ถ้าเราถอดความสำนวนที่รู้จักกันดีว่า "การเคลื่อนไหวคือชีวิต" เป็นที่ชัดเจนว่าการสำแดงของสิ่งมีชีวิต - การเจริญเติบโต การสืบพันธุ์ กระบวนการสังเคราะห์สารอาหาร การหายใจ แท้จริงแล้วคือการเคลื่อนไหวของอะตอม และโมเลกุลที่ประกอบเป็นเซลล์ กระบวนการเหล่านี้เป็นไปได้โดยไม่ต้องมีส่วนร่วมของพลังงานหรือไม่? ไม่แน่นอน
สิ่งมีชีวิตอยู่ที่ไหน ตั้งแต่สิ่งมีชีวิตขนาดยักษ์ เช่น วาฬสีน้ำเงินหรือซีควาญาของอเมริกา ไปจนถึงแบคทีเรียอุลตร้าไมโครสโคป วาดเสบียงของพวกมันได้อย่างไร
ชีวเคมีพบคำตอบสำหรับคำถามนี้ กรดอะดีโนซีนไตรฟอสฟอริกเป็นสารสากลที่ใช้โดยทุกคนในโลกของเรา ในบทความนี้เราจะพิจารณาโครงสร้างและหน้าที่ของ ATP ในกลุ่มสิ่งมีชีวิตต่างๆ นอกจากนี้ เราจะพิจารณาว่าออร์แกเนลล์ใดมีหน้าที่ในการสังเคราะห์ในเซลล์พืชและสัตว์
ประวัติการค้นพบ
ต้นศตวรรษที่ 20 ในห้องปฏิบัติการของ Harvard Medical School นักวิทยาศาสตร์หลายคนคือ Subbaris, Loman และ Friske ได้ค้นพบสารประกอบที่มีโครงสร้างใกล้เคียงกับ adenylกรดไรโบนิวคลีอิกนิวคลีโอไทด์ อย่างไรก็ตาม มันไม่มีกรดฟอสเฟตเพียงตัวเดียว แต่มีมากถึงสามตัวที่เชื่อมต่อกับโมโนแซ็กคาไรด์ไรโบส อีกสองทศวรรษต่อมา F. Lipman ที่ศึกษาหน้าที่ของ ATP ได้ยืนยันข้อสันนิษฐานทางวิทยาศาสตร์ว่าสารประกอบนี้มีพลังงานอยู่ นับจากนั้นเป็นต้นมา นักชีวเคมีมีโอกาสที่ดีในการทำความคุ้นเคยกับกลไกที่ซับซ้อนของการสังเคราะห์สารนี้ที่เกิดขึ้นในเซลล์ ต่อมามีการค้นพบสารประกอบสำคัญ: เอ็นไซม์ - ATP synthase ซึ่งมีหน้าที่ในการสร้างโมเลกุลของกรดในไมโตคอนเดรีย ในการพิจารณาว่าเอทีพีทำหน้าที่ใด เรามาดูกันว่ากระบวนการใดเกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตที่ไม่สามารถดำเนินการได้หากปราศจากการมีส่วนร่วมของสารนี้
รูปแบบการดำรงอยู่ของพลังงานในระบบชีวภาพ
ปฏิกิริยาที่หลากหลายที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตต้องการพลังงานประเภทต่างๆ ซึ่งสามารถแปลงเป็นกันและกันได้ ซึ่งรวมถึงกระบวนการทางกล (การเคลื่อนไหวของแบคทีเรียและโปรโตซัว การหดตัวของกล้ามเนื้อไมโอไฟบริลในเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อ) การสังเคราะห์ทางชีวเคมี รายการนี้ยังรวมถึงแรงกระตุ้นไฟฟ้าที่รองรับการกระตุ้นและการยับยั้ง ปฏิกิริยาความร้อนที่รักษาอุณหภูมิร่างกายให้คงที่ในสัตว์เลือดอุ่นและมนุษย์ แสงเรืองรองของแพลงตอนในทะเล แมลงบางชนิด และปลาทะเลน้ำลึก ก็เป็นพลังงานประเภทหนึ่งที่ร่างกายสร้างขึ้นด้วย
ปรากฏการณ์ข้างต้นทั้งหมดที่เกิดขึ้นในระบบทางชีววิทยาเป็นไปไม่ได้เลยหากไม่มีโมเลกุล ATP ซึ่งมีหน้าที่ในการจัดเก็บพลังงานในรูปของพันธะมหภาค เกิดขึ้นระหว่าง adenyl nucleoside และกรดฟอสเฟตตกค้าง
พลังงานเซลล์มาจากไหน
ตามกฎของอุณหพลศาสตร์ การปรากฏและการหายไปของพลังงานเกิดขึ้นด้วยเหตุผลบางประการ การสลายตัวของสารประกอบอินทรีย์ที่ประกอบเป็นอาหาร: โปรตีน คาร์โบไฮเดรต และโดยเฉพาะอย่างยิ่งไขมันนำไปสู่การปลดปล่อยพลังงาน กระบวนการหลักของการไฮโดรไลซิสเกิดขึ้นในทางเดินอาหารซึ่งโมเลกุลขนาดใหญ่ของสารประกอบอินทรีย์สัมผัสกับการทำงานของเอนไซม์ ส่วนหนึ่งของพลังงานที่ได้รับจะกระจายไปในรูปของความร้อนหรือใช้เพื่อรักษาอุณหภูมิที่เหมาะสมของเนื้อหาภายในของเซลล์ ส่วนที่เหลือจะถูกสะสมในรูปแบบไมโตคอนเดรีย - โรงไฟฟ้าของเซลล์ นี่คือหน้าที่หลักของโมเลกุล ATP - การจัดหาและเติมเต็มความต้องการพลังงานของร่างกาย
บทบาทของปฏิกิริยา catabolic คืออะไร
หน่วยพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต - เซลล์ สามารถทำงานได้ก็ต่อเมื่อพลังงานได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องในวงจรชีวิตของมัน เพื่อให้บรรลุเงื่อนไขนี้ในการเผาผลาญของเซลล์ มีทิศทางที่เรียกว่า dissimilation, catabolism หรือเมแทบอลิซึมของพลังงาน ในระยะที่ปราศจากออกซิเจนซึ่งเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการสร้างและเก็บพลังงานจากโมเลกุลกลูโคสแต่ละโมเลกุลในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนจะมีการสังเคราะห์โมเลกุลของสารที่ใช้พลังงานมาก 2 โมเลกุลที่ให้หน้าที่หลักของ ATP ในเซลล์ - จัดหาพลังงานให้กับมัน ปฏิกิริยาส่วนใหญ่ของ anoxic step เกิดขึ้นในไซโตพลาสซึม
ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของเซลล์ สามารถทำได้หลายวิธี เช่น ในรูปของไกลโคไลซิส แอลกอฮอล์ หรือการหมักกรดแลคติก อย่างไรก็ตาม ลักษณะทางชีวเคมีของกระบวนการเผาผลาญเหล่านี้ไม่ส่งผลต่อการทำงานของ ATP ในเซลล์ เป็นสากล: เพื่อรักษาพลังงานสำรองของเซลล์
โครงสร้างโมเลกุลสัมพันธ์กับหน้าที่อย่างไร
ก่อนหน้านี้ เราได้ค้นพบข้อเท็จจริงที่ว่ากรดอะดีโนซีน ไตรฟอสฟอริกประกอบด้วยฟอสเฟตตกค้างสามชนิดที่เชื่อมต่อกับไนเตรตเบส - อะดีนีน และโมโนแซ็กคาไรด์ - ไรโบส เนื่องจากปฏิกิริยาเกือบทั้งหมดในไซโทพลาซึมของเซลล์เกิดขึ้นในตัวกลางที่เป็นน้ำ โมเลกุลของกรด ภายใต้การกระทำของเอนไซม์ไฮโดรไลติก จะทำลายพันธะโควาเลนต์เพื่อสร้างกรดอะดีโนซีนไดฟอสฟอริกแรกแล้วจึงเปลี่ยนเป็น AMP ปฏิกิริยาย้อนกลับที่นำไปสู่การสังเคราะห์กรดอะดีโนซีนไตรฟอสฟอริกเกิดขึ้นต่อหน้าเอนไซม์ฟอสโฟทรานสเฟอเรส เนื่องจาก ATP ทำหน้าที่ของแหล่งกิจกรรมสำคัญระดับเซลล์ที่เป็นสากล มันจึงรวมพันธะมหภาคสองพันธะ ด้วยการแตกร้าวแต่ละครั้ง 42 kJ จะถูกปล่อยออกมา ทรัพยากรนี้ใช้ในการเผาผลาญของเซลล์ ในการเจริญเติบโตและกระบวนการสืบพันธุ์
ค่าของการสังเคราะห์ ATP
ในออร์แกเนลล์ที่มีความสำคัญทั่วไป - ไมโตคอนเดรีย ซึ่งอยู่ในเซลล์พืชและสัตว์ มีระบบเอนไซม์ - ห่วงโซ่ทางเดินหายใจ ประกอบด้วยเอ็นไซม์ ATP synthase โมเลกุลของตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพซึ่งมีรูปของเฮกซาเมอร์ประกอบด้วยโปรตีนทรงกลม ถูกจุ่มลงในเมมเบรนและในสโตรมาของไมโตคอนเดรีย เนื่องจากการทำงานของเอนไซม์ สารพลังงานของเซลล์จึงสังเคราะห์จาก ADP และกรดอนินทรีย์ฟอสเฟตตกค้าง โมเลกุล ATP ที่เกิดขึ้นจะทำหน้าที่สะสมพลังงานที่จำเป็นสำหรับกิจกรรมที่สำคัญ ลักษณะเด่นของตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพคือเมื่อมีสารประกอบพลังงานที่มีความเข้มข้นมากเกินไป มันจะทำตัวเหมือนเอนไซม์ไฮโดรไลติกที่แยกโมเลกุลออก
คุณลักษณะของการสังเคราะห์กรดอะดีโนซีนไตรฟอสฟอริก
พืชมีลักษณะการเผาผลาญที่รุนแรงซึ่งทำให้สิ่งมีชีวิตเหล่านี้แตกต่างจากสัตว์อย่างสิ้นเชิง มันเกี่ยวข้องกับโหมดโภชนาการ autotrophic และความสามารถในการประมวลผลการสังเคราะห์ด้วยแสง การก่อตัวของโมเลกุลที่มีพันธะมหภาคเกิดขึ้นในพืชในเซลล์ออร์แกเนลล์ - คลอโรพลาสต์ เอนไซม์ ATP synthase ที่เรารู้จักนั้นเป็นส่วนหนึ่งของไทลาคอยด์และสโตรมาของคลอโรพลาสต์ หน้าที่ของ ATP ในเซลล์คือการจัดเก็บพลังงานทั้งในสิ่งมีชีวิต autotrophic และ heterotrophic รวมถึงมนุษย์
สารประกอบที่มีพันธะมหภาคถูกสังเคราะห์ใน saprotrophs และ heterotrophs ในปฏิกิริยาออกซิเดชันฟอสโฟรีเลชันที่เกิดขึ้นบน mitochondrial cristae อย่างที่คุณเห็น ในกระบวนการวิวัฒนาการ สิ่งมีชีวิตกลุ่มต่างๆ ได้สร้างกลไกที่สมบูรณ์แบบสำหรับการสังเคราะห์สารประกอบเช่น ATP ซึ่งมีหน้าที่ในการให้พลังงานแก่เซลล์
