Cząsteczka ATP w biologii: skład, funkcje i rola w organizmie. ATP i jego rola w metabolizmie Etapy syntezy ATP

Schemat 5

Transformacja substancji i energii w procesie dysymilacji obejmuje następujące etapy:

Etap I- przygotowawczy: złożone substancje organiczne pod wpływem enzymów trawiennych rozkładają się na proste i uwalniana jest jedynie energia cieplna.
Białka ® aminokwasy

Tłuszcze ® gliceryna i kwasy tłuszczowe

Skrobia ® glukoza

Etap II- glikoliza (beztlenowa): przeprowadzana w hialoplazmie, niezwiązana z błonami; obejmuje enzymy; Glukoza jest rozkładana:

Etap III- tlen: zachodzi w mitochondriach, związany z macierzą mitochondrialną i błoną wewnętrzną, biorą w niej udział enzymy, kwas pirogronowy ulega rozkładowi

CO 2 (dwutlenek węgla) jest uwalniany z mitochondriów do środowiska. Atom wodoru bierze udział w łańcuchu reakcji, których końcowym efektem jest synteza ATP. Reakcje te zachodzą w następującej kolejności:

1. Atom wodoru H za pomocą enzymów nośnikowych przedostaje się do wewnętrznej błony mitochondrium, tworząc cristae, gdzie ulega utlenieniu:

2. Proton H + (kation wodoru) jest przenoszony przez nośniki na zewnętrzną powierzchnię błony cristae. W przypadku protonów błona ta, podobnie jak zewnętrzna błona mitochondrium, jest nieprzepuszczalna, dlatego gromadzą się one w przestrzeni międzybłonowej, tworząc zbiornik protonów.

3. Elektrony wodoru przenoszone są na wewnętrzną powierzchnię błony cristae i natychmiast łączą się z tlenem za pomocą enzymu oksydazy, tworząc ujemnie naładowany aktywny tlen (anion):

4. Kationy i aniony po obu stronach membrany tworzą przeciwnie naładowane pole elektryczne, a gdy różnica potencjałów osiągnie 200 mV, kanał protonowy zaczyna działać. Występuje w cząsteczkach enzymów syntetazy ATP, które są osadzone w wewnętrznej błonie tworzącej cristae.

5. Przez kanał protonowy protony H + wpadają do mitochondriów, tworząc wysoki poziom energii, z której większość trafia do syntezy ATP z ADP i P (), a same protony H + oddziałują z aktywnym tlenem, tworząc woda i molekularny O 2:

Zatem O 2 przedostający się do mitochondriów podczas procesu oddychania organizmu jest niezbędny do dodania protonów H +. W przypadku jego braku cały proces w mitochondriach zostaje zatrzymany, gdyż przestaje funkcjonować łańcuch transportu elektronów. Ogólna reakcja etapu III:

W wyniku rozpadu jednej cząsteczki glukozy powstaje 38 cząsteczek ATP: w etapie II - 2 ATP i w etapie III - 36 ATP. Powstałe cząsteczki ATP wykraczają poza mitochondria i uczestniczą we wszystkich procesach komórkowych, w których potrzebna jest energia. Podczas rozszczepiania ATP uwalnia energię (jedno wiązanie fosforanowe zawiera 46 kJ) i wraca do mitochondriów w postaci ADP i P (fosforanu).

Rozkład substancji organicznych na prostsze z uwolnieniem energii i jej magazynowaniem w ATP to metabolizm energetyczny. Obejmuje trzy etapy - przygotowawczy, beztlenowy i tlenowy.

Na etapie przygotowawczym, choć uwalniana jest energia, nie jest ona magazynowana w ATP, lecz rozpraszana w postaci ciepła.

Etap beztlenowy zachodzi w cytoplazmie i prowadzi do rozkładu każdej cząsteczki glukozy na dwie cząsteczki kwasu pirogronowego. W tym przypadku uwalniana jest niewielka ilość energii, dlatego syntezowane są tylko dwie cząsteczki ATP.

Etap tlenowy metabolizmu energetycznego zachodzi w mitochondriach. Tutaj kwas pirogronowy utlenia się do dwutlenku węgla i wody, uwalnia się dużo energii i syntetyzuje się około 36 cząsteczek ATP.

Biosynteza białek i synteza tłuszczów odnoszą się do metabolizmu tworzyw sztucznych, gdy bardziej złożone są syntetyzowane z prostszych związków. Takie procesy nie zachodzą wraz z uwalnianiem energii, ale z jej zużyciem. ATP pełni tu rolę dostawcy energii, rozkładając się na ADP i kwas fosforowy.

W biologii skrót ATP oznacza substancję organiczną (monomer) adenozynotrifosforan(kwas adenozynotrójfosforowy). Ze względu na budowę chemiczną jest to trifosforan nukleozydu.

ATP zawiera ryboza, adenina, trzy reszty kwasu fosforowego. Fosforany są ze sobą połączone sekwencyjnie. Ponadto dwa ostatnie to tzw. wiązania wysokoenergetyczne, których rozerwanie dostarcza komórce dużą ilość energii.

Zatem ATP działa w komórce funkcja energetyczna.

Większość cząsteczek ATP powstaje w mitochondriach podczas reakcji oddychania komórkowego. W komórkach stale syntetyzowana i rozkładana jest duża liczba cząsteczek kwasu adenozynotrifosforowego.

Usuwanie grup fosforanowych następuje głównie przy udziale enzymu ATPazy i jest reakcją hydrolizy (dodania wody):

ATP + H2O = ADP + H3PO4 + E,

gdzie E jest uwolnioną energią, która trafia do różnych procesów komórkowych (synteza innych substancji organicznych, ich transport, ruch organelli i komórek, termoregulacja itp.).

Według różnych źródeł ilość wydzielonej energii waha się od 30 do 60 kJ/mol.

ADP to difosforan adenozyny, który zawiera już dwie reszty kwasu fosforowego.

Najczęściej następnie ponownie dodaje się do niego fosforan, tworząc ATP:

ADP + H3PO4 = ATP + H2O – E.

Reakcja ta zachodzi wraz z absorpcją energii, której akumulacja następuje w wyniku szeregu reakcji enzymatycznych i procesów przenoszenia jonów (głównie w matrixie i na wewnętrznej błonie mitochondriów). Ostatecznie energia jest akumulowana w grupie fosforanowej przyłączonej do ADP.

Jednakże inny fosforan związany wiązaniem wysokoenergetycznym może zostać oddzielony od ADP i powstaje AMP (monofosforan adenozyny).

AMP jest częścią RNA. Stąd inną funkcją kwasu adenozynotrójfosforowego jest to, że służy jako źródło surowców do syntezy szeregu związków organicznych.

Zatem cechy strukturalne ATP, jego funkcjonalne zastosowanie jedynie jako źródła energii w procesach metabolicznych, umożliwiają komórkom posiadanie jednolitego i uniwersalnego systemu odbioru energii chemicznej.

Powiązany artykuł: Etapy metabolizmu energetycznego

Proces fosforylacji to reakcja przeniesienia grupy fosforylowej z jednego związku na inny przy udziale enzymu kinazy. ATP jest syntetyzowany poprzez fosforylację oksydacyjną i substratową.

Fosforylacja oksydacyjna to synteza ATP poprzez dodanie nieorganicznego fosforanu do ADP przy wykorzystaniu energii uwolnionej podczas utleniania substancji bioorganicznych.

ADP + ~P → ATP

Produktem pośrednim metabolizmu węglowodanów jest kwas fosfoenolopirogronowy, który przenosi grupę fosforylową ADP z wiązaniem wysokoenergetycznym:

2.

Druga faza. Po transporcie monomery (produkty rozkładu związków bioorganicznych) przedostają się do komórek, gdzie ulegają utlenieniu.

W wyniku utleniania cząsteczek paliwa (aminokwasów, glukozy, tłuszczów) powstaje związek acetylo-Co-A. Na tym etapie uwalniane jest około 30% energii substancji spożywczych.

Trzeci etap – cykl Krebsa – to zamknięty układ biochemicznych reakcji redoks. Cykl nosi imię angielskiego biochemika Hansa Krebsa, który postulował i potwierdził eksperymentalnie podstawowe reakcje utleniania tlenowego. Za swoje badania Krebs otrzymał Nagrodę Nobla (1953).

Cykl ma jeszcze dwie nazwy:

II.

Proces ten jest reakcją odwodnienia katalizowaną przez enzym akonitazę.

Proces ten jest reakcją hydratacji katalizowaną przez enzym akonitazę.

IV.

Reakcje 4 i 5 to oksydacyjna dekarboksylacja, katalizowana przez dehydrogenazę izocytrynianową, ze szczawiobursztynianem jako związkiem pośrednim.

Ta reakcja jest również reakcją oksydacyjnej dekarboksylacji, tj. Oto druga reakcja redoks:

α-oksoglutaran + NAD + CoA Sukcynylo-CoA + CO2 + NADH

VII.

GTP + ADP ATP + PKB

X. Czwarta reakcja redoks:

Cztery reakcje cyklu to redoks, katalizowane przez enzymy - dehydrogenazy zawierające koenzymy NAD i FAD. Koenzymy wychwytują powstałe H+ i ē i przekazują je do łańcucha oddechowego (łańcuch utleniania biologicznego). Elementy łańcucha oddechowego znajdują się na wewnętrznej błonie mitochondriów.

Łańcuch oddechowy to układ reakcji redoks, podczas których następuje stopniowe przeniesienie H+ i ē do O2, który dostaje się do organizmu w wyniku oddychania.

ATP powstaje w łańcuchu oddechowym. Głównymi nośnikami ē w łańcuchu są białka zawierające żelazo i miedź (cytochromy), koenzym Q (ubichinon). W łańcuchu znajduje się 5 cytochromów (b1, c1, c, a, a3).

Grupą prostetyczną cytochromów b1, c1, c jest hem zawierający żelazo. Mechanizm działania tych cytochromów polega na tym, że zawierają one atom żelaza o zmiennej wartościowości, który w wyniku przeniesienia ē i H+ może znajdować się zarówno w stanie utlenionym, jak i zredukowanym:

Cytochromy a i a3 tworzą kompleks oksydazy cytochromowej, będący ostatnim ogniwem łańcucha oddechowego.

Oksydaza cytochromowa zawiera oprócz żelaza miedź o zmiennej wartościowości. Podczas transportu ē z cytochromu a3 do molekularnego O2 zachodzi proces

Poprzedni9101112131415161718192021222324Następny

ZOBACZ WIĘCEJ:



Informacja zwrotna

KOGNITYWNY

Siła woli prowadzi do działania, a pozytywne działania prowadzą do pozytywnego nastawienia.

Skąd Twój cel wie, czego chcesz, zanim zaczniesz działać.

Jak firmy przewidują nawyki i manipulują nimi

Uzdrawiający nawyk

Jak samemu pozbyć się urazy

Sprzeczne poglądy na temat cech właściwych mężczyznom

Trening pewności siebie

Pyszna „Sałatka Z Buraków Z Czosnkiem”

Martwa natura i jej możliwości wizualne

Aplikacja, jak wziąć mumiyo? Shilajit na włosy, twarz, złamania, krwawienie itp.

Jak nauczyć się brać odpowiedzialność

Dlaczego granice są potrzebne w relacjach z dziećmi?

Elementy odblaskowe na odzieży dziecięcej

Jak pokonać swój wiek?

Osiem unikalnych sposobów na osiągnięcie długowieczności

Klasyfikacja otyłości według BMI (WHO)

Rozdział 3. Przymierze mężczyzny z kobietą

Osie i płaszczyzny ciała ludzkiego - Ciało ludzkie składa się z określonych części topograficznych i obszarów, w których znajdują się narządy, mięśnie, naczynia, nerwy itp.

Dłutowanie ścian i wycinanie ościeży - Kiedy w domu nie ma wystarczającej ilości okien i drzwi, piękny wysoki ganek jest tylko w wyobraźni, trzeba wspiąć się z ulicy do domu po drabinie.

Równania różniczkowe drugiego rzędu (model rynku z przewidywalnymi cenami) - W prostych modelach rynkowych zwykle zakłada się, że podaż i popyt zależą wyłącznie od bieżącej ceny produktu.

Drogi syntezy ATP w organizmie

Proces fosforylacji to reakcja przeniesienia grupy fosforylowej z jednego związku na inny przy udziale enzymu kinazy.

ATP jest syntetyzowany poprzez fosforylację oksydacyjną i substratową. Fosforylacja oksydacyjna to synteza ATP poprzez dodanie nieorganicznego fosforanu do ADP przy wykorzystaniu energii uwolnionej podczas utleniania substancji bioorganicznych.

ADP + ~P → ATP

Fosforylacja substratu to bezpośrednie przeniesienie grupy fosforylowej z wysokoenergetycznym wiązaniem ADP w celu syntezy ATP.

Przykłady fosforylacji substratu:

1. Produktem pośrednim metabolizmu węglowodanów jest kwas fosfoenolopirogronowy, który przenosi grupę fosforylową ADP z wiązaniem wysokoenergetycznym:

Oddziaływanie produktu pośredniego cyklu Krebsa – wysokoenergetycznego sukcynylo-Co-A – z ADP w celu utworzenia jednej cząsteczki ATP.

Przyjrzyjmy się trzem głównym etapom uwalniania energii i syntezy ATP w organizmie.

Pierwszy etap (przygotowawczy) obejmuje trawienie i wchłanianie.

Na tym etapie uwalniane jest 0,1% energii składników pokarmowych.

Druga faza. Po transporcie monomery (produkty rozkładu związków bioorganicznych) przedostają się do komórek, gdzie ulegają utlenieniu. W wyniku utleniania cząsteczek paliwa (aminokwasów, glukozy, tłuszczów) powstaje związek acetylo-Co-A. Na tym etapie uwalniane jest około 30% energii substancji spożywczych.

Trzeci etap – cykl Krebsa – to zamknięty układ biochemicznych reakcji redoks.

Cykl nosi imię angielskiego biochemika Hansa Krebsa, który postulował i potwierdził eksperymentalnie podstawowe reakcje utleniania tlenowego. Za swoje badania Krebs otrzymał Nagrodę Nobla (1953). Cykl ma jeszcze dwie nazwy:

- cykl kwasów trikarboksylowych, gdyż obejmuje reakcje przemian kwasów trikarboksylowych (kwasów zawierających trzy grupy karboksylowe);

- cykl kwasu cytrynowego, ponieważ pierwszą reakcją cyklu jest utworzenie kwasu cytrynowego.

Cykl Krebsa obejmuje 10 reakcji, z których cztery to reakcje redoks.

Podczas reakcji uwalniane jest 70% energii.

Biologiczna rola tego cyklu jest niezwykle ważna, ponieważ jest to wspólny punkt końcowy rozkładu oksydacyjnego wszystkich głównych pokarmów.

Jest to główny mechanizm utleniania w komórce, w przenośni nazywany „kotłem” metabolicznym. Podczas utleniania cząsteczek paliwa (węglowodanów, aminokwasów, kwasów tłuszczowych) organizm otrzymuje energię w postaci ATP, które po przekształceniu w acetylo-Co-A przechodzi do cyklu Krebsa.

Ponadto cykl kwasów trikarboksylowych dostarcza produkty pośrednie do procesów biosyntezy. Cykl ten zachodzi w macierzy mitochondrialnej.

Rozważ reakcje cyklu Krebsa:

Cykl rozpoczyna się od kondensacji czterowęglowego składnika szczawiooctanu i dwuwęglowego składnika acetylo-Co-A.

Reakcja jest katalizowana przez syntazę cytrynianową i obejmuje kondensację aldolową, po której następuje hydroliza. Półproduktem jest cytril-Co-A, który ulega hydrolizie do cytrynianu i CoA:

To jest pierwsza reakcja redoks.

Reakcję katalizuje kompleks dehydrogenazy α-oksoglutaranu składający się z trzech enzymów:

Sukcynyl zawiera wiązanie bogate w energię.

Rozszczepienie wiązania tioestrowego sukcynylo-CoA jest związane z fosforylacją difosforanu guanozyny (GDP):

Sukcynylo-CoA + ~ F + Bursztynian PKB + GTP +CoA

Grupa fosforylowa GTP jest łatwo przenoszona na ADP, tworząc ATP:

GTP + ADP ATP + PKB

Jest to jedyna reakcja w cyklu będąca reakcją fosforylacji substratu.

Oto trzecia reakcja redoks:

Cykl Krebsa wytwarza dwutlenek węgla, protony i elektrony.

Cztery reakcje cyklu to redoks, katalizowane przez enzymy - dehydrogenazy zawierające koenzymy NAD i FAD. Koenzymy wychwytują powstałe H+ i ē i przekazują je do łańcucha oddechowego (łańcuch utleniania biologicznego).

Elementy łańcucha oddechowego znajdują się na wewnętrznej błonie mitochondriów.

Łańcuch oddechowy to układ reakcji redoks, podczas których następuje stopniowe przeniesienie H+ i ē do O2, który dostaje się do organizmu w wyniku oddychania. ATP powstaje w łańcuchu oddechowym.

Głównymi nośnikami ē w łańcuchu są białka zawierające żelazo i miedź (cytochromy), koenzym Q (ubichinon). W łańcuchu znajduje się 5 cytochromów (b1, c1, c, a, a3).

Grupą prostetyczną cytochromów b1, c1, c jest hem zawierający żelazo.

Mechanizm działania tych cytochromów polega na tym, że zawierają one atom żelaza o zmiennej wartościowości, który w wyniku przeniesienia ē i H+ może znajdować się zarówno w stanie utlenionym, jak i zredukowanym:

Końcowa reakcja zachodząca na oksydazie cytochromowej ma postać

Bilans energetyczny cyklu Krebsa i łańcucha oddechowego to 24 cząsteczki ATP.

Schemat cyklu Krebsa

Energia powstająca podczas rozkładu substancji organicznych nie jest od razu wykorzystywana przez komórkę, lecz magazynowana w postaci związków wysokoenergetycznych, najczęściej w postaci kwas adenozynotrójfosforowy (ATP).

ATP jest klasyfikowany jako mononukleotyd. Składa się z reszt adeniny, rybozy i trzech kwasów fosforowych, połączonych ze sobą wiązaniami wysokoenergetycznymi.

Wiązania te magazynują energię, która jest uwalniana w przypadku ich zerwania:

ATP + H2O → ADP + H3PO4 + Q1,
ADP + H2O → AMP + H3PO4 + Q2,
AMP + H2O → adenina + ryboza + H3PO4 + Q3,

gdzie ATP oznacza kwas adenozynotrójfosforowy; ADP – kwas acenozynodifosforowy; AMP - kwas adenozynomonofosforowy; Q1 = Q2 = 30,6 kJ; Q3 = 13,8 kJ.

Zapas ATP w komórce jest ograniczony i jest uzupełniany w wyniku procesu fosforylacji - dodania reszty kwasu fosforowego do ADP (ADP + P → ATP).

Zachodzi z różną szybkością podczas oddychania, fermentacji i fotosyntezy. ATP odnawia się niezwykle szybko (u ludzi czas życia jednej cząsteczki ATP jest krótszy niż 1 minuta).

Energia zgromadzona w cząsteczkach ATP jest wykorzystywana przez organizm w reakcjach anabolicznych (reakcjach biosyntezy).

Cząsteczka ATP służy jako uniwersalny magazyn i nośnik energii dla wszystkich żywych istot.

Anatomia i fizjologia ośrodkowego układu nerwowego

4. Metabolizm tłuszczów, ich rola biologiczna, pojemność cieplna, udział w metabolizmie.

Wartość energetyczna tłuszczów. Złogi tłuszczu

Tłuszcze są związkami organicznymi wchodzącymi w skład tkanek zwierzęcych i roślinnych i składają się głównie z trójglicerydów (estrów gliceryny i różnych kwasów tłuszczowych). Oprócz trójglicerydów tłuszcze zawierają także substancje...

Wpływ nawozów organicznych na mikroflorę glebową

2.

Rola mikroorganizmów w obiegu substancji w przyrodzie

Aktywność chemiczna mikroorganizmów objawia się w ciągłym cyklu azotu, fosforu, siarki, węgla i innych substancji. Przy najaktywniejszym, szerokim udziale mikroorganizmów w przyrodzie, głównie w glebie i hydrosferze...

Hormon oksytocyny

1.

Budowa chemiczna i synteza oksytocyny

Oksytocyna nie jest własnym hormonem neuroprzysadki mózgowej, lecz jedynie się w niej gromadzi, przemieszczając się wzdłuż aksonów pęczka podwzgórzowo-przysadkowego z jąder przedniego podwzgórza - nadwzrokowego i przykomorowego...

3.

Reaktywność substancji, analiza i synteza

Nauki przyrodnicze na poziomie molekularnym

3. Reaktywność substancji, analiza i synteza

Zależność poziomu hormonów tyreotropowych i tarczycy od chorób tarczycy

2.5 Wpływ substancji na syntezę hormonów tarczycy

Obecnie uważa się, że wpływ na syntezę różnych substancji jest mieszany.

Tezę tę potwierdza artykuł R.V.

Kubasova, E.D....

Mikroorganizmy w obiegu substancji w przyrodzie

Rola mikroorganizmów w obiegu substancji w przyrodzie

Za pomocą mikroorganizmów związki organiczne pochodzenia roślinnego i zwierzęcego są mineralizowane do węgla, azotu, siarki, fosforu, żelaza itp.

Obieg węgla. Rośliny biorą czynny udział w obiegu węgla...

Mikroorganizmy wyizolowane z różnych naturalnych tłuszczów

1.1 Struktura substancji tłuszczowych

Tłuszcze są substancjami nielotnymi i po podgrzaniu do temperatury 250-300°C rozkładają się, tworząc substancje lotne uwalniające się w postaci par, gazów i dymu.

Tłuszcze są słabymi przewodnikami ciepła...

Rozdział 4. Wątroba, jej rola w metabolizmie

Metabolizm białek. Metabolizm tłuszczów. Metabolizm węglowodanów. Wątroba, jej rola w metabolizmie

4.3 Rola wątroby w metabolizmie

Rozważając metabolizm białek, tłuszczów i węglowodanów, wielokrotnie poruszaliśmy temat wątroby.

Wątroba jest najważniejszym narządem syntezy białek. Wytwarza całą albuminę we krwi, większość czynników krzepnięcia...

Podstawowe zasady żywienia

7. Rola składników mineralnych w żywieniu człowieka

W zależności od ilości składników mineralnych w organizmie człowieka oraz w produktach spożywczych dzieli się je na makro- i mikroelementy.

Do tych pierwszych zalicza się wapń, potas, magnez, sód, fosfor, chlor, siarkę...

Rola mikroorganizmów w obiegu pierwiastków chemicznych w przyrodzie

4. Rola mikroorganizmów w obiegu siarki w przyrodzie, ich znaczenie w przemianach substancji i zastosowanie praktyczne

Cykl siarkowy zachodzi w wyniku działania bakterii, które go utleniają lub redukują.

Procesy redukcji siarki zachodzą na kilka sposobów. Pod wpływem bakterii gnilnych - Clostridia...

4.2 Karotenoidy. Ich budowa, funkcje i rola fizjologiczna

Karotenoidy – rozpuszczalne w tłuszczach pigmenty żółte, pomarańczowe i czerwone – są obecne w chloroplastach wszystkich roślin. Są także częścią chromoplastów w niezielonych częściach roślin, na przykład w korzeniach marchwi...

Fotosynteza jako podstawa energii w biosferze

4.3 Fikobiliny.

Ich budowa, funkcje i rola fizjologiczna

Niebiesko-zielone algi (sinice), krasnorosty i niektóre kryptomonady morskie zawierają oprócz chlorofilu A i karotenoidów pigmenty fikobiliny.

Metabolizm energetyczny mikroorganizmów

1.

Ogólne pojęcia dotyczące metabolizmu i energii

Wszystkie żywe organizmy mogą wykorzystywać wyłącznie energię związaną chemicznie. Każda substancja ma określoną ilość energii potencjalnej. Głównymi nośnikami materialnymi jego wiązań chemicznych...

Główny źródło energii dla komórki to składniki odżywcze: węglowodany, tłuszcze i białka, które ulegają utlenieniu za pomocą tlenu. Prawie wszystkie węglowodany, zanim dotrą do komórek organizmu, ulegają przemianie w glukozę dzięki pracy przewodu pokarmowego i wątroby. Wraz z węglowodanami, białka rozkładają się na aminokwasy, a lipidy na kwasy tłuszczowe.W komórce składniki odżywcze ulegają utlenianiu pod wpływem tlenu i przy udziale enzymów kontrolujących reakcje uwalniania energii i jej wykorzystania.

Prawie wszystkie reakcje oksydacyjne zachodzą w mitochondriach, a uwolniona energia magazynowana jest w postaci wysokoenergetycznego związku – ATP. Następnie to ATP, a nie składniki odżywcze, służy do zaopatrzenia w energię wewnątrzkomórkowych procesów metabolicznych.

Cząsteczka ATP zawiera: (1) zasadę azotową – adeninę; (2) pentozowo-węglowodanowy ryboza, (3) trzy reszty kwasu fosforowego. Dwa ostatnie fosforany są połączone ze sobą i z resztą cząsteczki wysokoenergetycznymi wiązaniami fosforanowymi, oznaczonymi we wzorze ATP symbolem ~. W zależności od warunków fizykochemicznych charakterystycznych dla organizmu, energia każdego takiego wiązania wynosi 12 000 kalorii na 1 mol ATP, co jest wielokrotnie większą energią niż energia zwykłego wiązania chemicznego, dlatego wiązania fosforanowe nazywane są wysoko- energia. Co więcej, połączenia te łatwo ulegają zniszczeniu, dostarczając energii procesom wewnątrzkomórkowym, gdy tylko zajdzie taka potrzeba.

Po zwolnieniu Energia ATP przekazuje grupę fosforanową i staje się difosforanem adenozyny. Uwolniona energia wykorzystywana jest w niemal wszystkich procesach komórkowych, na przykład w reakcjach biosyntezy i skurczu mięśni.

Schemat powstawania trifosforanu adenozyny w komórce, pokazujący kluczową rolę mitochondriów w tym procesie.
IG - glukoza; FA – kwasy tłuszczowe; AA to aminokwas.

Uzupełnianie ATP zachodzi poprzez rekombinację ADP z resztą kwasu fosforowego kosztem energii odżywczej. Proces ten powtarza się wielokrotnie. ATP ulega ciągłemu zużyciu i magazynowaniu, dlatego nazywa się go walutą energetyczną komórki. Czas obrotu ATP to tylko kilka minut.

Rola mitochondriów w reakcjach chemicznych powstawania ATP. Kiedy glukoza dostaje się do komórki, pod wpływem enzymów cytoplazmatycznych ulega przekształceniu w kwas pirogronowy (proces ten nazywa się glikolizą). Energia uwolniona w tym procesie jest zużywana na przekształcenie niewielkiej ilości ADP w ATP, co stanowi mniej niż 5% całkowitych rezerw energii.

95% zachodzi w mitochondriach. Kwas pirogronowy, kwasy tłuszczowe i aminokwasy, powstałe odpowiednio z węglowodanów, tłuszczów i białek, ostatecznie przekształcają się w związek zwany acetylo-CoA w macierzy mitochondrialnej. Związek ten z kolei wchodzi w szereg reakcji enzymatycznych zwanych łącznie cyklem kwasów trikarboksylowych lub cyklem Krebsa, aby uwolnić swoją energię.

W pętli kwasy trikarboksylowe acetylo-CoA rozpada się na atomy wodoru i cząsteczki dwutlenku węgla. Dwutlenek węgla jest usuwany z mitochondriów, następnie na zewnątrz komórki poprzez dyfuzję i usuwany z organizmu przez płuca.

Atomy wodoru chemicznie bardzo aktywne i dlatego natychmiast reagują z tlenem przedostającym się do mitochondriów. Duża ilość energii uwolnionej w tej reakcji jest wykorzystywana do przekształcenia wielu cząsteczek ADP w ATP. Reakcje te są dość złożone i wymagają udziału ogromnej liczby enzymów wchodzących w skład mitochondrialnych cristae. W początkowej fazie elektron oddziela się od atomu wodoru, a atom zamienia się w jon wodoru. Proces kończy się dodaniem jonów wodoru do tlenu. W wyniku tej reakcji powstaje woda i duża ilość energii, która jest niezbędna do działania syntetazy ATP, dużego, kulistego białka, które w postaci guzków wystaje na powierzchnię mitochondrialnych cristae. Pod wpływem tego enzymu, który wykorzystuje energię jonów wodoru, ADP przekształca się w ATP. Nowe cząsteczki ATP wysyłane są z mitochondriów do wszystkich części komórki, łącznie z jądrem, gdzie energia tego związku wykorzystywana jest do realizacji różnorodnych funkcji.
Ten proces Synteza ATP ogólnie określany jako chemiosmotyczny mechanizm wytwarzania ATP.

Zastosowanie mitochondrialnego adenozynotrifosforanu do realizacji trzech ważnych funkcji komórkowych:
transport błonowy, syntezę białek i skurcz mięśni.

W każdej komórce naszego ciała zachodzą miliony reakcji biochemicznych. Są katalizowane przez różne enzymy, które często wymagają energii. Skąd komórka to bierze? Na to pytanie można odpowiedzieć, jeśli weźmiemy pod uwagę strukturę cząsteczki ATP – jednego z głównych źródeł energii.

ATP jest uniwersalnym źródłem energii

ATP oznacza trifosforan adenozyny lub trifosforan adenozyny. Substancja jest jednym z dwóch najważniejszych źródeł energii w każdej komórce. Struktura ATP i jego rola biologiczna są ze sobą ściśle powiązane. Większość reakcji biochemicznych może zachodzić tylko przy udziale cząsteczek substancji, jest to szczególnie prawdziwe, jednak ATP rzadko bierze bezpośredni udział w reakcji: aby jakikolwiek proces mógł nastąpić, potrzebna jest energia zawarta właśnie w trójfosforanie adenozyny.

Struktura cząsteczek substancji jest taka, że ​​wiązania utworzone między grupami fosforanowymi przenoszą ogromną ilość energii. Dlatego takie wiązania nazywane są również makroergicznymi lub makroenergetycznymi (makro=dużo, duża ilość). Termin ten po raz pierwszy wprowadził naukowiec F. Lipman, który zaproponował także używanie do ich oznaczenia symbolu ̴.

Dla komórki bardzo ważne jest utrzymywanie stałego poziomu adenozynotrójfosforanu. Dotyczy to zwłaszcza komórek tkanki mięśniowej i włókien nerwowych, gdyż to one są najbardziej energochłonne i do pełnienia swoich funkcji wymagają dużej zawartości adenozynotrójfosforanu.

Struktura cząsteczki ATP

Trifosforan adenozyny składa się z trzech pierwiastków: rybozy, adeniny i reszt

Ryboza- węglowodan należący do grupy pentoz. Oznacza to, że ryboza zawiera 5 atomów węgla, które są zamknięte w cyklu. Ryboza łączy się z adeniną poprzez wiązanie β-N-glikozydowe na pierwszym atomie węgla. Do pentozy dodaje się także reszty kwasu fosforowego na 5. atomie węgla.

Adenina jest zasadą azotową. W zależności od tego, która zasada azotowa jest przyłączona do rybozy, wyróżnia się także GTP (trifosforan guanozyny), TTP (trifosforan tymidyny), CTP (trifosforan cytydyny) i UTP (trifosforan urydyny). Wszystkie te substancje mają podobną strukturę do trifosforanu adenozyny i pełnią w przybliżeniu te same funkcje, ale są znacznie mniej powszechne w komórce.

Pozostałości kwasu fosforowego. Do rybozy można przyłączyć maksymalnie trzy reszty kwasu fosforowego. Jeśli są dwa lub tylko jeden, wówczas substancję nazywa się ADP (difosforan) lub AMP (monofosforan). To właśnie pomiędzy resztami fosforu tworzą się wiązania makroenergetyczne, po zerwaniu których uwalnia się od 40 do 60 kJ energii. W przypadku zerwania dwóch wiązań uwalnia się 80, rzadziej - 120 kJ energii. Kiedy wiązanie pomiędzy rybozą a resztą fosforu zostaje zerwane, uwalniane jest jedynie 13,8 kJ, zatem w cząsteczce trifosforanu (P ̴ P ̴ P) występują tylko dwa wiązania wysokoenergetyczne, a w cząsteczce ADP jedno (P ̴ P).

Są to cechy strukturalne ATP. Dzięki temu, że pomiędzy resztami kwasu fosforowego powstaje wiązanie makroenergetyczne, struktura i funkcje ATP są ze sobą powiązane.

Struktura ATP i biologiczna rola cząsteczki. Dodatkowe funkcje trifosforanu adenozyny

Oprócz energii ATP może pełnić w komórce wiele innych funkcji. Wraz z innymi trifosforanami nukleotydów, trifosforan bierze udział w budowie kwasów nukleinowych. W tym przypadku dostawcami zasad azotowych są firmy ATP, GTP, TTP, CTP i UTP. Ta właściwość jest wykorzystywana w procesach i transkrypcji.

ATP jest również niezbędny do funkcjonowania kanałów jonowych. Na przykład kanał Na-K pompuje 3 cząsteczki sodu z komórki i pompuje do komórki 2 cząsteczki potasu. Ten prąd jonowy jest potrzebny do utrzymania ładunku dodatniego na zewnętrznej powierzchni membrany i tylko przy pomocy trójfosforanu adenozyny kanał może działać. To samo dotyczy kanałów protonowych i wapniowych.

ATP jest prekursorem drugiego przekaźnika cAMP (cyklicznego monofosforanu adenozyny) – cAMP nie tylko przekazuje sygnał odbierany przez receptory błony komórkowej, ale jest także efektorem allosterycznym. Efektory allosteryczne to substancje przyspieszające lub spowalniające reakcje enzymatyczne. Zatem cykliczny trifosforan adenozyny hamuje syntezę enzymu katalizującego rozkład laktozy w komórkach bakteryjnych.

Sama cząsteczka trifosforanu adenozyny może również być efektorem allosterycznym. Co więcej, w takich procesach ADP działa jako antagonista ATP: jeśli trifosforan przyspiesza reakcję, to difosforan ją hamuje i odwrotnie. Oto funkcje i struktura ATP.

Jak powstaje ATP w komórce?

Funkcje i struktura ATP są takie, że cząsteczki substancji są szybko wykorzystywane i niszczone. Dlatego synteza trifosforanów jest ważnym procesem w tworzeniu energii w komórce.

Istnieją trzy najważniejsze metody syntezy trifosforanu adenozyny:

1. Fosforylacja podłoża.

2. Fosforylacja oksydacyjna.

3. Fotofosforylacja.

Fosforylacja substratu opiera się na wielu reakcjach zachodzących w cytoplazmie komórki. Reakcje te nazywane są glikolizą – etapem beztlenowym.W wyniku 1 cyklu glikolizy z 1 cząsteczki glukozy syntetyzowane są dwie cząsteczki, które następnie wykorzystywane są do produkcji energii, a także syntetyzowane są dwa ATP.

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

Oddychanie komórkowe

Fosforylacja oksydacyjna polega na tworzeniu trójfosforanu adenozyny poprzez przenoszenie elektronów wzdłuż łańcucha transportu elektronów przez błonę. W wyniku tego przeniesienia po jednej stronie membrany powstaje gradient protonów i za pomocą integralnego zestawu białek syntazy ATP budowane są cząsteczki. Proces zachodzi na błonie mitochondrialnej.

Kolejność etapów glikolizy i fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach stanowi wspólny proces zwany oddychaniem. Po pełnym cyklu z 1 cząsteczki glukozy w komórce powstaje 36 cząsteczek ATP.

Fotofosforylacja

Proces fotofosforylacji przebiega tak samo, jak fosforylacja oksydacyjna, z jedną tylko różnicą: reakcje fotofosforylacji zachodzą w chloroplastach komórki pod wpływem światła. ATP powstaje podczas lekkiej fazy fotosyntezy, głównego procesu wytwarzania energii w roślinach zielonych, algach i niektórych bakteriach.

Podczas fotosyntezy elektrony przechodzą przez ten sam łańcuch transportu elektronów, co powoduje powstanie gradientu protonów. Źródłem syntezy ATP jest koncentracja protonów po jednej stronie błony. Montaż cząsteczek odbywa się za pomocą enzymu syntazy ATP.

Przeciętna komórka zawiera wagowo 0,04% adenozynotrifosforanu. Największą wartość obserwuje się jednak w komórkach mięśniowych: 0,2-0,5%.

W komórce znajduje się około 1 miliarda cząsteczek ATP.

Każda cząsteczka żyje nie dłużej niż 1 minutę.

Jedna cząsteczka trifosforanu adenozyny odnawia się 2000-3000 razy dziennie.

W sumie organizm ludzki syntetyzuje 40 kg adenozynotrifosforanu dziennie, a w danym momencie rezerwa ATP wynosi 250 g.

Wniosek

Struktura ATP i biologiczna rola jego cząsteczek są ze sobą ściśle powiązane. Substancja odgrywa kluczową rolę w procesach życiowych, ponieważ wysokoenergetyczne wiązania pomiędzy resztami fosforanowymi zawierają ogromną ilość energii. Trójfosforan adenozyny pełni w komórce wiele funkcji, dlatego ważne jest utrzymanie stałego stężenia tej substancji. Rozpad i synteza zachodzą z dużą szybkością, ponieważ energia wiązań jest stale wykorzystywana w reakcjach biochemicznych. Jest to substancja niezbędna dla każdej komórki organizmu. To chyba wszystko, co można powiedzieć o strukturze ATP.

Kwas adenozynotrójfosforowy-ATP- niezbędny składnik energetyczny każdej żywej komórki. ATP jest także nukleotydem składającym się z zasady azotowej adeniny, cukru rybozy i trzech reszt cząsteczki kwasu fosforowego. To jest niestabilna konstrukcja. W procesach metabolicznych reszty kwasu fosforowego są od niego sekwencyjnie oddzielane poprzez rozbicie bogatego w energię, ale kruchego wiązania pomiędzy drugą i trzecią resztą kwasu fosforowego. Oderwaniu jednej cząsteczki kwasu fosforowego towarzyszy wyzwolenie około 40 kJ energii. W tym przypadku ATP przekształca się w kwas adenozynodifosforowy (ADP), a w wyniku dalszego odszczepienia reszty kwasu fosforowego od ADP powstaje kwas adenozynomonofosforowy (AMP).

Schemat budowy ATP i jego konwersji do ADP ( TA Kozłowa, V.S. Kuczmienko. Biologia w tabelach. M., 2000 )

W konsekwencji ATP jest rodzajem akumulatora energii w komórce, który ulega „rozładowaniu” w wyniku rozkładu. Rozkład ATP następuje podczas reakcji syntezy białek, tłuszczów, węglowodanów i innych funkcji życiowych komórek. Reakcje te polegają na absorpcji energii, która jest wydobywana podczas rozkładu substancji.

Syntetyzuje się ATP w mitochondriach w kilku etapach. Pierwszy jest przygotowawczy - przebiega etapami, z udziałem określonych enzymów na każdym etapie. W tym przypadku złożone związki organiczne rozkładają się na monomery: białka na aminokwasy, węglowodany na glukozę, kwasy nukleinowe na nukleotydy itp. Rozrywaniu wiązań w tych substancjach towarzyszy uwolnienie niewielkiej ilości energii. Powstałe monomery pod wpływem innych enzymów mogą ulegać dalszemu rozkładowi na prostsze substancje, aż do dwutlenku węgla i wody.

Schemat Synteza ATP w mtochondriach komórkowych

OBJAŚNIENIA SCHEMATU PRZEMIANY SUBSTANCJI I ENERGII W PROCESIE DYSYMILIACJI

Etap I - przygotowawczy: złożone substancje organiczne pod wpływem enzymów trawiennych rozkładają się na proste i wydziela się jedynie energia cieplna.
Białka ->aminokwasy
Tłuszcze- > glicerol i kwasy tłuszczowe
Skrobia ->glukoza

Etap II - glikoliza (beztlenowa): prowadzona w hialoplazmie, niezwiązanej z błonami; obejmuje enzymy; Glukoza jest rozkładana:

U grzybów drożdżowych cząsteczka glukozy bez udziału tlenu przekształca się w alkohol etylowy i dwutlenek węgla (fermentacja alkoholowa):

W innych mikroorganizmach glikoliza może skutkować utworzeniem acetonu, kwasu octowego itp. We wszystkich przypadkach rozkładowi jednej cząsteczki glukozy towarzyszy utworzenie dwóch cząsteczek ATP. Podczas beztlenowego rozkładu glukozy w postaci wiązania chemicznego w cząsteczce ATP, 40% anergii zostaje zatrzymane, a reszta zostaje rozproszona w postaci ciepła.

Etap III – hydroliza (tlen): zachodzi w mitochondriach, jest związana z matrix mitochondrialną i błoną wewnętrzną, biorą w niej udział enzymy, ulega rozkładowi kwasu mlekowego: C3H6O3 + 3H20 --> 3CO2+ 12H. CO2 (dwutlenek węgla) jest uwalniany z mitochondriów do środowiska. Atom wodoru bierze udział w łańcuchu reakcji, których końcowym efektem jest synteza ATP. Reakcje te zachodzą w następującej kolejności:

1. Atom wodoru H za pomocą enzymów nośnikowych przedostaje się do wewnętrznej błony mitochondriów, tworząc cristae, gdzie ulega utlenieniu: H-e--> H+

2. Proton wodoru H+(kation) jest przenoszony przez nośniki na zewnętrzną powierzchnię membrany cristae. Błona ta jest nieprzepuszczalna dla protonów, dlatego gromadzą się one w przestrzeni międzybłonowej, tworząc zbiornik protonów.

3. Elektrony wodorowe mi przenoszone są na wewnętrzną powierzchnię błony cristae i natychmiast przyłączają się do tlenu za pomocą enzymu oksydazy, tworząc ujemnie naładowany aktywny tlen (anion): O2 + e--> O2-

4. Kationy i aniony po obu stronach membrany tworzą przeciwnie naładowane pole elektryczne, a gdy różnica potencjałów osiągnie 200 mV, kanał protonowy zaczyna działać. Występuje w cząsteczkach enzymów syntetazy ATP, które są osadzone w wewnętrznej błonie tworzącej cristae.

5. Protony wodoru przechodzą przez kanał protonowy H+ pędzą do mitochondriów, tworząc wysoki poziom energii, której większość trafia na syntezę ATP z ADP i P (ADP+P-->ATP) oraz protonów H+ oddziałują z aktywnym tlenem, tworząc wodę i cząsteczkę 02:
(4Н++202- -->2Н20+02)

Zatem O2, który dostaje się do mitochondriów podczas procesu oddychania organizmu, jest niezbędny do dodania protonów wodoru H. W przypadku jego braku cały proces w mitochondriach zostaje zatrzymany, ponieważ przestaje funkcjonować łańcuch transportu elektronów. Ogólna reakcja etapu III:

(2C3NbOz + 6Oz + 36ADP + 36F ---> 6C02 + 36ATP + +42H2O)

W wyniku rozpadu jednej cząsteczki glukozy powstaje 38 cząsteczek ATP: w etapie II - 2 ATP i w etapie III - 36 ATP. Powstałe cząsteczki ATP wykraczają poza mitochondria i uczestniczą we wszystkich procesach komórkowych, w których potrzebna jest energia. Podczas rozszczepiania ATP uwalnia energię (jedno wiązanie fosforanowe zawiera 40 kJ) i wraca do mitochondriów w postaci ADP i P (fosforanu).