Kvantová mechanika dýchania

Autor: Tomáš Paulech | 20.3.2014 o 18:42 | Karma článku: 13,71 | Prečítané:  8004x

Jednotná mena je veľmi starý vynález. Bola tu už v čase, keď neexistovala EÚ, ba ani kontinent, ktorý by sa mohol volať Európa. Všetko živé na planéte Zem zdieľa už stovky miliónov rokov spoločnú energetickú menu. Volá sa ATP. To, čomu hovoríme dýchanie, je v skutočnosti spôsob, akým si telo túto menu vyrába. Takéto molekulárne „bitcoiny“ generujú v našich bunkách mitochondrie a robia to skutočne úžasným spôsobom.

ATP syntáza - molekulárny stroj nášho dýchaniaATP syntáza - molekulárny stroj nášho dýchaniaWikipedia

ATP, teda adenozíntrifosfát, je molekula, ktorá sa skladá z 3 základných častí: adenínu (jedno z písmen abecedy DNA), ďalej cukru ribózy (tá sa nachádza v názve RNA aj DNA) a nakoniec z troch veľmi dôležitých fosfátových skupín.

Skúsme dať tejto téme menej chemickú a viac „ľudskú tvár“. Molekula ATP je ako tabuľka čokolády. Dá sa odlomiť jeden kúsok z troch fosfátových molekúl, čím sa uvoľní pekný kus energie. Tak sa z tri-fosfátu stane di-fosfát. Ak je potrebné viac energetickej „čokolády“, odlomia sa rovno dva fosfáty a z ATP zostane mono-fosfát. Uvoľnená energia sa použije prakticky pri všetkých životne dôležitých chemických reakciách v bunkách, lebo bez jej dodania by mnohé z nich vôbec neprebehli.

mit_ATP_wiki.png

 

Proces bunkového dýchania prebieha v mikroskopických mitochondriách našich buniek o ktorých som písal už minule. Mitochondrie sú malé organely v bunkách prakticky všetkých komplexnejších organizmov. Žili si kedysi ako samostatné baktérie, kým sa za pomerne unikátnych okolností nedostali do inej baktérie, čím jej umožnili narásť po všetkých stránkach – z pohľadu rozmerov, schopnosti produkovať energiu aj veľkosti DNA. Z tejto bunky-chiméry sa postupne vyvinul nový (fantasticky úspešný) typ – eukaryotická bunka. Práve takéto sú aj bilióny buniek našich tiel1.

Chémia, ktorá sa odohráva v cytoplazme, a hlavne na membránach mitochondrií, je zložitá skoro ako daňové zákony tejto krajiny, a preto ju zjednodušíme do niekoľkých viet. Živiny v našom tele sú v podobe cukru-glukózy predspracované v bunke na kyselinu pyrohroznovú, pričom pri tejto reakcii sa uvoľní energia v hodnote 2 ATP. Táto kyselina je transportovaná do mitochondrií, tam zreaguje s kyslíkom a vstupuje do tzv. Krebsovho cyklu, ktorý vyprodukuje ďalšie ATP, CO2 a teplo.2 Pri týchto reakciách zároveň dochádza k tomu, že vodíkové ióny (teda protóny) sú vytláčané koenzýmami reakcií ako pumpami do priestoru medzi vonkajšiu a vnútornú membránu mitochondrie. Vzniká teda značný prebytok - gradient - protónov v tesnom priestore a tie majú snahu dostať sa späť do vnútra mitochondrie, zreagovať s kyslíkom na neškodnú vodičku a mať od práce pokoj. Zvonka je ale membrána pre ne nepriechodná, okrem špeciálnych miest, kde sú v nej zabudované tie najúžasnejšie biochemické stroje zvané ATP-syntázy.

Každá ATP-syntáza je nano-motor, ktorý vyzerá ako vodná turbína, má stator, rotor, jeho lopatky však namiesto vody poháňajú protóny nahromadené na membráne, ktoré sa postupne tlačia cez úzku štrbinku ATP-syntázy dnu. Každý protón je využitý na pootočenie rotora tejto makromolekuly, vďaka čomu sa z di-fosfátu (so spotrebovaným kúskom fosfátovej „čokolády“) opäť takouto recykláciou vytvorí tri-fosfát, teda ATP.

mit_atpsyn_anim.gif

Motor ATP-syntázy vyrába ružové motýliky - molekuly ATP. Protóny prechádzajúce strojom nie sú zobrazené. Zdroj:Rajini Rao, 2011

 

Doteraz sme si ukazovali pekné modelové obrázky. Možno by ste ale chceli vidieť reálny dôkaz, video tohto stroja v akcii, ktoré by dokazovalo, že to tak skutočne je. Keďže v bunke je poriadna tma, vedci pripojili k rotoru ATP-syntázy bielkovinovú fluorescentnú "tyč", ktorú potom dokázali pri rotácii sledovať. Tým, že sa tyč otáčala v cytoplazme, bol celý motor okolím výrazne spomaľovaný. Krútiaci moment tohto motora je neuveriteľný, zodpovedá situácii, že by ste stáli v hlbokom bazéne a otáčali 500m dlhou tyčou rýchlosťou zobrazenou na videu. Skutočná rýchlosť rotácie ATP-syntázy v mitochondriálnej membráne je asi 150 otáčok za sekundu! To je 9000 ot./min., niekoľkonásobne viac ako bežná vŕtačka, či motor auta.

Dôkaz priamo z mitochondrie je teda tu:

mit_atpsyn_anim_real.gif

Reálny obraz rotácie ATP-syntázy v mitochondrii. Zdroj:Kinosita Lab

Mám na to iba jedno slovo: neuveriteľné!

Kvantová mechanika života.

Rekuperácia protónov.

Recyklácia ADP na ATP pomocou rotujúceho stroja3.

Tu končím, nemám slov....

 

Poznámky:

1 - Aj baktérie – sesternice mitochondrií – sú schopné bunkového dýchania. Dýchajú povrchom tela – membránou. Doslova dýchajú „kožou“. Prokaryotické tvory, ako sú aj baktérie, pripomínajú obéznych ľudí. Keď im narastie telo, zle sa im dýcha.  Plocha gule sa zväčšuje ako 2. mocnina jej polomeru, objem ale ako 3. mocnina - takže o rád rýchlejšie. Povrchová membrána teda nestíha pri náraste tela baktérie dostatočne dýchať  -zásobovať energiou prudko rastúci objem - a to zastaví rast organizmu. Mitochondriám sa podarilo v telách vytvoriť mnoho vnútorných membrán, na ktorých sa dýchanie (tvorba energie) odohráva. Naše eukaryotické bunky, v ktorých sú stovky a tisíce takýchto šikovných mitochondrií, si s veľkosťou hlavu lámať nemusia (veď ju ani nemajú), a preto sú 10.000x až 100.000x väčšie ako baktérie. Späť do článku...

2 - Dýchaniu pomocou kyslíka hovoríme aeróbne. Kyslík slúži ako príjemca elektrónov zo spomenutých vodíkov, takže z vodíka zostane iba holý protón, ktorý je  koenzýmami vytlačený za membránu. Mnoho tvorov na tejto Zemi ale používa dýchanie bez kyslíka – anaeróbne. Takéto chemické procesy ale nie sú natoľko efektívne, vyrobí sa pri nich podstatne menej energetickej meny – napríklad pri fermentácii len 2ATP z molekuly glukózy v porovnaní s 30+ pri aeróbnom dýchaní. Späť do článku...

3 - Už ste si niekedy položili otázku, prečo príroda/evolúcia nevynašla koleso? Poviete si – v prírode neexistovali cesty. A budete mať pravdu. Sú tu ale aj hlbšie dôvody, o ktorých chcem v dohľadnej dobe napísať. Príkladov na použitie rotujúcich mikro- či makroskopických „strojčekov“  (orgánov, molekúl...) v prírode je všeobecne extrémne málo. ATP syntáza je jeden z mála, ale stojí za to. Otázka na pár desiatok ďalších článkov a dlhé žlčovité diskusie by bola, ako sa takýto stroj evolučne vyvinul. Znie to neuveriteľne, ale mohol sa. Späť do článku....


Páčil sa Vám tento článok? Pridajte si blogera medzi obľúbených a my Vám pošleme email keď napíše ďalší článok
Pridaj k obľúbeným

Hlavné správy

EKONOMIKA

Učiteľ, ktorý sa rád hral. Ako sa Milan Reindl stal dizajnérom Lego Technic

Nevyštudoval techniku ani dizajn. Napriek tomu sa stal jedným z jedenástich dizajnérov Lego Technic. Len vďaka tomu, že si rád z lega skladal veci, na ktoré nemal návod.

DOMOV

Smer chce byť politicky nekorektný aj robiť poriadky v osadách

Novými podpredsedami sú Blanár a Žiga.

SVET

Výbuchy pri štadióne v Istanbule zabili najmenej 13 ľudí

K explóziám došlo hodinu po zápase medzi Besiktasom a Bursasporom.


Už ste čítali?