Jede unserer Bewegungen oder Gedanken erfordert Energie vom Körper. Diese Kraft wird von jeder Körperzelle gespeichert und mit Hilfe von makroergen Bindungen in Biomolekülen akkumuliert. Es sind diese Batteriemoleküle, die alle Lebensprozesse bereitstellen. Der ständige Energieaustausch innerhalb der Zellen bestimmt das Leben selbst. Was sind diese Biomoleküle mit makroergen Bindungen, woher kommen sie und was passiert mit ihrer Energie in jeder Zelle unseres Körpers – das wird im Artikel diskutiert.
Biologische Mediatoren
In keinem Organismus geht Energie von einem energieerzeugenden Stoff zu einem biologischen Energieverbraucher direkt über. Wenn die intramolekularen Bindungen von Nahrungsmittelprodukten aufgebrochen werden, wird die potenzielle Energie chemischer Verbindungen freigesetzt, die die Fähigkeit intrazellulärer enzymatischer Systeme, sie zu nutzen, bei weitem übersteigt. Deshalb erfolgt in biologischen Systemen die Freisetzung potenzieller Chemikalien schrittweise mit ihrer allmählichen Umwandlung in Energie und ihrer Anreicherung in makroergen Verbindungen und Bindungen. Und es sind die Biomoleküle, die zu einer solchen Energiespeicherung fähig sind, die als hochenergetisch bezeichnet werden.
Welche Bindungen nennt man makroergisch?
Als normal gilt die freie Energie von 12,5 kJ/mol, die beim Knüpfen oder Zerfallen einer chemischen Bindung entsteht. Wenn bei der Hydrolyse bestimmter Substanzen mehr als 21 kJ / mol freie Energie gebildet wird, spricht man von makroergen Bindungen. Sie werden durch das Tilde-Symbol - ~ gekennzeichnet. Im Gegensatz zur physikalischen Chemie, wo eine makroerge Bindung eine kovalente Bindung von Atomen bedeutet, bedeutet sie in der Biologie die Differenz zwischen der Energie der Ausgangsstoffe und ihren Zerfallsprodukten. Das heißt, die Energie ist nicht in einer bestimmten chemischen Bindung von Atomen lokalisiert, sondern charakterisiert die gesamte Reaktion. In der Biochemie spricht man von chemischer Konjugation und der Bildung einer makroergen Verbindung.
Universelle Bioenergiequelle
Alle lebenden Organismen auf unserem Planeten haben ein universelles Element der Energiespeicherung - dies ist die makroerge Bindung ATP - ADP - AMP (Adenosin Tri, Di, Monophosphorsäure). Dies sind Biomoleküle, die aus einer stickstoffh altigen Adeninbase bestehen, die an ein Ribose-Kohlenhydrat und angehängte Phosphorsäurereste gebunden ist. Unter Einwirkung von Wasser und einem Restriktionsenzym entsteht ein Adenosintriphosphat-Molekül (C10H16N5 O 13P3) kann in ein Adenosindiphosphorsäuremolekül und Orthophosphatsäure zerfallen. Diese Reaktion wird von der Freisetzung freier Energie in der Größenordnung von 30,5 kJ/mol begleitet. Alle Lebensprozesse in jeder Zelle unseres Körpers finden statt, wenn Energie in ATP gespeichert und verbraucht wird, wenn sie gebrochen wird. Bindungen zwischen Orthophosphorsäureresten.
Donor und Acceptor
Hochenergetische Verbindungen umfassen auch Substanzen mit langen Namen, die in Hydrolysereaktionen ATP-Moleküle bilden können (z. B. Pyrophosphor- und Brenztraubensäure, Succinyl-Coenzyme, Aminoacylderivate von Ribonukleinsäuren). Alle diese Verbindungen enth alten Phosphor- (P) und Schwefel- (S) Atome, zwischen denen hochenergetische Bindungen bestehen. Es ist die Energie, die freigesetzt wird, wenn die hochenergetische Bindung in ATP (Donor) gebrochen wird, die von der Zelle während der Synthese ihrer eigenen organischen Verbindungen aufgenommen wird. Gleichzeitig werden die Reserven dieser Bindungen ständig durch die Ansammlung von Energie (Akzeptor) aufgefüllt, die während der Hydrolyse von Makromolekülen freigesetzt wird. In jeder Zelle des menschlichen Körpers finden diese Prozesse in Mitochondrien statt, während die Dauer der Existenz von ATP weniger als 1 Minute beträgt. Tagsüber synthetisiert unser Körper etwa 40 Kilogramm ATP, die jeweils bis zu 3.000 Zerfallszyklen durchlaufen. Und zu jedem Zeitpunkt sind etwa 250 Gramm ATP in unserem Körper vorhanden.
Funktionen hochenergetischer Biomoleküle
Zusätzlich zu der Funktion des Energiespenders und -akzeptors bei den Prozessen der Zersetzung und Synthese makromolekularer Verbindungen spielen ATP-Moleküle mehrere andere sehr wichtige Rollen in Zellen. Die Energie des Aufbrechens makroergischer Bindungen wird in den Prozessen der Wärmeerzeugung, der mechanischen Arbeit, der Akkumulation von Elektrizität und der Lumineszenz verwendet. Gleichzeitig die VerwandlungDie Energie chemischer Bindungen in thermische, elektrische und mechanische dient gleichzeitig als Stufe des Energieaustauschs mit anschließender Speicherung von ATP in denselben Makroenergiebindungen. Alle diese Prozesse in der Zelle werden als Plastik- und Energieaustausch bezeichnet (Schaubild in der Abbildung). ATP-Moleküle wirken auch als Coenzyme und regulieren die Aktivität bestimmter Enzyme. Darüber hinaus kann ATP auch ein Mediator, ein Signalgeber in den Synapsen von Nervenzellen sein.
Energie- und Stofffluss in der Zelle
Daher nimmt ATP in der Zelle eine zentrale und zentrale Stellung im Stoffaustausch ein. Es gibt eine ganze Reihe von Reaktionen, bei denen ATP auf- und abgebaut wird (oxidative und Substrat-Phosphorylierung, Hydrolyse). Die biochemischen Reaktionen des Aufbaus dieser Moleküle sind reversibel, sie werden in den Zellen unter bestimmten Bedingungen in Aufbau- oder Abbaurichtung verschoben. Die Wege dieser Reaktionen unterscheiden sich in der Zahl der Stoffumwandlungen, der Art der oxidativen Prozesse und in der Art der Konjugation von energieliefernden und energieverbrauchenden Reaktionen. Jeder Prozess hat klare Anpassungen an die Verarbeitung einer bestimmten Art von „Brennstoff“und deren Effizienzgrenzen.
Leistungsbewertung
Indikatoren für die Effizienz der Energieumwandlung in Biosystemen sind klein und werden in Standardwerten des Effizienzfaktors (das Verhältnis der für die Arbeit aufgewendeten Nutzarbeit zur aufgewendeten Gesamtenergie) geschätzt. Aber hier, um die Erfüllung biologischer Funktionen sicherzustellen, sind die Kosten sehr hoch. Zum Beispiel gibt ein Läufer in Bezug auf eine Masseneinheit so viel ausEnergie, wie viel und ein großer Ozeandampfer. Selbst im Ruhezustand ist es harte Arbeit, das Leben eines Organismus aufrechtzuerh alten, und dafür werden etwa 8.000 kJ / mol ausgegeben. Gleichzeitig werden etwa 1,8 Tausend kJ / Mol für die Proteinsynthese ausgegeben, 1,1 Tausend kJ / Mol für die Arbeit des Herzens, aber bis zu 3,8 Tausend kJ / Mol für die ATP-Synthese.
Adenylatzellsystem
Dies ist ein System, das die Summe aller ATP, ADP und AMP in einer Zelle in einem bestimmten Zeitraum enthält. Dieser Wert und das Verhältnis der Komponenten bestimmen den Energiestatus der Zelle. Das System wird im Hinblick auf die Energieladung des Systems (das Verhältnis von Phosphatgruppen zu dem Adenosinrest) bewertet. Wenn nur ATP in den makroergen Verbindungen der Zelle vorhanden ist, hat es den höchsten Energiestatus (Index -1), wenn nur AMP - den minimalen Status (Index - 0). In lebenden Zellen werden normalerweise Indikatoren von 0,7 bis 0,9 aufrechterh alten. Die Stabilität des Energiestatus der Zelle bestimmt die Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen und die Aufrechterh altung eines optimalen Niveaus der Vitalaktivität.
Und ein bisschen über Kraftwerke
Wie bereits erwähnt, erfolgt die ATP-Synthese in spezialisierten Zellorganellen - den Mitochondrien. Und heute gibt es unter Biologen Streitigkeiten über den Ursprung dieser erstaunlichen Strukturen. Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle, deren "Brennstoff" Proteine, Fette, Glykogen und Elektrizität sind - ATP-Moleküle, deren Synthese unter Beteiligung von Sauerstoff erfolgt. Wir können sagen, dass wir atmen, damit die Mitochondrien arbeiten. Je mehr Arbeit zu erledigen istZellen, desto mehr Energie benötigen sie. Lesen Sie - ATP, was bedeutet - Mitochondrien.
Zum Beispiel hat ein Profisportler etwa 12% Mitochondrien in seiner Skelettmuskulatur, während ein nichtsportlicher Laie nur halb so viele hat. Aber im Herzmuskel beträgt ihre Rate 25%. Moderne Trainingsmethoden für Sportler, insbesondere Marathonläufer, basieren auf MOC (maximaler Sauerstoffverbrauch), der direkt von der Anzahl der Mitochondrien und der Fähigkeit der Muskeln abhängt, längere Belastungen auszuführen. Führende Trainingsprogramme für den Profisport zielen darauf ab, die Synthese von Mitochondrien in Muskelzellen zu stimulieren.
