MAGAZYNOWANIE

MAGAZYNOWANIE

I ZUŻYTKOWANIE

I ZUŻYTKOWANIE

ENERGII

ENERGII

W UKŁADACH

W UKŁADACH

BIOLOGICZNYCH

BIOLOGICZNYCH

Wszystkie

Wszystkie

procesy biochemiczne

procesy biochemiczne

przebiegające w żywej komórce powodują:

przebiegające w żywej komórce powodują:

-

określone zmiany chemiczne

określone zmiany chemiczne

- odpowiednie efekty energetyczne

- odpowiednie efekty energetyczne

(związane są ze zmianą potencjału

(związane są ze zmianą potencjału

chemicznego substancji reagujących).

chemicznego substancji reagujących).

Wyróżnia się

Wyróżnia się

dwa rodzaje

dwa rodzaje

reakcji:

reakcji:

-

egzoergiczne

egzoergiczne

, czyli przebiegające

, czyli przebiegające

spontanicznie i ze zmniejszeniem

spontanicznie i ze zmniejszeniem

sumarycznego potencjału chemicznego w

sumarycznego potencjału chemicznego w

układzie, a więc wydzieleniem energii,

układzie, a więc wydzieleniem energii,

- endoergiczne

- endoergiczne

, w których następuje

, w których następuje

zwiększenie sumarycznego potencjału

zwiększenie sumarycznego potencjału

chemicznego układu, tzn. wymagają

chemicznego układu, tzn. wymagają

dostarczenia energii spoza układu; energia

dostarczenia energii spoza układu; energia

dla nich jest czerpana z procesów

dla nich jest czerpana z procesów

egzoergicznych.

egzoergicznych.

Energia procesów egzoergicznych

Energia procesów egzoergicznych

jest

jest

użytkowana do:

użytkowana do:

a) umożliwienia przebiegu procesów

a) umożliwienia przebiegu procesów

anabolicznych, czyli syntezy metabolicznie

anabolicznych, czyli syntezy metabolicznie

ważnych substancji,

ważnych substancji,

b) realizacji wielu bardziej ogólnych funkcji.

b) realizacji wielu bardziej ogólnych funkcji.

Zależnie od specjalizacji,

Zależnie od specjalizacji,

w komórkach odbywają się takie

w komórkach odbywają się takie

procesy

procesy

jak:

jak:

1)

1)

skurcz mięśni,

skurcz mięśni,

2) transport substancji przez błony

2) transport substancji przez błony

komórkowe (np. w aktywnym

komórkowe (np. w aktywnym

transporcie),

transporcie),

3) utrzymywanie potencjału

3) utrzymywanie potencjału

elektrycznego,

elektrycznego,

4) wydzielanie ciepła.

4) wydzielanie ciepła.

Dlatego aby zachować równowagę w

Dlatego aby zachować równowagę w

środowisku, komórki muszą wykonać

środowisku, komórki muszą wykonać

określoną

określoną

pracę

pracę

, która jest związana z

, która jest związana z

nakładem energii.

nakładem energii.

Zgodnie z I zasadą termodynamiki, energia

Zgodnie z I zasadą termodynamiki, energia

wydzielona w reakcji

wydzielona w reakcji

nie ulega zatraceniu

nie ulega zatraceniu

,

,

lecz

lecz

zostaje wykorzystana

zostaje wykorzystana

w obrębie danego

w obrębie danego

układu lub przekazana (ew. w innej formie)

układu lub przekazana (ew. w innej formie)

na zewnątrz.

na zewnątrz.

Energia i jej formy

Energia i jej formy

Energia występuje w różnych formach:

Energia występuje w różnych formach:

- energia cieplna,

- energia cieplna,

- energia świetlna,

- energia świetlna,

- energia mechaniczna.

- energia mechaniczna.

W

W

życiu komórki

życiu komórki

najważniejsza jest

najważniejsza jest

energia chemiczna.

energia chemiczna.

Jest to energia zawarta w określonym

Jest to energia zawarta w określonym

związku chemicznym, a ściślej - w

związku chemicznym, a ściślej - w

występujących w jego cząsteczce

występujących w jego cząsteczce

wiązaniach.

wiązaniach.

Reakcje egzoergiczne

Reakcje egzoergiczne

„napędzają"

„napędzają"

reakcje

reakcje

endoergiczne przez dostarczenie energii.

endoergiczne przez dostarczenie energii.

Znane są substancje pośredniczące w

Znane są substancje pośredniczące w

przekazywaniu energii, zwane

przekazywaniu energii, zwane

makroergicznymi

makroergicznymi

, z

, z

których udziałem dokonuje się w komórce

których udziałem dokonuje się w komórce

magazynowanie energii z niektórych procesów

magazynowanie energii z niektórych procesów

typowo egzoergicznych oraz jej przekazywanie na

typowo egzoergicznych oraz jej przekazywanie na

procesy endoergiczne.

procesy endoergiczne.

Przy udziale tych związków następuje więc ścisłe

Przy udziale tych związków następuje więc ścisłe

powiązanie procesów anabolicznych i

powiązanie procesów anabolicznych i

katabolicznych, zwane

katabolicznych, zwane

sprzężeniem

sprzężeniem

energetycznym

energetycznym

.

.

Schemat sprzężenia energetycznego ATP:

Schemat sprzężenia energetycznego ATP:

a) reakcja egzoergiczna,

a) reakcja egzoergiczna,

b) reakcja endoergiczna

b) reakcja endoergiczna

.

.

Związki makroergiczne

Związki makroergiczne

Do związków makroergicznych należą takie

Do związków makroergicznych należą takie

substancje, które przy rozkładzie

substancje, które przy rozkładzie

hydrolitycznym w pojedynczej reakcji

hydrolitycznym w pojedynczej reakcji

wydzielają szczególnie dużo

wydzielają szczególnie dużo

energii -

energii -

powyżej ok. 25 kJ/mol

powyżej ok. 25 kJ/mol

.

.

Tak wysoki potencjał chemiczny wynika ze

Tak wysoki potencjał chemiczny wynika ze

szczególnie nietrwałego układu elektronów

szczególnie nietrwałego układu elektronów

wokół określonego wiązania, dlatego

wokół określonego wiązania, dlatego

właściwość ta dotyczy zawartych w tych

właściwość ta dotyczy zawartych w tych

cząsteczkach „

cząsteczkach „

wiązań bogatych w energię"

wiązań bogatych w energię"

lub

lub

makroergicznych

makroergicznych

.

.

Związki makroergiczne

Związki makroergiczne

tworzą się w

tworzą się w

wyniku sprzężenia z silnie

wyniku sprzężenia z silnie

egzoergicznymi reakcjami

egzoergicznymi reakcjami

dostarczającymi

dostarczającymi

jednorazowo

jednorazowo

porcję

porcję

energii

energii

wystarczającą na pokrycie jej

wystarczającą na pokrycie jej

zapotrzebowania do wytworzenia w

zapotrzebowania do wytworzenia w

cząsteczce takiego wiązania.

cząsteczce takiego wiązania.

Związki makroergiczne

Związki makroergiczne

, obok dostarczania

, obok dostarczania

energii

energii

endoergicznym procesom biochemicznym,

endoergicznym procesom biochemicznym,

są użytkowane również w

są użytkowane również w

procesach

procesach

czysto

czysto

fizjologicznych

fizjologicznych

, takich jak:

, takich jak:

-

ruch,

ruch,

-

wzrost,

wzrost,

-

wydzielanie,

wydzielanie,

-

przewodzenie.

przewodzenie.

Metabolicznie czynne związki

Metabolicznie czynne związki

makroergiczne

makroergiczne

zawierają w większości

zawierają w większości

resztę lub reszty fosforanowe.

resztę lub reszty fosforanowe.

Hydrolityczne odłączenie takiej reszty jest

Hydrolityczne odłączenie takiej reszty jest

związane z

związane z

wydzieleniem dużej ilości

wydzieleniem dużej ilości

energii.

energii.

Wiązanie, podczas hydrolizy którego

Wiązanie, podczas hydrolizy którego

uzyskuje się ilość energii swobodnej ∆G

uzyskuje się ilość energii swobodnej ∆G

przewyższającą 25 kJ/mol jest oznaczane

przewyższającą 25 kJ/mol jest oznaczane

(dla odróżnienia) nie kreską (-), lecz

(dla odróżnienia) nie kreską (-), lecz

wężykiem (~).

wężykiem (~).

Wśród związków makroergicznych są

Wśród związków makroergicznych są

wyróżniane grupy różniące się

wyróżniane grupy różniące się

charakterem

charakterem

wiązania

wiązania

, przy hydrolizie którego jest

, przy hydrolizie którego jest

obserwowany znaczny

obserwowany znaczny

spadek energii

spadek energii

swobodnej

swobodnej

.

.

Są to wiązania:

Są to wiązania:

1) bezwodnikowe fosforanowo-fosforanowe,

1) bezwodnikowe fosforanowo-fosforanowe,

2) bezwodnikowe karboksylo-fosforanowe,

2) bezwodnikowe karboksylo-fosforanowe,

3) guanidyno-fosforanowe,

3) guanidyno-fosforanowe,

4) tioestrowe.

4) tioestrowe.

Związki fosforanowo-fosforanowe

Związki fosforanowo-fosforanowe

Do związków wykazujących znaczny spadek energii

Do związków wykazujących znaczny spadek energii

swobodnej przy hydrolizie wiązania

swobodnej przy hydrolizie wiązania

bezwodnikowego fosforanowo-fosforanowego

bezwodnikowego fosforanowo-fosforanowego

należą difosforan i tzw. nukleozydotrifosforany.

należą difosforan i tzw. nukleozydotrifosforany.

Kwas difosforowy i jego sole nieorganiczne oraz

Kwas difosforowy i jego sole nieorganiczne oraz

pochodne organiczne

pochodne organiczne

mogą być uważane za

mogą być uważane za

najprostsze związki makroergiczne

najprostsze związki makroergiczne

dzięki

dzięki

zawartości bezwodnikowego wiązania między

zawartości bezwodnikowego wiązania między

dwiema resztami fosforanowymi.

dwiema resztami fosforanowymi.

Ponieważ przyjęto resztę fosforanową oznaczać w

Ponieważ przyjęto resztę fosforanową oznaczać w

uproszczeniu symbolem

uproszczeniu symbolem

P (lub~P),

P (lub~P),

to kwas

to kwas

difosforowy można napisać w postaci np.

difosforowy można napisać w postaci np.

P~P

P~P

.

.

Hydroliza tego wiązania powoduje spadek energii

Hydroliza tego wiązania powoduje spadek energii

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

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

Do znanych reakcji, w których

Do znanych reakcji, w których

energia

energia

rozpadu difosforanu jest użytkowana w

rozpadu difosforanu jest użytkowana w

procesie endoergicznym

procesie endoergicznym

, należą:

, należą:

- aktywacja kwasów tłuszczowych z

- aktywacja kwasów tłuszczowych z

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

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

- aktywacja aminokwasów z udziałem ATP i

- aktywacja aminokwasów z udziałem ATP i

RNA transportującego (tRNA),

RNA transportującego (tRNA),

- przesunięcie równowagi reakcji na korzyść

- przesunięcie równowagi reakcji na korzyść

syntezy DNA i RNA.

syntezy DNA i RNA.

Nukleozydotrifosforany

Nukleozydotrifosforany

są związkami

są związkami

makroergicznymi najbardziej uniwersalnymi

makroergicznymi najbardziej uniwersalnymi

i o największym znaczeniu w przemianie materii.

i o największym znaczeniu w przemianie materii.

Najbardziej uniwersalnym związkiem tego rodzaju

Najbardziej uniwersalnym związkiem tego rodzaju

jest ATP, mający następującą budowę:

jest ATP, mający następującą budowę:

Zasadniczym elementem bogatym w energię jest w

Zasadniczym elementem bogatym w energię jest w

tym związku

tym związku

układ reszt fosforanowych,

układ reszt fosforanowych,

w

w

których ujawnia się ujemny charakter atomów

których ujawnia się ujemny charakter atomów

tlenu oraz cząsteczkowy dodatni ładunek atomów

tlenu oraz cząsteczkowy dodatni ładunek atomów

fosforu.

fosforu.

Do przezwyciężenia elektrostatycznego oporu tych

Do przezwyciężenia elektrostatycznego oporu tych

ładunków, przy przyłączeniu drugiego lub trzeciego

ładunków, przy przyłączeniu drugiego lub trzeciego

atomu fosforu,

atomu fosforu,

jest konieczne dostarczenie

jest konieczne dostarczenie

odpowiednio dużej porcji energii,

odpowiednio dużej porcji energii,

która może być z

która może być z

powrotem uwolniona w czasie hydrolizy tego

powrotem uwolniona w czasie hydrolizy tego

wiązania.

wiązania.

Dodatkowym czynnikiem warunkującym wysoką

Dodatkowym czynnikiem warunkującym wysoką

energię wiązania jest znaczna różnica w trwałości

energię wiązania jest znaczna różnica w trwałości

ATP i produktów jego hydrolizy -

ATP i produktów jego hydrolizy -

adenozynodifosforanu (ADP) i fosforanu

adenozynodifosforanu (ADP) i fosforanu

nieorganicznego.

nieorganicznego.

ATP zawiera w cząsteczce

ATP zawiera w cząsteczce

dwa wiązania

dwa wiązania

makroergiczne

makroergiczne

między końcowymi resztami

między końcowymi resztami

fosforanowymi, których kolejne odłączanie

fosforanowymi, których kolejne odłączanie

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

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

Reakcje te biegną zgodnie z uproszczonym

Reakcje te biegną zgodnie z uproszczonym

równaniem:

równaniem:

ATP oraz produkty jego rozkładu tworzą

ATP oraz produkty jego rozkładu tworzą

tzw.

tzw.

system adenylanowy

system adenylanowy

, uczestniczący w

, uczestniczący w

przekształcaniu i magazynowaniu energii i w

przekształcaniu i magazynowaniu energii i w

razie potrzeby stanowiący jej główne źródło

razie potrzeby stanowiący jej główne źródło

dla procesów komórkowych.

dla procesów komórkowych.

Jego ustawiczna

Jego ustawiczna

regeneracja

regeneracja

odbywa się w

odbywa się w

wyniku reakcji fosforylacji, czyli przyłączania

wyniku reakcji fosforylacji, czyli przyłączania

cząsteczek fosforanu do ADP.

cząsteczek fosforanu do ADP.

U roślin

U roślin

największe znaczenie mają

największe znaczenie mają

odbywające się w błonach chloroplastów

odbywające się w błonach chloroplastów

fosforylacje fotosyntetyczne

fosforylacje fotosyntetyczne

, a u

, a u

pozostałych organizmów

pozostałych organizmów

fosforylacja

fosforylacja

oksydacyjna

oksydacyjna

w błonach mitochondriów.

w błonach mitochondriów.

Za pomocą stopnia wysycenia AMP

Za pomocą stopnia wysycenia AMP

fosforanem, a więc stosunku ATP, ADP i AMP

fosforanem, a więc stosunku ATP, ADP i AMP

w komórce, określa się jej tzw. ładunek

w komórce, określa się jej tzw. ładunek

energetyczny – który wyraża się wzorem:

energetyczny – który wyraża się wzorem:

]

[

]

[

]

[

]

[

2

/

1

]

[

AMP

ADP

ATP

ADP

ATP

E

ch









Cykl energetyczny ATP

Poza ATP są znane inne

Poza ATP są znane inne

nukleozydotrifosforany

nukleozydotrifosforany

o podobnych

o podobnych

właściwościach i bardziej specyficznych

właściwościach i bardziej specyficznych

funkcjach, różniące się od ATP jedynie

funkcjach, różniące się od ATP jedynie

występowaniem w nich odmiennej zasady

występowaniem w nich odmiennej zasady

organicznej.

organicznej.

W wielu reakcjach występują więc jako

W wielu reakcjach występują więc jako

związki

związki

energodajne lub aktywujące

energodajne lub aktywujące

, np.:

, np.:

-

urydynotrifosforan (UTP), zawierający

urydynotrifosforan (UTP), zawierający

zamiast adeniny uracyl,

zamiast adeniny uracyl,

-

cytydynotrifosforan (CTP), zawierający

cytydynotrifosforan (CTP), zawierający

cytozynę,

cytozynę,

- guanozynotrifosforan (GTP), zawierający

- guanozynotrifosforan (GTP), zawierający

guaninę.

guaninę.

Wymienione nukleozydotrifosforany

Wymienione nukleozydotrifosforany

pozostają ze sobą w równowadze, tzn. mogą

pozostają ze sobą w równowadze, tzn. mogą

między sobą przenosić trzecią resztę

między sobą przenosić trzecią resztę

fosforanową bez zmian energetycznych,

fosforanową bez zmian energetycznych,

np.:

np.:

ATP + GDP ↔ ADP + GTP

ATP + GDP ↔ ADP + GTP