащей основи аденіну, прикріпленого до углеводу рибоза, і приєднаним залишкам ортофосфорної кислоти. Під дією води і ферменту рестриктази молекула аденозинтрифосфорної кислоти (C 10 H 16 N 5 O 13 P 3 може розпастися на молекулу аденозиндифосфорної кислоти та ортофосфатної кислоту. Ця реакція супроводжується виділенням вільної енергії близько 305 кДж/моль. Всі процеси життєдіяльності в кожній клітині нашого тіла відбуваються при акумуляції енергії в АТФ і використанні її при розриві зв'язків між залишками ортофосфорної кислоти.
Донор і акцептор
До макроергічних сполук відносять ще й речовини з довгими назвами, які можуть утворювати молекули АТФ в реакціях гідролізу (наприклад, пирофосфорная і піровиноградна кислоти, сукцинилкоферменты, аминоацильные похідні рибонуклеїнових кислот). Всі ці сполуки містять атоми фосфору (P) і сірки (S), між якими знаходяться високоенергетичні зв'язку. Саме енергія, яка вивільняється при розриві макроэргической зв'язку в АТФ (донор), поглинається клітиною при синтезі власних органічних сполук. І в той же час запаси цих зв'язків постійно поповнюються при акумулюванні енергії (акцептор), що виділяється при гідролізі макромолекул. У кожній клітині людського організму ці процеси відбуваються в мітохондріях, при цьому тривалість існування АТФ менше 1 хвилини. За добу наш організм синтезує близько 40 кілограмів АТФ, які проходять до 3 тисяч циклів розпаду кожна. А в кожен окремо взятий момент в нашому організмі присутні близько 250 грам АТФ.
Функції високоенергетичних біомолекул
Крім функції донора і акцептора енергії при процеси розпаду і синтезу високомолекулярних сполук, молекули АТФ грають ще кілька дуже важливих ролей у клітинах. Енергія розриву макроергічних зв'язків використовується в процесах теплоутворення, механічної роботи, накопичення електрики, світіння. При цьому перетворення енергії хімічних зв'язків в теплову, електричну, механічну одночасно є і етапом енергетичного обміну з подальшим запасанием у тих же макроэнергетических зв'язках АТФ. Всі ці процеси в клітині називаються пластичним і енергетичним обмінами (схема на малюнку). Молекули АТФ виступають ще й у ролі коферментів, регулюючи активність деяких ферментів. Крім того, АТФ може бути і медіатором, сигнальним агентом у синапсах нервових клітин.
Потік енергії і речовини в клітині
Таким чином, АТФ у клітині займає центральне і головне місце в обміні матерії. Реакцій, за допомогою яких виникає і розпадається АТФ, досить багато (окисне фосфорилювання і субстратне, гідроліз). Біохімічні реакції синтезу цих молекул оборотні, при певних умовах вони в клітинах зміщуються в бік синтезу або розпаду. Шляхи цих реакцій відрізняються за кількістю перетворень речовин, типу окислювальних процесів, за способами сполучення энергоподающих і енергоспоживаючих реакцій. Кожен процес має чіткі пристосування до обробки конкретного виду «палива» і свої межі ефективності.
Оцінка ефективності
Показники ефективності перетворення енергії в біосистемах невеликі і оцінюються в стандартних величинах коефіцієнта корисної дії (відношення корисної, витраченої на виконання роботи, до загальної витраченої енергії). Але ось, на забезпечення виконання біологічних функцій, витрати необхідні дуже великі. Наприклад, бігун, в перерахунку на одиницю маси, витрачає стільки енергії, скільки і великий океанський лайнер. Навіть в стані спокою підтримання життя організму – це важка робота, і на неї витрачається близько 8 тисяч кДж/моль. При цьому на синтез білків витрачається близько 18 тисячі кДж/моль, на роботу серця – 11 тисячі кДж/моль, а ось на синтез АТФ – до 38 тысячикДж/моль.
Аденилатная система клітин
Це система, яка включає суму всіх АТФ, АДФ та АМФ у клітині в конкретний період часу. Цю Величину і співвідношення компонентів визначає енергетичний статус клітин. Оцінюється система за показником енергетичного заряду системи (відношення фосфатних груп до залишку аденозину). Якщо в клітці макроергічні сполуки представлені тільки АТФ – вона має найвищий енергетичний статус (показник -1), якщо тільки АМФ – мінімальний статус (показник - 0). У живих клітинах, як правило, підтримуються показники 07-09. Стабільність енергетичного статусу клітини визначає швидкість ферментативних реакцій і підтримку оптимального рівня життєдіяльності.
І трохи про енергетичні станції
Як вже говорилося, синтез АТФ відбувається у спеціалізованих органелах клітини – мітохондріях. І сьогодні в середовищі біологів ведуться суперечки з приводу походження цих дивних структур. Мітохондрії – це електростанції клітини, «паливом» для яких є білки, жири, глікоген, а електрикою – молекули АТФ, синтез яких відбувається при участі кисню. Можна сказати, що ми дихаємо, щоб мітохондрії працювали. Чим більшу роботу повинні виконувати клітини, тим більше їм потрібно енергії. Читай – АТФ, а значить – мітохондрій.
Наприклад, у професійного спортсмена у скелетних м'язах міститься близько 12% мітохондрій, а у неспортивної обивателя їх наполовину менше. А ось в серцевому м'язі їх показник – 25%. Сучасні методики тренувань спортсменів, особливо марафонців, заснований на показниках МКП (максимального споживання кисню), який безпосередньо залежить від кількості мітохондрій і здатності м'язів виконувати тривалі навантаження. Провідні тренувальні програми для професійного спорту спрямовані на стимуляцію синтезу мітохондрій у клітинах м'язів.
