هر حرکت یا فکر ما نیاز به انرژی از بدن دارد. این نیرو توسط هر سلول بدن ذخیره می شود و با کمک پیوندهای ماکروارژیک آن را در بیومولکول ها انباشته می کند. این مولکول های باتری هستند که تمام فرآیندهای زندگی را فراهم می کنند. تبادل مداوم انرژی در سلول ها خود زندگی را تعیین می کند. این مولکولهای زیستی با پیوندهای ماکرو ارژیک چیست، از کجا می‌آیند و برای انرژی آنها در هر سلول بدن ما چه اتفاقی می‌افتد - این در مقاله مورد بحث قرار گرفته است.
واسطه‌های بیولوژیکی
در هر موجود زنده ای، انرژی از یک عامل مولد انرژی به مصرف کننده انرژی بیولوژیکی به طور مستقیم منتقل نمی شود. هنگامی که پیوندهای درون مولکولی محصولات غذایی شکسته می شود، انرژی پتانسیل ترکیبات شیمیایی آزاد می شود که بسیار فراتر از توانایی سیستم های آنزیمی درون سلولی برای استفاده از آن است. به همین دلیل است که در سیستم های بیولوژیکی انتشار مواد شیمیایی بالقوه با تبدیل تدریجی آنها به انرژی و انباشته شدن آن در ترکیبات و پیوندهای ماکروارژیک به صورت مرحله ای اتفاق می افتد. و این مولکولهای زیستی هستند که قادر به چنین انباشتگی انرژی هستند که انرژی بالا نامیده می‌شوند.
چه اوراق قرضه ماکروارژیک نامیده می شود؟
سطح انرژی آزاد 12.5 کیلوژول بر مول، که در طول تشکیل یا فروپاشی یک پیوند شیمیایی تشکیل می شود، طبیعی در نظر گرفته می شود. هنگامی که در هنگام هیدرولیز برخی از مواد، انرژی آزاد بیش از 21 کیلوژول در مول تشکیل می شود، به این پیوند ماکروارژیک می گویند. آنها با نماد tilde - ~ نشان داده می شوند. بر خلاف شیمی فیزیک، که در آن پیوند ماکرو ارژیک به معنای پیوند کووالانسی اتم ها است، در زیست شناسی به معنای تفاوت بین انرژی عوامل اولیه و محصولات فروپاشی آنها است. یعنی انرژی در پیوند شیمیایی خاصی از اتم ها قرار نمی گیرد، بلکه کل واکنش را مشخص می کند. در بیوشیمی، آنها در مورد کونژوگاسیون شیمیایی و تشکیل یک ترکیب ماکروارژیک صحبت می کنند.
منبع جهانی انرژی زیستی
همه موجودات زنده روی سیاره ما یک عنصر جهانی ذخیره انرژی دارند - این پیوند ماکروارژیک ATP - ADP - AMP (آدنوزین تری، دی، اسید مونوفسفریک) است. اینها مولکولهای زیستی هستند که از یک باز آدنین حاوی نیتروژن متصل به کربوهیدرات ریبوز و بقایای اسید فسفریک متصل هستند. تحت تأثیر آب و یک آنزیم محدود کننده، یک مولکول آدنوزین تری فسفات (C10H16N5 O 13P3) می تواند به مولکول اسید آدنوزین دی فسفریک و اسید اورتوفسفات تجزیه شود. این واکنش با آزاد شدن انرژی آزاد در حد 30.5 کیلوژول بر مول همراه است. تمام فرآیندهای زندگی در هر سلول بدن ما زمانی اتفاق می‌افتد که انرژی در ATP انباشته می‌شود و در صورت شکسته شدن از آن استفاده می‌شود.پیوند بین باقی مانده های اسید اورتوفسفریک.
اهدا کننده و پذیرنده
ترکیبات پرانرژی همچنین شامل موادی با نام های طولانی هستند که می توانند مولکول های ATP را در واکنش های هیدرولیز تشکیل دهند (به عنوان مثال، اسیدهای پیروفسفریک و پیروویک، کوآنزیم های سوکسینیل، مشتقات آمینواسیل اسیدهای ریبونوکلئیک). همه این ترکیبات حاوی اتم های فسفر (P) و گوگرد (S) هستند که بین آنها پیوندهای پرانرژی وجود دارد. این انرژی است که با شکسته شدن پیوند پرانرژی در ATP (اهداکننده) آزاد می شود که توسط سلول در طول سنتز ترکیبات آلی خود جذب می شود. و در عین حال، ذخایر این پیوندها دائماً با تجمع انرژی (پذیرنده) آزاد شده در هنگام هیدرولیز درشت مولکول ها دوباره پر می شود. در هر سلول بدن انسان، این فرآیندها در میتوکندری اتفاق می افتد، در حالی که مدت زمان وجود ATP کمتر از 1 دقیقه است. در طول روز، بدن ما حدود 40 کیلوگرم ATP را سنتز می کند که هر چرخه 3 هزار چرخه پوسیدگی را پشت سر می گذارد. و در هر لحظه، حدود 250 گرم ATP در بدن ما وجود دارد.
عملکردهای مولکولهای زیستی با انرژی بالا
علاوه بر عملکرد دهنده و گیرنده انرژی در فرآیندهای تجزیه و سنتز ترکیبات ماکرومولکولی، مولکول های ATP چندین نقش بسیار مهم دیگر را در سلول ها ایفا می کنند. انرژی شکستن پیوندهای ماکروارژیک در فرآیندهای تولید گرما، کارهای مکانیکی، انباشته شدن الکتریسیته و لومینسانس استفاده می شود. در عین حال، تحولانرژی پیوندهای شیمیایی به حرارتی، الکتریکی و مکانیکی در همان زمان به عنوان مرحله تبادل انرژی با ذخیره سازی بعدی ATP در همان پیوندهای کلان انرژی عمل می کند. همه این فرآیندها در سلول را تبادل پلاستیک و انرژی می نامند (نمودار شکل). مولکول های ATP نیز به عنوان کوآنزیم عمل می کنند و فعالیت آنزیم های خاصی را تنظیم می کنند. علاوه بر این، ATP همچنین می‌تواند یک واسطه، یک عامل سیگنال‌دهنده در سیناپس‌های سلول‌های عصبی باشد.
جریان انرژی و ماده در سلول
بنابراین، ATP در سلول، جایگاه مرکزی و اصلی را در تبادل ماده اشغال می کند. واکنش های بسیار زیادی وجود دارد که توسط آنها ATP بوجود می آید و تجزیه می شود (فسفوریلاسیون اکسیداتیو و سوبسترا، هیدرولیز). واکنش‌های بیوشیمیایی سنتز این مولکول‌ها برگشت‌پذیر است و تحت شرایط خاصی در سلول‌ها در جهت سنتز یا پوسیدگی جابه‌جا می‌شوند. مسیرهای این واکنش ها از نظر تعداد دگرگونی مواد، نوع فرآیندهای اکسیداتیو و نحوه ترکیب واکنش های تامین کننده انرژی و انرژی مصرفی متفاوت است. هر فرآیند سازگاری های واضحی با پردازش نوع خاصی از "سوخت" و محدودیت های کارایی آن دارد.
ارزیابی عملکرد
شاخص های بازده تبدیل انرژی در بیوسیستم ها کوچک هستند و در مقادیر استاندارد ضریب کارایی (نسبت کار مفید صرف شده برای کار به کل انرژی مصرف شده) تخمین زده می شوند. اما در اینجا، برای اطمینان از عملکرد عملکردهای بیولوژیکی، هزینه ها بسیار بالا است. به عنوان مثال، یک دونده، بر حسب واحد جرم، اینقدر هزینه می کندانرژی، چقدر و یک کشتی اقیانوس پیمای بزرگ. حتی در حالت استراحت، حفظ زندگی یک ارگانیسم کار سختی است و حدود 8 هزار کیلوژول در مول روی آن صرف می شود. در همان زمان، حدود 1.8 هزار کیلوژول در مول برای سنتز پروتئین، 1.1 هزار کیلوژول در مول برای کار قلب، اما تا 3.8 هزار کیلوژول در مول برای سنتز ATP هزینه می شود.
سیستم سلولی آدنیلات
این سیستمی است که شامل مجموع تمام ATP، ADP و AMP در یک سلول در یک دوره زمانی خاص است. این مقدار و نسبت اجزاء وضعیت انرژی سلول را تعیین می کند. سیستم از نظر بار انرژی سیستم (نسبت گروه های فسفات به باقیمانده آدنوزین) ارزیابی می شود. اگر فقط ATP در ترکیبات ماکروارژیک سلول وجود داشته باشد - دارای بالاترین وضعیت انرژی (شاخص -1) و اگر فقط AMP - حداقل وضعیت (شاخص - 0) باشد. در سلول‌های زنده معمولاً شاخص‌های 0.7-0.9 حفظ می‌شود. ثبات وضعیت انرژی سلول، میزان واکنش‌های آنزیمی و حفظ سطح بهینه فعالیت حیاتی را تعیین می‌کند.
و کمی در مورد نیروگاه ها
همانطور که قبلا ذکر شد، سنتز ATP در اندامک های سلولی تخصصی - میتوکندری ها اتفاق می افتد. و امروزه در بین زیست شناسان اختلافاتی در مورد منشاء این ساختارهای شگفت انگیز وجود دارد. میتوکندری ها نیروگاه های سلولی هستند که "سوخت" آنها پروتئین ها، چربی ها، گلیکوژن و الکتریسیته - مولکول های ATP هستند که سنتز آنها با مشارکت اکسیژن انجام می شود. می توان گفت که ما نفس می کشیم تا میتوکندری کار کند. کار بیشتر برای انجامسلول ها به انرژی بیشتری نیاز دارند. بخوانید - ATP، که به معنی - میتوکندری است.
برای مثال، یک ورزشکار حرفه ای حدود 12 درصد میتوکندری در ماهیچه های اسکلتی خود دارد، در حالی که یک ورزشکار غیر ورزشکار نصف این مقدار را دارد. اما در عضله قلب میزان آنها 25 درصد است. روش‌های تمرینی مدرن برای ورزشکاران، به‌ویژه دوندگان ماراتن، مبتنی بر MOC (حداکثر مصرف اکسیژن) است که مستقیماً به تعداد میتوکندری‌ها و توانایی عضلات در انجام بارهای طولانی مدت بستگی دارد. برنامه های آموزشی پیشرو برای ورزش های حرفه ای با هدف تحریک سنتز میتوکندری در سلول های عضلانی است.
