e

Wszystkie

procesy biochemiczne

przebiegające w żywej komórce powodują:

określone zmiany chemiczne

- odpowiednie efekty energetyczne

(związane są ze zmianą potencjału

chemicznego substancji reagujących).

Wyróżnia się

dwa rodzaje

reakcji:

egzoergiczne

, czyli przebiegające

spontanicznie i ze zmniejszeniem

sumarycznego potencjału chemicznego w

układzie, a więc wydzieleniem energii,

- endoergiczne

, w których następuje

zwiększenie sumarycznego potencjału

chemicznego układu, tzn. wymagają

dostarczenia energii spoza układu; energia

dla nich jest czerpana z procesów

egzoergicznych.

Energia procesów egzoergicznych

jest

użytkowana do:

a) umożliwienia przebiegu procesów

anabolicznych, czyli syntezy metabolicznie

ważnych substancji,

b) realizacji wielu bardziej ogólnych funkcji.

Zależnie od specjalizacji,

w komórkach odbywają się takie

procesy

jak:

skurcz mięśni,

2) transport substancji przez błony

komórkowe (np. w aktywnym

transporcie),

3) utrzymywanie potencjału

elektrycznego,

4) wydzielanie ciepła.

Dlatego aby zachować równowagę w

środowisku, komórki muszą wykonać

określoną

pracę

, która jest związana z

nakładem energii.

Zgodnie z I zasadą termodynamiki, energia

wydzielona w reakcji

nie ulega zatraceniu

lecz

zostaje wykorzystana

w obrębie danego

układu lub przekazana (ew. w innej formie)

na zewnątrz.

Energia i jej formy

Energia występuje w różnych formach:

- energia cieplna,

- energia świetlna,

- energia mechaniczna.

życiu komórki

najważniejsza jest

energia chemiczna.

Jest to energia zawarta w określonym

związku chemicznym, a ściślej - w

występujących w jego cząsteczce

wiązaniach.

Reakcje egzoergiczne

„napędzają"

reakcje

endoergiczne przez dostarczenie energii.

Znane są substancje pośredniczące w

przekazywaniu energii, zwane

makroergicznymi

, z

których udziałem dokonuje się w komórce

magazynowanie energii z niektórych procesów

typowo egzoergicznych oraz jej przekazywanie na

procesy endoergiczne.

Przy udziale tych związków następuje więc ścisłe

powiązanie procesów anabolicznych i

katabolicznych, zwane

sprzężeniem

energetycznym

Schemat sprzężenia energetycznego ATP:

a) reakcja egzoergiczna,

b) reakcja endoergiczna

Związki makroergiczne

Do związków makroergicznych należą takie

substancje, które przy rozkładzie

hydrolitycznym w pojedynczej reakcji

wydzielają szczególnie dużo

energii -

powyżej ok. 25 kJ/mol

Tak wysoki potencjał chemiczny wynika ze

szczególnie nietrwałego układu elektronów

wokół określonego wiązania, dlatego

właściwość ta dotyczy zawartych w tych

cząsteczkach „

wiązań bogatych w energię"

lub

makroergicznych

Związki makroergiczne

tworzą się w

wyniku sprzężenia z silnie

egzoergicznymi reakcjami

dostarczającymi

jednorazowo

porcję

energii

wystarczającą na pokrycie jej

zapotrzebowania do wytworzenia w

cząsteczce takiego wiązania.

Związki makroergiczne

, obok dostarczania

energii

endoergicznym procesom biochemicznym,

są użytkowane również w

procesach

czysto

fizjologicznych

, takich jak:

ruch,

wzrost,

wydzielanie,

przewodzenie.

Metabolicznie czynne związki

makroergiczne

zawierają w większości

resztę lub reszty fosforanowe.

Hydrolityczne odłączenie takiej reszty jest

związane z

wydzieleniem dużej ilości

energii.

Wiązanie, podczas hydrolizy którego

uzyskuje się ilość energii swobodnej ∆G

przewyższającą 25 kJ/mol jest oznaczane

(dla odróżnienia) nie kreską (-), lecz

wężykiem (~).

Wśród związków makroergicznych są

wyróżniane grupy różniące się

charakterem

wiązania

, przy hydrolizie którego jest

obserwowany znaczny

spadek energii

swobodnej

Są to wiązania:

1) bezwodnikowe fosforanowo-fosforanowe,

2) bezwodnikowe karboksylo-fosforanowe,

3) guanidyno-fosforanowe,

4) tioestrowe.

Związki fosforanowo-fosforanowe

Do związków wykazujących znaczny spadek energii

swobodnej przy hydrolizie wiązania

bezwodnikowego fosforanowo-fosforanowego

należą difosforan i tzw. nukleozydotrifosforany.

Kwas difosforowy i jego sole nieorganiczne oraz

pochodne organiczne

mogą być uważane za

najprostsze związki makroergiczne

dzięki

zawartości bezwodnikowego wiązania między

dwiema resztami fosforanowymi.

Ponieważ przyjęto resztę fosforanową oznaczać w

uproszczeniu symbolem

P (lub~P),

to kwas

difosforowy można napisać w postaci np.

P~P

Hydroliza tego wiązania powoduje spadek energii

swobodnej ∆G° wynoszący ok. 25 kJ/mol.

Do znanych reakcji, w których

energia

rozpadu difosforanu jest użytkowana w

procesie endoergicznym

, należą:

- aktywacja kwasów tłuszczowych z

udziałem ATP i tzw. koenzymu A (CoA-SH),

- aktywacja aminokwasów z udziałem ATP i

RNA transportującego (tRNA),

- przesunięcie równowagi reakcji na korzyść

syntezy DNA i RNA.

Nukleozydotrifosforany

są związkami

makroergicznymi najbardziej uniwersalnymi

i o największym znaczeniu w przemianie materii.

Najbardziej uniwersalnym związkiem tego rodzaju

jest ATP, mający następującą budowę:

Zasadniczym elementem bogatym w energię jest w

tym związku

układ reszt fosforanowych,

których ujawnia się ujemny charakter atomów

tlenu oraz cząsteczkowy dodatni ładunek atomów

fosforu.

Do przezwyciężenia elektrostatycznego oporu tych

ładunków, przy przyłączeniu drugiego lub trzeciego

atomu fosforu,

jest konieczne dostarczenie

odpowiednio dużej porcji energii,

która może być z

powrotem uwolniona w czasie hydrolizy tego

wiązania.

Dodatkowym czynnikiem warunkującym wysoką

energię wiązania jest znaczna różnica w trwałości

ATP i produktów jego hydrolizy -

adenozynodifosforanu (ADP) i fosforanu

nieorganicznego.

ATP zawiera w cząsteczce

dwa wiązania

makroergiczne

między końcowymi resztami

fosforanowymi, których kolejne odłączanie

wyzwala odpowiednio 30,5 i ok. 25 kJ/mol.

Reakcje te biegną zgodnie z uproszczonym

równaniem:

ATP oraz produkty jego rozkładu tworzą

tzw.

system adenylanowy

, uczestniczący w

przekształcaniu i magazynowaniu energii i w

razie potrzeby stanowiący jej główne źródło

dla procesów komórkowych.

Jego ustawiczna

regeneracja

odbywa się w

wyniku reakcji fosforylacji, czyli przyłączania

cząsteczek fosforanu do ADP.

U roślin

największe znaczenie mają

odbywające się w błonach chloroplastów

fosforylacje fotosyntetyczne

, a u

pozostałych organizmów

fosforylacja

oksydacyjna

w błonach mitochondriów.

Za pomocą stopnia wysycenia AMP

fosforanem, a więc stosunku ATP, ADP i AMP

w komórce, określa się jej tzw. ładunek

energetyczny – który wyraża się wzorem:

]

[

]

[

]

[

]

[

]

[

AMP

ADP

ATP

ADP

ATP





Poza ATP są znane inne

nukleozydotrifosforany

o podobnych

właściwościach i bardziej specyficznych

funkcjach, różniące się od ATP jedynie

występowaniem w nich odmiennej zasady

organicznej.

W wielu reakcjach występują więc jako

związki

energodajne lub aktywujące

, np.:

urydynotrifosforan (UTP), zawierający

zamiast adeniny uracyl,

cytydynotrifosforan (CTP), zawierający

cytozynę,

- guanozynotrifosforan (GTP), zawierający

guaninę.

Wymienione nukleozydotrifosforany

pozostają ze sobą w równowadze, tzn. mogą

między sobą przenosić trzecią resztę

fosforanową bez zmian energetycznych,

np.:

ATP + GDP ↔ ADP + GTP

Document Outline