Życie zależy od energii
Życie - to ruch. To powiedzenie całkowicie potwierdzają codzienne obserwacje. Ptaki latają, trzepocząc skrzydłami i odpychając się od mas powietrznych. Mucha ruchami swych skrzydeł wprowadza w ruch powietrze, tworząc nad sobą rozrzedzoną przestrzeń, która ją wciąga. Twoje serce w stanie spokoju bije się z częstotliwością 60-80 uderzeń na minutę, pompując krew w organizmie. Rośliny są mniej ruchliwe, jednak i one obracają liście i kwiaty w zależności od położenia Słońca.
W środku komórki też jest ruch. Co sekundy setki malutkich pęcherzyków przemieszczają się cytoplazmą, zlewają się i rozdzielają, transportują się na dalekie odległości od miejsc powstania do miejsc pracy. Do wykonania całej tej różnorodności ruchów niezbędne jest źródło energii, tak jak paliwo jest niezbędne do ruchu samochodu.
Energia jest niezbędna również do odbycia się reakcji chemicznych. Kiedy weźnie-my wodę zawierającą skrobię i dodamy do tej mieszaniny enzym amylazę, to skrobia zacznie się rozszczepiać. Mówiąc o enzymach, zaznaczyliśmy już, że takie reakcje jak rozszczepienie biopolimeru zachodzą samorzutnie, ponieważ produkty reakcji posiadają niższą energię niż substraty. Jednak żywe organizmy dokonują również odwrotne reakcje - syntezę polimerów z ogniw monomerowych. Do przebiegu takich reakcji jest niezbędne nadchodzenie dodatkowej energii.
Źródła energii dla żywych organizmów mogą być różne
Żywe organizmy mogą pochłaniać energię z otaczającego środowiska różnymi sposobami. Zwierzęta otrzymują energię drogą utleniania („spalania”) cząsteczek substancji zawartych w pokarmie. Utlenianiu glukozy do dwutlenku węgla i wody towarzyszy wydzielanie energii, która może być wykorzystana przez organizm. W przypadku spalania ta energia wydziela się w postaci ciepła i światła, jednak żywe organizmy potrafią „powoli spalać” glukozę, a energię, która wydziela się, wykorzystywać według własnego zapotrzebowania (dokładniej o tym będzie mowa w § 17). Tak więc zwierzęta wykorzystują energię chemiczną zmagazynowaną w cząsteczkach substancji pokarmowych. Żywe organizmy otrzymujące energię z cząsteczek „pokarmu” są nazywane chemotrofami (od gr. hemo - chemia i tropho - jedzenie). Do nich należą zwierzęta, grzyby, wiele bakterii oraz pierwotniaki. Jeszcze jednym sposobem otrzymywania energii jest wychwytywanie energii światła słonecznego. Żywe organizmy otrzymujące energię w taki sposób nazywają się fototrofami (od gr. photos - światło). Fototrofy posiadają specjalne „anteny cząsteczkowe” do wychwytywania energii światła, która potem przekształca się na energię wiązań chemicznych (dokładniej o tym opowiemy w § 18).
ATP - to waluta energetyczna
Jak już wspominaliśmy, reakcje syntezy biocząsteczek związane są z zużywaniem energii. Źródłem tej energii mogą być reakcje chemiczne rozkładu cząsteczek otrzymanych przy odżywianiu. W ten sposób w organizmie jednocześnie zachodzą zarówno reakcje, które wykorzystują energię, jak i reakcje, które wydzielają energię. Żeby zapewnić jakiejś reakcji biosyntezy energię, można ją połączyć z pewną reakcją mimowolną, która zachodzi z wydzielaniem się dostatecznej ilości energii.
Rye. 8.1. Schemat bezpośredniego sprzężenia energetycznego
Energia
do dokonania reakcji biosyntezy nadchodzi bezpośrednio od reakcji rozszczepienia.
Takie połączenie nazywa się sprzężeniem energetycznym. Otrzymać sprzężenie energetyczne jest łatwo. Wyobraźmy sobie, że mamy reakcję biosyntezy:
A + В = C (1)
oraz określoną reakcję, zachodzącą mimowolnie z wydzielaniem się dużej ilości energii:
K = M + L (2)
Reakcja (1) nie zachodzi, jeśli nie nadejdzie energia z zewnątrz. Jednak możemy dodać do układu, który zawiera substancje А, В i K jakiś ferment, który będzie dokonywać reakcję:
A+B+K=C+M+L
Faktycznie od tej pory obie reakcje będą katalizowane przez jeden ferment i energia otrzymana podczas reakcji (2) będzie wykorzystana do dokonania reakcji (1).
Ryc. 8.2. Schemat sprzężenia energetycznego w żywych organizmach z pośrednikiem uniwersalnym - ATP
Przy utlenianiu substancji otrzymanych z pokarmu wydziela się energia, która magazynuje się w wiązaniach chemicznych cząsteczki ATP. Następnie ta energia jest wykorzystywana w procesach syntezy biologicznych cząsteczek niezbędnych do pracy komórki.
Wykorzystując taką strategię, można dla każdej reakcji biosyntezy dobrać odpowiednią reakcję z wydzielaniem się energii. Otrzymamy schemat podano na rycinie 8.1. Jednak taki schemat ma szereg wad: w przypadku nieobecności pewnych energetycznych substratów niektóre reakcje nie będą możliwe. Reakcje powinny być w takim stosunku względem siebie, żeby energia, która uwalnia się, była nie mniejsza niż energia niezbędna do syntezy. O wiele wygodniejszy byłby układ, kiedy podczas reakcji rozszczepienia cząsteczek, które nadeszły z pokarmem, powstawałby uniwersalny pośrednik („waluta energetyczna”), który mógłby być wykorzystany jako źródło energii w reakcjach biosyntezy.
Taki pośrednik powinien mieć pewne właściwości: ma to być nieduża cząsteczka, stabilna (by nie rozszczepiać się samorzutnie), a energia jej rozszczepienia powinna być mała (innymi słowy - „waluta energetyczna” ma być w „drobnych monetach”). Właśnie taki schemat jak na rycinie 8.2 wykorzystują żywe organizmy, a najważniejszy spośród cząsteczek energetycznych pośredników - to ATP.
Pod względem budowy cząsteczka ATP jest zwyczajnym nukleotydem
Na rycinie 8.3 podano model budowy cząsteczki ATP (kwasu adenozynotrójfosforo-wego = adenozynotrójfosforan). Ona jest nukleotydem (rybonukleotydem - zawiera węglowodan rybozę) podobnym do tego, z którego zbudowane są kwasy nukleinowe. Cząsteczka ATP zawiera zasadę azotową - adeninę - połączoną z rybozą i trzy reszty kwasu ortofosforowego połączonych między sobą. Pod wpływem wody w obecności fermentu ATP może rozszczepić się do ADP i kwasu ortofosforowego. Tej reakcji towarzyszy wydzielanie się energii1. Właśnie trójfosforan jest tą częścią cząsteczki ATP, w której magazynuje się energia wykorzystywana w celu dokonania biosyntezy. Natomiast inna część cząsteczki służy do połączenia z fermentem.
ATP wykorzystuje się przez komórki nie tylko do zapewnienia reakcji biosyntezy w energię. On też wykorzystuje się do wykonywania ruchów i przeniesienia substancji przez błony komórkowe. Kurczliwe białka zapewniają przemieszczanie się cząsteczek i organelli komórki, ruch rzęsek i wici, a także inne ważne dla życia procesy, które są związane z ruchem ukierunkowanym. One są fermentami, które rozszczepiają ATP i wykorzystują wydzielającą się energię do wykonywania pracy mechanicznej. Z niektórymi już zapoznałeś się w § 6. Jest to na przykład wspominana już miozyna. Żywe komórki są bogate w ruch, powodowany silnikami cząsteczkowymi. Za pomocą mikroskopu można obserwować przemieszczanie się organelli w żywej komórce2. Niektóre komórki wyspecjalizowane są zdolne do wykonywania bardziej skomplikowanych procesów ruchowych. Są to na przykład komórki tkanki mięśniowej. One zawierają białko kurczliwe - miozynę - zebrane w złożone struktury. Liczne cząsteczki miozyny rozszczepiają ATP i dzięki ich skoordynowanej pracy kurczą się mięśnie.
1 Jest inny sposób rozszczepienia ATP: najpierw on rozszczepia się na AMP i kwas hydrofosfora-nowy (cząsteczkę, która składa się z dwóch reszt fosforanowych), a potem kwas pirofosforowy rozszczepia się na dwie cząsteczki kwasu ortofosforowego. Przy takim rozszczepieniu ATP wydziela się prawie dwa razy więcej energii niż przy rozszczepieniu do ADP i kwasu ortofosforowego.
ATP jest też substratem dla znacznej ilości białek, które biorą udział w przenoszeniu cząsteczek i jonów przez błony biologiczne. Do normalnego funkcjonowania żywej komórki niezbędna jest różnica stężeń substancji po różnych bokach błony biologicznej.
Żeby stwarzać takie różnice, trzeba zapewniać przeniesienie substancji wbrew gradientowi stężeń: z miejsca o niskim stężeniu do miejsca o wysokim stężeniu. Ataki proces jest energochłonny. Źródłem dla niego służy ATP. Typowym przykładem białka powierzchniowego (wchodzi w skład błony komórkowej) przenoszącego jony wbrew gradientowi stężeń jest pompa sodowo-potasowa. Ona mieści się w błonie plazma-tycznej komórek zwierzęcych i wykonuje przeniesienie trzech jonów sodu z komórki i dwóch jonów potasu do środka komórki w ciągu jednego cyklu pracy. Na to ferment zużywa jedną cząsteczkę ATP.
W taki sposób enzym stwarza nadmiar jonów sodu poza komórką i nadmiar jonów potasu w komórce. Powstaje też dysbilans dodatnich ładunków po różnych bokach błony plazmatycznej, ponieważ w ciągu jednego cyklu pracy z komórki wynosi się więcej kationów niż do niej nadchodzi.
Tę asymetrię komórka zwierzęca wykorzystuje do przeniesienia innych substancji przez błonę plazmatyczną.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
I Zatrat energii ATP nie potrzebuje proces naturalny taki jak A bicie serca В lot burzyka
C lot skrzydlaka klonu D brzęczenie trzmiela
E obracanie się kwiatostanów słonecznika za Słońcem
2
Żywe organizmy, otrzymujące energię z substancji pokarmowych, nazywają się (1). W odróżnieniu od fototrofów, wykorzystujących jako źródło energii (2).
A 1 - autotrofami, 2 - reakcje chemiczne В 1 - heterotrofami, 2 - utlenianie substancji odżywczych C 1 - miksotrofami, 2 - wchłanianie substancji z powietrza D 1 - chemotrofami, 2 - wychwytywanie światła słonecznego E 1 - saprotrofami, 2 - redukcję związków mineralnych
3
Wybierz parę reakcji, w której pierwsza reakcja może być bezpośrednio sprzężona z drugą, powodując jej przebieg.
4
Cząsteczka ATP zawiera reszty A adeniny, deoksyrybozy, trzech ortofosforanów В tyminy, rybozy, dwu ortofosforanów C adeniny, rybozy, trzech ortofosforanów D guaniny, deoksyrybozy, jednego ortofosforanu E kwasu askorbinowego, trzech ortofosforanów
5
Równania reakcji rozszczepienia ATP - to
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Dlaczego, według ciebie, życie jest procesem energowydajnym?
Jakie źródła energii wykorzystują organizmy? Na jakie grupy można podzielić organizmy według tej cechy? Do której grupy należymy my, ludzie?
8
Co to jest sprzężenie energetyczne? Jak ono powstaje w przyrodzie żywej?
9
Dlaczego ATP nazywamy „wymienną monetą” przemiany energetycznej?
10
Jak ATP w przyrodzie żywej pełni funkcję pośrednika między reakcjami z zużyciem energii i reakcjami z wydatkiem energii?
11
Jak pracuje pompa sodowo-potasowa? Dlaczego do jej pracy niezbędna jest energia ATP?
12
Podaj charakterystykę procesów komórkowych potrzebujących energię ATP.
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
13
Dlaczego prawie wszystkie organizmy wykorzystują jednakową substancję jako przenośnika i akumulatora energii? O czym to świadczy?
14
Większość procesów energozależnych w przyrodzie zachodzi dzięki energii ATP. Dlaczego więc rośliny i zwierzęta gromadzą węglowodany i tłuszcze, a nie ATP?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
15
Jakie jeszcze substancje są przenośnikami i akumulatorami energii w przyrodzie żywej? Gdzie one są wykorzystywane przez organizmy żywe i dlaczego?
16
Oprócz ATP nosicielami energii są: guanozynotrójfosforan (GTP), tymidynotrój-fosforan (TTP), cytydynotrójfosforan (CTP). Jakie są przyczyny dominowania ATP nad innymi trójfosforanami?
17
Chemotrofy i fototrofy bywają heterotrofami i autotrofami. Na czym polega różnica pomiędzy tymi czterema pojęciami i dlaczego one są często mylone?
18
Dlaczego w żywych organizmach jako reakcji z wydzielaniem się energii najczęściej wykorzystuje się reakcje utleniania?
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow