Молекули атф в клітині основне джерело. Біологічне значення АТФ

Основним джерелом енергії для клітиниє поживні речовини: вуглеводи, жири та білки, які окислюються за допомогою кисню. Практично всі вуглеводи, перш ніж досягти клітин організму, завдяки роботі шлунково-кишкового тракту та печінки перетворюються на глюкозу. Поряд з вуглеводами розщеплюються також білки - до амінокислот та ліпіди - до жирних кислот.

Майже всі окисні реакціївідбуваються в мітохондріях, а енергія, що вивільняється, запасається у вигляді макроергічної сполуки - АТФ. Надалі для забезпечення внутрішньоклітинних метаболічних процесів енергією використовується саме АТФ, а чи не поживні речовини.

Молекула АТФмістить: (1) азотисту основу аденін; (2) пентозний вуглевод рибозу; (3) три залишки фосфорної кислоти. Два останні фосфати з'єднані один з одним і з рештою молекули макроергічних фосфатних зв'язків, позначеними на формулі АТФ символом ~. За дотримання характерних для організму фізичних та хімічних умов енергія кожного такого зв'язку становить 12000 калорій на 1 моль АТФ, що у багато разів перевищує енергію звичайного хімічного зв'язку, тому фосфатні зв'язки називають макроергічними. Більше того, ці зв'язки легко руйнуються, забезпечуючи внутрішньоклітинні процеси енергією відразу, як тільки в цьому виникає потреба.

При вивільненні енергії АТФвіддає фосфатну групу та перетворюється на аденозиндифосфат. Енергія, що виділилася використовується практично для всіх клітинних процесів, наприклад в реакціях біосинтезу і при м'язовому скороченні.

Поповнення запасів АТФвідбувається шляхом возз'єднання АДФ із залишком фосфорної кислоти за рахунок енергії поживних речовин. Цей процес повторюється знову і знову. АТФ постійно витрачається та накопичується, тому вона отримала назву енергетичної валюти клітини. Час обороту АТФ становить лише кілька хвилин.

Роль мітохондрій у хімічних реакціях утворення АТФ. При попаданні всередину клітини глюкоза під дією ферментів цитоплазми перетворюється на піровиноградну кислоту (цей процес називають гліколізом). Енергія, що вивільняється в цьому процесі, витрачається на перетворення невеликої кількості АДФ на АТФ, що становить менше 5% загальних запасів енергії.

На 95% здійснюється у мітохондріях. Пировиноградная кислота, жирні кислоти і амінокислоти, що утворюються відповідно з вуглеводів, жирів і білків, в матриксі мітохондрій у результаті перетворюються на сполуку під назвою «ацетил-КоА». Ця сполука, своєю чергою, входить у серію ферментативних реакцій під загальною назвою «цикл трикарбонових кислот» чи «цикл Кребса», щоб віддати свою енергію.

У циклі трикарбонових кислот ацетил-КоАрозщеплюється до атомів водню та молекул вуглекислого газу. Вуглекислий газ видаляється з мітохондрій, потім з клітини шляхом дифузії і виводиться з організму через легені.

Атоми воднюхімічно дуже активні і тому відразу вступають у реакцію з киснем, що дифундує в мітохондрії. Велика кількість енергії, що виділяється в цій реакції, використовується для перетворення множини молекул АДФ на АТФ. Ці реакції досить складні та вимагають участі величезної кількості ферментів, що входять до складу кріст мітохондрій. На початковому етапі від атома водню відщеплюється електрон, і атом перетворюється на іон водню. Процес закінчується приєднанням іонів водню до кисню. В результаті цієї реакції утворюються вода і велика кількість енергії, необхідної для роботи АТФ-синтетази - великого глобулярного білка, що виступає у вигляді горбків на поверхні кріст мітохондрій. Під дією цього ферменту, що використовує енергію іонів водню, АДФ перетворюється на АТФ. Нові молекули АТФ направляються з мітохондрій до всіх відділів клітини, включаючи ядро, де енергія цієї сполуки використовується для забезпечення різних функцій.
Цей процес синтезу АТФзагалом називають хеміосмотичний механізмом утворення АТФ.

Продовження. Див. № 11, 12, 13, 14, 15, 16/2005

Уроки біології в класах природничо-наукового профілю

Розширене планування, 10 клас

Урок 19. Хімічна будова та біологічна роль АТФ

Обладнання:таблиці із загальної біології, схема будови молекули АТФ, схема взаємозв'язку пластичного та енергетичного обмінів.

I. Перевірка знань

Проведення біологічного диктанту «Органічні сполуки живої матерії»

Вчитель читає тези під номерами, учні записують у зошит номери тих тез, які підходять за змістом їхнього варіанту.

Варіант 1 – білки.
Варіант 2 – вуглеводи.
Варіант 3 – ліпіди.
Варіант 4 – нуклеїнові кислоти.

1. У чистому вигляді складаються лише з атомів С, Н, Про.

2. Крім атомів, Н, Про містять атоми N і зазвичай S.

3. Крім атомів, Н, Про містять атоми N і Р.

4. Мають відносно невелику молекулярну масу.

5. Молекулярна маса може бути від тисяч до кількох десятків та сотень тисяч дальтонів.

6. Найбільші органічні сполуки з молекулярною масою до кількох десятків і сотень мільйонів дальтонів.

7. Мають різні молекулярні маси – від дуже невеликої до дуже високої, залежно від того, чи є речовина мономером або полімером.

8. Складаються з моносахаридів.

9. Складаються з амінокислот.

10. Складаються із нуклеотидів.

11. Є складними ефірами вищих жирних кислот.

12. Основна структурна одиниця: «азотиста основа-пентоза-залишок фосфорної кислоти».

13. Основна структурна одиниця: "амінокислот".

14. Основна структурна одиниця: «моносахарид».

15. Основна структурна одиниця: «гліцерин-жирна кислота».

16. Молекули полімерів побудовані з однакових мономерів.

17. Молекули полімерів побудовані зі схожих, але не цілком однакових мономерів.

18. Не є полімерами.

19. Виконують майже виключно енергетичну, будівельну та запасну функції, у деяких випадках – захисну.

20. Крім енергетичної та будівельної виконують каталітичну, сигнальну, транспортну, рухову та захисну функції;

21. Здійснюють зберігання та передачу спадкових властивостей клітини та організму.

Варіант 1 – 2; 5; 9; 13; 17; 20.
Варіант 2 – 1; 7; 8; 14; 16; 19.
Варіант 3 – 1; 4; 11; 15; 18; 19.
Варіант 4– 3; 6; 10; 12; 17; 21.

ІІ. Вивчення нового матеріалу

1. Будова аденозинтрифосфорної кислоти

Крім білків, нуклеїнових кислот, жирів та вуглеводів у живій речовині синтезується велика кількість інших органічних сполук. Серед них важливу роль у біоенергетиці клітини відіграє аденозинтрифосфорна кислота (АТФ).АТФ міститься у всіх клітинах рослин та тварин. У клітинах найчастіше аденозинтрифосфорна кислота є у вигляді солей, званих аденозинтрифосфатами. Кількість АТФ коливається й у середньому становить 0,04% (у клітині загалом перебуває близько 1 млрд молекул АТФ). Найбільша кількість АТФ міститься у кістякових м'язах (0,2–0,5%).

Молекула АТФ складається з азотистого підстави – аденіну, пентози – рибози та трьох залишків фосфорної кислоти, тобто. АТФ – особливий аденіловий нуклеотид. На відміну від інших нуклеотидів АТФ містить не один, а три залишки фосфорної кислоти. АТФ відноситься до макроергічних речовин - речовин, що містять у своїх зв'язках велику кількість енергії.

Просторова модель (А) та структурна формула (Б) молекули АТФ

Зі складу АТФ під дією ферментів АТФаз відщеплюється залишок фосфорної кислоти. АТФ має стійку тенденцію до відділення своєї кінцевої фосфатної групи:

АТФ 4– + Н 2 О ––> АДФ 3– + 30,5 кДж + Фн,

т.к. це призводить до зникнення енергетично невигідного електростатичного відштовхування між сусідніми негативними зарядами. Фосфат, що утворився, стабілізується за рахунок утворення енергетично вигідних водневих зв'язків з водою. Розподіл заряду у системі АДФ + Фн стає стійкішим, ніж у АТФ. Внаслідок цієї реакції вивільняється 30,5 кДж (при розриві звичайного ковалентного зв'язку вивільняється 12 кДж).

Для того, щоб підкреслити високу енергетичну вартість фосфорно-кисневого зв'язку в АТФ, її прийнято позначати знаком ~ і називати макроенергетичним зв'язком. При відщепленні однієї молекули фосфорної кислоти АТФ перетворюється на АДФ (аденозиндифосфорная кислота), і якщо відщеплюються дві молекули фосфорної кислоти, то АТФ перетворюється на АМФ (аденозинмонофосфорная кислота). Відщеплення третього фосфату супроводжується виділенням лише 13,8 кДж, отже власне макроергічних зв'язків у молекулі АТФ лише дві.

2. Утворення АТФ у клітині

Запас АТФ у клітині невеликий. Наприклад, у м'язі запасів АТФ вистачає на 20–30 скорочень. Але ж м'яз здатний працювати годинником і виробляти тисячі скорочень. Тому поряд з розпадом АТФ до АДФ у клітині має безперервно йти зворотний синтез. Існує кілька шляхів синтезу АТФ у клітинах. Познайомимося із ними.

1. Анаеробне фосфорилювання.Фосфорилювання називають процес синтезу АТФ з АДФ і низькомолекулярного фосфату (Фн). В даному випадку йдеться про безкисневі процеси окислення органічних речовин (наприклад, гліколіз - процес безкисневого окислення глюкози до піровиноградної кислоти). Приблизно 40% енергії, що виділяється в ході цих процесів (близько 200 кДж/моль глюкози), витрачається на синтез АТФ, а решта розсіюється у вигляді тепла:

З 6 Н 12 Про 6 + 2АДФ + 2Фн -> 2С 3 Н 4 O 3 + 2АТФ + 4Н.

2. Окисне фосфорилювання- Це процес синтезу АТФ за рахунок енергії окислення органічних речовин киснем. Цей процес було відкрито на початку 1930-х років. XX ст. В.А. Енгельгардт. Кисневі процеси окислення органічних речовин протікають у мітохондріях. Приблизно 55% енергії, що виділяється при цьому (близько 2600 кДж/моль глюкози) перетворюється на енергію хімічних зв'язків АТФ, а 45% розсіюється у вигляді тепла.

Окисне фосфорилювання значно ефективніше анаеробних синтезів: якщо в процесі гліколізу при розпаді молекули глюкози синтезується всього 2 молекули АТФ, то в ході окислювального фосфорилювання утворюється 36 молекул АТФ.

3. Фотофосфорилювання- Процес синтезу АТФ за рахунок енергії сонячного світла. Цей шлях синтезу АТФ характерний лише клітин, здатних до фотосинтезу (зелені рослини, ціанобактерії). Енергія квантів сонячного світла використовується фотосинтетиками у світлову фазу фотосинтезу синтезу АТФ.

3. Біологічне значення АТФ

АТФ знаходиться в центрі обмінних процесів у клітині, будучи сполучною ланкою між реакціями біологічного синтезу та розпаду. Роль АТФ у клітині можна порівняти з роллю акумулятора, оскільки у ході гідролізу АТФ виділяється енергія, необхідна різних процесів життєдіяльності («розрядка»), а процесі фосфорилування («зарядка») АТФ знову акумулює у собі енергію.

За рахунок енергії, що виділяється при гідролізі АТФ, відбуваються майже всі процеси життєдіяльності в клітині та організмі: передача нервових імпульсів, біосинтез речовин, м'язові скорочення, транспорт речовин та ін.

ІІІ. Закріплення знань

Вирішення біологічних завдань

Завдання 1. При швидкому бігу ми часто дихаємо, відбувається посилене потовиділення. Поясніть ці явища.

Завдання 2. Чому на морозі люди, що замерзають, починають притупувати і підстрибувати?

Завдання 3. У відомому творі І.Ільфа та Є.Петрова «Дванадцять стільців» серед багатьох корисних порад можна знайти і такою: «Дихайте глибше, ви схвильовані». Спробуйте обґрунтувати цю пораду з погляду енергетичних процесів, що відбуваються в організмі.

IV. Домашнє завдання

Розпочати підготовку до заліку та контрольної роботи (продиктувати питання заліку – див. урок 21).

Урок 20. Узагальнення знань у розділі «Хімічна організація життя»

Обладнання:таблиці із загальної біології.

I. Узагальнення знань розділу

Робота учнів з питаннями (індивідуально) з наступними перевіркою та обговоренням

1. Наведіть приклади органічних сполук, до складу яких входять вуглець, сірка, фосфор, азот, залізо, марганець.

2. Як за іонним складом можна відрізнити живу клітину від мертвої?

3. Які речовини знаходяться у клітині у нерозчиненому вигляді? У які органи та тканини вони входять?

4. Наведіть приклади макроелементів, що входять до активних центрів ферментів.

5. Які гормони містять мікроелементи?

6. Яка роль галогенів в організмі людини?

7. Чим білки відрізняються від штучних полімерів?

8. Чим відрізняються пептиди від білків?

9. Як називається білок, що входить до складу гемоглобіну? З яких субодиниць він складається?

10. Що таке рибонуклеазу? Скільки амінокислот входить до її складу? Коли її синтезували штучно?

11. Чому швидкість хімічних реакцій без ферментів мала?

12. Які речовини транспортуються білками через клітинну мембрану?

13. Чим відрізняються антитіла від антигенів? Чи містять вакцини антитіла?

14. На які речовини розпадаються білки в організмі? Скільки енергії виділяється у своїй? Де і як знешкоджується аміак?

15. Наведіть приклад пептидних гормонів: як вони беруть участь у регуляції клітинного метаболізму?

16. Якою є структура цукру, з яким ми п'ємо чай? Які ще три синоніми цієї речовини ви знаєте?

17. Чому жир у молоці не збирається на поверхні, а знаходиться у вигляді суспензії?

18. Яка маса ДНК в ядрі соматичної та статевої клітин?

19. Яка кількість АТФ використовується людиною на добу?

20. З яких білків люди виготовляють одяг?

Первинна структура панкреатичної рибонуклеази (124 амінокислоти)

ІІ. Домашнє завдання.

Продовжити підготовку до заліку та контрольної роботи у розділі «Хімічна організація життя».

Урок 21. Заліковий урок у розділі «Хімічна організація життя»

I. Проведення усного заліку з питань

1. Елементарний склад клітини.

2. Характеристика органогенних елементів.

3. Структура молекули води. Водневий зв'язок та його значення в «хімії» життя.

4. Властивості та біологічні функції води.

5. Гідрофільні та гідрофобні речовини.

6. Катіони та його біологічне значення.

7. Аніони та їх біологічне значення.

8. Полімери. Біологічні полімери Відмінності періодичних та неперіодичних полімерів.

9. Властивості ліпідів, їх біологічні функції.

10. Групи вуглеводів, що виділяються за особливостями будови.

11. Біологічні функції вуглеводів.

12. Елементарний склад білків. амінокислоти. Утворення пептидів.

13. Первинна, вторинна, третинна та четвертинна структури білків.

14. Біологічна функція білків.

15. Відмінність ферментів від небіологічних каталізаторів.

16. Будова ферментів. Коферменти.

17. Механізм впливу ферментів.

18. Нуклеїнові кислоти. Нуклеотиди та їх будова. Освіта полінуклеотидів.

19. Правила Е. Чаргаффа. Принцип комплементарності

20. Освіта дволанцюжкової молекули ДНК та її спіралізація.

21. Класи клітинної РНК та його функції.

22. Відмінності ДНК та РНК.

23. Реплікація ДНК. Транскрипція.

24. Будова та біологічна роль АТФ.

25. Утворення АТФ у клітині.

ІІ. Домашнє завдання

Продовжити підготовку до контрольної роботи у розділі «Хімічна організація життя».

Урок 22. Контрольний урок у розділі «Хімічна організація життя»

I. Проведення письмової контрольної роботи

Варіант 1

1. Є три види амінокислот - А, В, С. Скільки варіантів поліпептидних ланцюгів, що складаються з п'яти амінокислот, можна побудувати. Укажіть ці варіанти. Чи будуть ці поліпептиди мати однакові властивості? Чому?

2. Все живе переважно складається з сполук вуглецю, а аналог вуглецю – кремній, вміст якого у земної корі в 300 разів більше, ніж вуглецю, зустрічається лише у небагатьох організмах. Поясніть цей факт з погляду будови та властивостей атомів цих елементів.

3. В одну клітину ввели молекули АТФ, мічені радіоактивним 32Р за останнім, третім залишком фосфорної кислоти, а в іншу – молекули АТФ, мічені 32Р по першому, найближчому до рибозу залишку. Через 5 хвилин в обох клітинах поміряли вміст неорганічного фосфат-іону, міченого 32Р. Де воно виявиться значно вищим?

4. Дослідження показали, що 34% загальної кількості нуклеотидів даної іРНК посідає гуанін, 18% – на урацил, 28% – на цитозин і 20% – на аденін. Визначте відсотковий склад азотистих основ дволанцюгової ДНК, зліпком з якої є вказана іРНК.

Варіант 2

1. Жири складають «перший резерв» в енергетичному обміні та використовуються, коли вичерпано резерв вуглеводів. Однак у скелетних м'язах за наявності глюкози та жирних кислот більшою мірою використовуються останні. Білки ж як джерело енергії завжди використовуються лише в крайньому випадку, при голодуванні організму. Поясніть ці факти.

2. Іони важких металів (ртуті, свинцю та ін.) та миш'яку легко зв'язуються сульфідними угрупованнями білків. Знаючи властивості сульфідів цих металів поясніть, що станеться з білком при з'єднанні з цими металами. Чому важкі метали є отрутою для організму?

3. У реакції окислення речовини А речовина В звільняється 60 кДж енергії. Скільки молекул АТФ може бути максимально синтезовано у цій реакції? Як буде витрачено решту енергії?

4. Дослідження показали, що 27% загальної кількості нуклеотидів даної іРНК посідає гуанін, 15% – на урацил, 18% – на цитозин і 40% – на аденін. Визначте відсотковий склад азотистих основ дволанцюгової ДНК, зліпком з якої є вказана іРНК.

Далі буде

Найважливішою речовиною у клітинах живих організмів є аденозинтрифосфорна кислота або аденозинтрифосфат. Якщо ввести абревіатуру цієї назви, то отримаємо АТФ (англ. ATP). Ця речовина відноситься до групи нуклеозидтрифосфатів і відіграє провідну роль у процесах метаболізму в живих клітинах, будучи незамінним джерелом енергії.

Першовідкривачами АТФ стали вчені-біохіміки гарвардської школи тропічної медицини - Єллапрагада Суббарао, Карл Ломан та Сайрус Фіске. Відкриття відбулося у 1929 році і стало головною віхою у біології живих систем. Пізніше, 1941 року, німецьким біохіміком Фріцем Ліпманом було встановлено, що АТФ у клітинах є основним переносником енергії.

Будова АТФ

Ця молекула має систематичне найменування, яке записується так: 9-β-D-рибофуранозиладенін-5′-трифосфат, або 9-β-D-рибофуранозил-6-аміно-пурин-5′-трифосфат. Які сполуки входять до складу АТФ? Хімічно вона є трифосфорним ефіром аденозину. похідного аденіну та рибози. Ця речовина утворюється шляхом з'єднання аденіну, що є пуриновою азотистою основою, з 1'-вуглецем рибози за допомогою β-N-глікозидного зв'язку. До 5'-вуглецю рибози потім послідовно приєднуються -, - і -молекули фосфорної кислоти.

Таким чином, молекула АТФ містить такі сполуки, як аденін, рибозу та три залишки фосфорної кислоти. АТФ - це особлива сполука, що містить зв'язки, за яких вивільняється велика кількість енергії. Такі зв'язки та речовини називаються макроергічними. Під час гідролізу цих зв'язків молекули АТФ відбувається виділення кількості енергії від 40 до 60 кДж/моль, при цьому процес супроводжується відщепленням одного або двох залишків фосфорної кислоти.

Ось як записуються ці хімічні реакції:

• 1). АТФ + вода → АДФ + фосфорна кислота + енергія;
• 2). АДФ + вода → АМФ + фосфорна кислота + енергія.

Енергія, вивільнена в ході зазначених реакцій, використовується в подальших біохімічних процесах, які потребують певних енерговитрат.

Роль АТФ у живому організмі. Її функції

Яку функцію виконує АТФ?Насамперед, енергетичну. Як було вище сказано, основною роллю аденозинтрифосфата є енергозабезпечення біохімічних процесів у живому організмі. Така роль зумовлена ​​тим, що завдяки наявності двох високоенергетичних зв'язків, АТФ виступає джерелом енергії для багатьох фізіологічних та біохімічних процесів, що потребують великих енерговитрат. Такими процесами є реакції синтезу складних речовин у організмі. Це, насамперед, активне перенесення молекул через клітинні мембрани, включаючи участь у створенні міжмембранного електричного потенціалу, та здійснення скорочення м'язів.

Крім зазначеної, перерахуємо ще декілька, не менш важливих функцій АТФ, таких як:

Як утворюється АТФ у організмі?

Синтез аденозинтрифосфорної кислоти триває постійно, т. К. Енергія організму для нормальної життєдіяльності потрібна завжди. У кожен конкретний момент міститься зовсім небагато цієї речовини – приблизно 250 грамів, які є «недоторканним запасом» на «чорний день». Під час хвороби йде інтенсивний синтез цієї кислоти, тому що потрібно багато енергії для роботи імунної та видільної систем, а також системи терморегуляції організму, що необхідно для ефективної боротьби з недугою, що почалася.

У яких клітинах АТФ найбільше? Це клітини м'язової та нервової тканин, оскільки в них найбільш інтенсивно йдуть процеси енергообміну. І це очевидно, адже м'язи беруть участь у русі, що вимагає скорочення м'язових волокон, а нейрони передають електричні імпульси, без яких неможлива робота всіх систем організму. Тому так важливо для клітин підтримувати незмінний і високий рівень аденозинтрифосфату.

Яким чином в організмі можуть утворюватися молекули аденозинтрифосфату? Вони утворюються шляхом так званого фосфорилювання АДФ (аденозиндіфосфату). Ця хімічна реакція виглядає так:

АДФ + фосфорна кислота + енергія → АТФ + вода.

Фосфорилювання ж АДФ відбувається за участю таких каталізаторів, як ферменти і світло, і здійснюється одним із трьох способів:

Як окисне, так і субстратне фосфорилювання використовує енергію речовин, що окислюються в процесі такого синтезу.

Висновок

Аденозинтрифосфорна кислота- це найчастіше оновлювана речовина в організмі. Скільки у середньому живе молекула аденозинтрифосфату? У тілі людини, наприклад, тривалість її життя становить менше однієї хвилини, тому одна молекула такої речовини народжується та розпадається до 3000 разів на добу. Вражає, але протягом дня людський організм синтезує близько 40 кг цієї речовини! Настільки великі потреби у цьому «внутрішньому енергетиці» для нас!

Весь цикл синтезу та подальшого використання АТФ як енергетичне паливо для процесів обміну речовин в організмі живої істоти являє собою саму суть енергетичного обміну в цьому організмі. Таким чином, аденозинтрифосфат є свого роду «батарейкою», що забезпечує нормальну життєдіяльність усіх клітин живого організму.

Будь-який організм може існувати до тих пір, поки відбувається надходження поживних речовин із зовнішнього середовища і поки продукти його життєдіяльності виділяються в цю середу. Усередині клітини відбувається безперервний складний комплекс хімічних перетворень, завдяки яким з поживних речовин утворюються компоненти тіла клітини. Сукупність процесів перетворення матерії в живому організмі, що супроводжуються постійним її оновленням, і називається обміном речовин.

Частина загального обміну, яка полягає у поглинанні, засвоєнні поживних речовин та створенні за їх рахунок структурних компонентів клітини, називається асиміляцією – це конструктивний обмін. Другу частину загального обміну становлять процеси дисиміляції, тобто. процеси розкладання та окислення органічних речовин, в результаті яких клітина отримує енергію, – це енергетичний обмін. Конструктивний та енергетичний обмін становлять єдине ціле.

У процесі конструктивного обміну клітина із досить обмеженої кількості низькомолекулярних сполук синтезує біополімери свого тіла. Біосинтетичні реакції протікають за участю різноманітних ферментів та потребують витрат енергії.

Живі організми можуть використовувати лише хімічно пов'язану енергію. Кожна речовина має певний запас потенційної енергії. Головними матеріальними носіями її є хімічні зв'язки, розрив чи перетворення яких призводить до визволення енергії. Енергетичний рівень одних зв'язків має величину 8-10 кДж – ці зв'язки називаються нормальними. В інших зв'язках полягає значно більша енергія – 25-40 кДж – це так звані макроергічні зв'язки. Майже всі відомі сполуки, які мають такі зв'язки, мають у своєму складі атоми фосфору або сірки, за місцем яких у молекулі і локалізовані ці зв'язки. Однією з сполук, які відіграють найважливішу роль життєдіяльності клітини, є аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Аденозинтрифосфорна кислота (АТФ) складається з органічної основи аденіну (I), вуглеводу рибози (II) та трьох залишків фосфорної кислоти (III). З'єднання аденіну та рибози називається аденозином. Пірофосфатні групи мають макроергічні зв'язки, позначені значком ~. Розкладання однієї молекули АТФ за участю води супроводжується відщепленням однієї молекули фосфорної кислоти та виділенням вільної енергії, яка дорівнює 33-42 кДж/моль. Усі реакції з участю АТФ регулюються ферментними системами.

Рис.1. Аденозинтрифосфорна кислота (АТФ)

Енергетичний обмін у клітці. Синтез АТФ

Синтез АТФ відбувається в мембранах мітохондрій у процесі дихання, тому всі ферменти та кофактори дихального ланцюга, всі ферменти окисного фосфорилювання локалізовані в цих органелах.

Синтез АТФ відбувається таким чином, що два іони Н+ відщеплюються від АДФ та фосфату (Р) з правого боку мембрани, компенсуючи втрату двох Н+ при відновленні речовини В. Один з кисневих атомів фосфату переноситься на інший бік мембрани і, приєднавши два іони Н + з лівого відсіку, утворює Н2О. Залишок фосфорилу приєднується до АДФ, утворюючи АТФ.

Рис.2. Схема окислення та синтезу АТФ у мітохондріальних мембранах

У клітинах організмів вивчено багато біосинтетичних реакцій, що використовують енергію, укладену в АТФ, у ході яких відбуваються процеси карбоксилювання та декарбоксилювання, синтезу амідних зв'язків, утворення макроергічних сполук, здатних переносити енергію від АТФ до анаболічних реакцій синтезу речовин. Ці реакції грають значної ролі у процесах обміну речовин рослинних організмів.

За участю АТФ та інших макроергічних нуклеозидполіфосфатів (ГТФ, ЦТФ, УГФ) може відбуватися активування молекул моносахаридів, амінокислот, азотистих основ, ацилгліцеринів шляхом синтезу активних проміжних сполук, які є похідними нуклеотидів. Так, наприклад, у процесі синтезу крохмалю за участю ферменту АДФ-глюкозопірофосфорилази утворюється активована форма глюкози - аденозиндифосфатглюкоза, яка легко стає донором глюкозних залишків при формуванні структури молекул цього полісахариду.

Синтез АТФ відбувається у клітинах всіх організмів у процесі фосфорилювання, тобто. приєднання неорганічного фосфату до АДФ Енергія для фосфорилювання АДФ утворюється під час енергетичного обміну. Енергетичний обмін, або дисиміляція, є сукупністю реакцій розщеплення органічних речовин, що супроводжуються виділенням енергії. Залежно від довкілля дисиміляція може протікати у два чи три етапи.

У більшості живих організмів - аеробів, що живуть у кисневому середовищі, - в ході дисиміляції здійснюється три етапи: підготовчий, безкисневий та кисневий, у процесі яких органічні речовини розпадаються до неорганічних сполук. У анаеробів, що у середовищі, позбавленої кисню, або в аеробів при його нестачі дисиміляція протікає лише два перших етапи із заснуванням проміжних органічних сполук, ще багатих енергією.

Перший етап - підготовчий - полягає у ферментативному розщепленні складних органічних сполук більш прості (білків - на амінокислоти, жирів - на гліцерин і жирні кислоти, полісахаридів - на моносахариди, нуклеїнових кислот - на нуклеотиди). Розпад органічних субстратів їжі складає різних рівнях шлунково-кишкового тракту багатоклітинних організмів. Внутрішньоклітинне розщеплення органічних речовин відбувається під дією гідролітичних ферментів лізосом. Енергія, що вивільняється при цьому, розсіюється у вигляді теплоти, а малі органічні молекули, що утворюються, можуть піддатися подальшому розщепленню або використовуватися клітиною як «будівельний матеріал» для синтезу власних органічних сполук.

Другий етап - неповне окислення (безкисневий) - здійснюється безпосередньо в цитоплазмі клітини, присутності кисню не потребує і полягає в подальшому розщепленні органічних субстратів. Головним джерелом енергії у клітині є глюкоза. Безкисневе, неповне розщеплення глюкози називають гліколізом.

Гліколіз - багатоступінчастий ферментативний процес перетворення шестивуглецевої глюкози на дві тривуглецеві молекули піровиноградної кислоти (пірувата, ПВК) С3Н4О3. У ході реакцій гліколізу виділяється велика кількість енергії – 200 кДж/моль. Частина цієї енергії (60%) розсіюється як теплоти, решта (40%) використовується на синтез АТФ.

В результаті гліколізу однієї молекули глюкози утворюється по дві молекули ПВК, АТФ та води, а також атоми водню, що запасаються клітиною у формі НАД Н, тобто. у складі специфічного переносника - нікотинамідаденіндінуклеотида. Подальша доля продуктів гліколізу – пірувата та водню у формі НАД Н – може складатися по-різному. У дріжджів або клітинах рослин при нестачі кисню відбувається спиртове бродіння - ПВК відновлюється до етилового спирту:

У клітинах тварин, які зазнають тимчасової нестачі кисню, наприклад, у м'язових клітинах людини при надмірному фізичному навантаженні, а також у деяких бактерій відбувається молочнокисле бродіння, при якому піруват відновлюється до молочної кислоти. За наявності у середовищі кисню продукти гліколізу зазнають подальшого розщеплення до кінцевих продуктів.

Третій етап – повне окислення (дихання) – протікає за обов'язкової участі кисню. Аеробне дихання є ланцюгом реакцій, контрольованих ферментами внутрішньої мембрани і матриксу мітохондрії. Потрапивши в мітохондрію, ПВК взаємодіє з ферментами матриксу та утворює: діоксид вуглецю, який виводиться із клітини; атоми водню, які у складі переносників прямують до внутрішньої мембрани; ацетилкофермент А (ацетил-КоА), який залучається до циклу трикарбонових кислот (цикл Кребса). Цикл Кребса - це ланцюг послідовних реакцій, у ході яких із однієї молекули ацетил-КоА утворюються дві молекули СО2, молекула АТФ і чотири пари атомів водню, що передаються на молекули-переносники - НАД і ФАД (флавінаденіндінуклеотид). Сумарну реакцію гліколізу та циклу Кребса можна представити у наступному вигляді:

Отже, в результаті безкисневого етапу дисиміляції і циклу Кребса молекула глюкози розщеплюється до неорганічного діоксиду вуглецю (СО2), а енергія, що вивільнилася при цьому, частково витрачається на синтез АТФ, але в основному зберігається в навантажених електронами переносниках НАД Н2 і ФАД. Білки-переносники транспортують атоми водню до внутрішньої мембрани мітохондрій, де передають їх ланцюгом вбудованих в мембрану білків. Транспорт частинок ланцюга переносу здійснюється таким чином, що протони залишаються на зовнішній стороні мембрани і накопичуються в міжмембранному просторі, перетворюючи його на Н+-резервуар, а електрони передаються на внутрішню поверхню внутрішньої мітохондріальної мембрани, де з'єднуються в кінцевому підсумку з киснем.

В результаті діяльності ферментів ланцюга перенесення електронів внутрішня мембрана мітохондрій зсередини заряджається негативно, а зовні - позитивно (за рахунок Н), тому між її поверхнями створюється різниця потенціалів. Відомо, що у внутрішню мембрану мітохондрій вбудовані молекули ферменту АТФ-синтетази, які мають іонний канал. Коли різницю потенціалів на мембрані досягає критичного рівня (200 мВ), позитивно заряджені частинки Н+ силою електричного поля починають проштовхуватися через канал АТФази і, опинившись на внутрішній поверхні мембрани, взаємодіють з киснем, утворюючи воду.

Нормальне перебіг метаболічних реакцій на молекулярному рівні обумовлено гармонійним поєднанням процесів катаболізму та анаболізму. При порушенні катаболічних процесів передусім виникають енергетичні труднощі, порушуються регенерація АТФ, і навіть надходження необхідних біосинтетичних процесів вихідних субстратів анаболизма. У свою чергу, первинне або пов'язане зі змінами катаболізму ушкодження анаболічних процесів веде до порушення відтворення функціонально важливих сполук - ферментів, гормонів та ін.

Порушення різних ланок метаболічних ланцюгів нерівнозначне за своїми наслідками. Найбільш суттєві, глибокі патологічні зміни катаболізму відбуваються при пошкодженні системи біологічного окислення при блокаді ферментів тканинного дихання, гіпоксії та ін. У цих випадках клітини позбавляються основного джерела енергії, майже всі окисні реакції катаболізму блокуються або втрачають здатність акумулювати енергію, що звільняється, в молекулах АТФ. При пригніченні реакцій циклу трикарбонових кислот вироблення енергії в процесі катаболізму скорочується приблизно на дві третини.

Головна роль АТФ в організмі пов'язана із забезпеченням енергією численних біохімічних реакцій. Як носій двох високоенергетичних зв'язків, АТФ служить безпосереднім джерелом енергії для безлічі енерговитратних біохімічних і фізіологічних процесів. Усе це реакції синтезу складних речовин у організмі: здійснення активного перенесення молекул через біологічні мембрани, зокрема й у створення трансмембранного електричного потенціалу; здійснення м'язового скорочення.

Крім енергетичної АТФ виконує в організмі ще низку інших не менш важливих функцій:

§ Разом з іншими нуклеозидтрифосфатами АТФ є вихідним продуктом при синтезі нуклеїнових кислот.

§ Крім того, АТФ відводиться важливе місце у регуляції безлічі біохімічних процесів. Як алостеричний ефектор ряду ферментів, АТФ, приєднуючись до їх регуляторних центрів, посилює або пригнічує їх активність.

§ АТФ є також безпосереднім попередником синтезу циклічного аденозинмонофосфату - вторинного посередника передачі клітину гормонального сигналу.

Рибосома - найважливіший немембранний органоїд живої клітини сферичної або злегка еліпсоїдної форми, діаметром 100-200 ангстрем, що складається з великої та малої субодиниць. Рибосоми служать для біосинтезу білка з амінокислот по заданій матриці на основі генетичної інформації, що надається матричною РНК, або мРНК. Цей процес називається трансляцією.

Хімічний склад клітини. Будова, властивості, значення ДНК.

1. Див.

Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) - макромолекула, що забезпечує зберігання, передачу з покоління в покоління та реалізацію генетичної програми розвитку та функціонування живих організмів. Основна роль ДНК у клітинах – довготривале зберігання інформації про структуру РНК та білків.

З хімічної точки зору ДНК - це довга полімерна молекула, що складається з блоків, що повторюються - нуклеотидів. Кожен нуклеотид складається з азотистої основи, цукру (дезоксирибози) та фосфатної групи. Зв'язки між нуклеотидами в ланцюзі утворюються за рахунок дезоксирибози та фосфатної групи. У переважній більшості випадків (крім деяких вірусів, що містять одноланцюжкову ДНК) макромолекула ДНК складається з двох ланцюгів, орієнтованих азотистими основами один до одного. Ця дволанцюжкова молекула спіралізована. У цілому нині структура молекули ДНК отримала назву «подвійний спіралі».