Chacun de nos mouvements ou pensées nécessite de l'énergie du corps. Cette force est stockée par chaque cellule du corps et s'accumule dans des biomolécules à l'aide de liaisons macroergiques. Ce sont ces molécules de batterie qui fournissent tous les processus de la vie. L'échange constant d'énergie au sein des cellules détermine la vie elle-même. Quelles sont ces biomolécules avec des liaisons macroergiques, d'où viennent-elles et qu'arrive-t-il à leur énergie dans chaque cellule de notre corps - cela est discuté dans l'article.
Médiateurs biologiques
Dans tout organisme, l'énergie d'un agent générateur d'énergie à un consommateur d'énergie biologique ne passe pas directement. Lorsque les liaisons intramoléculaires des produits alimentaires sont rompues, l'énergie potentielle des composés chimiques est libérée, ce qui dépasse de loin la capacité des systèmes enzymatiques intracellulaires à l'utiliser. C'est pourquoi, dans les systèmes biologiques, la libération de substances chimiques potentielles se produit par étapes avec leur transformation progressive en énergie et son accumulation dans des composés et des liaisons macroergiques. Et ce sont les biomolécules capables d'une telle accumulation d'énergie qu'on appelle à haute énergie.
Quelles sont les liaisons dites macroergiques ?
Le niveau d'énergie libre de 12,5 kJ/mol, qui se forme lors de la formation ou de la désintégration d'une liaison chimique, est considéré comme normal. Lorsque, lors de l'hydrolyse de certaines substances, de l'énergie libre se forme à plus de 21 kJ / mol, on parle alors de liaisons macroergiques. Ils sont désignés par le symbole tilde - ~. Contrairement à la chimie physique, où une liaison macroergique signifie une liaison covalente d'atomes, en biologie, ils signifient la différence entre l'énergie des agents initiaux et leurs produits de désintégration. Autrement dit, l'énergie n'est pas localisée dans une liaison chimique spécifique d'atomes, mais caractérise l'ensemble de la réaction. En biochimie, on parle de conjugaison chimique et de formation d'un composé macroergique.
Source universelle de bioénergie
Tous les organismes vivants sur notre planète ont un élément universel de stockage d'énergie - c'est la liaison macroergique ATP - ADP - AMP (adénosine tri, di, acide monophosphorique). Ce sont des biomolécules constituées d'une base d'adénine contenant de l'azote attachée à un glucide ribose et à des résidus d'acide phosphorique attachés. Sous l'action de l'eau et d'une enzyme de restriction, une molécule d'adénosine triphosphate (C10H16N5 O 13P3) peut se décomposer en une molécule d'acide adénosine diphosphorique et en acide orthophosphate. Cette réaction s'accompagne d'un dégagement d'énergie libre de l'ordre de 30,5 kJ/mol. Tous les processus vitaux dans chaque cellule de notre corps se produisent lorsque l'énergie est accumulée dans l'ATP et utilisée lorsqu'elle est brisée.liaisons entre les résidus d'acide orthophosphorique.
Donneur et accepteur
Les composés à haute énergie comprennent également des substances avec des noms longs qui peuvent former des molécules d'ATP dans des réactions d'hydrolyse (par exemple, les acides pyrophosphorique et pyruvique, les succinyl coenzymes, les dérivés aminoacylés des acides ribonucléiques). Tous ces composés contiennent des atomes de phosphore (P) et de soufre (S), entre lesquels il existe des liaisons à haute énergie. C'est l'énergie libérée lors de la rupture de la liaison à haute énergie dans l'ATP (donneur) qui est absorbée par la cellule lors de la synthèse de ses propres composés organiques. Et en même temps, les réserves de ces liaisons sont constamment reconstituées avec l'accumulation d'énergie (accepteur) libérée lors de l'hydrolyse des macromolécules. Dans chaque cellule du corps humain, ces processus se produisent dans les mitochondries, alors que la durée d'existence de l'ATP est inférieure à 1 minute. Pendant la journée, notre corps synthétise environ 40 kilogrammes d'ATP, qui traversent jusqu'à 3 000 cycles de décomposition chacun. Et à tout moment, environ 250 grammes d'ATP sont présents dans notre corps.
Fonctions des biomolécules à haute énergie
En plus de la fonction de donneur et d'accepteur d'énergie dans les processus de décomposition et de synthèse des composés macromoléculaires, les molécules d'ATP jouent plusieurs autres rôles très importants dans les cellules. L'énergie de rupture des liaisons macroergiques est utilisée dans les processus de génération de chaleur, de travail mécanique, d'accumulation d'électricité et de luminescence. Dans le même temps, la transformationl'énergie des liaisons chimiques en thermique, électrique, mécanique sert en même temps d'étape d'échange d'énergie avec stockage ultérieur d'ATP dans les mêmes liaisons macro-énergétiques. Tous ces processus dans la cellule sont appelés échanges plastiques et énergétiques (schéma sur la figure). Les molécules d'ATP agissent également comme des coenzymes, régulant l'activité de certaines enzymes. De plus, l'ATP peut aussi être un médiateur, un agent de signalisation dans les synapses des cellules nerveuses.
Le flux d'énergie et de matière dans la cellule
Ainsi, l'ATP dans la cellule occupe une place centrale et principale dans les échanges de matière. Il existe de nombreuses réactions au moyen desquelles l'ATP apparaît et se décompose (phosphorylation oxydative et de substrat, hydrolyse). Les réactions biochimiques de synthèse de ces molécules sont réversibles; sous certaines conditions, elles sont décalées dans les cellules dans le sens de la synthèse ou de la décroissance. Les voies de ces réactions diffèrent par le nombre de transformations de substances, le type de processus oxydatifs et les modes de conjugaison des réactions énergétiques et consommatrices d'énergie. Chaque processus a des adaptations claires au traitement d'un type particulier de "combustible" et à ses limites d'efficacité.
Évaluation des performances
Les indicateurs de l'efficacité de la conversion d'énergie dans les biosystèmes sont petits et sont estimés en valeurs standard du facteur d'efficacité (le rapport entre le travail utile consacré au travail et l'énergie totale dépensée). Mais ici, pour assurer la performance des fonctions biologiques, les coûts sont très élevés. Par exemple, un coureur, en termes d'unité de masse, dépense autanténergie, combien et un grand paquebot. Même au repos, maintenir la vie d'un organisme est un travail difficile et environ 8 000 kJ / mol y sont dépensés. Dans le même temps, environ 1,8 mille kJ / mol sont dépensés pour la synthèse des protéines, 1,1 mille kJ / mol pour le travail du cœur, mais jusqu'à 3,8 mille kJ / mol pour la synthèse de l'ATP.
Système cellulaire adénylate
Il s'agit d'un système qui inclut la somme de tous les ATP, ADP et AMP dans une cellule dans une période de temps spécifique. Cette valeur et le rapport des composants déterminent l'état énergétique de la cellule. Le système est évalué en termes de charge énergétique du système (le rapport des groupes phosphate au résidu d'adénosine). Si seul l'ATP est présent dans les composés macroergiques cellulaires - il a le statut énergétique le plus élevé (indice -1), si seulement l'AMP - le statut minimum (indice - 0). Dans les cellules vivantes, des indicateurs de 0,7 à 0,9 sont généralement maintenus. La stabilité de l'état énergétique de la cellule détermine le taux de réactions enzymatiques et le maintien d'un niveau optimal d'activité vitale.
Et un peu sur les centrales électriques
Comme déjà mentionné, la synthèse d'ATP se produit dans des organites cellulaires spécialisés - les mitochondries. Et aujourd'hui, parmi les biologistes, il y a des disputes sur l'origine de ces structures étonnantes. Les mitochondries sont les centrales électriques de la cellule, "carburant" pour lesquelles sont des protéines, des graisses, du glycogène et de l'électricité - des molécules d'ATP, dont la synthèse a lieu avec la participation de l'oxygène. On peut dire que nous respirons pour que les mitochondries fonctionnent. Plus de travail à fairecellules, plus elles ont besoin d'énergie. Lire - ATP, ce qui signifie - mitochondries.
Par exemple, un athlète professionnel a environ 12 % de mitochondries dans ses muscles squelettiques, tandis qu'un profane non sportif en a moitié moins. Mais dans le muscle cardiaque, leur taux est de 25 %. Les méthodes d'entraînement modernes pour les athlètes, en particulier les marathoniens, sont basées sur la MOC (consommation maximale d'oxygène), qui dépend directement du nombre de mitochondries et de la capacité des muscles à effectuer des charges prolongées. Les principaux programmes d'entraînement pour les sports professionnels visent à stimuler la synthèse des mitochondries dans les cellules musculaires.
