2.1 Energi og metabolisme

Energi og metabolisme

Alle levande celler treng energi for å utføre funksjonane sine. Denne energien kjem frå nedbryting av næringsstoff og vert lagra mellombels i molekyl som ATP. I dette kapittelet skal vi sjå på korleis celler handterer energi gjennom metabolisme.

Energi i biologiske system

Energi kan korkje skapast eller øydeleggjast, berre omdannast frå éi form til ei anna (termodynamikken sin første lov). I celler vert kjemisk energi i næringsstoff omdanna til:

- Mekanisk energi (muskelrørsle)
- Elektrisk energi (nervesignal)
- Kjemisk energi (syntese av nye molekyl)
- Varme (biprodukt av all energiomsetnad)

Den andre termodynamiske lova seier at ved kvar energiomdanning vil noko energi gå tapt som varme, og entropien (uorden) aukar.

ATP - Energivalutaen til cella

ATP (adenosintrifosfat) er det viktigaste energiberande molekylet i alle levande celler. Det fungerer som ein universell energivaluta som koplar energifrigjerande og energikrevjande reaksjonar.

Strukturen til ATP-molekylet

ATP består av tre komponentar:
1. Adenin - ein nitrogenbase
2. Ribose - eit sukker med fem karbonatom
3. Tre fosfatgrupper - bundne i ei kjede

Fosfatgruppene er bundne saman med høgenergi-bindingar. Når den ytste fosfatgruppa vert spalta av, vert energi frigjort:

$$\text{ATP} + H_2O \rightarrow \text{ADP} + P_i + \text{energi (30,5 kJ/mol)}$$

ATP-ADP-syklusen

ATP vert regenerert kontinuerleg i cella:
- Celleanding: Produserer ATP frå ADP + $P_i$
- Cellearbeid: Forbrukar ATP ved å spalte det til ADP + $P_i$

Ei menneskecelle kan innehalde ca. 1 milliard ATP-molekyl, og kroppen omset omtrent si eiga kroppsvekt i ATP kvar dag!

Anabolisme og katabolisme

Metabolismen består av to motsette prosessar som er tett kopla saman:

Katabolisme (nedbryting)

Anabolisme (oppbygging)

Koblinga mellom dei

Katabolisme og anabolisme er kopla gjennom ATP:

$$\text{Katabolisme} \xrightarrow{\text{produserer}} \text{ATP} \xrightarrow{\text{driver}} \text{Anabolisme}$$

I tillegg fungerer elektronberarar som NADH og FADH$_2$ som bru mellom dei to prosessane.

Enzym og aktiveringsenergi

Metabolske reaksjonar ville gå ekstremt sakte utan katalysatorar. Enzym er biologiske katalysatorar som gjer at reaksjonar kan skje raskt nok til å halde liv ved like.

Aktiveringsenergi

For at ein kjemisk reaksjon skal skje, må reaktantane først nå ein høgenergi-tilstand kalla overgangstilstanden. Energien som krevst for å nå denne tilstanden vert kalla aktiveringsenergi ($E_a$).

Sjølv eksoterme reaksjonar (som frigjer energi netto) treng aktiveringsenergi for å starte.

Korleis enzym verkar

Enzym senkar aktiveringsenergibarrieren ved å:

1. Binde substratet i det aktive setet
2. Stabilisere overgangstilstanden
3. Skape eit optimalt mikromiljø for reaksjonen
4. Orientere reaktantane for effektiv reaksjon

Enzymet sjølv vert ikkje endra permanent og kan brukast om att og om att.

Enzym-substrat-komplekset

$$E + S \rightleftharpoons ES \rightarrow E + P$$

Der E = enzym, S = substrat, P = produkt

Enzymspesifisitet

Dei fleste enzym er svært spesifikke - dei katalyserer berre éin eller nokre få beslekta reaksjonar. Dette skuldast at forma til substratet må passe til det aktive setet til enzymet (nøkkel-lås-modellen eller indusert tilpassing).

Oppsummering

- Metabolisme er summen av alle kjemiske reaksjonar i cella
- Katabolisme bryt ned molekyl og frigjer energi
- Anabolisme byggjer opp molekyl og krev energi
- ATP er den universelle energivalutaen til cella
- ATP vert spalta til ADP + $P_i$ ved energifrigjering
- ATP vert regenerert frå ADP + $P_i$ ved celleanding
- Aktiveringsenergi er energien som trengst for å starte ein reaksjon
- Enzym er biologiske katalysatorar som senkar aktiveringsenergibarrieren
- Enzym er spesifikke og vert påverka av temperatur og pH