Ha átfogalmazzuk a jól ismert „a mozgás az élet” kifejezést, világossá válik, hogy az élő anyag minden megnyilvánulása – növekedés, szaporodás, tápanyagszintézis folyamatai, légzés – valójában az atomok mozgása. és a sejtet alkotó molekulák. Lehetségesek ezek a folyamatok az energia részvétele nélkül? Természetesen nem.
Honnan szerzik a készleteiket az élő testek, az óriási szervezetektől, például a kék bálnától vagy az amerikai sequoiától az ultramikroszkópos baktériumokig?
A biokémia megtalálta a választ erre a kérdésre. Az adenozin-trifoszforsav egy univerzális anyag, amelyet bolygónk minden lakója használ. Ebben a cikkben megvizsgáljuk az ATP szerkezetét és funkcióit az élő szervezetek különböző csoportjaiban. Ezenkívül meghatározzuk, hogy mely organellumok felelősek a szintézisért a növényi és állati sejtekben.
Felfedezési előzmények
A 20. század elején a Harvard Medical School laboratóriumában számos tudós, nevezetesen Subbaris, Loman és Friske felfedezett egy olyan vegyületet, amely szerkezetében közel áll az adenilhez.ribonukleinsav nukleotid. Azonban nem egy, hanem három foszfátsav-maradékot tartalmazott, amelyek a monoszacharid ribózhoz kapcsolódnak. Két évtizeddel később F. Lipman az ATP funkcióit tanulmányozva megerősítette azt a tudományos feltételezést, hogy ez a vegyület energiát hordoz. Ettől a pillanattól kezdve a biokémikusoknak nagyszerű lehetőség nyílt arra, hogy részletesen megismerkedjenek ennek az anyagnak a sejtben előforduló szintézisének összetett mechanizmusával. Később egy kulcsfontosságú vegyületet fedeztek fel: egy enzimet - ATP-szintázt, amely a mitokondriumokban a savmolekulák képződéséért felelős. Annak meghatározásához, hogy az ATP milyen funkciót lát el, nézzük meg, hogy az élő szervezetekben végbemenő milyen folyamatok nem hajthatók végre ennek az anyagnak a részvétele nélkül.
Az energia létezési formái a biológiai rendszerekben
Az élő szervezetekben végbemenő változatos reakciók különböző típusú energiákat igényelnek, amelyek egymásba tudnak átalakulni. Ide tartoznak a mechanikai folyamatok (baktériumok és protozoonok mozgása, izomszövetben a myofibrillumok összehúzódása), biokémiai szintézis. Ez a lista tartalmazza az elektromos impulzusokat is, amelyek a gerjesztés és a gátlás hátterében állnak, valamint olyan termikus reakciók, amelyek állandó testhőmérsékletet tartanak fenn melegvérű állatokban és emberekben. A tengeri planktonok, egyes rovarok és mélytengeri halak lumineszcens ragyogása szintén az élő testek által termelt energia egyik fajtája.
A biológiai rendszerekben előforduló fenti jelenségek mindegyike lehetetlen ATP-molekulák nélkül, amelyek feladata a tárolásenergia makroerg kötések formájában. Ezek az adenil-nukleozid és a foszfátsav-maradékok között fordulnak elő.
Honnan származik a sejtenergia?
A termodinamika törvényei szerint az energia megjelenése és eltűnése bizonyos okokból következik be. Az élelmiszereket alkotó szerves vegyületek: fehérjék, szénhidrátok és különösen a lipidek lebontása energia felszabadulásához vezet. A hidrolízis elsődleges folyamatai az emésztőrendszerben mennek végbe, ahol a szerves vegyületek makromolekulái enzimek hatásának vannak kitéve. A kapott energia egy része hő formájában disszipálódik, vagy a cella belső tartalmának optimális hőmérsékletének fenntartására szolgál. A fennmaradó rész mitokondriumokban halmozódik fel formában - a sejt erőművei. Ez az ATP-molekula fő funkciója – a szervezet energiaszükségletének biztosítása és pótlása.
Mi a szerepe a katabolikus reakcióknak
Az élő anyag elemi egysége - egy sejt, csak akkor tud működni, ha az energia folyamatosan frissül életciklusában. A sejtanyagcserében ennek a feltételnek a teljesítéséhez létezik egy olyan irány, amelyet disszimilációnak, katabolizmusnak vagy energiaanyagcserének neveznek. Oxigénmentes szakaszában, ami a legegyszerűbb módja az energiaképzésnek és -raktározásnak, minden glükózmolekulából oxigén hiányában 2 molekula olyan energiaigényes anyag szintetizálódik, amelyek ellátják az ATP fő funkcióit a sejtben - energiával ellátva. Az anoxikus lépés legtöbb reakciója a citoplazmában megy végbe.
A sejt szerkezetétől függően többféleképpen mehet végbe, például glikolízis, alkoholos vagy tejsavas fermentáció formájában. Ezeknek az anyagcsere-folyamatoknak a biokémiai jellemzői azonban nem befolyásolják az ATP működését a sejtben. Univerzális: megőrzi a sejt energiatartalékait.
Hogyan kapcsolódik egy molekula szerkezete a funkcióihoz
Korábban megállapítottuk, hogy az adenozin-trifoszforsav három foszfátmaradékot tartalmaz egy nitrátbázishoz – adeninhez – és egy monoszacharidhoz – ribózhoz kapcsolódóan. Mivel a sejt citoplazmájában szinte minden reakció vizes közegben megy végbe, a savmolekulák hidrolitikus enzimek hatására kovalens kötéseket szakítanak meg, és először adenozin-difoszforsavat, majd AMP-t képeznek. Az adenozin-trifoszforsav szintéziséhez vezető fordított reakciók a foszfotranszferáz enzim jelenlétében mennek végbe. Mivel az ATP a sejtes létfontosságú tevékenység univerzális forrásaként látja el a funkciót, két makroerg kötést tartalmaz. Mindegyikük egymás utáni felszakadásával 42 kJ szabadul fel. Ezt az erőforrást a sejtek anyagcseréjében, növekedési és szaporodási folyamataiban használják.
ATP szintáz értéke
Az általános jelentőségű organellumokban - a növényi és állati sejtekben található mitokondriumokban - van egy enzimrendszer - a légzőlánc. Az ATP-szintáz enzimet tartalmazza. A biokatalizátor molekulák, amelyek fehérjegömbökből álló hexamer formájúak, mind a membránba, mind amitokondrium stróma. Az enzim aktivitásának köszönhetően a sejt energiaanyaga ADP-ből és szervetlen foszfátsav-maradékokból szintetizálódik. A kialakult ATP-molekulák a létfontosságú tevékenységéhez szükséges energia felhalmozásának funkcióját látják el. A biokatalizátor megkülönböztető jellemzője, hogy az energiavegyületek túlzott koncentrációja esetén hidrolitikus enzimként viselkedik, szétosztva a molekuláikat.
Az adenozin-trifoszforsav szintézisének jellemzői
A növényeknek komoly anyagcsere-jellemzőjük van, amely radikálisan megkülönbözteti ezeket a szervezeteket az állatoktól. A táplálkozás autotróf módjával és a fotoszintézis feldolgozásának képességével kapcsolatos. A makroerg kötéseket tartalmazó molekulák kialakulása a növényekben sejtszervecskékben - kloroplasztiszokban - történik. Az általunk már ismert ATP-szintáz enzim a tilakoidjaik és a kloroplasztiszok strómáinak része. Az ATP funkciója a sejtben az energia tárolása mind az autotróf, mind a heterotróf szervezetekben, beleértve az embert is.
A makroerg kötésekkel rendelkező vegyületek szaprotrófokban és heterotrófokban szintetizálódnak a mitokondriális krisztokon végbemenő oxidatív foszforilációs reakciókban. Amint láthatja, az evolúció során az élő szervezetek különböző csoportjai tökéletes mechanizmust hoztak létre olyan vegyület szintéziséhez, mint az ATP, amelynek feladata a sejt energiaellátása.
