Nếu chúng ta diễn giải thành ngữ nổi tiếng "vận động là sự sống", thì rõ ràng rằng tất cả các biểu hiện của vật chất sống - sinh trưởng, sinh sản, các quá trình tổng hợp chất dinh dưỡng, hô hấp - thực chất là chuyển động của các nguyên tử. và các phân tử tạo nên tế bào. Các quá trình này có thể thực hiện được nếu không có sự tham gia của năng lượng? Tất nhiên là không.
Các cơ thể sống, từ những sinh vật khổng lồ như cá voi xanh hay cá châu Mỹ, đến vi khuẩn siêu hiển vi, lấy nguồn cung cấp cho chúng ở đâu?
Hóa_học đã tìm ra câu trả lời cho câu hỏi này. Axit adenosine triphosphoric là một chất phổ biến được sử dụng bởi tất cả các cư dân trên hành tinh của chúng ta. Trong bài này, chúng ta sẽ xem xét cấu trúc và chức năng của ATP trong các nhóm sinh vật sống khác nhau. Ngoài ra, chúng tôi sẽ xác định bào quan nào chịu trách nhiệm tổng hợp nó trong tế bào động thực vật.
Lịch sử khám phá
Vào đầu thế kỷ 20, trong phòng thí nghiệm của Trường Y Harvard, một số nhà khoa học, cụ thể là Subbaris, Loman và Friske, đã phát hiện ra một hợp chất có cấu trúc gần với adenylaxit ribonucleic nucleotit. Tuy nhiên, nó không chứa một mà có đến ba gốc axit photphat được kết nối với monosaccharide ribose. Hai thập kỷ sau, F. Lipman, khi nghiên cứu các chức năng của ATP, đã xác nhận giả thiết khoa học rằng hợp chất này mang năng lượng. Kể từ thời điểm đó, các nhà hóa sinh đã có cơ hội tuyệt vời để làm quen chi tiết với cơ chế phức tạp của quá trình tổng hợp chất này xảy ra trong tế bào. Sau đó, một hợp chất quan trọng đã được phát hiện: một enzym - ATP synthase, chịu trách nhiệm hình thành các phân tử axit trong ti thể. Để xác định chức năng ATP thực hiện, chúng ta hãy tìm hiểu xem những quá trình nào xảy ra trong cơ thể sống không thể thực hiện được nếu không có sự tham gia của chất này.
Các dạng tồn tại của năng lượng trong hệ thống sinh học
Các phản ứng đa dạng xảy ra trong cơ thể sống đòi hỏi các dạng năng lượng khác nhau có thể chuyển hóa thành nhau. Chúng bao gồm các quá trình cơ học (sự di chuyển của vi khuẩn và động vật nguyên sinh, sự co lại của myofibrils trong mô cơ), tổng hợp sinh hóa. Danh sách này cũng bao gồm các xung điện làm cơ sở cho sự kích thích và ức chế, các phản ứng nhiệt duy trì nhiệt độ cơ thể không đổi ở động vật máu nóng và con người. Sự phát quang phát quang của sinh vật phù du biển, một số côn trùng và cá biển sâu cũng là một dạng năng lượng do cơ thể sống sản sinh ra.
Tất cả các hiện tượng trên xảy ra trong hệ thống sinh học đều không thể xảy ra nếu không có các phân tử ATP, có chức năng lưu trữnăng lượng ở dạng liên kết macroergic. Chúng xảy ra giữa adenyl nucleoside và dư lượng axit photphat.
Năng lượng tế bào đến từ đâu?
Theo quy luật nhiệt động lực học, sự xuất hiện và biến mất của năng lượng xảy ra vì những lý do nhất định. Sự phân hủy các hợp chất hữu cơ tạo nên thức ăn: protein, carbohydrate và đặc biệt là lipid dẫn đến giải phóng năng lượng. Quá trình thủy phân chính xảy ra trong đường tiêu hóa, nơi các đại phân tử của các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với hoạt động của các enzym. Một phần năng lượng nhận được sẽ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt hoặc được sử dụng để duy trì nhiệt độ tối ưu của các chất bên trong tế bào. Phần còn lại được tích lũy dưới dạng trong ti thể - các trạm năng lượng của tế bào. Đây là chức năng chính của phân tử ATP - cung cấp và bổ sung nhu cầu năng lượng cho cơ thể.
Vai trò của phản ứng dị hóa là gì
Một đơn vị cơ bản của vật chất sống - tế bào, chỉ có thể hoạt động nếu năng lượng được cập nhật liên tục trong vòng đời của nó. Để đáp ứng điều kiện này trong quá trình trao đổi chất của tế bào, có một hướng được gọi là phân hủy, dị hóa hoặc chuyển hóa năng lượng. Trong giai đoạn không có oxy, là cách đơn giản nhất để hình thành và dự trữ năng lượng, từ mỗi phân tử glucose, trong điều kiện không có oxy, 2 phân tử của một chất sử dụng nhiều năng lượng được tổng hợp để cung cấp các chức năng chính của ATP trong tế bào - cung cấp năng lượng cho nó. Hầu hết các phản ứng của bước thiếu khí xảy ra trong tế bào chất.
Tùy thuộc vào cấu trúc của tế bào, nó có thể tiến hành theo nhiều cách khác nhau, ví dụ, dưới hình thức đường phân, lên men rượu hoặc axit lactic. Tuy nhiên, các đặc điểm sinh hóa của các quá trình trao đổi chất này không ảnh hưởng đến chức năng của ATP trong tế bào. Nó là phổ quát: để bảo toàn năng lượng dự trữ của tế bào.
Cấu trúc của phân tử liên quan như thế nào đến chức năng của nó
Trước đó, chúng tôi đã thiết lập thực tế rằng axit adenosine triphosphoric chứa ba gốc phốt phát kết nối với một cơ sở nitrat - adenine, và một monosaccharide - ribose. Vì hầu hết các phản ứng trong tế bào chất của tế bào đều được thực hiện trong môi trường nước, các phân tử axit, dưới tác dụng của các enzym thủy phân, sẽ phá vỡ các liên kết cộng hóa trị để tạo thành axit adenosine diphosphoric đầu tiên, sau đó là AMP. Các phản ứng ngược dẫn đến tổng hợp axit adenosine triphosphoric xảy ra với sự hiện diện của enzyme phosphotransferase. Vì ATP thực hiện chức năng của một nguồn chung cho hoạt động sống của tế bào, nên nó bao gồm hai liên kết macroergic. Với sự đứt liên tiếp của mỗi chúng, 42 kJ được giải phóng. Nguồn tài nguyên này được sử dụng trong quá trình trao đổi chất của tế bào, trong quá trình tăng trưởng và sinh sản của nó.
Giá trị của ATP synthase
Trong bào quan có tầm quan trọng chung - ti thể, nằm trong tế bào động thực vật, có một hệ thống enzym - chuỗi hô hấp. Nó chứa enzyme ATP synthase. Các phân tử chất xúc tác sinh học, có dạng một hexamer bao gồm các hạt protein, được ngâm cả trong màng và trongchất đệm của ti thể. Do hoạt động của enzim, chất năng lượng của tế bào được tổng hợp từ ADP và dư lượng axit photphat vô cơ. Các phân tử ATP được tạo thành thực hiện chức năng tích lũy năng lượng cần thiết cho hoạt động sống của nó. Một tính năng đặc biệt của chất xúc tác sinh học là khi có nồng độ quá mức các hợp chất năng lượng, nó hoạt động giống như một enzym thủy phân, phân tách các phân tử của chúng.
Tính năng tổng hợp axit adenosine triphosphoric
Thực vật có một đặc điểm trao đổi chất nghiêm trọng giúp phân biệt cơ bản những sinh vật này với động vật. Nó gắn liền với chế độ dinh dưỡng tự dưỡng và khả năng quang hợp. Sự hình thành các phân tử chứa liên kết macroergic xảy ra ở thực vật trong bào quan tế bào - lục lạp. Enzyme ATP synthase đã được chúng ta biết đến là một phần của thylakoid và stroma của lục lạp. Các chức năng của ATP trong tế bào là dự trữ năng lượng cho cả sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng, bao gồm cả con người.
Các hợp chất có liên kết macroergic được tổng hợp ở sinh vật sinh dưỡng và sinh vật dị dưỡng trong phản ứng phosphoryl hóa oxy hóa diễn ra trên các tế bào ty thể. Như bạn có thể thấy, trong quá trình tiến hóa, nhiều nhóm sinh vật sống khác nhau đã hình thành một cơ chế hoàn hảo để tổng hợp một hợp chất như ATP, chức năng của chúng là cung cấp năng lượng cho tế bào.
