|
Promet materije i energije u ćeliji |
|
Svi procesi u ćeliji kako kod biljaka, tako i kod životinja zahtevaju energiju. Energija potrebna za životne procese ćelije obezbeđuje se transformacijom hemijske energije u druge oblike energije, dok se jedan deo oslobađa u vidu toplote.
Skup svih hemijskih procesa koji se odvijaju u organizmu naziva se metabolizam. Metabolitički procesi čine mrežu metabolitičkih puteva. Metabolitički putevi su serije hemijskih reakcija koje se javljaju unutar ćelije. U svakom putu, glavno jedinjenje se modifikuje putem serije hemijskih reakcija do konačnog proizvoda.
Metabolički procesi mogu biti:
Metabolički procesi mogu biti:
- katabolitički
- anabolitički
Katabolizam je skup metaboličkih puteva koji razlažu molekule u manje jedinice i oslobađaju energiju.U katabolizmi, veliki molekuli poput polisaharida, lipida, nukleinskih kiselina i proteina se razlažu u manje jedinice poput monosaharida, masnih kiselina, nukleotida u aminokiselina, respektivno.Ćelije koriste monomere oslobođene razlaganjem polimera da bilo formiraju nove polimere, ili da razgrade monomere do jednostavnih otpadnih proizvoda (mlečna kiselina, sirćetna kiselina, ugljen-dioksid, amonijak,urea) i energije. Glavni katabolitički put u ćelijama je proces ćelijskog disanja gde se organski molekuli razlažu do vode i ugljen-dioksida uz oslobađanje energije..
Anabolizam je set metaboličkih puteva koji formiraju molekule od manjih jedinica.Te reakcije zahtevaju energiju. Primer anabolitičkog procesa je biosinteza proteina.
Kako anabolitički procesi zahtevaju energiju za stvaranje makromolekula, za njih možemo reći da se napajaju katabolitičkim procesima jer upravo oni obezbeđuju energiju. Prenos energije iz katabolitičkih procesa u anabolitičke puteve nije direktan, već se kao gorivo često koriste oni isti organski molekuli koji ulaze u sastav ćelije (kao što je ATP).
U prethodnoj lekciji si naučio da se proteini denaturišu na visokoj temperaturi. Za razliku od sagorevanja benzina u motorima koje je praćeno oslobađanjem ogromne količine toplote, procesi sagorevanja u ćeliji se odvijaju na umerenim temperaturama , uz postepeno oslobađanje i čuvanje energije.
Ključni učesnici u biološkom sagorevanju i prenosu i magacioniranju energije su enzimi (biološki katalizatori) i molekuli ATP-a.
Molekul ATP po strukturi je sličan adeninskom nukleotidu. Izgrađen je od adenina, riboze i tri fosfatne grupe kao što i samo ime kaže. Fosfatne grupe u molekulu ATP-a su negativno naelektrisane, te se tri fosfatne grupe u molekulu snažno odbijaju. Zbog toga se kovalentne veze koje povezuju fosfatne grupe nestabilne i lako se raskidaju. Veza između fosfatnih grupa ATP-a se može razgraditi procesom hidrolize.
U procesu hidrolize uz oslobađanje energije odvaja se treća fosfatna grupa u obliku neorganskog fosfora, ostavljajući za sobom molekul adenozin-difosfata (ADP).
Molekul ADP-a je termodinamički stabilniji od ATP-a , te po zakonima termodinamike kada se sistem menja u pravcu veće stabilnosti oslobađa se energija. Raskidanjem veze između fosfatne grupe u ATP molekulu, u laboratorijskim uslovima oslobodi se 31 kj/molu. Međutim ukoliko bi situacija u ćeliji bila ista kao u laboratorijskim uslovima, energija oslobođena u hidrolizi potrošila bi se na povećanje temperature što predstavlja veliki i opasan gubitak za ćeliju. Međutim uz pomoć enzima, prebacivanje fosfatne grupe sa ATP-a na neki drugi molekul , moguće je preneti energiju koja je potrebna za životne procese ćelije.
Da li ste znali: Gotovo svaki rad koji se obavlja u ćeliji zavisi od prenošenja fosfatne grupe ATP-a na druge molekule. Na primer energija potrebna za kontrakciju mišića dobija se zahvaljujući prenosu fosfatne grupe sa ATP-a na protein miozin. Više o ovome možeš pročitati u lekciji o muskulaturnom sistemu.
Da bi ćelija obnovila svoje rezerve energije, potrebno je da ponovno sintetiše molekul ATP-a. Međutim za regeneraciju ATP tj. vraćanje fosfatne grupe na molekul ADP-a potrebna je energije. Energija za ovaj proces se obezbeđuje iz spoljašnjih izvora u katabolitičkim putevima razgradnje hranljivih materija (ćelijsko disanje).
Molekul ATP možemo smatrati kapijom kroz koju energija prolazi prilikom prelaska iz kataboličkih u anaboličke puteve.
Promet materija i energije u ćeliji bio bi usporen bez enzima odnosno bioloških katalizatora. Svaka hemijska reakcija u ćeliji obuhvata razgradnju postojaćih veza reaktanata i formiranje novih hemijskih veza u molekulima proizvoda. Da bi hemijska reakcija uopšte započela neretko je potrebno uložiti energiju. Energija koja je neophodna za početak neke hemijske reakcije naziva se energija aktivacije. Energija aktivacije se najčešće obezbeđuje preuzimanjem toplote iz okruženja.
Nakon preuzimanja toplotne energije molekuli reaktanata počinju brže da se kreću i češće da se sudaraju (uzlazni deo grafika na slici). Pritom veze u molekulima reaktanata postaju sve nestabilnije. U momentu koji odgovara maksimumu (piku) grafika, usled visokog sadržaja energije molekuli reaktanata dospevaju u nestabilno- tranziciono stanje u kojem je moguće odigravanja reakcije. Kada se atomi reakatana pregrupišu i nastane nova veza, energija se oslobađa u okruženje iz kojeg je prethodno preuzeta (silazni deo grafika).
Podseti se lekcije iz hemije o entalpiji.
Reakcije u kojima je energija oslobođena u okruženje veća od energije aktivacije nazivaju se egzotermnim reakcijama.
Nasuprot njima su endotermne reakcije, odnosno reakcije u kojima se u okruženje oslobodi manja količina energije od preuzete. Postoje reakcije u kojima je aktivaciona energija veoma mala, pa se reakcija može odviti čak i na sobnoj temperaturi. Ovu vrstu reakcija nazivamo spontanim reakcijama.
Nasuprot njima su endotermne reakcije, odnosno reakcije u kojima se u okruženje oslobodi manja količina energije od preuzete. Postoje reakcije u kojima je aktivaciona energija veoma mala, pa se reakcija može odviti čak i na sobnoj temperaturi. Ovu vrstu reakcija nazivamo spontanim reakcijama.
Energija aktivacije predstavlja svojevrsnu barijeru koja u većini slučajeva sprečava spontano odigravanje reakcija u ćeliji. To je od životnog (vitalonog) značaja za ćeliju , jer se makromolekuli , koji imaju visok sadržaj energije , a time i ogorman potencijal da se razgrade , ne razgrađuju spontano na sobnoj temperaturi.
Povremeno je potrebno da se u ćeliji razgrade molekuli i makromolekuli koji zahtevaju veliku količinu energije aktivacije. Ukoliko bi se energija aktivacije preuzimala isključivo u vidu toplote iz okruženja, došlo bi do oštećenja ćelije jer visoka temperatura ugrožava ćelije. Ćelije zbog toga poseduju alternativni način odvijanja hemijskih reakcija bez povećanja temperature, a to se postiže uz pomoć enzima.
Enzim ili ferment je biološki katalizator, tj ima moć da utiče na brzinu hemijske reakcije.Kao i svi katalizatori enzimi funkcionišu tako što snižavaju aktivacionu energiju reakcije, i na taj način je ubrzavaju. Enzimi mogu da ubrzaju reakcije na nivou od po nekoliko miliona puta. Enzim, kao svaki katalizator, ostaje nepromenjen reakcijom na koju utiče i to mu omogućava da, kad se jedna reakcija završi, uključi u drugu, potpuno nepromenjen. Takođe enzimi ne utiču na relativnu energiju između reagenata i produkata, tako da ne utiču na ekvilibrijum reakcije.
Važna karakteristika enzima je njihova selektivnost, odnosno sklonost prema određenom reaktantu ili supstratu, Enzimi funkcionišu po modelu ključa i brave, odnosno svaki enzim ima odgovarajući supstrat koji može da katalizuje. Pošto enzimi imaju mogućnost da katalizuju samo određene hemijske reakcije, oni na taj način određuju koji će se hemijski proces odigrati u ćeliji u određenom trenutku.Enzimi su neophodni kako bi život bio moguć, jer mnoge reakcije koje se odvijaju u ćelijama organizma su previše spore i vodile bi do drugačijih produkata koje organizmu ili nisu potrebni ili bi mu štetili. Kvar, genetičke mutacije, nedovoljna ili povećene proizvodnja, jednog jedinog enzima može da bude bude glavni uzrok teških genetičkih poremećaja. Enzimi se takođe svakodnevno koriste u produktima kao što su deterdženti za sudove, veš, i razne druge kućne hemikalije.
