The Role of ATP in Muscular Function – UPDATED – DEMO

KLJUČNE TOČKE

Razumevanje molekul ATP in ADP.

---

Bioenergetika se nanaša na tok energije v biološkem sistemu in na celično pridobivanje energije.

To vključuje konverzijo iz kemične energije, ki jo najdemo v ogljikovih hidratih, beljakovinah in maščobah (makrohranilih), v biološko uporabno obliko.

Preučevanje energetike se ukvarja s količino porabljene kemične energije in/ali nastalo toploto in delom (entalpija), ki se proizvedeta v tem procesu.

Entalpija je mera energije v termodinamičnem sistemu. Definirana je kot vsota notranje energije ter zmnožka tlaka in prostornine. Njena lastnost je, da je pri procesih, ki potekajo pri stalnem tlaku, sprememba entalpije ravno enaka dovedeni ali odvzeti toploti. Pomeni notranjo energijo, ki je potrebna za nastanek sistema in količino energije, ki je potrebna za izpodrivanje okolja in vzpovstavitev novega volumna ter tlaka.

Študije mišične energetike so se pričele v letu 1965 z delom Archibalda Viviana Hill-a, ki je takrat meril toploto in delo med mišičnimi kontrakcijami.

Ker se vsa energija na koncu pretvori v toploto, količina sproščene energije indicira količino nastale toplote.

Energija v ljudeh je po navadi izražena v kilokalorijah (kcal), ki jih najpogosteje poenostavljeno poimenujemo kalorije (cal). 1 kcal je enaka 1000 cal. Kalorija je definirana kot energija potrebna za dvig temperature 1g vode za 1 stopinjo.

Druga enota za energijo, pogosto uporabljena v nutricionistiki in biokemiji je joule (j), prav tako kot kalorije kratica za kilojoule (kJ).

Metabolizem je skupen izraz , ki opisuje vse te kemijske reakcije znotraj biološkega sistema. Ko molekule hranila oksidirajo, razpadejo vezi, katere držijo elemente skupaj in s tem sprostijo energijo. Zakon ohranjanja energije nam pravi, da energija ne more nastati iz nič in ne more izginiti, lahko se le pretvarja iz ene oblike v drugo. Kot primer vzamimo energijo v makrohranilih, ki se lahko pretvori v kinetično energijo, saj nam omogoča, da se sploh premikamo. Ko to poteka, ta energija sprošča toploto, zaradi česar se potimo. Mišična in notranja energija lahko narasteta do 5 oziroma 3 stopinje Celzija.

Večje molekule hranil razpadajo na manjše, bolj uporabne komponente v procesu imenovanem katabolizem. Njihovo nasprotje, torej nastajanje večjih, kompleksnejših molekul iz manjših, pa porablja energijo nastalo iz anabolnih reakcij.

Glavni kemični reakciji potekata tudi v človeškem telesu.

1. Eksergonične reakcije proizvajajo energijo, torej so v glavnem katabolične. To pomeni, da sprostijo več energije, kot je porabijo (so hipokalorične). Ko telo razgraja vezi v ogljikovih hidratih, beljakovinah in maščobah, nastala energija nato poganja anabolične ali endergonične reakcije skozi vmesno molekulo – adenozin trifosfat (ATP).
2. Endergonične reakcije potrebujejo energijo za potek in je porabijo več, kot pa je sprostijo (so hiperkalorične). Med te reakcije spadajo anabolni procesi, gibanje, cirkulacija, prebava, respiracija, reprodukcija in termoregulacija. Mišične kontrakcije so endergonične reakcije in porabljajo energijo sproščeno ob razpadu ATP. Brez zadostne količine ATP mišična aktivnost in rast nista mogoči.

Adenozin trifosfat pogosto imenujemo tudi valuta za prenašanje energije znotraj celic. Je visokoenergijka molekula, ki shranjuje energijo za skoraj vse kar počnemo. Energijo, nastalo iz eksergoničnih reakcij, prenaša v celične aktivnosti, ki jo potrebujejo (endergonične reakcije).

Adenozin trifosfat je sestavljen iz molekule adenozina (adenin, ki vsebuje dušik in ribozo – sladkor iz petih ogljikov) in treh fosfatnih skupin.

Ko ATP razpade in sprosti shranjeno kemično energijo iz svojih visokoenergijskih fosfatnih vezi, to imenujemo hidroliza ATP.

Hidroliza ATP

Motorični nevron pošlje električni impulz (akcijski potencial) sarkomeri (kontraktilna enota mišice), kar sproži hidrolizo ATP (hidroliza je reakcija, ki vključuje razgradnjo vezi z uporabo vode). Visokoenergijska gama fosfatna vez (P) se odcepi od ATP in sprosti energijo za dano nalogo (mišična kontrakcija, ipd.) – Slika 1.2

K temu procesu pripomore encim adenozin trifosfataza (ATPaza), ki obstaja v večih oblikah.

Miozin ATPaza (EC 3.6.4.1) katalizira hidrolizo ATP za “cross-bridge” reciklažo.

EC (Enzyme Commission number) je številčna klasifikacijska shema za encime, osnovana glede na kemijske reakcije, katere ti katalizirajo.

Kalcijeva ATPaza (Ca2 + ATPaza) črpa kalcij v sarkoplazemski retikulum.

Natrij – Kalijeva ATPaza (Na+/K + ATPaza) je bolj znana kot natrijevo-kalijeva pumpa in sktivno transportira natrijeve in kalijeve ione čez celične membrane. Ustvarja kemični gradient, ki je odgovoren za transport esencialnih hranil, kot recimo glukoze in aminokislin, v celice s procesom imenovanim “sekundarni aktivni transport”.

Vsi encimi prispevajo ali k razpadu ali pri sintezi novih molekul ATP. Telo je sposobno resintetizirati ATP, da mu omogoči ponovno proizvajanje energije. To poteka s pomočjo endotermične reakcije, ki orbne proces in s tem izkoristi energijo, ki je na voljo. Razpad ATP klasificiramo kot eksotermično reakcijo, saj sprošča energijo, njegovo resintetiziranje pa kot endotermično, saj jo porablja.

Telo je v mišičnih celicah sposobno hraniti le majhno število molekul ATP. Dovolj le za par sekund gibanja (ATP-Cp sistem). Iz tega razloga mora telo nenehno sintetizirati nove molekule ATP, da bi ohranilo normalne funkcije in zagotovilo “gorivo” za premikanje.”

Proces nadomeščanja fosfatne skupine nazaj v ADP in re-sintetiziranja ATP imenujemo fosforilacija. Energijo za ta proces pridobivamo iz makrohranil in fosfokreatina (PC).

Fosfokreatin, poznan tudi kot kreatin fosfat (Cp), se nahaja v omejenihkoličinah znotraj mišičnih celic (okoli 100g ATP in 120g fosfokreatina).

Obstajajo trije biološki sistemi, ki ponovno polnijo zaloge ATP:

• ATP-PC (Adenozin trifosfat-Fosfokreatin sistem, znan tudi pod imenom fosfagen sistem)

• Anaerobni glikolitični sistem (imenovan tudi laktatni sistem ali glikoliza)

• Aerobni sistem (znan tudi kot počasna glikoliza, oksidativna fosforilacija ali oksidativni sistem)

REFERENCE

1. Hill, A V. Trails and Trials in Physiology: A Bibliography, 1909-1964; with Reviews of Certain Topics and Methods and a Reconnaissance for Further Research. London: E. Arnold, 1965. Print.

2. Mark W. Zemansky (1968), Heat and Thermodynamics, Chapter 11 (5th edition) page 275, McGraw Hill, New York.

3. Drust, B., Rasmussen, P., Mohr, M., Nielsen, B. and Nybo, L. (2005), Elevations in core and muscle temperature impairs repeated sprint performance. Acta Physiologica Scandinavica, 183: 181–190.

4. Webb EC (1992). Enzyme nomenclature 1992: recommendations of the Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology on the nomenclature and classification of enzymes. San Diego: Published for the International Union of Biochemistry and Molecular Biology by Academic Press. ISBN 0-12-227164-5.

5. Morth JP, Pedersen BP, Toustrup-Jensen MS, Sorensen TLM, Petersen J, Andersen JP, Vilsen B, Nissen P. Crystal Structure of the SodiumPotassium Pump. Nature 2007; 450: 1043-1049

6. Sadava, Hellens, Orians, Purves, Hillis. Life: The Science of Biology. 8th ed. Gordonsville: Sinauer Associates; 2008.