κεφάλαιο 3

3.1 ΕΝΕΡΓΕΙΑ
ΚΑΙ
ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ

Με βάση όσα γνωρίζουμε έως τώρα θα συμφωνήσουμε ότι το χελιδόνι ξοδεύει ενέργεια, για να παραμείνει ζωντανό. Όχι μόνο για να πετά από κλαδί σε κλαδί, αλλά και για να μεγαλώνει τα μικρά του ή για να μεταναστεύει σε μακρινές περιοχές. Αυτό που ίσως είναι λιγότερο γνωστό, ή λιγότερο προφανές, είναι η διαδικασία με την οποία το χελιδόνι εξασφαλίζει και στη συνέχεια χρησιμοποιεί αυτή την ενέργεια.

Το χελιδόνι λοιπόν εξασφαλίζει ενέργεια διασπώντας θρεπτικές ουσίες που περιέχονται στην τροφή του, η οποία αποτελείται από διάφορα έντομα. Το ίδιο κάνουν όλοι οι οργανισμοί, εκτός από αυτούς που έχουν την ικανότητα να φωτοσυνθέτουν. Οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί δεσμεύουν ηλιακή ενέργεια και με απλές ανόργανες ενώσεις, που βρίσκουν στο περιβάλλον τους, συνθέτουν τις θρεπτικές ουσίες που τους είναι απαραίτητες.

εικόνα

Χελιδόνια που ταΐζουν τα μικρά τους.

Την ενέργεια και τα υλικά που οι οργανισμοί εξασφαλίζουν από το περιβάλλον τους συνήθως δεν μπορούν να τα αξιοποιήσουν άμεσα. Η αξιοποίησή τους προϋποθέτει τη μετατροπή τους σε ενώσεις, που θα χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια, είτε για να οξειδωθούν και. να παραχθεί ενέργεια είτε ως «πρώτη ύλη» για τη σύνθεση μορίων που είναι απαραίτητα ως δομικά ή λειτουργικά συστατικά των οργανισμών. Το σύνολο των χημικών αντιδράσεων που εξυπηρετούν αυτές τις διαδικασίες συνιστούν το μεταβολισμό. Με το μεταβολισμό τους τα κύτταρα, και κατ' επέκταση οι οργανισμοί, διατηρούν σταθερές τις συνθήκες λειτουργίας τους παρά τις μεταβολές που μπορεί να συμβαίνουν στο περιβάλλον. Οι μεταβολές αυτές μπορεί να αφορούν τη θερμοκρασία, τη συγκέντρωση εξωκυτταρικών ουσιών κ.ά.

Ο μεταβολισμός έχει δύο σκέλη, τον καταβολισμό και τον αναβολισμό. Ο καταβολισμός περιλαμβάνει τις αντιδράσεις διάσπασης πολύπλοκων ουσιών σε απλούστερες, με παράλληλη συνήθως απόδοση ενέργειας. Ο αναβολισμός περιλαμβάνει αντιδράσεις σύνθεσης πολύπλοκων χημικών ουσιών από πιο απλές. Για την πραγματοποίηση των αντιδράσεων σύνθεσης καταναλώνεται συνήθως ενέργεια. Οι καταβολικές δηλαδή αντιδράσεις αποδίδουν ενέργεια (εξώθερμες), ενώ οι αναβολικές απορροφούν ενέργεια (ενδόθερμες). Η ενέργεια που παράγεται στα κύτταρα των οργανισμών αποθηκεύεται σε χημικούς δεσμούς βιομορίων. Είναι δεσμοί που, για να σχηματιστούν, απαιτούν ενέργεια, την οποία αποδίδουν, όταν σπάζουν.

Μεταφορά ενέργειας στα κύτταρα

Η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας από τον τόπο παραγωγής της στον τόπο κατανάλωσης γίνεται με ηλεκτροφόρα καλώδια. Μέσα στα κύτταρα η μεταφορά ενέργειας από το σημείο όπου αυτή παράγεται (αντιδράσεις διάσπασης - εξώθερμες) στο σημείο όπου καταναλώνεται (αντιδράσεις σύνθεσης - ενδόθερμες) επιτυγχάνεται με τη σύζευξη εξώθερμων με ενδόθερμες αντιδράσεις. Όταν γίνεται μια αντίδραση διάσπασης, ένα μέρος της ενέργειας που αποδίδεται μετατρέπεται σε θερμότητα και απελευθερώνεται στο περιβάλλον. Το υπόλοιπο όμως χρησιμοποιείται για να προχωρήσει μια αντίδραση σύνθεσης που απαιτεί ενέργεια. Η ενέργεια που προσφέρεται στην τελευταία αυτή αντίδραση αποθηκεύεται τελικά στους χημικούς δεσμούς των προϊόντων της.

εικόνα

Σε όλα τα κύτταρα για τη μεταφορά της χημικής ενέργειας από τις εξώθερμες αντιδράσεις στις ενδόθερμες χρησιμοποιείται κυρίως το μόριο τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP). Το ΑΤΡ είναι ένα τριφωσφορικό νουκλεοτίδιο. Οι τρεις φωσφορικές ομάδες (Ρ) βρίσκονται σε σειρά και οι χημικοί δεσμοί που ενώνουν τις δύο τελευταίες περικλείουν μεγάλο ποσό ενέργειας γι' αυτό και χαρακτηρίζονται ως δεσμοί υψηλής ενέργειας. Θα μπορούσαμε να παραλληλίσουμε τις δύο τελευταίες φωσφορικές ομάδες με βαγόνια μιας ατμομηχανής, που μπορούν να συνδεθούν ή να αποσυνδεθούν. Μάλιστα, στην περίπτωσή μας, αυτό μπορεί να συμβεί εύκολα, γιατί οι δεσμοί υψηλής ενέργειας

είναι ασταθείς και εύκολα διασπώνται με υδρόλυση.

Το ΑΤΡ παραλαμβάνει και μεταφέρει ενέργεια σε οποιοδήποτε μέρος του κυττάρου, και την αποδίδει γρήγορα με μία και μόνο χημική αντίδραση. Σ' αυτό βοηθά η δομή του, η δυνατότητα σχηματισμού του από ADP (διφωσφορική αδενοσίνη), ένα φωσφορικό οξύ και ενέργεια, και το γεγονός ότι η αντίδραση αυτή είναι αμφίδρομη. Επειδή το ΑΤΡ μεσολαβεί στις συναλλαγές μεταξύ των κυτταρικών διεργασιών που αποδίδουν και αυτών που καταναλώνουν ενέργεια, χαρακτηρίζεται ως ενεργειακό νόμισμα.

εικόνα

Διάσπαση και επανασύνθεση του ΑΤΡ.

Από τα παραπάνω γίνεται φανερό ότι το ΑΤΡ, ως ο κύριος, άμεσος δότης ενέργειας για τα κύτταρα (στοιχειώδης μονάδα ενέργειας), θα πρέπει συνεχώς να αναγεννάται από ADP και φωσφορικό οξύ. Τα κύτταρα δηλαδή χρησιμοποιούν το ΑΤΡ σαν ένα είδος επαναφορτιζόμενης μπαταρίας. Όταν η ενέργεια των «κυτταρικών μπαταριών - ΑΤΡ» εξαντληθεί, οι «αποφορτισμένες μπαταρίες - ADP» επαναφορτίζονται. Γενικά στη φύση αυτό γίνεται με δύο τρόπους: είτε με δέσμευση φωτεινής ενέργειας και μετατροπή της σε χημική κατά τη φωτοσύνθεση είτε με ενέργεια που προέρχεται από αντιδράσεις διάσπασης οργανικών ουσιών, όπως η οξείδωση της γλυκόζης.

Τις δύο αυτές διαδικασίες θα τις μελετήσουμε στη συνέχεια. Θα πρέπει να τονιστεί ότι το κύτταρο δεν αποθηκεύει μεγάλο αριθμό μορίων ΑΤΡ. Τα χρησιμοποιεί δηλαδή σχεδόν αμέσως, μόλις αυτά συντεθούν. Σε τυπικά κύτταρα ένα μόριο ΑΤΡ χρησιμοποιείται μέσα σ' ένα λεπτό από τη στιγμή του σχηματισμού του. Ένας άνθρωπος σε ανάπαυση καταναλώνει, συνολικά, περίπου 40kg ΑΤΡ σε 24 ώρες. Ωστόσο το ποσό του ΑΤΡ που βρίσκεται στο σώμα του σε κάθε δεδομένη στιγμή δεν υπερβαίνει το 1g. Κάθε δευτερόλεπτο παράγονται από κάθε κύτταρο 10 εκατομμύρια μόρια ΑΤΡ και, αντίστοιχα, υδρολύονται άλλα τόσα.

Μοντέλο «ρευστού μωσαϊκού» για την πλασματική μεμβράνη.

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Το σύνολο των χημικών αντιδράσεων που γίνονται στα κύτταρα των οργανισμών συνιστούν το μεταβολισμό, που διακρίνεται στον καταβολισμό και στον αναβολισμό.

Η μεταφορά ενέργειας μέσα στα κύτταρα γίνεται με τη σύζευξη των εξώθερμων με τις ενδόθερμες αντιδράσεις.

Σε όλα τα κύτταρα για τη μεταφορά της χημικής ενέργειας από τις εξώθερμες στις ενδόθερμες αντιδράσεις χρησιμοποιείται κυρίως το μόριο ΑΤΡ. Η ενέργεια που δεσμεύεται σ' αυτό το μόριο αποδίδεται για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των διάφορων κυτταρικών λειτουργιών. Για το σχηματισμό του ΑΤΡ χρησιμοποιείται ενέργεια που προέρχεται από την κυτταρική αναπνοή και τη φωτοσύνθεση.

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ

ΑΣΚΗΣΕΙΣ

ΠΡΟΒΛHΜΑΤΑ

Σημειώστε τρεις διαφορές ανάμεσα στον αναβολισμό και τον καταβολισμό.
Παρατηρήστε το σχήμα που ακολουθεί και σημειώστε ποιες αντιδράσεις είναι ενδόθερμες και ποιες εξώθερμες:
α. Α+Β^{ΕΝΕΡΓΕΙΑ} Γ+Δ β. Α+Β Γ+Δ+ΕΝΕΡΓΕΙΑ γ. Α Β+Γ+ΕΝΕΡΓΕΙΑ
Γιατί το ΑΤΡ συγκαταλέγεται στα μόρια υψηλής ενέργειας; Εξηγήστε το βιολογικό του ρόλο.
Το ΑΤΡ:
α. Παράγεται κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης και της κυτταρικής αναπνοής,
β. Διαρκώς διασπάται και αναγεννάται μέσα στα κύτταρα.
γ. Χρησιμοποιείται από τα κύτταρα, όταν αυτά χρειάζεται να παράγουν έργο.
δ. Όλα τα προηγούμενα είναι σωστά. Σημειώστε τη σωστή απάντηση.
Συμφωνείτε με την παρομοίωση του συστήματος ΑΤΡ - ADP σαν μιας «μπαταρίας με δυνατότητα αποφόρτισης και επαναφόρτισης»; Πώς θα αιτιολογούσατε την άποψή σας;
Για ποιους λόγους πιστεύετε ότι το ΑΤΡ αποτελεί μια εξαιρετική πηγή βιολογικής ενέργειας;