כל תנועה או מחשבה שלנו דורשת אנרגיה מהגוף. כוח זה מאוחסן על ידי כל תא בגוף וצובר אותו בביומולקולות בעזרת קשרים מאקרו-אירגיים. מולקולות הסוללה הללו הן שמספקות את כל תהליכי החיים. חילופי האנרגיה המתמידים בתוך התאים קובעים את החיים עצמם. מהן הביומולקולות הללו עם קשרים מאקרו-אירגיים, מהיכן הן מגיעות ומה קורה לאנרגיה שלהן בכל תא בגופנו - על כך נדון במאמר.
מתווכים ביולוגיים
בכל אורגניזם, אנרגיה מגורם מייצר אנרגיה לצרכן אנרגיה ביולוגית אינה עוברת ישירות. כאשר הקשרים התוך מולקולריים של מוצרי מזון נשברים, משתחררת האנרגיה הפוטנציאלית של תרכובות כימיות, העולה בהרבה על יכולתן של מערכות אנזימטיות תוך תאיות להשתמש בה. לכן במערכות ביולוגיות שחרור של כימיקלים פוטנציאליים מתרחש בשלבים עם הפיכתם ההדרגתית לאנרגיה והצטברות שלה בתרכובות ובקשרים מאקרו-אירגיים. והביו-מולקולות הן שמסוגלות להצטברות כזו של אנרגיה שנקראות אנרגיה גבוהה.
אילו איגרות חוב נקראות מאקרואירגיות?
רמת האנרגיה החופשית של 12.5 קילו-ג'ל/מול, שנוצרת במהלך היווצרות או דעיכה של קשר כימי, נחשבת לנורמלית. כאשר במהלך ההידרוליזה של חומרים מסוימים, אנרגיה חופשית נוצרת יותר מ-21 קילו-ג'יי/מול, אז זה נקרא קשרים מאקרו-אירגיים. הם מסומנים בסמל טילדה - ~. בניגוד לכימיה פיזיקלית, שבה קשר מאקרו-אירגי פירושו קשר קוולנטי של אטומים, בביולוגיה הם מתכוונים להבדל בין האנרגיה של הגורמים הראשוניים לבין תוצרי ההתפרקות שלהם. כלומר, האנרגיה אינה ממוקמת בקשר כימי ספציפי של אטומים, אלא מאפיינת את התגובה כולה. בביוכימיה מדברים על צימוד כימי ויצירת תרכובת מאקרו-אירגית.
מקור ביולוגי אוניברסלי
לכל האורגניזמים החיים על הפלנטה שלנו יש אלמנט אוניברסלי אחד של אגירת אנרגיה - זהו הקשר המקרו-אירגי ATP - ADP - AMP (אדנוזין טרי, די, חומצה מונופוספורית). אלו הן ביומולקולות המורכבות מבסיס אדנין המכיל חנקן המחובר לפחמימת ריבוז ושאריות חומצה זרחתית מחוברות. תחת פעולתם של מים ואנזים מגביל, מולקולת אדנוזין טריפוספט (C10H16N5 O 13P3) יכולים להתפרק למולקולת חומצה די-פוספורית אדנוזין ולחומצה אורתופוספטית. תגובה זו מלווה בשחרור אנרגיה חופשית בסדר גודל של 30.5 קילו ג'ל/מול. כל תהליכי החיים בכל תא בגופנו מתרחשים כאשר אנרגיה נצברת ב-ATP ומשמשת כאשר היא נשברת.קשרים בין שאריות חומצה אורתופוספורית.
תורם ומקבל
תרכובות עתירות אנרגיה כוללות גם חומרים בעלי שמות ארוכים שיכולים ליצור מולקולות ATP בתגובות הידרוליזה (לדוגמה, חומצות פירו-זרחתיות ופירוביות, קו-אנזימים סוצ'יניל, נגזרות אמינו-אציל של חומצות ריבו-נוקלאיות). כל התרכובות הללו מכילות אטומי זרחן (P) וגופרית (S), שביניהם יש קשרים עתירי אנרגיה. זוהי האנרגיה המשתחררת כאשר נשבר הקשר בעל האנרגיה הגבוהה ב-ATP (תורם) הנספגת בתא במהלך הסינתזה של התרכובות האורגניות שלו. ובמקביל, הרזרבות של קשרים אלה מתחדשים כל הזמן עם הצטברות של אנרגיה (מקבל) המשתחררת במהלך ההידרוליזה של מקרומולקולות. בכל תא בגוף האדם, תהליכים אלו מתרחשים במיטוכונדריה, בעוד שמשך קיומו של ATP הוא פחות מדקה. במהלך היום, הגוף שלנו מסנתז כ-40 קילוגרם של ATP, שעוברים עד 3,000 מחזורי ריקבון כל אחד. ובכל רגע נתון, נמצא בגופנו כ-250 גרם ATP.
פונקציות של ביומולקולות באנרגיה גבוהה
בנוסף לתפקוד התורם והמקבל של האנרגיה בתהליכי הפירוק והסינתזה של תרכובות מקרומולקולריות, מולקולות ATP ממלאות עוד כמה תפקידים חשובים מאוד בתאים. האנרגיה של שבירת קשרים מאקרו-אירגיים משמשת בתהליכי יצירת חום, עבודה מכנית, הצטברות חשמל וזוהר. במקביל, השינויהאנרגיה של קשרים כימיים לתוך תרמי, חשמלי, מכאני בו זמנית משמשת כשלב של חילופי אנרגיה עם אחסון של ATP באותם קשרים מאקרו-אנרגיה. כל התהליכים הללו בתא נקראים חילופי פלסטיק ואנרגיה (תרשים באיור). מולקולות ATP פועלות גם כקו-אנזימים, המווסתות את פעילותם של אנזימים מסוימים. בנוסף, ATP יכול להיות גם מתווך, סוכן איתות בסינפסות של תאי עצב.
זרימת האנרגיה והחומר בתא
לפיכך, ATP בתא תופס מקום מרכזי ועיקרי בחילופי החומר. ישנן די הרבה תגובות שבאמצעותן נוצר ומתפרק ATP (זרחון חמצון וסובסטרט, הידרוליזה). התגובות הביוכימיות של הסינתזה של מולקולות אלו הן הפיכות; בתנאים מסוימים, הן מוזזות בתאים לכיוון של סינתזה או ריקבון. מסלולי התגובות הללו נבדלים במספר התמורות של חומרים, בסוג תהליכי החמצון, ובדרכי הצימוד של תגובות אספקת אנרגיה וצריכת אנרגיה. לכל תהליך יש התאמות ברורות לעיבוד של סוג מסוים של "דלק" ומגבלות היעילות שלו.
הערכת ביצועים
אינדיקטורים ליעילות של המרת אנרגיה במערכות ביולוגיות הם קטנים ומוערכים בערכים סטנדרטיים של מקדם היעילות (היחס בין העבודה המועילה שהושקעה בעבודה לבין סך האנרגיה שהוצאה). אבל כאן, כדי להבטיח את הביצועים של פונקציות ביולוגיות, העלויות גבוהות מאוד. לדוגמה, רץ, במונחים של יחידת מסה, מוציא כל כך הרבהאנרגיה, כמה וספינת אוקיינוס גדולה. אפילו במנוחה, שמירה על חייו של אורגניזם היא עבודה קשה, וכ-8,000 קילו ג'ל/מול מושקעים בה. במקביל, כ-1.8 אלף קילו-ג'יי למול מושקעים על סינתזת חלבון, 1.1 אלף קילו-ג'יי-מול על עבודת הלב, אך עד 3.8 אלף קילו-ג'יי-מול על סינתזת ATP.
Adenylate cell system
זו מערכת הכוללת את הסכום של כל ה-ATP, ADP ו-AMP בתא בפרק זמן מסוים. ערך זה ויחס הרכיבים קובעים את מצב האנרגיה של התא. המערכת מוערכת במונחים של מטען האנרגיה של המערכת (היחס בין קבוצות הפוספט לשארית האדנוזין). אם רק ATP קיים בתרכובות המאקרו-אירגיות של התא - יש לו את מצב האנרגיה הגבוה ביותר (מדד -1), אם רק AMP - המצב המינימלי (מדד - 0). בתאים חיים נשמרים בד כ אינדיקטורים של 0.7-0.9. יציבות המצב האנרגטי של התא קובעת את קצב התגובות האנזימטיות ושמירה על רמת פעילות חיונית מיטבית.
וקצת על תחנות כוח
כפי שכבר הוזכר, סינתזת ATP מתרחשת באברוני תאים מיוחדים - מיטוכונדריה. והיום בין ביולוגים יש מחלוקות על מקורם של המבנים המדהימים הללו. המיטוכונדריה הן תחנות הכוח של התא, "הדלק" עבורם חלבונים, שומנים, גליקוגן וחשמל - מולקולות ATP, שהסינתזה שלהן מתבצעת בהשתתפות חמצן. אנו יכולים לומר שאנו נושמים כדי שהמיטוכונדריה יפעלו. כמה שיותר עבודה לעשותתאים, כך הם זקוקים ליותר אנרגיה. קרא - ATP, כלומר - מיטוכונדריה.
לדוגמה, לאתלט מקצועי יש כ-12% מיטוכונדריה בשרירי השלד שלו, בעוד שלדיוט לא אתלטי יש חצי מזה. אבל בשריר הלב, שיעורם הוא 25%. שיטות אימון מודרניות לספורטאים, בעיקר רצי מרתון, מבוססות על MOC (צריכת חמצן מרבית), התלויה ישירות במספר המיטוכונדריות וביכולת השרירים לבצע עומסים ממושכים. תוכניות אימון מובילות לספורט מקצועי מכוונות לעורר את הסינתזה של מיטוכונדריה בתאי השריר.
