تتطلب حركتنا أو فكرنا طاقة من الجسم. يتم تخزين هذه القوة من قبل كل خلية من خلايا الجسم وتجميعها في جزيئات حيوية بمساعدة الروابط الكبيرة. إن جزيئات البطارية هذه هي التي توفر جميع عمليات الحياة. يحدد التبادل المستمر للطاقة داخل الخلايا الحياة نفسها. ما هي هذه الجزيئات الحيوية ذات الروابط الكبيرة ، من أين أتت ، وماذا يحدث لطاقتها في كل خلية من خلايا أجسامنا - تمت مناقشة هذا في المقالة.
وسطاء بيولوجيين
في أي كائن حي ، الطاقة من عامل توليد الطاقة إلى مستهلك للطاقة البيولوجية لا تنتقل مباشرة. عندما يتم كسر الروابط الجزيئية للمنتجات الغذائية ، يتم إطلاق الطاقة الكامنة للمركبات الكيميائية ، والتي تتجاوز بكثير قدرة الأنظمة الأنزيمية داخل الخلايا على استخدامها. هذا هو السبب في أن إطلاق المواد الكيميائية المحتملة في النظم البيولوجية يحدث تدريجيًا مع تحولها التدريجي إلى طاقة وتراكمها في المركبات والروابط الكبيرة. والجزيئات الحيوية القادرة على مثل هذا التراكم للطاقة هي التي تسمى عالية الطاقة.
ما هي السندات التي تسمى الماكرورجيك؟
مستوى الطاقة الحرة 12.5 كيلو جول / مول ، والذي يتكون أثناء تكوين أو تحلل رابطة كيميائية ، يعتبر طبيعيًا. عندما تتشكل الطاقة الحرة أثناء التحلل المائي لمواد معينة بأكثر من 21 كيلو جول / مول ، فإن هذا يسمى الروابط الكبيرة. يتم الإشارة إليها بواسطة رمز التلدة - ~. على عكس الكيمياء الفيزيائية ، حيث تعني الرابطة الكبيرة الرابطة التساهمية للذرات ، في علم الأحياء أنها تعني الفرق بين طاقة العوامل الأولية ونواتج الاضمحلال. أي أن الطاقة ليست موضعية في رابطة كيميائية معينة للذرات ، ولكنها تميز التفاعل بأكمله. في الكيمياء الحيوية ، يتحدثون عن الاقتران الكيميائي وتكوين مركب ماكرو.
مصدر الطاقة الحيوية العالمية
تمتلك جميع الكائنات الحية على كوكبنا عنصرًا عالميًا واحدًا لتخزين الطاقة - هذا هو الرابط الكبير ATP - ADP - AMP (الأدينوزين ثلاثي ، ثنائي ، حمض أحادي الفوسفوريك). هذه هي الجزيئات الحيوية التي تتكون من قاعدة أدينين تحتوي على النيتروجين مرتبطة بكربوهيدرات الريبوز وبقايا حمض الفوسفوريك المرفقة. تحت تأثير الماء وإنزيم التقييد ، جزيء ثلاثي فوسفات الأدينوزين (C10H16N5O13P3) يمكن أن تتحلل إلى جزيء حمض الأدينوزين ثنائي الفوسفوريك وحمض الفوسفات. ويصاحب هذا التفاعل إطلاق طاقة حرة بمقدار 30.5 كيلوجول / مول. تحدث جميع عمليات الحياة في كل خلية من خلايا الجسم عندما تتراكم الطاقة في ATP وتستخدم عندما تنكسر.الروابط بين بقايا حامض الفوسفوريك.
المتبرع والمقبل
تشتمل المركبات عالية الطاقة أيضًا على مواد ذات أسماء طويلة يمكن أن تشكل جزيئات ATP في تفاعلات التحلل المائي (على سبيل المثال ، أحماض بيروفوسفوريك وبيروفيك ، وأنزيمات مساعدة سوكسينيل ، ومشتقات أمينو آسيل للأحماض النووية الريبية). تحتوي كل هذه المركبات على ذرات الفوسفور (P) والكبريت (S) ، والتي توجد بينها روابط عالية الطاقة. إنها الطاقة التي يتم إطلاقها عندما تنكسر الرابطة عالية الطاقة في ATP (المتبرع) والتي تمتصها الخلية أثناء تخليق مركباتها العضوية. وفي الوقت نفسه ، يتم تجديد احتياطيات هذه الروابط باستمرار مع تراكم الطاقة (المتقبل) المنطلق أثناء التحلل المائي للجزيئات الكبيرة. في كل خلية من خلايا جسم الإنسان ، تحدث هذه العمليات في الميتوكوندريا ، في حين أن مدة وجود ATP أقل من دقيقة واحدة. خلال النهار ، يصنع جسمنا حوالي 40 كيلوجرامًا من ATP ، والتي تمر بما يصل إلى 3 آلاف دورة من الاضمحلال لكل منها. وفي أي لحظة ، يوجد حوالي 250 جرامًا من ATP في أجسامنا.
وظائف الجزيئات الحيوية عالية الطاقة
بالإضافة إلى وظيفة المتبرع والمستقبل للطاقة في عمليات التحلل والتوليف للمركبات الجزيئية ، تلعب جزيئات ATP العديد من الأدوار الأخرى المهمة جدًا في الخلايا. تُستخدم طاقة كسر الروابط الكبيرة في عمليات توليد الحرارة ، والأعمال الميكانيكية ، وتراكم الكهرباء ، والتلألؤ. في نفس الوقت ، التحولتعمل طاقة الروابط الكيميائية إلى حرارية وكهربائية وميكانيكية في نفس الوقت كمرحلة من تبادل الطاقة مع التخزين اللاحق لـ ATP في نفس روابط الطاقة الكلية. تسمى كل هذه العمليات في الخلية بتبادلات البلاستيك والطاقة (الرسم التخطيطي في الشكل). تعمل جزيئات ATP أيضًا كأنزيمات مساعدة ، حيث تنظم نشاط بعض الإنزيمات. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يكون ATP أيضًا وسيطًا ، وعامل إشارات في نقاط الاشتباك العصبي في الخلايا العصبية.
تدفق الطاقة والمادة في الخلية
وهكذا ، فإن ATP في الخلية يحتل مكانة مركزية ورئيسية في تبادل المادة. هناك الكثير من التفاعلات التي تنشأ عن طريق ATP وتتحلل (الفسفرة المؤكسدة والركيزة ، التحلل المائي). التفاعلات الكيميائية الحيوية لتخليق هذه الجزيئات قابلة للعكس ؛ في ظل ظروف معينة ، يتم إزاحتها في الخلايا في اتجاه التوليف أو الاضمحلال. تختلف مسارات هذه التفاعلات في عدد تحولات المواد ، ونوع العمليات المؤكسدة ، وطرق اقتران التفاعلات الموردة للطاقة والتفاعلات المستهلكة للطاقة. كل عملية لها تكيفات واضحة لمعالجة نوع معين من "الوقود" وحدود كفاءتها.
تقييم الأداء
مؤشرات كفاءة تحويل الطاقة في النظم الحيوية صغيرة ويتم تقديرها بالقيم القياسية لعامل الكفاءة (نسبة العمل المفيد المنفق على العمل إلى إجمالي الطاقة المنفقة). ولكن هنا ، لضمان أداء الوظائف البيولوجية ، فإن التكاليف مرتفعة للغاية. على سبيل المثال ، العداء ، من حيث وحدة الكتلة ، ينفق الكثيرالطاقة وكم وخط محيط كبير. حتى في حالة الراحة ، فإن الحفاظ على حياة الكائن الحي هو عمل شاق ، ويتم إنفاق حوالي 8 آلاف كيلوجول / مول عليه. في الوقت نفسه ، يتم إنفاق حوالي 1.8 ألف كيلوجول / مول على تخليق البروتين ، 1.1 ألف كيلوجول / مول على عمل القلب ، ولكن ما يصل إلى 3.8 ألف كيلوجول / مول على تخليق ATP.
نظام خلية Adenylate
هذا نظام يتضمن مجموع كل ATP و ADP و AMP في خلية في فترة زمنية محددة. تحدد هذه القيمة ونسبة المكونات حالة طاقة الخلية. يتم تقييم النظام من حيث شحنة الطاقة للنظام (نسبة مجموعات الفوسفات إلى بقايا الأدينوزين). إذا كان ATP فقط موجودًا في مركبات الماكرو في الخلية - فهو يتمتع بأعلى حالة طاقة (الفهرس -1) ، إذا كان AMP فقط - الحد الأدنى للحالة (الفهرس - 0). في الخلايا الحية ، عادة ما يتم الحفاظ على مؤشرات 0.7-0.9. يحدد استقرار حالة الطاقة للخلية معدل التفاعلات الأنزيمية والحفاظ على المستوى الأمثل للنشاط الحيوي.
والقليل عن محطات الطاقة
كما ذكرنا سابقًا ، يحدث تخليق ATP في عضيات الخلية المتخصصة - الميتوكوندريا. واليوم هناك خلافات بين علماء الأحياء حول أصل هذه الهياكل المذهلة. الميتوكوندريا هي محطات توليد الطاقة للخلية ، "الوقود" الذي يتكون من البروتينات والدهون والجليكوجين والكهرباء - جزيئات ATP ، والتي يتم تصنيعها بمشاركة الأكسجين. يمكننا القول إننا نتنفس حتى تعمل الميتوكوندريا. المزيد من العمل للقيام بهالخلايا ، والمزيد من الطاقة التي يحتاجونها. اقرأ - ATP ، مما يعني - الميتوكوندريا.
على سبيل المثال ، يمتلك الرياضي المحترف حوالي 12٪ من الميتوكوندريا في عضلات الهيكل العظمي ، بينما يمتلك الشخص العادي غير الرياضي نصف هذه النسبة. لكن في عضلة القلب معدلها 25٪. تعتمد أساليب التدريب الحديثة للرياضيين ، وخاصة عدائي الماراثون ، على MOC (الحد الأقصى لاستهلاك الأكسجين) ، والذي يعتمد بشكل مباشر على عدد الميتوكوندريا وقدرة العضلات على أداء الأحمال لفترات طويلة. تهدف البرامج التدريبية الرائدة للرياضات الاحترافية إلى تحفيز تخليق الميتوكوندريا في خلايا العضلات.
