אם ננסה לפרפראזה את הביטוי הידוע "תנועה היא חיים", יתברר שכל הביטויים של חומר חי - צמיחה, רבייה, תהליכי סינתזה של חומרי הזנה, נשימה - הם למעשה תנועת אטומים ומולקולות המרכיבות את התא. האם תהליכים אלו אפשריים ללא השתתפות של אנרגיה? כמובן שלא.
מאיפה גופים חיים, החל מאורגניזמים ענקיים כמו הלוויתן הכחול או הסקויה האמריקאית, ועד לחיידקים אולטרה-מיקרוסקופיים, שואבים את אספקתם?
ביוכימיה מצאה את התשובה לשאלה זו. חומצה טריפוספורית אדנוזין היא חומר אוניברסלי המשמש את כל תושבי הפלנטה שלנו. במאמר זה נשקול את המבנה והתפקודים של ATP בקבוצות שונות של אורגניזמים חיים. בנוסף, נקבע אילו אברונים אחראים לסינתזה שלו בתאי צמחים ובעלי חיים.
היסטוריית גילוי
בתחילת המאה ה-20, במעבדה של בית הספר לרפואה בהרווארד, כמה מדענים, כלומר סובבאריס, לומן ופריסקה, גילו תרכובת קרובה במבנה לאדנילנוקלאוטיד חומצה ריבונוקלאית. עם זאת, הוא הכיל לא אחד, אלא עד שלוש שאריות חומצת פוספט המחוברות לחד-סוכר ריבוז. שני עשורים מאוחר יותר, פ. ליפמן, שחקר את תפקודי ה-ATP, אישר את ההנחה המדעית שתרכובת זו נושאת אנרגיה. מאותו רגע הייתה לביוכימאים הזדמנות מצוינת להכיר בפירוט את המנגנון המורכב של הסינתזה של החומר הזה המתרחש בתא. מאוחר יותר התגלתה תרכובת מפתח: אנזים - ATP synthase, האחראי על יצירת מולקולות חומצה במיטוכונדריה. כדי לקבוע איזו פונקציה ATP מבצע, הבה נגלה אילו תהליכים המתרחשים באורגניזמים חיים אינם יכולים להתבצע ללא השתתפותו של החומר הזה.
צורות קיום של אנרגיה במערכות ביולוגיות
תגובות מגוונות המתרחשות באורגניזמים חיים דורשות סוגים שונים של אנרגיה שיכולה להפוך זו לזו. אלה כוללים תהליכים מכניים (תנועה של חיידקים ופרוטוזואה, התכווצות מיופיברילים ברקמת השריר), סינתזה ביוכימית. רשימה זו כוללת גם דחפים חשמליים העומדים בבסיס עירור ועיכוב, תגובות תרמיות השומרות על טמפרטורת גוף קבועה אצל בעלי חיים ובני אדם בעלי דם חם. הזוהר הזוהר של פלנקטון ימי, חרקים מסוימים ודגי ים עמוקים הוא גם סוג של אנרגיה המופקת על ידי גופים חיים.
כל התופעות הנ ל המתרחשות במערכות ביולוגיות בלתי אפשריות ללא מולקולות ATP, שתפקידיהן לאחסןאנרגיה בצורה של קשרים מאקרו-אירגיים. הם מתרחשים בין הנוקלאוזיד האדניל לשאריות חומצת הפוספט.
מאיפה מגיעה האנרגיה הסלולרית?
לפי חוקי התרמודינמיקה, הופעה והיעלמות של אנרגיה מתרחשת מסיבות מסוימות. פירוק התרכובות האורגניות המרכיבות את המזון: חלבונים, פחמימות ובעיקר שומנים מביא לשחרור אנרגיה. התהליכים העיקריים של הידרוליזה מתרחשים במערכת העיכול, שם המקרומולקולות של תרכובות אורגניות נחשפות לפעולת אנזימים. חלק מהאנרגיה המתקבלת מתפזר בצורה של חום או משמש לשמירה על הטמפרטורה האופטימלית של התוכן הפנימי של התא. החלק הנותר מצטבר בצורה במיטוכונדריה - תחנות הכוח של התא. זהו תפקידה העיקרי של מולקולת ה-ATP - מתן ומילוי צורכי האנרגיה של הגוף.
מה תפקידן של תגובות קטבוליות
יחידה יסודית של חומר חי - תא, יכול לתפקד רק אם האנרגיה מתעדכנת כל הזמן במחזור החיים שלה. כדי למלא תנאי זה במטבוליזם תאי, יש כיוון שנקרא התפזרות, קטבוליזם או חילוף חומרים אנרגטי. בשלב נטול החמצן שלו, שהוא הדרך הפשוטה ביותר ליצור ולאגור אנרגיה, מכל מולקולת גלוקוז, בהיעדר חמצן, מסונתזות 2 מולקולות של חומר עתיר אנרגיה המספקות את הפונקציות העיקריות של ATP בתא - לספק לו אנרגיה. רוב התגובות של הצעד האנוקסי מתרחשות בציטופלזמה.
בהתאם למבנה התא, הוא יכול להתנהל בדרכים שונות, למשל בצורה של גליקוליזה, אלכוהול או תסיסה של חומצת חלב. עם זאת, המאפיינים הביוכימיים של תהליכים מטבוליים אלו אינם משפיעים על תפקוד ה-ATP בתא. זה אוניברסלי: לשמר את מאגרי האנרגיה של התא.
איך המבנה של מולקולה קשור לתפקידיה
קודם לכן, קבענו את העובדה שחומצה אדנוזין טרי-פוספורית מכילה שלושה שאריות פוספט המחוברות לבסיס חנקתי - אדנין, ולחד-סוכר - ריבוז. מכיוון שכמעט כל התגובות בציטופלזמה של התא מתבצעות במדיום מימי, מולקולות חומצה, תחת פעולת אנזימים הידרוליטים, שוברות קשרים קוולנטיים ליצירת חומצה די-פוספורית אדנוזין, ולאחר מכן AMP. התגובות ההפוכות המובילות לסינתזה של חומצה טריפוספורית אדנוזין מתרחשות בנוכחות האנזים פוספוטרנספראז. מכיוון ש-ATP מבצע את הפונקציה של מקור אוניברסלי לפעילות חיונית תאית, הוא כולל שני קשרים מאקרו-אירגיים. עם קרע עוקב של כל אחד מהם, משתחררים 42 קילו-ג'יי. משאב זה משמש במטבוליזם של התא, בתהליכי הגדילה והרבייה שלו.
Value of ATP synthase
באברונים בעלי חשיבות כללית - מיטוכונדריה, הנמצאת בתאי צמחים ובעלי חיים, קיימת מערכת אנזימטית - שרשרת הנשימה. הוא מכיל את האנזים ATP synthase. מולקולות הביו-קטליזטור, בעלות צורה של הקסאמר המורכבת מכדוריות חלבון, טבולות הן בממברנה והן בתוךסטרומה של מיטוכונדריה. עקב פעילות האנזים, חומר האנרגיה של התא מסונתז מ-ADP ומשאריות של חומצת פוספט אנאורגנית. מולקולות ה-ATP שנוצרו ממלאות את הפונקציה של צבירת האנרגיה הדרושה לפעילותו החיונית. תכונה ייחודית של הביו-קטליזטור היא שכאשר יש ריכוז מוגזם של תרכובות אנרגיה, הוא מתנהג כמו אנזים הידרוליטי, המפצל את המולקולות שלהן.
תכונות הסינתזה של חומצה טריפוספורית אדנוזין
לצמחים יש תכונה מטבולית רצינית שמבדילה באופן קיצוני בין אורגניזמים אלה לבעלי חיים. זה קשור למצב האוטוטרופי של תזונה וליכולת לעבד פוטוסינתזה. היווצרות מולקולות המכילות קשרים מאקרו-אירגיים מתרחשת בצמחים באברונים תאיים - כלורופלסטים. האנזים ATP synthase שכבר ידוע לנו הוא חלק מהתילקואידים והסטרומה של הכלורופלסטים שלהם. תפקידיו של ATP בתא הם אגירת אנרגיה באורגניזמים אוטוטרופיים והטרוטרופיים כאחד, כולל בני אדם.
תרכובות עם קשרים מאקרו-אירגיים מסונתזות בספרוטרופים והטרוטרופים בתגובות זרחן חמצוני המתרחשות על גבי קריסטה מיטוכונדריה. כפי שניתן לראות, בתהליך האבולוציה, קבוצות שונות של אורגניזמים חיים יצרו מנגנון מושלם לסינתזה של תרכובת כמו ATP, שתפקידה לספק לתא אנרגיה.
