生物学における ATP 分子: 体内の構成、機能、役割。 ATP と代謝におけるその役割 ATP 合成の段階

スキーム5

異化の過程における物質とエネルギーの変換には、次の段階が含まれます。

ステージ I- 準備: 消化酵素の影響下で複雑な有機物質が単純なものに分解され、熱エネルギーのみが放出されます。
プロテイン®アミノ酸

Fats ® グリセリンと脂肪酸

でんぷん®ブドウ糖

ステージ II- 解糖（無酸素）：膜とは関係なく、硝子質内で行われます。それには酵素が関係します。グルコースは次のように分解されます。

ステージⅢ- 酸素：ミトコンドリアで行われ、ミトコンドリアマトリックスと内膜に関連し、酵素がそれに関与し、ピルビン酸が分解されます

CO 2 (二酸化炭素) はミトコンドリアから環境中に放出されます。水素原子は一連の反応に含まれており、その最終結果として ATP が合成されます。これらの反応は次の順序で発生します。

1. 水素原子 H は、キャリア酵素の助けを借りてミトコンドリアの内膜に入り、クリステを形成し、そこで酸化されます。

2. H + プロトン (水素陽イオン) はキャリアによってクリステ膜の外表面に運ばれます。プロトンにとって、この膜はミトコンドリアの外膜と同様に不透過性であるため、プロトンは膜間空間に蓄積し、プロトン貯蔵所を形成します。

3. 水素電子はクリステ膜の内面に移動し、酵素オキシダーゼの助けを借りてすぐに酸素と結合し、マイナスに帯電した活性酸素 (アニオン) を形成します。

4. 膜の両側のカチオンとアニオンは逆に帯電した電場を生成し、電位差が 200 mV に達するとプロトンチャネルが動作し始めます。これは、クリステを形成する内膜に埋め込まれた ATP 合成酵素の分子内で発生します。

5. プロトンチャネルを介して、H + プロトンがミトコンドリアに突入し、高レベルのエネルギーが生成されます。そのほとんどが ADP と P からの ATP の合成に使用されます ()。H + プロトン自体が活性酸素と相互作用して、水と酸素分子:

したがって、体の呼吸プロセス中にミトコンドリアに入る O 2 は、H + プロトンの追加に必要です。これが存在しない場合、電子伝達鎖が機能しなくなるため、ミトコンドリア内のプロセス全体が停止します。ステージ III の一般的な反応:

1 つのグルコース分子が分解された結果、38 個の ATP 分子が形成されます。ステージ II では ATP 2 個、ステージ III では ATP 36 個になります。結果として生じる ATP 分子はミトコンドリアを超えて、エネルギーが必要とされるすべての細胞プロセスに関与します。分裂の際、ATP はエネルギーを放出し (1 つのリン酸結合には 46 kJ が含まれます)、ADP と P (リン酸) の形でミトコンドリアに戻ります。

エネルギーの放出とATPへのその貯蔵を伴う有機物質のより単純なものへの分解がエネルギー代謝です。これには、準備、無酸素、酸素の 3 つの段階が含まれます。

準備段階ではエネルギーは放出されますが、ATPには蓄えられず、熱として放散されます。

無酸素段階は細胞質内で起こり、各グルコース分子が 2 つのピルビン酸分子に分解されます。この場合、放出されるエネルギーはほとんどないため、ATP 分子は 2 つだけ合成されます。

エネルギー代謝の酸素段階はミトコンドリアで起こります。ここで、ピルビン酸は二酸化炭素と水に酸化され、多量のエネルギーが放出され、約 36 個の ATP 分子が合成されます。

タンパク質生合成と脂肪合成は、より複雑な物質がより単純な化合物から合成される場合のプラスチック代謝を指します。このようなプロセスは、エネルギーの放出ではなく、エネルギーの消費とともに発生します。ここでATPはエネルギー供給者の役割を果たし、ADPとリン酸に分解されます。

生物学では、ATP という略語は有機物質 (モノマー) を表します。 アデノシン三リン酸（アデノシン三リン酸）。その化学構造によれば、それはヌクレオシド三リン酸です。

ATPに含まれるのは リボース、アデニン、3つのリン酸残基。リン酸塩は順番に互いに結合します。さらに、最後の 2 つはいわゆる高エネルギー結合であり、その結合が切断されると細胞に大量のエネルギーが供給されます。

したがって、ATPは細胞内で機能します エネルギー関数.

ほとんどの ATP 分子は、細胞の呼吸反応中にミトコンドリアで生成されます。細胞内では、多数のアデノシン三リン酸分子が常に合成および分解されています。

リン酸基の除去は主に酵素の関与によって起こります。 ATPアーゼこれは加水分解反応 (水の添加) です。

ATP + H2O = ADP + H3PO4 + E、

ここで、E はさまざまな細胞プロセス (他の有機物質の合成、それらの輸送、細胞小器官や細胞の移動、体温調節など) に使用される放出エネルギーです。

さまざまな情報源によると、放出されるエネルギー量は 30 ～ 60 kJ/mol の範囲です。

ADP はアデノシン二リン酸であり、すでに 2 つのリン酸残基が含まれています。

ほとんどの場合、リン酸塩が再び加えられて ATP が形成されます。

ADP + H3PO4 = ATP + H2O - E.

この反応はエネルギーの吸収によって起こり、その蓄積は多くの酵素反応とイオン移動プロセス (主にマトリックスおよびミトコンドリアの内膜上) の結果として起こります。最終的に、エネルギーは ADP に結合したリン酸基に蓄積されます。

しかし、高エネルギー結合によって結合した別のリン酸が ADP から切り離される可能性があり、AMP (アデノシン一リン酸) が形成されます。

AMPはRNAの一部です。したがって、アデノシン三リン酸のもう 1 つの機能は、多くの有機化合物を合成するための原料源として機能することです。

したがって、ATP の構造的特徴、代謝プロセスにおけるエネルギー源としてのみ機能的に使用されることにより、細胞は化学エネルギーを受け取るための統一された普遍的なシステムを持つことができます。

関連記事: エネルギー代謝の段階

リン酸化プロセスは、キナーゼ酵素の関与による、ある化合物から別の化合物へのホスホリル基の転移反応です。 ATP は酸化的リン酸化と基質リン酸化によって合成されます。

酸化的リン酸化は、生体有機物質の酸化中に放出されるエネルギーを使用して、ADP に無機リン酸を付加することによる ATP の合成です。

ADP + ~P → ATP

炭水化物代謝の中間生成物はホスホエノールピルビン酸であり、これは高エネルギー結合で ADP ホスホリル基を転移します。

第二段階。輸送後、モノマー（生体有機化合物の分解生成物）は細胞に入り、そこで酸化を受けます。

燃料分子 (アミノ酸、グルコース、脂肪) が酸化された結果、アセチル Co-A という化合物が形成されます。この段階では、食品物質のエネルギーの約 30% が放出されます。

第 3 段階であるクレブスサイクルは、生化学的酸化還元反応の閉鎖系です。このサイクルは、好気性酸化の基本反応を仮定し、実験的に確認した英国の生化学者ハンスクレブスにちなんで名付けられました。その研究により、クレブスはノーベル賞を受賞しました (1953 年)。

このサイクルにはさらに 2 つの名前があります。

II.

このプロセスは、酵素アコニターゼによって触媒される脱水反応です。

このプロセスは、酵素アコニターゼによって触媒される水和反応です。

IV.

反応 4 および 5 は、イソクエン酸デヒドロゲナーゼによって触媒され、オキサコハク酸を中間体として使用する酸化的脱炭酸です。

この反応は酸化的脱炭酸反応でもあります。これは 2 番目の酸化還元反応です。

α-オキソグルタル酸 + NAD + CoA スクシニル-CoA + CO2 + NADH

VII.

GTP + ADP ATP + GDP

X. 4 番目の酸化還元反応:

このサイクルの 4 つの反応は酸化還元であり、補酵素 NAD および FAD を含む酵素デヒドロゲナーゼによって触媒されます。補酵素は、生成された H+ と ē を捕捉し、呼吸鎖 (生物学的酸化鎖) に渡します。呼吸鎖の要素はミトコンドリアの内膜に位置しています。

呼吸鎖は酸化還元反応のシステムであり、その間に H+ と ē が O2 に徐々に移動し、呼吸の結果として体内に入ります。

ATPは呼吸鎖で形成されます。鎖内の主な担体 ē は、鉄および銅を含むタンパク質 (シトクロム)、コエンザイム Q (ユビキノン) です。鎖には 5 つのシトクロムがあります (b1、c1、c、a、a3)。

シトクロム b1、c1、c の補欠分子族は鉄含有ヘムです。これらのシトクロムの作用メカニズムは、さまざまな価数の鉄原子を含んでおり、ē と H+ の移動の結果として酸化状態と還元状態の両方になる可能性があることです。

シトクロム a と a3 は、呼吸鎖の最後のリンクであるシトクロムオキシダーゼ複合体を形成します。

シトクロムオキシダーゼには、鉄に加えて、さまざまな価数の銅が含まれています。 ē をシトクロム a3 から分子 O2 に輸送するときに、プロセスが発生します

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体内のATP合成経路

リン酸化プロセスは、キナーゼ酵素の関与による、ある化合物から別の化合物へのホスホリル基の転移反応です。

ATP は酸化的リン酸化と基質リン酸化によって合成されます。酸化的リン酸化は、生体有機物質の酸化中に放出されるエネルギーを使用して、ADP に無機リン酸を付加することによる ATP の合成です。

ADP + ~P → ATP

基質のリン酸化は、ATP 合成のための高エネルギー ADP 結合によるホスホリル基の直接転移です。

基質リン酸化の例:

1. 炭水化物代謝の中間生成物はホスホエノールピルビン酸であり、ADP ホスホリル基を高エネルギー結合で転移します。

クレブス回路の中間生成物である高エネルギースクシニル-Co-AとADPとの相互作用により、1分子のATPが形成されます。

体内のエネルギー放出と ATP 合成の 3 つの主要な段階を見てみましょう。

第一段階（準備段階）には消化と吸収が含まれます。

この段階では、食品化合物のエネルギーの 0.1% が放出されます。

第二段階。輸送後、モノマー（生体有機化合物の分解生成物）は細胞に入り、そこで酸化を受けます。燃料分子 (アミノ酸、グルコース、脂肪) が酸化された結果、アセチル Co-A という化合物が形成されます。この段階では、食品物質のエネルギーの約 30% が放出されます。

第 3 段階であるクレブスサイクルは、生化学的酸化還元反応の閉鎖系です。

このサイクルは、好気性酸化の基本反応を仮定し、実験的に確認した英国の生化学者ハンスクレブスにちなんで名付けられました。その研究により、クレブスはノーベル賞を受賞しました (1953 年)。このサイクルにはさらに 2 つの名前があります。

- トリカルボン酸サイクル。トリカルボン酸（3 つのカルボキシル基を含む酸）の変換反応が含まれるため。

- クエン酸サイクル。サイクルの最初の反応はクエン酸の形成であるため。

クレブスサイクルには 10 の反応が含まれており、そのうち 4 つは酸化還元です。

反応中に、エネルギーの 70% が放出されます。

このサイクルの生物学的役割は、すべての主要な食品の酸化分解の共通の終点であるため、非常に重要です。

これは細胞内の酸化の主なメカニズムであり、比喩的に代謝の「大釜」と呼ばれます。燃料分子 (炭水化物、アミノ酸、脂肪酸) の酸化中に、体には ATP の形でエネルギーが供給され、燃料分子はアセチル Co-A に変換された後、クレブス回路に入ります。

さらに、トリカルボン酸回路は生合成プロセスの中間生成物を供給します。このサイクルはミトコンドリアマトリックスで発生します。

クレブス回路の反応を考えてみましょう。

このサイクルは、炭素 4 成分のオキサロ酢酸と炭素 2 成分のアセチル Co-A の縮合から始まります。

この反応はクエン酸シンターゼによって触媒され、アルドール縮合とその後の加水分解が伴います。中間体はシトリル-Co-A で、加水分解されてクエン酸塩と CoA になります。

これが最初の酸化還元反応です。

この反応は、3 つの酵素から構成される α-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ複合体によって触媒されます。

スクシニルには、エネルギーに富んだ結合が含まれています。

スクシニル CoA のチオエステル結合の切断は、グアノシン二リン酸 (GDP) のリン酸化に関連しています。

スクシニル-CoA + ~ F +GDP コハク酸 + GTP +CoA

GTP のホスホリル基は容易に ADP に転移されて ATP を形成します。

GTP + ADP ATP + GDP

これは、サイクル内の基質リン酸化反応である唯一の反応です。

これは 3 番目の酸化還元反応です。

クレブス回路は二酸化炭素、陽子、電子を生成します。

このサイクルの 4 つの反応は酸化還元であり、補酵素 NAD および FAD を含む酵素デヒドロゲナーゼによって触媒されます。補酵素は、生成された H+ と ē を捕捉し、呼吸鎖 (生物学的酸化鎖) に渡します。

呼吸鎖の要素はミトコンドリアの内膜に位置しています。

呼吸鎖は酸化還元反応のシステムであり、その間に H+ と ē が O2 に徐々に移動し、呼吸の結果として体内に入ります。 ATPは呼吸鎖で形成されます。

鎖内の主な担体 ē は、鉄および銅を含むタンパク質 (シトクロム)、コエンザイム Q (ユビキノン) です。鎖には 5 つのシトクロムがあります (b1、c1、c、a、a3)。

シトクロム b1、c1、c の補欠分子族は鉄含有ヘムです。

これらのシトクロムの作用メカニズムは、さまざまな価数の鉄原子を含んでおり、ē と H+ の移動の結果として酸化状態と還元状態の両方になる可能性があることです。

シトクロムオキシダーゼで起こる最終反応は次のような形式になります。

クレブス回路と呼吸鎖のエネルギーバランスは 24 個の ATP 分子です。

クレブスサイクル図

有機物質の分解中に放出されるエネルギーは細胞によってすぐには使用されませんが、高エネルギー化合物の形で、通常は次のような形で蓄えられます。 アデノシン三リン酸（ATP）.

ATP はモノヌクレオチドとして分類されます。それは、高エネルギー結合によって相互接続されたアデニン、リボース、および 3 つのリン酸残基から構成されます。

これらの結合はエネルギーを蓄え、結合が切れると放出されます。

ATP + H2O → ADP + H3PO4 + Q1、
ADP + H2O → AMP + H3PO4 + Q2、
AMP + H2O → アデニン + リボース + H3PO4 + Q3、

ここで、ATP はアデノシン三リン酸です。 ADP - アセノシン二リン酸。 AMP - アデノシン一リン酸。 Q1 = Q2 = 30.6 kJ; Q3 = 13.8 kJ。

細胞内の ATP の供給は限られており、リン酸化のプロセス、つまり ADP へのリン酸残基の付加 (ADP + P → ATP) によって補充されます。

これは、呼吸、発酵、光合成中にさまざまな速度で発生します。 ATP は非常に早く更新されます (人間の場合、1 つの ATP 分子の寿命は 1 分未満です)。

ATP 分子に蓄積されたエネルギーは、体内の同化反応 (生合成反応) で使用されます。

ATP 分子は、すべての生き物にとって普遍的なエネルギーの貯蔵庫および運搬体として機能します。

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タンパク質の代謝。脂肪代謝。炭水化物の代謝。肝臓、代謝におけるその役割

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前者には、カルシウム、カリウム、マグネシウム、ナトリウム、リン、塩素、硫黄などが含まれます。

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4.2 カロテノイド。それらの構造、機能および生理学的役割

カロテノイド（脂溶性の黄色、オレンジ色、赤色の色素）は、すべての植物の葉緑体に存在します。また、ニンジンの根など、植物の緑色以外の部分の色素体の一部でもあります。

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4.3 フィコビリン。
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主要 細胞のエネルギー源栄養素は炭水化物、脂肪、タンパク質であり、酸素の助けで酸化されます。ほとんどすべての炭水化物は、体の細胞に到達する前に、胃腸管と肝臓の働きによりブドウ糖に変換されます。炭水化物に加えて、タンパク質もアミノ酸に、脂質も脂肪酸に分解されます。細胞内では、栄養素は酸素の影響下で、またエネルギー放出とその利用の反応を制御する酵素の関与により酸化されます。

ほとんど すべての酸化反応ミトコンドリアで発生し、放出されたエネルギーは高エネルギー化合物であるATPの形で貯蔵されます。その後、細胞内の代謝プロセスにエネルギーを提供するために使用されるのは、栄養素ではなく ATP です。

ATP分子(1) 窒素含有塩基アデニン。 (2) ペントース炭水化物リボース、(3) 3 つのリン酸残基。最後の 2 つのリン酸は、ATP 式では記号 ~ で示されている高エネルギーリン酸結合によって互いに結合され、また分子の残りの部分とも結合されています。身体に特有の物理的および化学的条件に応じて、このような結合のエネルギーは ATP 1 モルあたり 12,000 カロリーになります。これは通常の化学結合のエネルギーよりも何倍も高く、リン酸結合が高結合と呼ばれる理由です。エネルギー。さらに、これらの接続は簡単に破壊され、必要が生じるとすぐに細胞内プロセスにエネルギーを提供します。

リリース時 ATPエネルギーリン酸基を供与してアデノシン二リン酸になります。放出されたエネルギーは、生合成反応や筋肉の収縮など、ほぼすべての細胞プロセスに使用されます。

細胞内でのアデノシン三リン酸形成のスキーム。このプロセスにおけるミトコンドリアの重要な役割を示しています。
GI - グルコース。 FA - 脂肪酸。 AAはアミノ酸です。

ATP補充これは、栄養エネルギーを犠牲にして ADP とリン酸残基が再結合することによって起こります。このプロセスが何度も繰り返されます。 ATP は常に消費され、蓄積されるため、細胞のエネルギー通貨と呼ばれます。 ATPターンオーバー時間はわずか数分です。

ATP生成の化学反応におけるミトコンドリアの役割。グルコースが細胞に入ると、細胞質酵素の作用によりピルビン酸に変換されます (このプロセスは解糖と呼ばれます)。このプロセスで放出されるエネルギーは、総エネルギー貯蔵量の 5% 未満に相当する少量の ADP を ATP に変換するのに費やされます。

95％はミトコンドリアで行われます。ピルビン酸、脂肪酸、アミノ酸はそれぞれ炭水化物、脂肪、タンパク質から形成され、最終的にミトコンドリアマトリックス内でアセチルCoAと呼ばれる化合物に変換されます。次に、この化合物は、トリカルボン酸回路またはクレブス回路と総称される一連の酵素反応に入り、そのエネルギーを放出します。

ループ中 トリカルボン酸アセチルCoA水素原子と二酸化炭素分子に分解されます。二酸化炭素はミトコンドリアから除去され、その後拡散によって細胞の外へ出て、肺を通って体外に除去されます。

水素原子化学的に非常に活性が高いため、ミトコンドリア内に拡散する酸素と即座に反応します。この反応で放出される大量のエネルギーは、多くの ADP 分子を ATP に変換するために使用されます。これらの反応は非常に複雑で、ミトコンドリアのクリステの一部である膨大な数の酵素の関与を必要とします。初期段階では、水素原子から電子が切り離されて水素イオンになります。このプロセスは、酸素に水素イオンを追加することで終了します。この反応の結果、水と大量のエネルギーが生成されます。これは、ミトコンドリアクリステの表面に結節の形で突き出ている大きな球状タンパク質である ATP シンテターゼの作動に必要です。水素イオンのエネルギーを利用するこの酵素の作用により、ADPはATPに変換されます。新しい ATP 分子はミトコンドリアから核を含む細胞のあらゆる部分に送られ、そこでこの化合物のエネルギーがさまざまな機能を提供するために使用されます。
このプロセス ATP合成一般に ATP 生成の化学浸透メカニズムと呼ばれます。

ミトコンドリアのアデノシン三リン酸を使用して、3 つの重要な細胞機能を実現します。
膜輸送、タンパク質合成、筋肉収縮。

私たちの体のどの細胞でも何百万もの生化学反応が発生します。それらはさまざまな酵素によって触媒され、多くの場合エネルギーを必要とします。細胞はどこからそれを入手するのでしょうか？この質問は、主要なエネルギー源の 1 つである ATP 分子の構造を考慮すれば答えることができます。

ATPは普遍的なエネルギー源です

ATPはアデノシン三リン酸、またはアデノシン三リン酸の略です。この物質は、細胞における 2 つの最も重要なエネルギー源のうちの 1 つです。 ATP の構造とその生物学的役割は密接に関連しています。ほとんどの生化学反応は、物質の分子の関与によってのみ発生しますが、これは特に当てはまりますが、ATP が反応に直接関与することはほとんどなく、プロセスが発生するには、アデノシン三リン酸に正確に含まれるエネルギーが必要です。

物質の分子の構造は、リン酸基間に形成される結合が膨大なエネルギーを運ぶというものです。したがって、そのような結合はマクロエルジックまたはマクロエネルギー（マクロ＝多くの、大量の）とも呼ばれます。この用語は科学者の F. リップマンによって初めて導入され、彼は記号 ̴ を使用してそれらを指定することも提案しました。

細胞にとってアデノシン三リン酸のレベルを一定に維持することは非常に重要です。これは、筋肉細胞と神経線維に特に当てはまります。これらは最もエネルギーに依存しており、その機能を発揮するには高含有量のアデノシン三リン酸を必要とするからです。

ATP分子の構造

アデノシン三リン酸は、リボース、アデニン、残基の 3 つの要素で構成されています。

リボース- ペントースグループに属する炭水化物。これは、リボースには 5 つの炭素原子が含まれており、それらが環状に囲まれていることを意味します。リボースは、1 番目の炭素原子上の β-N-グリコシド結合を介してアデニンに結合します。 5 番目の炭素原子のリン酸残基もペントースに追加されます。

アデニンは窒素含有塩基です。どの窒素塩基がリボースに結合しているかに応じて、GTP (グアノシン三リン酸)、TTP (チミジン三リン酸)、CTP (シチジン三リン酸)、UTP (ウリジン三リン酸) も区別されます。これらの物質はすべてアデノシン三リン酸と構造が似ており、ほぼ同じ機能を果たしますが、細胞内ではあまり一般的ではありません。

リン酸残基。最大 3 つのリン酸残基をリボースに結合できます。 2 つまたは 1 つだけある場合、その物質は ADP (二リン酸) または AMP (一リン酸) と呼ばれます。マクロエネルギー結合が締結されるのはリン残基間であり、その結合が切断された後、40 ～ 60 kJ のエネルギーが放出されます。 2つの結合が切断されると、80、頻度は低くなりますが、120 kJのエネルギーが放出されます。リボースとリン残基の間の結合が切れるとき、放出されるのは 13.8 kJ だけであるため、三リン酸分子には高エネルギー結合が 2 つだけあり (P ̴ P ̴ P)、ADP 分子には 1 つしかありません (P ̴) P）。

これらは ATP の構造的特徴です。リン酸残基間にマクロエネルギー結合が形成されるという事実により、ATP の構造と機能は相互に関連しています。

ATP の構造と分子の生物学的役割。アデノシン三リン酸の追加機能

エネルギーに加えて、ATP は細胞内で他の多くの機能を実行できます。他のヌクレオチド三リン酸とともに、三リン酸は核酸の構築に関与します。この場合、ATP、GTP、TTP、CTP、UTP が窒素塩基の供給者です。このプロパティは、プロセスと転写で使用されます。

ATP はイオンチャネルの機能にも必要です。たとえば、Na-K チャネルは 3 つのナトリウム分子を細胞の外に送り出し、2 つのカリウム分子を細胞に送り込みます。このイオン流は膜の外表面に正電荷を維持するために必要であり、アデノシン三リン酸の助けによってのみチャネルが機能することができます。同じことがプロトンチャネルとカルシウムチャネルにも当てはまります。

ATP はセカンドメッセンジャー cAMP (環状アデノシン一リン酸) の前駆体です。cAMP は細胞膜受容体が受け取ったシグナルを伝達するだけでなく、アロステリックエフェクターでもあります。アロステリックエフェクターは、酵素反応を加速または減速させる物質です。したがって、環状アデノシン三リン酸は、細菌細胞内の乳糖の分解を触媒する酵素の合成を阻害します。

アデノシン三リン酸分子自体もアロステリックエフェクターである可能性があります。さらに、そのようなプロセスでは、ADP は ATP のアンタゴニストとして機能します。三リン酸が反応を促進すると、二リン酸が反応を阻害し、その逆も同様です。以上がATPの機能と構造です。

ATPは細胞内でどのように形成されるのでしょうか?

ATP の機能と構造は、物質の分子がすぐに使用されて破壊されるようなものです。したがって、三リン酸合成は細胞内のエネルギー形成における重要なプロセスです。

アデノシン三リン酸の合成には 3 つの最も重要な方法があります。

1. 基質のリン酸化。

2. 酸化的リン酸化。

3. 光リン酸化。

基質のリン酸化は、細胞の細胞質で起こる複数の反応に基づいています。これらの反応を解糖系・嫌気期といい、解糖系が1サイクル行われると、1分子のブドウ糖から2分子が合成され、エネルギーとして使われるとともに、ATPも2つ合成されます。

C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Pn --> 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 4H。

細胞呼吸

酸化的リン酸化は、膜の電子伝達鎖に沿って電子を移動させることによるアデノシン三リン酸の形成です。この移動の結果として、プロトン勾配が膜の片側に形成され、ATP シンターゼのタンパク質に不可欠なセットの助けを借りて分子が構築されます。このプロセスはミトコンドリア膜上で行われます。

ミトコンドリアにおける解糖と酸化的リン酸化の一連の段階は、呼吸と呼ばれる一般的なプロセスを構成します。完全なサイクルの後、細胞内で 1 つのグルコース分子から 36 個の ATP 分子が形成されます。

光リン酸化

光リン酸化のプロセスは、1 つだけ異なる点を除いて酸化的リン酸化と同じです。光リン酸化反応は、光の影響下で細胞の葉緑体で発生します。 ATP は、緑色植物、藻類、一部の細菌の主要なエネルギー生産プロセスである光合成の明段階で生成されます。

光合成中、電子は同じ電子伝達系を通過し、その結果プロトン勾配が形成されます。膜の片側のプロトンの集中が ATP 合成の源です。分子の組み立ては、ATP シンターゼという酵素によって行われます。

平均的な細胞には重量で 0.04% のアデノシン三リン酸が含まれています。ただし、最高値は筋肉細胞で観察されます: 0.2 ～ 0.5%。

細胞内には約 10 億個の ATP 分子が存在します。

各分子の生存時間は 1 分以内です。

1分子のアデノシン三リン酸は1日に2000〜3000回更新されます。

人体は 1 日あたり合計 40 kg のアデノシン三リン酸を合成し、ATP 貯蔵量は常に 250 g です。

結論

ATP の構造とその分子の生物学的役割は密接に関連しています。リン酸残基間の高エネルギー結合には膨大なエネルギーが含まれているため、この物質は生命過程において重要な役割を果たしています。アデノシン三リン酸は細胞内で多くの機能を果たしているため、この物質の濃度を一定に維持することが重要です。生化学反応では常に結合エネルギーが使われるため、分解と合成が高速で行われます。これは体内のあらゆる細胞にとって不可欠な物質です。 ATP の構造について言えることはおそらくこれだけです。

アデノシン三リン酸-ATP- あらゆる生きた細胞の必須のエネルギー成分。 ATP も窒素塩基アデニン、糖リボース、および 3 つのリン酸分子残基からなるヌクレオチドです。これは不安定な構造です。代謝プロセスでは、2 番目と 3 番目のリン酸残基間のエネルギー豊富だが脆弱な結合を切断することにより、リン酸残基が順番に分離されます。リン酸 1 分子の分離には、約 40 kJ のエネルギーの放出が伴います。この場合、ATPはアデノシン二リン酸（ADP）に変換され、さらにADPからリン酸残基が切断されてアデノシン一リン酸（AMP）が形成されます。

ATP の構造と ADP への変換のスキーム ( T.A. コズロワ、VS. クチメンコ。表の中の生物学。 M.、2000 )

したがって、ATP は細胞内の一種のエネルギー蓄積物質であり、分解されると「放出」されます。 ATP の分解は、タンパク質、脂肪、炭水化物、および細胞のその他の重要な機能の合成反応中に発生します。これらの反応は、物質の分解中に抽出されるエネルギーの吸収によって起こります。

ATPが合成されるミトコンドリアではいくつかの段階に分かれています。一つ目は 準備 -段階的に進行し、各段階で特定の酵素が関与します。この場合、複雑な有機化合物はモノマーに分解されます。タンパク質はアミノ酸に、炭水化物はグルコースに、核酸はヌクレオチドなどに分解されます。これらの物質の結合の切断には、少量のエネルギーの放出が伴います。生じたモノマーは、他の酵素の影響下でさらに分解されて、二酸化炭素と水までのより単純な物質を形成することがあります。

スキーム 細胞内トコンドリアにおけるATP合成

異化の過程における物質とエネルギーの変換図の説明

ステージ I - 準備段階: 複雑な有機物質は消化酵素の影響を受けて単純なものに分解され、熱エネルギーのみが放出されます。
タンパク質→アミノ酸
脂肪- > グリセロールと脂肪酸
スターチ ->グルコース

ステージ II - 解糖 (無酸素): 膜とは関係なく、硝子質内で行われます。それには酵素が関係します。グルコースは次のように分解されます。

酵母菌では、酸素の関与なしにグルコース分子がエチルアルコールと二酸化炭素に変換されます (アルコール発酵)。

他の微生物では、解糖によってアセトンや酢酸などが生成されることがあります。いずれの場合も、1 つのグルコース分子の分解には 2 つの ATP 分子の生成が伴います。 ATP 分子内の化学結合の形でグルコースが無酸素で分解される間、アネルギーの 40% が保持され、残りは熱として放散されます。

ステージIII - 加水分解（酸素）：ミトコンドリアで行われ、ミトコンドリアマトリックスと内膜に関連し、酵素がそれに関与し、乳酸が分解されます：C3H6O3 + 3H20 --> 3CO2 + 12H。 CO2（二酸化炭素）はミトコンドリアから環境中に放出されます。水素原子は一連の反応に含まれており、その最終結果として ATP が合成されます。これらの反応は次の順序で発生します。

1. 水素原子 H はキャリア酵素の助けを借りてミトコンドリアの内膜に入り、クリステを形成し、そこで酸化されます: H-e--> H+

2. 水素プロトン H+（カチオン）はキャリアによってクリステ膜の外表面に運ばれます。この膜はプロトンを透過しないため、プロトンは膜間空間に蓄積し、プロトン貯蔵所を形成します。

3. 水素電子 eクリステ膜の内面に移動し、酵素オキシダーゼを使用して酸素に直ちに結合し、マイナスに荷電した活性酸素（アニオン）を形成します: O2 + e--> O2-

5. 水素陽子はプロトンチャネルを通過する H+ミトコンドリア内を急いで高レベルのエネルギーを生成します。そのほとんどは、ADP と P (ADP+P-->ATP) およびプロトンからの ATP の合成に使用されます。 H+活性酸素と相互作用して水と分子O2を形成します:
(4Н++202- -->2Н20+02)

したがって、体の呼吸プロセス中にミトコンドリアに入る O2 は、水素陽子 H の追加に必要です。O2 が存在しない場合、電子伝達鎖が機能しなくなるため、ミトコンドリア内のプロセス全体が停止します。ステージ III の一般的な反応:

(2C3NbOz + 6Oz + 36ADP + 36F ---> 6C02 + 36ATP + +42H20)

1 つのグルコース分子が分解された結果、38 個の ATP 分子が形成されます。ステージ II では ATP 2 個、ステージ III では ATP 36 個になります。結果として生じる ATP 分子はミトコンドリアを超えて、エネルギーが必要とされるすべての細胞プロセスに関与します。分裂の際、ATP はエネルギーを放出し (1 つのリン酸結合には 40 kJ が含まれます)、ADP と P (リン酸) の形でミトコンドリアに戻ります。

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