Mỗi chuyển động hay suy nghĩ của chúng ta đều cần năng lượng từ cơ thể. Lực này được lưu trữ bởi mọi tế bào của cơ thể và tích tụ nó trong các phân tử sinh học với sự trợ giúp của các liên kết macroergic. Chính những phân tử pin này cung cấp cho mọi quá trình sống. Sự trao đổi năng lượng liên tục trong các tế bào quyết định sự sống của chính nó. Các phân tử sinh học này có liên kết macroergic là gì, chúng đến từ đâu và điều gì xảy ra với năng lượng của chúng trong mỗi tế bào của cơ thể chúng ta - điều này sẽ được thảo luận trong bài báo.
Chất trung gian sinh học
Ở bất kỳ sinh vật nào, năng lượng từ tác nhân tạo năng lượng đến sinh vật tiêu thụ năng lượng sinh học không truyền trực tiếp. Khi các liên kết nội phân tử của các sản phẩm thực phẩm bị phá vỡ, thế năng của các hợp chất hóa học được giải phóng, vượt xa khả năng sử dụng của các hệ thống enzym nội bào. Đó là lý do tại sao trong các hệ thống sinh học, việc giải phóng các hóa chất tiềm năng xảy ra từng bước với sự chuyển hóa dần dần của chúng thành năng lượng và tích tụ trong các hợp chất và liên kết vĩ mô. Và chính các phân tử sinh học có khả năng tích tụ năng lượng được gọi là năng lượng cao.
Những trái phiếu nào được gọi là macroergic?
Mức năng lượng tự do 12,5 kJ / mol, được hình thành trong quá trình hình thành hoặc phân rã liên kết hóa học, được coi là bình thường. Khi, trong quá trình thủy phân một số chất, năng lượng tự do được hình thành lớn hơn 21 kJ / mol, thì đây được gọi là liên kết macroergic. Chúng được biểu thị bằng ký hiệu dấu ngã - ~. Trái ngược với hóa học vật lý, trong đó liên kết macroergic có nghĩa là liên kết cộng hóa trị của các nguyên tử, trong sinh học, chúng có nghĩa là sự khác biệt giữa năng lượng của các tác nhân ban đầu và sản phẩm phân rã của chúng. Có nghĩa là, năng lượng không nằm trong một liên kết hóa học cụ thể của các nguyên tử mà đặc trưng cho toàn bộ phản ứng. Trong hóa sinh, họ nói về sự liên hợp hóa học và sự hình thành của một hợp chất macroergic.
Nguồn Năng lượng Sinh học Toàn cầu
Tất cả các sinh vật sống trên hành tinh của chúng ta đều có một yếu tố lưu trữ năng lượng chung - đây là liên kết macroergic ATP - ADP - AMP (axit adenosine tri, di, monophosphoric). Đây là những phân tử sinh học bao gồm một cơ sở adenin chứa nitơ gắn với một carbohydrate ribose và các gốc axit photphoric kèm theo. Dưới tác dụng của nước và enzym giới hạn, một phân tử adenosine triphosphat (C10H16N5O13P3) có thể phân hủy thành phân tử axit adenosine diphosphoric và axit orthophosphate. Phản ứng này kèm theo sự giải phóng năng lượng tự do bậc 30,5 kJ / mol. Tất cả các quá trình sống trong mỗi tế bào của cơ thể chúng ta xảy ra khi năng lượng được tích lũy trong ATP và được sử dụng khi nó bị phá vỡ.liên kết giữa các gốc axit orthophosphoric.
Nhà tài trợ và người nhận
Hợp chất năng lượng cao cũng bao gồm các chất có tên dài có thể tạo thành phân tử ATP trong phản ứng thủy phân (ví dụ, axit pyrophosphoric và pyruvic, coenzyme succinyl, dẫn xuất aminoacyl của axit ribonucleic). Tất cả các hợp chất này đều chứa các nguyên tử phốt pho (P) và lưu huỳnh (S), giữa chúng có các liên kết năng lượng cao. Năng lượng được giải phóng khi liên kết năng lượng cao trong ATP (chất cho) bị phá vỡ sẽ được tế bào hấp thụ trong quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ của chính nó. Và đồng thời, nguồn dự trữ của các liên kết này liên tục được bổ sung với sự tích lũy năng lượng (chất nhận) được giải phóng trong quá trình thủy phân các đại phân tử. Trong mỗi tế bào của cơ thể con người, các quá trình này xảy ra trong ti thể, trong khi thời gian tồn tại của ATP là dưới 1 phút. Trong ngày, cơ thể chúng ta tổng hợp khoảng 40 kg ATP, trải qua 3 nghìn chu kỳ phân hủy mỗi chu kỳ. Và tại bất kỳ thời điểm nào, khoảng 250 gam ATP có trong cơ thể chúng ta.
Chức năng của phân tử sinh học năng lượng cao
Ngoài chức năng cho và nhận năng lượng trong quá trình phân hủy và tổng hợp các hợp chất cao phân tử, phân tử ATP còn đóng một số vai trò rất quan trọng khác trong tế bào. Năng lượng của việc phá vỡ các liên kết macroergic được sử dụng trong các quá trình sinh nhiệt, làm việc cơ học, tích tụ điện và phát quang. Đồng thời, sự biến đổinăng lượng của các liên kết hóa học thành nhiệt, điện, cơ đồng thời đóng vai trò là giai đoạn trao đổi năng lượng với tích trữ ATP tiếp theo trong các liên kết năng lượng vĩ mô giống nhau. Tất cả các quá trình này trong tế bào được gọi là trao đổi nhựa và năng lượng (sơ đồ trong hình). Các phân tử ATP cũng hoạt động như các coenzyme, điều hòa hoạt động của một số enzym. Ngoài ra, ATP cũng có thể là chất trung gian, chất truyền tín hiệu trong khớp thần kinh của tế bào thần kinh.
Dòng chảy của năng lượng và vật chất trong tế bào
Như vậy, ATP trong tế bào chiếm vị trí trung tâm và chính trong quá trình trao đổi vật chất. Có khá nhiều phản ứng mà ATP phát sinh và phân hủy (oxy hóa và phosphoryl hóa cơ chất, thủy phân). Các phản ứng sinh hóa tổng hợp các phân tử này là thuận nghịch; trong những điều kiện nhất định, chúng được chuyển dịch trong tế bào theo hướng tổng hợp hoặc phân rã. Các con đường của các phản ứng này khác nhau về số lượng chuyển hóa của các chất, loại quá trình oxy hóa và cách liên hợp của các phản ứng cung cấp năng lượng và tiêu thụ năng lượng. Mỗi quy trình đều có sự thích nghi rõ ràng đối với việc xử lý một loại "nhiên liệu" cụ thể và giới hạn hiệu quả của nó.
Đánh giá hiệu suất
Các chỉ số về hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong hệ thống sinh học là nhỏ và được ước tính theo các giá trị tiêu chuẩn của hệ số hiệu quả (tỷ lệ giữa công hữu ích dành cho công việc trên tổng năng lượng tiêu tốn). Nhưng ở đây, để đảm bảo thực hiện các chức năng sinh học thì chi phí rất cao. Ví dụ, một vận động viên chạy, xét về đơn vị khối lượng, chi tiêu rất nhiềunăng lượng, bao nhiêu và một tàu biển lớn. Ngay cả khi nghỉ ngơi, việc duy trì sự sống của một sinh vật là một công việc khó khăn, và khoảng 8 nghìn kJ / mol được chi cho nó. Đồng thời, khoảng 1,8 nghìn kJ / mol được chi cho quá trình tổng hợp protein, 1,1 nghìn kJ / mol cho hoạt động của tim, nhưng lên đến 3,8 nghìn kJ / mol cho quá trình tổng hợp ATP.
Hệ thống tế bào Adenylate
Đây là một hệ thống bao gồm tổng của tất cả ATP, ADP và AMP trong một ô trong một khoảng thời gian cụ thể. Giá trị này và tỷ lệ các thành phần xác định trạng thái năng lượng của tế bào. Hệ thống được đánh giá về mặt năng lượng của hệ thống (tỷ lệ giữa các nhóm phốt phát và dư lượng adenosine). Nếu chỉ ATP hiện diện trong các hợp chất vĩ mô tế bào - nó có trạng thái năng lượng cao nhất (chỉ số -1), nếu chỉ có AMP - trạng thái tối thiểu (chỉ số - 0). Trong tế bào sống, các chỉ số 0,7-0,9 thường được duy trì. Sự ổn định của trạng thái năng lượng của tế bào quyết định tốc độ phản ứng enzym và duy trì mức hoạt động sống tối ưu.
Và một chút về trạm phát điện
Như đã đề cập, tổng hợp ATP xảy ra trong bào quan chuyên biệt của tế bào - ty thể. Và ngày nay giữa các nhà sinh vật học đang có những tranh cãi về nguồn gốc của những cấu trúc kỳ thú này. Ti thể là nhà máy điện của tế bào, "nhiên liệu" là protein, chất béo, glycogen và điện - các phân tử ATP, quá trình tổng hợp diễn ra với sự tham gia của oxy. Có thể nói rằng chúng ta thở để ty thể hoạt động. Càng nhiều việc phải làmtế bào, chúng càng cần nhiều năng lượng hơn. Đọc - ATP, có nghĩa là - ti thể.
Ví dụ, một vận động viên chuyên nghiệp có khoảng 12% ti thể trong cơ xương của họ, trong khi một người không tập thể thao có một nửa. Nhưng trong cơ tim, tỷ lệ của chúng là 25%. Các phương pháp đào tạo hiện đại cho các vận động viên, đặc biệt là vận động viên chạy marathon, dựa trên MOC (lượng oxy tiêu thụ tối đa), phụ thuộc trực tiếp vào số lượng ty thể và khả năng của cơ bắp để thực hiện tải kéo dài. Các chương trình đào tạo hàng đầu dành cho thể thao chuyên nghiệp nhằm mục đích kích thích sự tổng hợp ty thể trong tế bào cơ.
