Samantekt kafla

6.1 Orka og efnaskipti

Frumur framkvæma lífsstörf sín með ýmsum efnahvörfum. Efnaskipti frumu eru þau efnahvörf sem eiga sér stað inni í henni. Sum efnaskiptahvörf fela í sér niðurbrot flókinna efna í einfaldari efni, til dæmis niðurbrot stórsameinda. Þetta kallast niðurbrot og slík hvörf tengjast orkulosun. Á hinum enda litrófsins er uppbygging, efnaskiptaferlar sem byggja flóknar sameindir úr einfaldari sameindum, til dæmis nýmyndun stórsameinda. Uppbyggingarferlar krefjast orku. Nýmyndun glúkósa og niðurbrot glúkósa eru dæmi um uppbyggingarferil og niðurbrotsferil.

6.2 Stöðuorka, hreyfiorka, frjáls orka og virkjunarorka

Orka er til á mörgum mismunandi formum. Hlutir á hreyfingu geta unnið eðlisfræðilega vinnu og hreyfiorka er orka hluta á hreyfingu. Hlutir sem eru ekki á hreyfingu geta haft möguleika á að vinna vinnu og hafa því stöðuorku. Sameindir hafa einnig stöðuorku, því rof sameindatengja getur losað orku. Lifandi frumur treysta á að nýta stöðuorku úr sameindatengjum til að vinna vinnu. Frjáls orka er mælikvarði á orku sem er tiltæk til að vinna vinnu. Frjáls orka kerfis breytist við orkuflutninga, til dæmis í efnahvörfum, og þessi breyting kallast ΔG.

ΔG hvarfs getur verið neikvætt eða jákvætt, sem þýðir að hvarfið losar orku eða krefst orkuinntaks. Hvarf með neikvætt ΔG sem losar orku er orkulosandi hvarf. Hvarf með jákvætt ΔG sem krefst orkuinntaks er orkukrefjandi hvarf. Orkulosandi hvörf eru sjálfgeng vegna þess að hvarfmyndefni þeirra hafa minni frjálsa orku en hvarfefnin. Hvarfmyndefni orkukrefjandi hvarfa eru á hærra orkustigi en hvarfefnin og því eru slík hvörf ósjálfgeng. Öll hvörf, líka sjálfgeng hvörf með neikvætt ΔG, þurfa þó upphaflegt orkuinntak til að ná hvarfmiði og geta gengið áfram. Þetta upphaflega orkuinntak er virkjunarorka.

6.3 Lögmál varmafræðinnar

Við rannsóknir á orku nota vísindamenn hugtakið kerfi um efni og umhverfi þess sem taka þátt í orkuflutningi. Allt utan kerfisins er ytra umhverfi. Stakar frumur eru líffræðileg kerfi. Kerfi geta haft mismikla reglu. Það þarf orku til að gera kerfi skipulegra. Því skipulegra sem kerfi er, þeim mun minni er óreiða þess. Óreiða er mælikvarði á óreglu kerfis. Þegar kerfi verður óreglulegra minnkar nýtanleg orka þess og óreiða þess eykst.

Lögmál varmafræðinnar lýsa eiginleikum og ferlum orkuflutnings. Fyrsta lögmálið segir að heildarmagn orku í alheiminum sé fast. Það þýðir að orka getur hvorki myndast né eyðst, heldur aðeins flust eða umbreyst. Annað lögmál varmafræðinnar segir að sérhver orkuflutningur feli í sér tap á einhverri orku í ónýtanlegu formi, til dæmis sem varma, sem leiðir til meiri óreiðu. Með öðrum orðum er enginn orkuflutningur fullkomlega skilvirkur og allir orkuflutningar stefna í átt að aukinni óreiðu.

6.4 ATP: Adenósínþrífosfat

ATP er helsta orkugefandi sameind lifandi frumna. ATP er gert úr kirni, fimm kolefna sykru og þremur fosfathópum. Tengin sem tengja fosfathópana saman, fosfóanhýdríðtengi, eru orkurík. Orkan sem losnar þegar ATP vatnsrofnar í ADP + Pᵢ vinnur frumuvinnu. Frumur nota ATP til að vinna vinnu með því að tengja orkulosandi vatnsrof ATP við orkukrefjandi hvörf. ATP gefur fosfathóp sinn til annarrar sameindar með fosfórun. Fosfóraða sameindin er á hærra orkustigi og er óstöðugri en ófosfóraða formið. Þessi viðbótarorka frá fosfatinu gerir sameindinni kleift að ganga í gegnum orkukrefjandi hvarf.

6.5 Ensím

Ensím eru efnafræðilegir hvatar sem hraða efnahvörfum við lífeðlisfræðilegt hitastig með því að lækka virkjunarorku þeirra. Ensím eru yfirleitt prótein úr einni eða fleiri fjölpeptíðkeðjum. Ensím hafa hvarfstöð sem myndar einstakt efnafræðilegt umhverfi úr tilteknum R-hópum, eða leifum, amínósýra. Þetta umhverfi hentar til að breyta tilteknum hvarfefnum ensímsins í óstöðug hvarfmið. Ensím og hvarfefni bindast með framkallaðri aðlögun, sem þýðir að ensímið fer í gegnum smávægilega formbreytingu við snertingu við hvarfefnið og bindingin verður sem best. Ensím bindast hvarfefnum og hvata hvörf á fjóra meginvegu: með því að leiða hvarfefni saman í hagstæðri afstöðu, veikja tengjabyggingu hvarfefna svo tengi geti rofnað auðveldar, skapa kjöraðstæður fyrir hvarfið eða taka beinan þátt í efnahvarfinu með tímabundnum samgildum tengjum við hvarfefnin.

Ensímvirkni þarf að stjórna þannig að í tiltekinni frumu á tilteknum tíma séu æskileg hvörf hvötuð en óæskileg hvörf ekki. Ensímum er stjórnað af aðstæðum í frumunni, til dæmis hitastigi og pH-gildi. Staðsetning þeirra inni í frumunni stjórnar þeim einnig, stundum með hólfaskiptingu þannig að þau geti aðeins hvatað hvörf við ákveðnar aðstæður. Hömlun og virkjun ensíma með öðrum sameindum eru einnig mikilvægar stjórnunaraðferðir. Hemlar geta virkað með samkeppnishömlun, ósamkeppnishömlun eða fjarvirkri hömlun. Ósamkeppnishemlar eru yfirleitt fjarvirkir. Virkjar geta einnig aukið ensímvirkni fjarvirkt. Algengasta aðferð frumna til að stjórna ensímum í efnaskiptaferlum er afturvirk hömlun. Við afturvirka hömlun verka hvarfmyndefni efnaskiptaferils sem hemlar, yfirleitt fjarvirkir, á eitt eða fleiri ensím í ferlinu sem myndar þau, oft fyrsta skuldbundna ensím ferilsins.