Մեր յուրաքանչյուր շարժում կամ միտք էներգիա է պահանջում մարմնից: Այս ուժը պահվում է մարմնի յուրաքանչյուր բջիջի կողմից և այն կուտակում է կենսամոլեկուլներում՝ մակրոէերգիկ կապերի օգնությամբ։ Հենց այս մարտկոցի մոլեկուլներն են ապահովում կյանքի բոլոր գործընթացները: Բջիջների ներսում էներգիայի մշտական փոխանակումն ինքնին որոշում է կյանքը: Ինչպիսի՞ն են այս մակրոէերգիկ կապերով բիոմոլեկուլները, որտեղից են դրանք գալիս և ինչ է տեղի ունենում դրանց էներգիայի հետ մեր մարմնի յուրաքանչյուր բջիջում - սա քննարկվում է հոդվածում:
Կենսաբանական միջնորդներ
Որևէ օրգանիզմում էներգիա արտադրող նյութից մինչև կենսաբանական էներգիա սպառող էներգիան ուղղակիորեն չի անցնում: Երբ պարենային ապրանքների ներմոլեկուլային կապերը կոտրվում են, ազատվում է քիմիական միացությունների պոտենցիալ էներգիան, որը զգալիորեն գերազանցում է այն օգտագործելու ներբջջային ֆերմենտային համակարգերի կարողությունը։ Այդ իսկ պատճառով կենսաբանական համակարգերում պոտենցիալ քիմիկատների արտազատումը տեղի է ունենում աստիճանաբար՝ դրանց աստիճանական փոխակերպմամբ էներգիայի և դրա կուտակմամբ մակրոէերգիկ միացություններում և կապերում։ Եվ հենց այն կենսամոլեկուլներն են, որոնք ընդունակ են էներգիայի նման կուտակման, որոնք կոչվում են բարձր էներգիա։
Ի՞նչ պարտատոմսեր են կոչվում մակրոէերգիկ:
Ազատ էներգիայի մակարդակը՝ 12,5 կՋ/մոլ, որը ձևավորվում է քիմիական կապի ձևավորման կամ քայքայման ժամանակ, համարվում է նորմալ։ Երբ որոշ նյութերի հիդրոլիզի ժամանակ ազատ էներգիա է գոյանում ավելի քան 21 կՋ/մոլ, ապա դա կոչվում է մակրոէերգիկ կապեր։ Նրանք նշվում են tilde նշանով - ~: Ի տարբերություն ֆիզիկական քիմիայի, որտեղ մակրոէերգիկ կապը նշանակում է ատոմների կովալենտային կապ, կենսաբանության մեջ դրանք նշանակում են սկզբնական նյութերի և դրանց քայքայման արտադրանքների էներգիայի տարբերությունը։ Այսինքն՝ էներգիան տեղայնացված չէ ատոմների կոնկրետ քիմիական կապում, այլ բնութագրում է ողջ ռեակցիան։ Կենսաքիմիայում խոսում են քիմիական կոնյուգացիայի և մակրոէերգիկ միացության առաջացման մասին։
Կենսաբանական էներգիայի ունիվերսալ աղբյուր
Մեր մոլորակի բոլոր կենդանի օրգանիզմներն ունեն էներգիայի պահպանման մեկ ունիվերսալ տարր՝ սա ATP - ADP - AMP մակրոէերգիկ կապն է (ադենոզին տրի, դի, մոնոֆոսֆորաթթու): Սրանք բիոմոլեկուլներ են, որոնք բաղկացած են ազոտ պարունակող ադենինային բազայից, որը կցված է ռիբոզային ածխաջրածինին և կցված ֆոսֆորաթթվի մնացորդներին: Ջրի և սահմանափակող ֆերմենտի ազդեցության տակ ադենոզին տրիֆոսֆատի մոլեկուլը (C10H16N5 O 13P3) կարող է քայքայվել ադենոզին երկֆոսֆորաթթվի մոլեկուլի և օրթոֆոսֆատաթթվի: Այս ռեակցիան ուղեկցվում է 30,5 կՋ/մոլ կարգի ազատ էներգիայի արտազատմամբ։ Կյանքի բոլոր գործընթացները մեր մարմնի յուրաքանչյուր բջիջում տեղի են ունենում, երբ էներգիան կուտակվում է ATP-ում և օգտագործվում, երբ այն կոտրվում է:կապեր օրթոֆոսֆորական թթվի մնացորդների միջև։
Դոնոր և ընդունող
Բարձր էներգիայի միացությունները ներառում են նաև երկար անվանումներով նյութեր, որոնք կարող են ձևավորել ATP մոլեկուլներ հիդրոլիզի ռեակցիաներում (օրինակ՝ պիրոֆոսֆորական և պիրուվիկ թթուներ, սուկցինիլային կոֆերմենտներ, ռիբոնուկլեինաթթուների ամինասիլ ածանցյալներ): Այս բոլոր միացությունները պարունակում են ֆոսֆորի (P) և ծծմբի (S) ատոմներ, որոնց միջև կան բարձր էներգիայի կապեր։ Այն էներգիան է, որն ազատվում է ATP-ի (դոնոր) բարձր էներգիայի կապի խզման ժամանակ, որը կլանվում է բջջի կողմից սեփական օրգանական միացությունների սինթեզի ժամանակ: Եվ միևնույն ժամանակ, այդ կապերի պաշարները մշտապես համալրվում են մակրոմոլեկուլների հիդրոլիզի ժամանակ արձակված էներգիայի (ընդունիչի) կուտակմամբ։ Մարդու մարմնի յուրաքանչյուր բջիջում այս պրոցեսները տեղի են ունենում միտոքոնդրիայում, մինչդեռ ATP-ի գոյության տևողությունը 1 րոպեից պակաս է։ Օրվա ընթացքում մեր օրգանիզմը սինթեզում է մոտ 40 կիլոգրամ ATP, որը յուրաքանչյուրը անցնում է քայքայման մինչև 3 հազար ցիկլ։ Եվ ցանկացած պահի մեր օրգանիզմում առկա է մոտ 250 գրամ ATP։
Բարձր էներգիայի կենսամոլեկուլների գործառույթները
Բացի մակրոմոլեկուլային միացությունների քայքայման և սինթեզի գործընթացներում էներգիա դոնորի և ընդունողի գործառույթից, ATP մոլեկուլները բջիջներում խաղում են մի քանի այլ շատ կարևոր դերեր: Մակրոէերգիկ կապերի խզման էներգիան օգտագործվում է ջերմության առաջացման, մեխանիկական աշխատանքի, էլեկտրաէներգիայի կուտակման և լյումինեսցիայի գործընթացներում։ Միևնույն ժամանակ, վերափոխումըՔիմիական կապերի էներգիան ջերմային, էլեկտրական, մեխանիկական, միևնույն ժամանակ ծառայում է որպես էներգիայի փոխանակման փուլ՝ ATP-ի հետագա պահպանմամբ նույն մակրոէներգետիկ կապերում: Բջջում այս բոլոր գործընթացները կոչվում են պլաստիկ և էներգիայի փոխանակումներ (գծապատկերում պատկերված): ATP մոլեկուլները գործում են նաև որպես կոֆերմենտներ՝ կարգավորելով որոշ ֆերմենտների ակտիվությունը։ Բացի այդ, ATP-ն կարող է նաև լինել միջնորդ, ազդանշանային միջոց նյարդային բջիջների սինապսներում:
Էներգիայի և նյութի հոսքը բջջում
Այսպիսով, ATP-ն բջիջում կենտրոնական և հիմնական տեղ է զբաղեցնում նյութի փոխանակման մեջ։ Բավականին շատ են ռեակցիաները, որոնց միջոցով առաջանում և քայքայվում է ATP-ն (օքսիդատիվ և սուբստրատային ֆոսֆորիլացում, հիդրոլիզ)։ Այս մոլեկուլների սինթեզի կենսաքիմիական ռեակցիաները շրջելի են, որոշակի պայմաններում դրանք բջիջներում տեղաշարժվում են սինթեզի կամ քայքայման ուղղությամբ։ Այս ռեակցիաների ուղիները տարբերվում են նյութերի փոխակերպումների քանակով, օքսիդատիվ պրոցեսների տեսակով, էներգիա մատակարարող և էներգիա սպառող ռեակցիաների միացման եղանակներով։ Յուրաքանչյուր գործընթաց հստակ հարմարեցված է որոշակի տեսակի «վառելիքի» մշակմանը և դրա արդյունավետության սահմաններին:
Կատարման գնահատում
Կենսահամակարգերում էներգիայի փոխակերպման արդյունավետության ցուցանիշները փոքր են և գնահատվում են արդյունավետության գործակցի ստանդարտ արժեքներով (աշխատանքի վրա ծախսված օգտակար աշխատանքի հարաբերակցությունը ծախսված ընդհանուր էներգիային): Բայց այստեղ կենսաբանական ֆունկցիաների կատարումն ապահովելու համար ծախսերը շատ բարձր են։ Օրինակ, վազորդը, զանգվածի միավորի առումով, այդքան շատ է ծախսումէներգիա, որքան և մեծ օվկիանոս: Նույնիսկ հանգստի ժամանակ օրգանիզմի կյանքը պահպանելը ծանր աշխատանք է, և դրա վրա ծախսվում է մոտ 8 հազար կՋ/մոլ։ Միևնույն ժամանակ, սպիտակուցի սինթեզի վրա ծախսվում է մոտ 1,8 հազար կՋ/մոլ, սրտի աշխատանքի վրա՝ 1,1 հազար կՋ/մոլ, բայց ATP սինթեզի վրա՝ մինչև 3,8 հազար կՋ/մոլ։
Ադենիլատային բջիջների համակարգ
Սա համակարգ է, որը ներառում է ATP-ի, ADP-ի և AMP-ի բոլոր բջիջների գումարը որոշակի ժամանակահատվածում: Այս արժեքը և բաղադրիչների հարաբերակցությունը որոշում է բջջի էներգետիկ կարգավիճակը: Համակարգը գնահատվում է համակարգի էներգիայի լիցքով (ֆոսֆատային խմբերի հարաբերակցությունը ադենոզինի մնացորդին): Եթե բջիջների մակրոէերգիկ միացություններում առկա է միայն ATP-ն, ապա այն ունի ամենաբարձր էներգետիկ կարգավիճակը (ինդեքս -1), եթե միայն AMP - նվազագույն կարգավիճակը (ինդեքսը - 0): Կենդանի բջիջներում սովորաբար պահպանվում են 0,7-0,9 ցուցանիշները:Բջջի էներգետիկ կարգավիճակի կայունությունը որոշում է ֆերմենտային ռեակցիաների արագությունը և կենսագործունեության օպտիմալ մակարդակի պահպանումը:
Եվ մի փոքր էլեկտրակայանների մասին
Ինչպես արդեն նշվեց, ATP-ի սինթեզը տեղի է ունենում մասնագիտացված բջջային օրգանելներում՝ միտոքոնդրիումներում: Իսկ այսօր կենսաբանների շրջանում վեճեր կան այս զարմանահրաշ կառույցների ծագման վերաբերյալ։ Միտոքոնդրիաները բջջի էլեկտրակայաններն են, որոնց «վառելիքն» են սպիտակուցները, ճարպերը, գլիկոգենը, իսկ էլեկտրականությունը՝ ATP մոլեկուլները, որոնց սինթեզը տեղի է ունենում թթվածնի մասնակցությամբ։ Կարելի է ասել, որ մենք շնչում ենք, որպեսզի միտոքոնդրիան աշխատի։ Որքան ավելի շատ աշխատանք է պետք անելբջիջները, այնքան ավելի շատ էներգիա է նրանց անհրաժեշտ: Կարդացեք - ATP, ինչը նշանակում է - միտոքոնդրիա:
Օրինակ, պրոֆեսիոնալ մարզիկն ունի մոտ 12% միտոքոնդրիա իր կմախքի մկաններում, մինչդեռ ոչ մարզիկ աշխարհիկը կիսով չափ ունի: Բայց սրտի մկաններում դրանց տոկոսադրույքը կազմում է 25%: Մարզիկների, հատկապես մարաթոնյան վազորդների մարզման ժամանակակից մեթոդները հիմնված են MOC-ի վրա (թթվածնի առավելագույն սպառումը), որն ուղղակիորեն կախված է միտոքոնդրիումների քանակից և մկանների երկարատև բեռներ կատարելու կարողությունից: Պրոֆեսիոնալ սպորտի առաջատար մարզումների ծրագրերն ուղղված են մկանային բջիջներում միտոքոնդրիումների սինթեզը խթանելուն։
