ทุกการเคลื่อนไหวหรือความคิดของเราต้องใช้พลังงานจากร่างกาย แรงนี้ถูกเก็บไว้โดยทุกเซลล์ของร่างกายและสะสมในชีวโมเลกุลด้วยความช่วยเหลือของพันธะมหภาค เป็นโมเลกุลของแบตเตอรี่ที่ให้กระบวนการชีวิตทั้งหมด การแลกเปลี่ยนพลังงานอย่างต่อเนื่องภายในเซลล์เป็นตัวกำหนดชีวิต สารชีวโมเลกุลเหล่านี้ที่มีพันธะมหภาคคืออะไร มาจากไหน และเกิดอะไรขึ้นกับพลังงานของพวกมันในทุกเซลล์ในร่างกาย - มีการกล่าวถึงในบทความ
ตัวกลางทางชีววิทยา
ในสิ่งมีชีวิตใดๆ พลังงานจากตัวสร้างพลังงานไปยังผู้ใช้พลังงานชีวภาพจะไม่ส่งผ่านโดยตรง เมื่อพันธะภายในโมเลกุลของผลิตภัณฑ์อาหารแตก พลังงานศักย์ของสารประกอบเคมีจะถูกปลดปล่อยออกมา ซึ่งเกินความสามารถของระบบเอนไซม์ภายในเซลล์ที่จะใช้มัน นั่นคือเหตุผลที่ในระบบทางชีววิทยา การปล่อยสารเคมีที่อาจเกิดขึ้นได้เกิดขึ้นทีละขั้นพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงทีละน้อยของพวกมันเป็นพลังงานและการสะสมของสารเคมีในสารประกอบและพันธะมหภาค และเป็นชีวโมเลกุลที่สามารถสะสมพลังงานที่เรียกว่าพลังงานสูงได้
พันธะอะไรที่เรียกว่าแมคโครจิก
ระดับพลังงานอิสระ 12.5 kJ/mol ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการก่อตัวหรือการสลายตัวของพันธะเคมี ถือเป็นเรื่องปกติ เมื่อในระหว่างการไฮโดรไลซิสของสารบางชนิด พลังงานอิสระจะเกิดขึ้นมากกว่า 21 kJ / mol เรียกว่าพันธะมหภาค พวกมันเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ตัวหนอน - ~ ตรงกันข้ามกับเคมีเชิงฟิสิกส์ โดยที่พันธะมหภาคหมายถึงพันธะโควาเลนต์ของอะตอม ในทางชีววิทยา หมายถึงความแตกต่างระหว่างพลังงานของสารตั้งต้นกับผลผลิตจากการสลายของพวกมัน กล่าวคือ พลังงานไม่ได้ถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นในพันธะเคมีเฉพาะของอะตอม แต่เป็นลักษณะเฉพาะของปฏิกิริยาทั้งหมด ในชีวเคมี พวกเขาพูดถึงการผันคำกริยาทางเคมีและการก่อตัวของสารประกอบแมคโครจิก
แหล่งพลังงานชีวภาพสากล
สิ่งมีชีวิตทั้งหมดบนโลกของเรามีองค์ประกอบที่เป็นสากลในการจัดเก็บพลังงาน - นี่คือพันธะมหภาค ATP - ADP - AMP (อะดีโนซีน ไตร, ได, กรดโมโนฟอสฟอริก) เหล่านี้เป็นชีวโมเลกุลที่ประกอบด้วยฐานอะดีนีนที่มีไนโตรเจนติดอยู่กับคาร์โบไฮเดรตไรโบไฮเดรตและกรดฟอสฟอริกที่ติดอยู่ ภายใต้การกระทำของน้ำและเอ็นไซม์จำกัด โมเลกุลของอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (C10H16N5 O 13P3) สามารถย่อยสลายเป็นโมเลกุลของกรดอะดีโนซีนไดฟอสฟอริกและกรดออร์โธฟอสเฟต ปฏิกิริยานี้มาพร้อมกับการปลดปล่อยพลังงานอิสระที่ระดับ 30.5 กิโลจูล/โมล กระบวนการชีวิตทั้งหมดในทุกเซลล์ของร่างกายเกิดขึ้นเมื่อพลังงานสะสมใน ATP และใช้เมื่อมันสลายพันธะระหว่างกรดออร์โธฟอสฟอริกตกค้าง
ผู้บริจาคและผู้รับ
สารประกอบที่ให้พลังงานสูงยังรวมถึงสารที่มีชื่อยาวซึ่งสามารถสร้างโมเลกุล ATP ในปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส (เช่น กรดไพโรฟอสฟอริกและกรดไพรูวิก, ซัคซินิลโคเอ็นไซม์, อนุพันธ์อะมิโนอะซิลของกรดไรโบนิวคลีอิก) สารประกอบทั้งหมดเหล่านี้ประกอบด้วยอะตอมของฟอสฟอรัส (P) และกำมะถัน (S) ซึ่งมีพันธะพลังงานสูง เป็นพลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อพันธะพลังงานสูงใน ATP (ผู้บริจาค) ถูกทำลายซึ่งเซลล์ดูดซับในระหว่างการสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์ของตัวเอง และในขณะเดียวกัน ปริมาณสำรองของพันธะเหล่านี้จะเติมเต็มอย่างต่อเนื่องด้วยการสะสมของพลังงาน (ตัวรับ) ที่ปล่อยออกมาในระหว่างการไฮโดรไลซิสของโมเลกุลขนาดใหญ่ ในทุกเซลล์ของร่างกายมนุษย์ กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นในไมโตคอนเดรีย ในขณะที่ระยะเวลาของการดำรงอยู่ของ ATP น้อยกว่า 1 นาที ในระหว่างวัน ร่างกายของเราจะสังเคราะห์เอทีพีประมาณ 40 กิโลกรัม ซึ่งแต่ละรอบสลายไปได้ถึง 3,000 รอบ และในช่วงเวลาใดก็ตาม ATP ประมาณ 250 กรัมจะมีอยู่ในร่างกายของเรา
หน้าที่ของชีวโมเลกุลพลังงานสูง
นอกจากหน้าที่ของผู้บริจาคและผู้รับพลังงานในกระบวนการสลายตัวและการสังเคราะห์สารประกอบโมเลกุลใหญ่แล้ว โมเลกุล ATP ยังมีบทบาทสำคัญในเซลล์อีกหลายประการ พลังงานของการทำลายพันธะมหภาคนั้นใช้ในกระบวนการสร้างความร้อน งานกล การสะสมของไฟฟ้า และการเรืองแสง ในขณะเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงพลังงานของพันธะเคมีเป็นความร้อน ไฟฟ้า เชิงกล ในเวลาเดียวกันทำหน้าที่เป็นขั้นตอนของการแลกเปลี่ยนพลังงานกับการจัดเก็บ ATP ที่ตามมาในพันธะพลังงานมหภาคเดียวกัน กระบวนการทั้งหมดในเซลล์เหล่านี้เรียกว่าการแลกเปลี่ยนพลาสติกและพลังงาน (แผนภาพในรูป) โมเลกุลของเอทีพียังทำหน้าที่เป็นโคเอ็นไซม์ ซึ่งควบคุมการทำงานของเอ็นไซม์บางชนิด นอกจากนี้ ATP ยังสามารถเป็นตัวกลาง ซึ่งเป็นตัวส่งสัญญาณในไซแนปส์ของเซลล์ประสาท
การไหลของพลังงานและสสารในเซลล์
ดังนั้น ATP ในห้องขังจึงเป็นศูนย์กลางและหลักในการแลกเปลี่ยนสสาร มีปฏิกิริยาค่อนข้างมากโดยที่ ATP เกิดขึ้นและสลายตัว (ออกซิเดชันและฟอสโฟรีเลชันของซับสเตรต, ไฮโดรไลซิส) ปฏิกิริยาทางชีวเคมีของการสังเคราะห์โมเลกุลเหล่านี้สามารถย้อนกลับได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการพวกมันจะถูกเปลี่ยนในเซลล์ไปในทิศทางของการสังเคราะห์หรือการสลายตัว เส้นทางของปฏิกิริยาเหล่านี้แตกต่างกันไปตามจำนวนของการเปลี่ยนแปลงของสาร ประเภทของกระบวนการออกซิเดชัน และในวิธีการผันกันของปฏิกิริยาการจ่ายพลังงานและการใช้พลังงาน แต่ละกระบวนการมีการปรับเปลี่ยนที่ชัดเจนสำหรับการประมวลผล "เชื้อเพลิง" บางประเภทและข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพ
การประเมินประสิทธิภาพ
ตัวชี้วัดประสิทธิภาพของการแปลงพลังงานในระบบชีวภาพมีขนาดเล็กและประเมินในค่ามาตรฐานของปัจจัยด้านประสิทธิภาพ (อัตราส่วนของงานที่มีประโยชน์ที่ใช้ไปกับงานต่อพลังงานทั้งหมดที่ใช้ไป) แต่ที่นี่ เพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพการทำงานทางชีวภาพ ค่าใช้จ่ายสูงมาก ตัวอย่างเช่น นักวิ่งในแง่ของหน่วยมวลใช้จ่ายมากพลังงานเท่าไหร่และเรือเดินสมุทรขนาดใหญ่ แม้ในเวลาที่เหลือการรักษาชีวิตของสิ่งมีชีวิตนั้นเป็นงานหนักและใช้ไปประมาณ 8,000 kJ / mol ในเวลาเดียวกัน มีการใช้ประมาณ 1.8,000 kJ / mol ในการสังเคราะห์โปรตีน 1.1 พัน kJ / mol ในการทำงานของหัวใจ แต่มากถึง 3.8 พัน kJ / mol ในการสังเคราะห์ ATP
ระบบเซลล์อะดีนิเลต
นี่คือระบบที่รวมผลรวมของ ATP, ADP และ AMP ทั้งหมดในเซลล์ในช่วงเวลาที่กำหนด ค่านี้และอัตราส่วนของส่วนประกอบกำหนดสถานะพลังงานของเซลล์ ระบบได้รับการประเมินในแง่ของประจุพลังงานของระบบ (อัตราส่วนของหมู่ฟอสเฟตต่อสารตกค้างของอะดีโนซีน) หากมีเพียง ATP ที่มีอยู่ในสารประกอบมหภาคของเซลล์ - มันมีสถานะพลังงานสูงสุด (ดัชนี -1) หากมีเพียง AMP - สถานะขั้นต่ำ (ดัชนี - 0) ในเซลล์ที่มีชีวิต มักจะรักษาตัวบ่งชี้ที่ 0.7-0.9 ความเสถียรของสถานะพลังงานของเซลล์กำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์และการรักษาระดับกิจกรรมที่สำคัญอย่างเหมาะสม
และอีกเล็กน้อยเกี่ยวกับโรงไฟฟ้า
ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว การสังเคราะห์ ATP เกิดขึ้นในออร์แกเนลล์เฉพาะเซลล์ - ไมโตคอนเดรีย และทุกวันนี้ในหมู่นักชีววิทยามีข้อโต้แย้งเกี่ยวกับที่มาของโครงสร้างที่น่าทึ่งเหล่านี้ ไมโตคอนเดรียเป็นโรงไฟฟ้าของเซลล์ "เชื้อเพลิง" ซึ่งเป็นโปรตีน ไขมัน ไกลโคเจนและไฟฟ้า - โมเลกุล ATP การสังเคราะห์เกิดขึ้นด้วยการมีส่วนร่วมของออกซิเจน เราสามารถพูดได้ว่าเราหายใจเพื่อให้ไมโตคอนเดรียทำงาน ยิ่งมีงานทำเซลล์ยิ่งต้องการพลังงานมากขึ้น อ่าน - ATP ซึ่งหมายถึง - mitochondria
ตัวอย่างเช่น นักกีฬาอาชีพมีไมโตคอนเดรีย 12% ในกล้ามเนื้อโครงร่าง ในขณะที่คนธรรมดาที่ไม่ใช่นักกีฬามีกล้ามเนื้อเพียงครึ่งเดียว แต่ในกล้ามเนื้อหัวใจอัตราของพวกเขาคือ 25% วิธีการฝึกสมัยใหม่สำหรับนักกีฬา โดยเฉพาะนักวิ่งมาราธอน อิงตาม MOC (การใช้ออกซิเจนสูงสุด) ซึ่งขึ้นอยู่กับจำนวนไมโตคอนเดรียโดยตรงและความสามารถของกล้ามเนื้อในการรับน้ำหนักเป็นเวลานาน โปรแกรมการฝึกชั้นนำสำหรับกีฬาอาชีพมีจุดมุ่งหมายเพื่อกระตุ้นการสังเคราะห์ไมโตคอนเดรียในเซลล์กล้ามเนื้อ