energia chemiczna
Energia chemiczna — Energia chemiczna – forma energii zmagazynowana w wiązaniach związków chemicznych. Energia chemiczna uwalniania w procesie oddychania komórkowego podczas utleniania węglowodanów, tłuszczów lub białek i następnie gromadzona w wysokoenergetycznych wiązaniach nośników, takich jak adenozynotrifosforan (ATP). Energia ta jest wykorzystywana jest do przeprowadzania różnych procesów życiowych, może być przekształcana w inne formy energii, np. energię mechaniczną i energię cieplną.
Energia w przyrodzie
Energia jest miarą zdolności danego układu do wykonywania pracy. Energia w przyrodzie występuje w różnych formach – jako energia cieplna, energia elektryczna, energia mechaniczna, energia chemiczna czy energia fal elektromagnetycznych. W układzie zamkniętym zgodnie z zasadą zachowania energii suma wszystkich rodzajów energii jest stała w czasie – energia nie może zostać utworzona na nowo ani zostać zniszczona, możliwa jest tylko przemiana jednych form energii w inne. Życie na Ziemi uwarunkowane jest więc nieustannym jednokierunkowym przepływem energii.
Głównym źródłem energii jest energia słoneczna, która w procesie fotosyntezy przekształcana jest przez producentów w energię chemiczną gromadzoną w wiązaniach związków organicznych. Większość tej energii wykorzystywana jest następnie w procesie oddychania komórkowego na potrzeby życiowe tych organizmów, a jedynie niewielka jej część zostaje wbudowana w tkanki, które stanowią źródło energii dla konsumentów I rzędu i kolejnych poziomów troficznych (konsumentów wyższych rzędów i reducentów). Większość energii pobieranej przez zwierzęta z pokarmem wykorzystywana jest w procesie oddychania komórkowego, podczas którego część energii wykorzystywana jest w celu przeprowadzenia pracy biologicznej lub syntezy potrzebnych składników komórkowych. Podczas tych procesów część energii jest przekształcana w energię cieplną, która w tej formie ulega rozproszeniu w środowisku i nie może zostać ponownie wykorzystana.
Metabolizm
Metabolizm obejmuje wszystkie przemiany materii i energii zachodzące w żywych organizmach. Procesy te składają się z wielu różnych reakcji chemicznych, które przeważnie wchodzą w skład szlaków metabolicznych – ciągów reakcji, których wynikiem jest wytworzenie określonych produktów.
Wyróżnia się trzy główne rodzaje szlaków metabolicznych:
- szlaki anaboliczne – procesy endoergiczne wymagające dostarczenia energii, w wyniku których powstają produkty o wyższym poziomie energetycznym niż substratybiosyntezy białka
- szlaki kataboliczne – procesy egzoergicznej, przebiegające z uwalnianiem energii, w wyniku których powstają produkty o niższym poziomie energetycznym niż substraty, np. reakcje rozpadu związków złożonych na proste zachodzące podczas oddychania komórkowego;
- szlaki amfiboliczne – procesy prowadzące do powstania związków prostszych lub bardziej złożonych w zależności od stanu energetycznego komórki, np. glikoliza, glukoneogeneza, cykl Krebsa.
Reakcje metaboliczne zależą od następujących czynników – występowania w środowisku substratu strukturalnego stanowiącego podstawowy materiał budulcowy materii organicznej (głównie źródła węgla) oraz od istnienia potencjału redoks (obecności donora i akceptora elektronów).
Źródłem energii dla organizmów żywych są głównie reakcje utleniania zredukowanych substancji nieorganicznych lub złożonych związków węgla (węglowodanów, lipidów i białek) przy wykorzystaniu różnych akceptorów elektronów (tlenu lub utlenionych związków nieorganicznych). Związki węgla zredukowanego zawierają dużo więcej energii niż związki węgla utlenionego, dlatego też proces ich redukcji wymaga dostarczenia energii. Energia ta uwalniana jest ponownie podczas ich utleniania i wykorzystywana jest do przeprowadzania procesów życiowych.
Przenośniki energii w komórce
Głównym przenośnikiem energii w komórkach żywych jest adenozyno-5′-trifosforan (ATP) zbudowany z adeniny, rybozy i trzech reszt fosforanowych. Związek ten powstaje w wyniku kowalencyjnego przyłączania reszty fosforanowej (Pi) do adenozynodifosforanu (ADP) podczas fosforylacji podczas fotosyntezy i oddychania komórkowego.
Wyróżnia się trzy zasadnicze sposoby tworzenia się wiązań wysokoenergetycznych w ATP:
- fosforylacja substratowa – bezpośrednie przeniesienie grupy fosforanowej na ADP z wykorzystaniem energii substratu organicznego, proces nie wymaga udziału tlenu, zachodzi w początkowych etapach oddychania komórkowego;
- fosforylacja fotosyntetyczna (fotofosforylacja) – przemiana energii świetlnej na energię chemiczną wiązań ATP podczas fazy jasnej fotosyntezy;
- fosforylacja oksydacyjna – do syntezy ATP wykorzystywana jest energia elektronów przekazywanych z wodoru na atomy tlenu podczas utleniania zredukowanych nukleotydów (NADH i FADH₂).
Energia zgromadzona w wiązaniach wysokoenergetycznych pomiędzy grupami fosforanowymi ATP jest głównym źródłem energii chemicznej dla wszystkich procesów życiowych organizmu, jak biosynteza niezbędnych związków chemicznych, ruch, podziały komórkowe. Część energii uwalniana jest podczas hydrolizy tego związku do adenozynodifosforanu (ADP) i następnie wykorzystywana jest w innych reakcjach wymagających dostarczenia energii (reakcjach endoergicznych), pozostała część ulega rozproszeniu w postaci ciepła.
Przenośnikami energii mogą być również inne związki organiczne, takie jak guanozyno-5′-trifosforan (GTP), który bierze udział w reakcjach fosforylacji i dostarcza energię w procesach transkrypcji i translacji oraz fosfokreatyna biorąca udział w reakcji syntezy ATP katalizowanej przez kinazę keratynową w tkankach o wysokim zapotrzebowaniu energetycznym (np. w tkance mięśniowej).
