Ogni nostro movimento o pensiero richiede energia dal corpo. Questa forza è immagazzinata da ogni cellula del corpo e la accumula nelle biomolecole con l'aiuto di legami macroergici. Sono queste molecole della batteria che forniscono tutti i processi vitali. Il continuo scambio di energia all'interno delle cellule determina la vita stessa. Quali sono queste biomolecole con legami macroergici, da dove provengono e cosa succede alla loro energia in ogni cellula del nostro corpo - questo è discusso nell'articolo.
Mediatori biologici
In qualsiasi organismo, l'energia da un agente che genera energia a un consumatore di energia biologica non passa direttamente. Quando i legami intramolecolari dei prodotti alimentari vengono rotti, viene rilasciata l'energia potenziale dei composti chimici, che supera di gran lunga la capacità dei sistemi enzimatici intracellulari di utilizzarla. Ecco perché nei sistemi biologici il rilascio di potenziali sostanze chimiche avviene per gradi con la loro graduale trasformazione in energia e il suo accumulo in composti e legami macroergici. E sono le biomolecole capaci di un tale accumulo di energia che vengono chiamate ad alta energia.
Quali legami sono chiamati macroergici?
Il livello di energia libera di 12,5 kJ/mol, che si forma durante la formazione o il decadimento di un legame chimico, è considerato normale. Quando, durante l'idrolisi di alcune sostanze, si forma energia libera superiore a 21 kJ / mol, si parla di legami macroergici. Sono indicati dal simbolo della tilde - ~. Contrariamente alla chimica fisica, dove un legame macroergico significa un legame covalente di atomi, in biologia significano la differenza tra l'energia degli agenti iniziali ei loro prodotti di decadimento. Cioè, l'energia non è localizzata in uno specifico legame chimico degli atomi, ma caratterizza l'intera reazione. In biochimica si parla di coniugazione chimica e della formazione di un composto macroergico.
Fonte bioenergetica universale
Tutti gli organismi viventi sul nostro pianeta hanno un elemento universale di accumulo di energia: questo è il legame macroergico ATP - ADP - AMP (adenosina tri, di, acido monofosforico). Si tratta di biomolecole costituite da una base di adenina contenente azoto attaccata a un carboidrato ribosio e da residui di acido fosforico attaccati. Sotto l'azione dell'acqua e di un enzima di restrizione, una molecola di adenosina trifosfato (C10H16N5 O 13P3) può decomporsi in una molecola di acido adenosina difosforico e acido ortofosfato. Questa reazione è accompagnata dal rilascio di energia libera dell'ordine di 30,5 kJ/mol. Tutti i processi vitali in ogni cellula del nostro corpo si verificano quando l'energia viene accumulata nell'ATP e utilizzata quando viene rotta.legami tra i residui di acido ortofosforico.
Donatore e accettore
I composti ad alta energia includono anche sostanze con nomi lunghi che possono formare molecole di ATP nelle reazioni di idrolisi (ad esempio, acidi pirofosforico e piruvico, coenzimi succinilici, derivati aminoacilici degli acidi ribonucleici). Tutti questi composti contengono atomi di fosforo (P) e zolfo (S), tra i quali ci sono legami ad alta energia. È l'energia che viene rilasciata quando si interrompe il legame ad alta energia nell'ATP (donatore) che viene assorbita dalla cellula durante la sintesi dei propri composti organici. E allo stesso tempo, le riserve di questi legami vengono costantemente reintegrate con l'accumulo di energia (accettore) rilasciata durante l'idrolisi delle macromolecole. In ogni cellula del corpo umano, questi processi si verificano nei mitocondri, mentre la durata dell'esistenza dell'ATP è inferiore a 1 minuto. Durante il giorno, il nostro corpo sintetizza circa 40 chilogrammi di ATP, che subiscono fino a 3mila cicli di decadimento ciascuno. E in ogni momento, nel nostro corpo sono presenti circa 250 grammi di ATP.
Funzioni delle biomolecole ad alta energia
Oltre alla funzione di donatore e accettore di energia nei processi di decomposizione e sintesi di composti macromolecolari, le molecole di ATP svolgono molti altri ruoli molto importanti nelle cellule. L'energia di rottura dei legami macroergici viene utilizzata nei processi di generazione di calore, lavori meccanici, accumulo di elettricità e luminescenza. Allo stesso tempo, la trasformazionel'energia dei legami chimici in termica, elettrica, meccanica serve allo stesso tempo come fase di scambio di energia con successivo immagazzinamento di ATP negli stessi legami macro-energetici. Tutti questi processi nella cellula sono chiamati plastica e scambi di energia (diagramma in figura). Le molecole di ATP agiscono anche come coenzimi, regolando l'attività di alcuni enzimi. Inoltre, l'ATP può anche essere un mediatore, un agente di segnalazione nelle sinapsi delle cellule nervose.
Il flusso di energia e materia nella cellula
Così, l'ATP nella cellula occupa un posto centrale e principale nello scambio di materia. Ci sono molte reazioni per mezzo delle quali l'ATP si forma e si scompone (fosforilazione ossidativa e del substrato, idrolisi). Le reazioni biochimiche della sintesi di queste molecole sono reversibili; in determinate condizioni, vengono spostate nelle cellule nella direzione della sintesi o del decadimento. I percorsi di queste reazioni differiscono per il numero di trasformazioni di sostanze, il tipo di processi ossidativi e le modalità di coniugazione delle reazioni che forniscono energia e consumano energia. Ogni processo ha chiari adattamenti alla lavorazione di un particolare tipo di "combustibile" e ai suoi limiti di efficienza.
Valutazione delle prestazioni
Gli indicatori dell'efficienza della conversione energetica nei biosistemi sono piccoli e sono stimati in valori standard del fattore di efficienza (il rapporto tra il lavoro utile speso per il lavoro e l'energia totale spesa). Ma qui, per garantire lo svolgimento delle funzioni biologiche, i costi sono altissimi. Ad esempio, un corridore, in termini di unità di massa, spende così tantoenergia, quanto e un grande transatlantico. Anche a riposo, mantenere la vita di un organismo è un duro lavoro e vengono spesi circa 8 mila kJ / mol. Allo stesso tempo, circa 1,8 mila kJ / mol vengono spesi per la sintesi proteica, 1,1 mila kJ / mol per il lavoro del cuore, ma fino a 3,8 mila kJ / mol per la sintesi di ATP.
Sistema cellulare adenilato
Questo è un sistema che include la somma di tutti gli ATP, ADP e AMP in una cella in un determinato periodo di tempo. Questo valore e il rapporto tra i componenti determina lo stato energetico della cella. Il sistema viene valutato in termini di carica energetica del sistema (il rapporto tra i gruppi fosfato e il residuo di adenosina). Se solo l'ATP è presente nei composti macroergici cellulari - ha lo stato energetico più alto (indice -1), se solo AMP - lo stato minimo (indice - 0). Nelle cellule viventi vengono generalmente mantenuti indicatori di 0,7-0,9 La stabilità dello stato energetico della cellula determina la velocità delle reazioni enzimatiche e il mantenimento di un livello ottimale di attività vitale.
E un po' di centrali elettriche
Come già accennato, la sintesi di ATP avviene in organelli cellulari specializzati - i mitocondri. E oggi tra i biologi ci sono controversie sull'origine di queste incredibili strutture. I mitocondri sono le centrali elettriche della cellula, il "combustibile" per il quale sono proteine, grassi, glicogeno ed elettricità - molecole di ATP, la cui sintesi avviene con la partecipazione dell'ossigeno. Possiamo dire che respiriamo affinché i mitocondri funzionino. Più lavoro da farecellule, più energia hanno bisogno. Leggi - ATP, che significa - mitocondri.
Ad esempio, un atleta professionista ha circa il 12% di mitocondri nei muscoli scheletrici, mentre un laico non atletico ne ha la metà. Ma nel muscolo cardiaco, il loro tasso è del 25%. I moderni metodi di allenamento per gli atleti, in particolare i maratoneti, si basano sul MOC (consumo massimo di ossigeno), che dipende direttamente dal numero di mitocondri e dalla capacità dei muscoli di eseguire carichi prolungati. I principali programmi di allenamento per gli sport professionistici mirano a stimolare la sintesi dei mitocondri nelle cellule muscolari.
