თუ ჩვენ პერიფრაზირებთ ცნობილ გამოთქმას "მოძრაობა სიცოცხლეა", ცხადი ხდება, რომ ცოცხალი მატერიის ყველა გამოვლინება - ზრდა, გამრავლება, საკვები ნივთიერებების სინთეზის პროცესები, სუნთქვა - ფაქტობრივად, ატომების მოძრაობაა. და მოლეკულები, რომლებიც ქმნიან უჯრედს. შესაძლებელია თუ არა ეს პროცესები ენერგიის მონაწილეობის გარეშე? რა თქმა უნდა არა.
სად იღებენ თავიანთი მარაგს ცოცხალი სხეულები, დაწყებული გიგანტური ორგანიზმებიდან, როგორიცაა ლურჯი ვეშაპი ან ამერიკული სექვოია, ულტრამიკროსკოპიული ბაქტერიებით?
ბიოქიმიამ იპოვა პასუხი ამ კითხვაზე. ადენოზინის ტრიფოსფორის მჟავა უნივერსალური ნივთიერებაა, რომელსაც ჩვენი პლანეტის ყველა მცხოვრები იყენებს. ამ სტატიაში განვიხილავთ ატფ-ის სტრუქტურასა და ფუნქციებს ცოცხალ ორგანიზმთა სხვადასხვა ჯგუფში. გარდა ამისა, ჩვენ განვსაზღვრავთ, რომელი ორგანელებია პასუხისმგებელი მის სინთეზზე მცენარეთა და ცხოველთა უჯრედებში.
აღმოჩენის ისტორია
მე-20 საუკუნის დასაწყისში, ჰარვარდის სამედიცინო სკოლის ლაბორატორიაში, რამდენიმე მეცნიერმა, კერძოდ სუბარისმა, ლომანმა და ფრისკემ, აღმოაჩინეს ნაერთი, რომელიც აგებულებით ახლოსაა ადენილთან.რიბონუკლეინის მჟავას ნუკლეოტიდი. თუმცა, ის შეიცავდა არა ერთ, არამედ სამამდე ფოსფატის მჟავას ნარჩენებს, რომლებიც დაკავშირებულია მონოსაქარიდის რიბოზასთან. ორი ათწლეულის შემდეგ ფ.ლიპმანმა ატფ-ის ფუნქციების შესწავლისას დაადასტურა მეცნიერული ვარაუდი, რომ ეს ნაერთი ენერგიას ატარებს. იმ მომენტიდან ბიოქიმიკოსებს ჰქონდათ დიდი შესაძლებლობა, დეტალურად გაეცნოთ ამ ნივთიერების სინთეზის კომპლექსურ მექანიზმს, რომელიც ხდება უჯრედში. მოგვიანებით აღმოაჩინეს ძირითადი ნაერთი: ფერმენტი - ატფ სინთაზა, რომელიც პასუხისმგებელია მიტოქონდრიებში მჟავას მოლეკულების წარმოქმნაზე. იმის დასადგენად, თუ რა ფუნქციას ასრულებს ATP, მოდით გავარკვიოთ, რა პროცესები, რომლებიც ხდება ცოცხალ ორგანიზმებში, არ შეიძლება განხორციელდეს ამ ნივთიერების მონაწილეობის გარეშე.
ენერგიის არსებობის ფორმები ბიოლოგიურ სისტემებში
ცოცხალ ორგანიზმებში წარმოქმნილი მრავალფეროვანი რეაქციები მოითხოვს სხვადასხვა ტიპის ენერგიას, რომელსაც შეუძლია ერთმანეთში გარდაქმნა. მათ შორისაა მექანიკური პროცესები (ბაქტერიების და პროტოზოების მოძრაობა, კუნთოვან ქსოვილში მიოფიბრილების შეკუმშვა), ბიოქიმიური სინთეზი. ეს სია ასევე შეიცავს ელექტრულ იმპულსებს, რომლებიც ეფუძნება აგზნებას და დათრგუნვას, თერმულ რეაქციებს, რომლებიც ინარჩუნებენ სხეულის მუდმივ ტემპერატურას თბილსისხლიან ცხოველებსა და ადამიანებში. ზღვის პლანქტონის, ზოგიერთი მწერის და ღრმა ზღვის თევზის ლუმინესცენტური ბზინვარება ასევე არის ცოცხალი სხეულების მიერ წარმოებული ენერგიის სახეობა.
ყველა ზემოთ ჩამოთვლილი ფენომენი, რომელიც ხდება ბიოლოგიურ სისტემებში, შეუძლებელია ATP მოლეკულების გარეშე, რომელთა ფუნქციებია შენახვაენერგია მაკროერგიული ობლიგაციების სახით. ისინი გვხვდება ადენილის ნუკლეოზიდსა და ფოსფატის მჟავას ნარჩენებს შორის.
საიდან მოდის უჯრედული ენერგია?
თერმოდინამიკის კანონების მიხედვით, ენერგიის გამოჩენა და გაქრობა ხდება გარკვეული მიზეზების გამო. ორგანული ნაერთების დაშლა, რომლებიც ქმნიან საკვებს: ცილები, ნახშირწყლები და განსაკუთრებით ლიპიდები, იწვევს ენერგიის განთავისუფლებას. ჰიდროლიზის პირველადი პროცესები ხდება საჭმლის მომნელებელ ტრაქტში, სადაც ორგანული ნაერთების მაკრომოლეკულები ექვემდებარება ფერმენტების მოქმედებას. მიღებული ენერგიის ნაწილი იფანტება სითბოს სახით ან გამოიყენება უჯრედის შიდა შიგთავსის ოპტიმალური ტემპერატურის შესანარჩუნებლად. დარჩენილი ნაწილი სახით გროვდება მიტოქონდრიებში - უჯრედის ელექტროსადგურებში. ეს არის ატფ-ის მოლეკულის მთავარი ფუნქცია - ორგანიზმის ენერგეტიკული მოთხოვნილების უზრუნველყოფა და შევსება.
რა როლი აქვს კატაბოლურ რეაქციებს
ცოცხალი მატერიის ელემენტარული ერთეული - უჯრედი, ფუნქციონირებს მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ენერგია მუდმივად განახლდება მის სასიცოცხლო ციკლში. უჯრედულ მეტაბოლიზმში ამ მდგომარეობის შესასრულებლად არსებობს მიმართულება, რომელსაც ეწოდება დისიმილაცია, კატაბოლიზმი ან ენერგიის მეტაბოლიზმი. თავის უჟანგბადო ეტაპზე, რომელიც ენერგიის ფორმირებისა და შენახვის უმარტივესი გზაა, გლუკოზის თითოეული მოლეკულიდან, ჟანგბადის არარსებობის შემთხვევაში, სინთეზირებულია ენერგო ინტენსიური ნივთიერების 2 მოლეკულა, რომლებიც უზრუნველყოფენ ატფ-ის ძირითად ფუნქციებს უჯრედში - ენერგიით ამარაგებს. ანოქსიური საფეხურის რეაქციების უმეტესობა ხდება ციტოპლაზმაში.
უჯრედის აგებულებიდან გამომდინარე, ის შეიძლება მიმდინარეობდეს სხვადასხვა გზით, მაგალითად, გლიკოლიზის, ალკოჰოლის ან რძემჟავა დუღილის სახით. თუმცა, ამ მეტაბოლური პროცესების ბიოქიმიური თავისებურებები გავლენას არ ახდენს ატფ-ის ფუნქციაზე უჯრედში. უნივერსალურია: უჯრედის ენერგეტიკული რეზერვების შენარჩუნება.
როგორ არის დაკავშირებული მოლეკულის სტრუქტურა მის ფუნქციებთან
ადრე დავადგინეთ ის ფაქტი, რომ ადენოზინტრიფოსფორის მჟავა შეიცავს ნიტრატულ ბაზასთან დაკავშირებულ სამ ფოსფატის ნარჩენს - ადენინს და მონოსაქარიდს - რიბოზას. ვინაიდან უჯრედის ციტოპლაზმის თითქმის ყველა რეაქცია მიმდინარეობს წყალში, მჟავის მოლეკულები, ჰიდროლიზური ფერმენტების მოქმედებით, წყვეტენ კოვალენტურ კავშირებს, რათა წარმოქმნან ჯერ ადენოზინის დიფოსფორის მჟავა, შემდეგ კი AMP. საპირისპირო რეაქციები, რომლებიც იწვევს ადენოზინტრიფოსფორის მჟავას სინთეზს, ხდება ფერმენტ ფოსფოტრანსფერაზას თანდასწრებით. ვინაიდან ATP ასრულებს უჯრედული სასიცოცხლო აქტივობის უნივერსალური წყაროს ფუნქციას, იგი მოიცავს ორ მაკროერგიულ ბმას. თითოეული მათგანის თანმიმდევრული რღვევით გამოდის 42 კჯ. ეს რესურსი გამოიყენება უჯრედის მეტაბოლიზმში, მის ზრდასა და რეპროდუქციულ პროცესებში.
ATP სინთაზას მნიშვნელობა
ზოგადი მნიშვნელობის ორგანელებში - მიტოქონდრიებში, რომლებიც განლაგებულია მცენარეთა და ცხოველთა უჯრედებში, არის ფერმენტული სისტემა - სასუნთქი ჯაჭვი. იგი შეიცავს ფერმენტ ATP სინთაზას. ბიოკატალიზატორის მოლეკულები, რომლებსაც აქვთ ჰექსამერის ფორმა, რომელიც შედგება ცილოვანი გლობულისგან, ჩაეფლო როგორც მემბრანაში, ასევე მემბრანაში.მიტოქონდრიის სტრომა. ფერმენტის აქტივობის გამო, უჯრედის ენერგეტიკული ნივთიერება სინთეზირდება ADP-დან და არაორგანული ფოსფატის მჟავის ნარჩენებისგან. წარმოქმნილი ATP მოლეკულები ასრულებენ მისი სასიცოცხლო აქტივობისთვის აუცილებელი ენერგიის დაგროვების ფუნქციას. ბიოკატალიზატორის გამორჩეული თვისება ის არის, რომ როდესაც არის ენერგეტიკული ნაერთების გადაჭარბებული კონცენტრაცია, ის იქცევა როგორც ჰიდროლიზური ფერმენტი და ყოფს მათ მოლეკულებს.
ადენოზინტრიფოსფორმჟავას სინთეზის თავისებურებები
მცენარეებს აქვთ სერიოზული მეტაბოლური თვისება, რომელიც რადიკალურად განასხვავებს ამ ორგანიზმებს ცხოველებისგან. იგი დაკავშირებულია კვების აუტოტროფულ რეჟიმთან და ფოტოსინთეზის დამუშავების უნართან. მაკროერგიული ბმების შემცველი მოლეკულების წარმოქმნა ხდება მცენარეებში უჯრედულ ორგანელებში - ქლოროპლასტებში. ჩვენთვის უკვე ცნობილი ფერმენტ ATP სინთაზა არის მათი თილაკოიდების და ქლოროპლასტების სტრომის ნაწილი. ატფ-ის ფუნქციები უჯრედში არის ენერგიის შენახვა როგორც აუტოტროფულ, ასევე ჰეტეროტროფულ ორგანიზმებში, მათ შორის ადამიანებში.
მაკროერგიული ბმების მქონე ნაერთები სინთეზირდება საპროტროფებში და ჰეტეროტროფებში ოქსიდაციური ფოსფორილირების რეაქციებში, რომლებიც მიმდინარეობს მიტოქონდრიულ კრისტებზე. როგორც ხედავთ, ევოლუციის პროცესში ცოცხალ ორგანიზმთა სხვადასხვა ჯგუფმა ჩამოაყალიბა ისეთი ნაერთის სინთეზის შესანიშნავი მექანიზმი, როგორიცაა ATP, რომლის ფუნქციებია უჯრედის ენერგიით უზრუნველყოფა.
