Физиология на АТФ. Молекула АТФ - какво е това и каква е ролята му в организма
Продължение. Виж № 11, 12, 13, 14, 15, 16/2005 г.
Уроци по биология в часовете по природни науки
Разширено планиране, 10 клас
Урок 19
Оборудване:таблици по обща биология, диаграма на структурата на молекулата на АТФ, диаграма на връзката между пластичния и енергийния обмен.
I. Проверка на знанията
Провеждане на биологична диктовка "Органични съединения на живата материя"
Учителят чете тезите под номерата, учениците записват в тетрадката номерата на онези тези, които са подходящи по съдържание за техния вариант.
Вариант 1 - протеини.
Вариант 2 – въглехидрати.
Вариант 3 - липиди.
Вариант 4 - нуклеинови киселини.
1. В чистата си форма те се състоят само от C, H, O атоми.
2. В допълнение към C, H, O атоми, те съдържат N и обикновено S атоми.
3. В допълнение към C, H, O атомите, те съдържат N и P атоми.
4. Те имат относително малко молекулно тегло.
5. Молекулното тегло може да бъде от хиляди до няколко десетки и стотици хиляди далтона.
6. Най-големите органични съединения с молекулно тегло до няколко десетки и стотици милиони далтони.
7. Имат различно молекулно тегло – от много малко до много високо, в зависимост от това дали веществото е мономер или полимер.
8. Състои се от монозахариди.
9. Състои се от аминокиселини.
10. Състои се от нуклеотиди.
11. Те са естери на висши мастни киселини.
12. Основна структурна единица: "азотна основа - пентоза - остатък от фосфорна киселина".
13. Основна структурна единица: "аминокиселини".
14. Основна структурна единица: "монозахарид".
15. Основна структурна единица: "глицерол-мастна киселина".
16. Полимерните молекули са изградени от едни и същи мономери.
17. Полимерните молекули са изградени от подобни, но не съвсем идентични мономери.
18. Не са полимери.
19. Изпълняват почти изключително енергийни, строителни и складови функции, в някои случаи – защитни.
20. Освен енергийна и строителна те изпълняват каталитична, сигнална, транспортна, двигателна и защитна функции;
21. Те съхраняват и предават наследствените свойства на клетката и тялото.
Опция 1 – 2; 5; 9; 13; 17; 20.
Вариант 2 – 1; 7; 8; 14; 16; 19.
Вариант 3 – 1; 4; 11; 15; 18; 19.
Вариант 4– 3; 6; 10; 12; 17; 21.
II. Учене на нов материал
1. Структурата на аденозинтрифосфорната киселина
Освен протеини, нуклеинови киселини, мазнини и въглехидрати, в живата материя се синтезират голям брой други органични съединения. Сред тях важна роля в биоенергетиката на клетката играят аденозин трифосфат (АТФ).АТФ се намира във всички растителни и животински клетки. В клетките аденозинтрифосфорната киселина най-често присъства под формата на соли, т.нар аденозин трифосфати. Количеството на АТФ варира и е средно 0,04% (средно в една клетка има около 1 милиард молекули АТФ). Най-голямо количество АТФ се намира в скелетните мускули (0,2–0,5%).
Молекулата на АТФ се състои от азотна основа - аденин, пентоза - рибоза и три остатъка от фосфорна киселина, т.е. АТФ е специален аденилов нуклеотид. За разлика от други нуклеотиди, АТФ съдържа не един, а три остатъка от фосфорна киселина. АТФ се отнася до макроергични вещества - вещества, съдържащи голямо количество енергия във връзките си.
Пространствен модел (А) и структурна формула (Б) на молекулата на АТФ
От състава на АТФ под действието на АТФ-азните ензими се отцепва остатък от фосфорна киселина. АТФ има силна тенденция да отделя крайната си фосфатна група:
ATP 4– + H 2 O ––> ADP 3– + 30,5 kJ + Fn,
защото това води до изчезване на енергийно неизгодното електростатично отблъскване между съседни отрицателни заряди. Полученият фосфат се стабилизира чрез образуване на енергийно изгодни водородни връзки с водата. Разпределението на заряда в системата ADP + Fn става по-стабилно, отколкото в ATP. В резултат на тази реакция се освобождават 30,5 kJ (при разкъсване на конвенционална ковалентна връзка се освобождават 12 kJ).
За да се подчертае високата енергийна "цена" на връзката фосфор-кислород в АТФ, е прието да се обозначава със знака ~ и да се нарича макроенергийна връзка. Когато една молекула фосфорна киселина се отцепи, АТФ се превръща в ADP (аденозин дифосфорна киселина), а ако две молекули фосфорна киселина се отцепят, тогава АТФ се превръща в AMP (аденозин монофосфорна киселина). Разцепването на третия фосфат е придружено от освобождаването само на 13,8 kJ, така че в молекулата на АТФ има само две макроергични връзки.
2. Образуване на АТФ в клетката
Запасът от АТФ в клетката е малък. Например в мускулите резервите на АТФ са достатъчни за 20-30 контракции. Но един мускул може да работи с часове и да предизвика хиляди контракции. Следователно, заедно с разграждането на АТФ до АДФ, в клетката трябва непрекъснато да се извършва обратен синтез. Има няколко пътя за синтез на АТФ в клетките. Нека ги опознаем.
1. анаеробно фосфорилиране.Фосфорилирането е процесът на синтез на АТФ от АДФ и фосфат с ниско молекулно тегло (Pn). В този случай говорим за безкислородни процеси на окисление на органични вещества (например гликолизата е процесът на безкислородно окисление на глюкозата до пирогроздена киселина). Приблизително 40% от енергията, освободена по време на тези процеси (около 200 kJ / mol глюкоза), се изразходва за синтез на АТФ, а останалата част се разсейва под формата на топлина:
C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Fn -–> 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 4H.
2. Окислително фосфорилиране- това е процесът на синтез на АТФ поради енергията на окисление на органични вещества с кислород. Този процес е открит в началото на 30-те години на миналия век. 20-ти век В.А. Енгелхард. В митохондриите протичат кислородни процеси на окисляване на органични вещества. Приблизително 55% от освободената в този случай енергия (около 2600 kJ / mol глюкоза) се превръща в енергия на химичните връзки на АТФ, а 45% се разсейва под формата на топлина.
Окислителното фосфорилиране е много по-ефективно от анаеробните синтези: ако само 2 молекули АТФ се синтезират по време на гликолизата по време на разграждането на глюкозна молекула, тогава по време на окислителното фосфорилиране се образуват 36 молекули АТФ.
3. Фотофосфорилиране- процесът на синтез на АТФ поради енергията на слънчевата светлина. Този път на синтез на АТФ е характерен само за клетки, способни на фотосинтеза (зелени растения, цианобактерии). Енергията на слънчевите кванти се използва от фотосинтетиците в светлинната фаза на фотосинтезата за синтеза на АТФ.
3. Биологично значение на АТФ
АТФ е в центъра на метаболитните процеси в клетката, като е връзката между реакциите на биологичния синтез и разпадането. Ролята на АТФ в клетката може да се сравни с ролята на батерията, тъй като по време на хидролизата на АТФ се освобождава енергията, необходима за различни жизнени процеси ("разреждане"), а в процеса на фосфорилиране ("зареждане") , АТФ отново натрупва енергия в себе си.
Благодарение на енергията, освободена по време на хидролизата на АТФ, протичат почти всички жизненоважни процеси в клетката и тялото: предаване на нервни импулси, биосинтеза на вещества, мускулни контракции, транспорт на вещества и др.
III. Затвърдяване на знанията
Решаване на биологични проблеми
Задача 1. При бързо бягане често дишаме, има повишено изпотяване. Обяснете тези явления.
Задача 2. Защо замръзващите хора започват да тропат и да скачат в студа?
Задача 3. В известната творба на И. Илф и Е. Петров "Дванадесетте стола" сред много полезни съвети можете да намерите следното: "Дишай дълбоко, ти си развълнуван." Опитайте се да обосновете този съвет от гледна точка на енергийните процеси, протичащи в тялото.
IV. Домашна работа
Започнете да се подготвяте за теста и тествайте (диктувайте тестови въпроси - вижте урок 21).
Урок 20
Оборудване:таблици по обща биология.
I. Обобщаване на знанията по раздела
Работа на студентите с въпроси (индивидуално) с последваща проверка и обсъждане
1. Дайте примери за органични съединения, които включват въглерод, сяра, фосфор, азот, желязо, манган.
2. Как може да се различи живата клетка от мъртвата по йонен състав?
3. Какви вещества се намират в клетката в неразтворен вид? Какви органи и тъкани включват?
4. Дайте примери за макроелементи, включени в активните центрове на ензимите.
5. Какви хормони съдържат микроелементи?
6. Каква е ролята на халогените в човешкото тяло?
7. По какво се различават протеините от изкуствените полимери?
8. Каква е разликата между пептидите и протеините?
9. Как се нарича протеинът, който е част от хемоглобина? От колко субединици се състои?
10. Какво е рибонуклеаза? Колко аминокиселини има в него? Кога е изкуствено синтезиран?
11. Защо скоростта на химичните реакции без ензими е ниска?
12. Какви вещества се транспортират от протеини през клетъчната мембрана?
13. По какво се различават антителата от антигените? Съдържат ли ваксините антитела?
14. Какви вещества разграждат протеините в тялото? Колко енергия се отделя в този случай? Къде и как се неутрализира амонякът?
15. Дайте пример за пептидни хормони: как те участват в регулацията на клетъчния метаболизъм?
16. Каква е структурата на захарта, с която пием чай? Какви други три синонима на това вещество знаете?
17. Защо мазнините в млякото не се събират на повърхността, а са в суспензия?
18. Каква е масата на ДНК в ядрото на соматичните и зародишните клетки?
19. Колко АТФ се използва от човек на ден?
20. От какви протеини хората правят дрехи?
Първична структура на панкреасната рибонуклеаза (124 аминокиселини)
II. Домашна работа.
Продължете подготовката за теста и теста в раздела „Химическа организация на живота“.
Урок 21
I. Провеждане на устно изпитване по въпроси
1. Елементарен състав на клетката.
2. Характеристика на органогенните елементи.
3. Строежът на водната молекула. Водородната връзка и нейното значение в "химията" на живота.
4. Свойства и биологични функции на водата.
5. Хидрофилни и хидрофобни вещества.
6. Катиони и тяхното биологично значение.
7. Аниони и тяхното биологично значение.
8. Полимери. биологични полимери. Разлики между периодични и непериодични полимери.
9. Свойства на липидите, техните биологични функции.
10. Групи въглехидрати, разграничени по структурни особености.
11. Биологични функции на въглехидратите.
12. Елементарен състав на белтъците. Аминокиселини. Образуването на пептиди.
13. Първична, вторична, третична и кватернерна структура на белтъците.
14. Биологична функция на белтъците.
15. Разлики между ензими и небиологични катализатори.
16. Устройството на ензимите. Коензими.
17. Механизмът на действие на ензимите.
18. Нуклеинови киселини. Нуклеотиди и тяхната структура. Образуването на полинуклеотиди.
19. Правила на E.Chargaff. Принципът на допълване.
20. Образуване на двуверижна ДНК молекула и нейната спирализация.
21. Класове клетъчна РНК и техните функции.
22. Разлики между ДНК и РНК.
23. ДНК репликация. Транскрипция.
24. Строеж и биологична роля на АТФ.
25. Образуването на АТФ в клетката.
II. Домашна работа
Продължете подготовката за теста в раздела „Химическа организация на живота“.
Урок 22
I. Провеждане на писмен тест
Опция 1
1. Има три вида аминокиселини - A, B, C. Колко варианта на полипептидни вериги, състоящи се от пет аминокиселини, могат да бъдат изградени. Посочете тези опции. Ще имат ли тези полипептиди същите свойства? Защо?
2. Всички живи същества се състоят главно от въглеродни съединения, а силицият, аналогът на въглерода, чието съдържание в земната кора е 300 пъти повече от въглерода, се среща само в много малко организми. Обяснете този факт от гледна точка на структурата и свойствата на атомите на тези елементи.
3. ATP молекули, белязани с радиоактивен 32P в последния, трети остатък от фосфорна киселина, бяха въведени в една клетка, а ATP молекули, белязани с 32P в първия остатък, най-близо до рибозата, бяха въведени в друга клетка. След 5 минути съдържанието на неорганичен фосфатен йон, белязан с 32P, се измерва и в двете клетки. Къде ще бъде значително по-висока?
4. Проучванията показват, че 34% от общия брой нуклеотиди на тази иРНК е гуанин, 18% е урацил, 28% е цитозин и 20% е аденин. Определете процентния състав на азотните основи на двойноверижната ДНК, от която е отливка посочената иРНК.
Вариант 2
1. Мазнините представляват "първият резерв" в енергийния метаболизъм и се използват, когато резервът от въглехидрати е изчерпан. Но в скелетните мускули, в присъствието на глюкоза и мастни киселини, последните се използват в по-голяма степен. Протеините като източник на енергия винаги се използват само в краен случай, когато тялото гладува. Обяснете тези факти.
2. Йони на тежки метали (живак, олово и др.) и арсен лесно се свързват със сулфидни групи протеини. Познавайки свойствата на сулфидите на тези метали, обяснете какво се случва с протеина, когато се комбинира с тези метали. Защо тежките метали са отровни за тялото?
3. При реакцията на окисляване на вещество А във вещество В се отделя 60 kJ енергия. Колко ATP молекули могат да бъдат максимално синтезирани в тази реакция? Как ще се използва останалата енергия?
4. Проучванията показват, че 27% от общия брой нуклеотиди на тази иРНК е гуанин, 15% е урацил, 18% е цитозин и 40% е аденин. Определете процентния състав на азотните основи на двойноверижната ДНК, от която е отливка посочената иРНК.
Следва продължение
19. Функции на клетъчните митохондрии. АТФ и неговата роля в клетката.
Основният източник на енергия за клетката са хранителните вещества: въглехидрати, мазнини и протеини, които се окисляват с помощта на кислород. Почти всички въглехидрати, преди да достигнат клетките на тялото, се превръщат в глюкоза поради работата на стомашно-чревния тракт и черния дроб. Заедно с въглехидратите се разграждат и белтъчините – до аминокиселини и липидите – до мастни киселини. В клетката хранителните вещества се окисляват под въздействието на кислород и с участието на ензими, които контролират реакциите на освобождаване на енергия и нейното използване. Почти всички окислителни реакции протичат в митохондриите, а освободената енергия се съхранява под формата на макроергично съединение - АТФ. В бъдеще АТФ, а не хранителни вещества, ще се използва за осигуряване на енергия за вътреклетъчните метаболитни процеси.
Молекулата на АТФ съдържа: (1) азотната база аденин; (2) пентоза въглехидрат рибоза, (3) три остатъка от фосфорна киселина. Последните два фосфата са свързани един с друг и с останалата част от молекулата чрез макроергични фосфатни връзки, обозначени със символа ~ във формулата на АТФ. При физически и химични условия, характерни за тялото, енергията на всяка такава връзка е 12 000 калории на 1 mol АТФ, което е многократно повече от енергията на обикновена химическа връзка, поради което фосфатните връзки се наричат макроергични. Освен това тези връзки лесно се разрушават, осигурявайки вътреклетъчните процеси с енергия веднага щом възникне необходимост.
Когато се освободи енергия, АТФ дарява фосфатна група и се превръща в аденозин дифосфат. Освободената енергия се използва за почти всички клетъчни процеси, например при реакции на биосинтеза и по време на мускулна контракция.
Попълването на резервите от АТФ става чрез рекомбиниране на АДФ с останалата фосфорна киселина поради енергията на хранителните вещества. Този процес се повтаря отново и отново. АТФ непрекъснато се консумира и натрупва, поради което се нарича енергийна валута на клетката. Времето за оборот на ATP е само няколко минути.
Ролята на митохондриите в химичните реакции на образуване на АТФ. Когато глюкозата навлезе в клетката, под действието на цитоплазмените ензими тя се превръща в пирогроздена киселина (този процес се нарича гликолиза). Енергията, освободена в този процес, се използва за превръщане на малко количество ADP в ATP, по-малко от 5% от общите енергийни резерви.
Синтезът на АТФ се извършва 95% в митохондриите. Пирогроздена киселина, мастни киселини и аминокиселини, образувани съответно от въглехидрати, мазнини и протеини, в крайна сметка се превръщат в митохондриалната матрица в съединение, наречено ацетил-КоА. Това съединение, от своя страна, влиза в серия от ензимни реакции, известни като цикъл на трикарбоксилната киселина или цикъл на Кребс, за да отдаде своята енергия. В цикъла на трикарбоксилната киселина ацетил-КоА се разгражда на водородни атоми и молекули въглероден диоксид. Въглеродният диоксид се отстранява от митохондриите, след това от клетката чрез дифузия и се отделя от тялото през белите дробове.
Водородните атоми са химически много активни и следователно веднага реагират с кислорода, дифундиращ в митохондриите. Голямото количество енергия, освободено при тази реакция, се използва за превръщането на много ADP молекули в ATP. Тези реакции са доста сложни и изискват участието на огромен брой ензими, които изграждат митохондриалните кристи. В началния етап един електрон се отделя от водородния атом и атомът се превръща във водороден йон. Процесът завършва с добавяне на водородни йони към кислорода. В резултат на тази реакция се образуват вода и голямо количество енергия, които са необходими за работата на АТФ синтетазата, голям глобуларен протеин, който действа като туберкули на повърхността на митохондриалните кристи. Под действието на този ензим, който използва енергията на водородните йони, АДФ се превръща в АТФ. Нови ATP молекули се изпращат от митохондриите до всички части на клетката, включително ядрото, където енергията на това съединение се използва за осигуряване на различни функции. Този процес на синтез на АТФ обикновено се нарича хемиосмотичен механизъм на образуване на АТФ.
Енергия на мускулната дейност
Както вече споменахме, и двете фази на мускулна активност - свиване и отпускане - протичат със задължително използване на енергия, която се освобождава по време на хидролизата на АТФ.
Резервите на АТФ в мускулните клетки обаче са незначителни (в покой концентрацията на АТФ в мускулите е около 5 mmol / l) и те са достатъчни за мускулна работа за 1-2 s. Следователно, за да се осигури по-дълга мускулна активност в мускулите, трябва да се попълват резервите на АТФ. Образуването на АТФ в мускулните клетки директно по време на физическа работа се нарича ресинтез на АТФ и идва с консумация на енергия.
По този начин по време на функционирането на мускулите в тях протичат едновременно два процеса: хидролиза на АТФ, която осигурява необходимата енергия за свиване и отпускане, и ресинтез на АТФ, който попълва загубата на това вещество. Ако само химическата енергия на АТФ се използва за осигуряване на мускулна контракция и релаксация, тогава химическата енергия на голямо разнообразие от съединения е подходяща за ресинтеза на АТФ: въглехидрати, мазнини, аминокиселини и креатин фосфат.
Структурата и биологичната роля на АТФ
Аденозин трифосфатът (АТФ) е нуклеотид. Молекулата на АТФ (аденозинтрифосфорна киселина) се състои от азотната основа на аденина, петвъглеродната захар на рибозата и три остатъка от фосфорна киселина, свързани помежду си чрез макроергична връзка. При хидролизата му се отделя голямо количество енергия. АТФ е основният макроерг на клетката, енергиен акумулатор под формата на енергия на високоенергийни химични връзки.
При физиологични условия, т.е. при условията, които съществуват в живата клетка, разделянето на мол АТФ (506 g) е придружено от освобождаване на 12 kcal или 50 kJ енергия.
Начини за образуване на АТФ
Аеробно окисление (тъканно дишане)
Синоними: окислително фосфорилиране, респираторно фосфорилиране, аеробно фосфорилиране.
Този път се осъществява в митохондриите.
Цикълът на трикарбоксилната киселина е открит за първи път от английския биохимик Г. Кребс (фиг. 4).
Първата реакция се катализира от ензима цитрат синтаза, при който ацетилната група на ацетил-КоА се кондензира с оксалоацетат, за да образува лимонена киселина. Очевидно в тази реакция цитрил-КоА, свързан с ензима, се образува като междинен продукт. След това последният спонтанно и необратимо се хидролизира до образуване на цитрат и HS-CoA.
В резултат на втората реакция образуваната лимонена киселина претърпява дехидратация с образуването на цис-аконитова киселина, която чрез свързване на водна молекула преминава в изолимонена киселина (изоцитрат). Тези обратими реакции на хидратация-дехидратация се катализират от ензима аконитат хидратаза (аконитаза). В резултат на това има взаимно изместване на Н и ОН в цитратната молекула.
Ориз. 4. Цикъл на трикарбоксилната киселина (цикъл на Кребс)
Третата реакция изглежда ограничава скоростта на цикъла на Кребс. Изолимонената киселина се дехидрогенира в присъствието на NAD-зависима изоцитрат дехидрогеназа. По време на реакцията на изоцитрат дехидрогеназа, изолимонената киселина се декарбоксилира едновременно. NAD-зависимата изоцитрат дехидрогеназа е алостеричен ензим, който изисква ADP като специфичен активатор. В допълнение, ензимът се нуждае от йони, за да прояви своята активност.
По време на четвъртата реакция α-кетоглутаровата киселина се декарбоксилира окислително, за да образува високоенергийното съединение сукцинил-КоА. Механизмът на тази реакция е подобен на реакцията на окислително декарбоксилиране на пируват до ацетил-КоА; α-кетоглутарат дехидрогеназният комплекс прилича на пируват дехидрогеназния комплекс по своята структура. И в единия, и в другия случай в реакцията участват 5 коензима: TPP, амид на липоева киселина, HS-CoA, FAD и NAD +.
Петата реакция се катализира от ензима сукцинил-КоА синтетаза. По време на тази реакция сукцинил-КоА с участието на GTP и неорганичен фосфат се превръща в янтарна киселина (сукцинат). В същото време се получава образуването на високоенергийна фосфатна връзка на GTP поради високоенергийната тиоетерна връзка на сукцинил-КоА.
В резултат на шестата реакция сукцинатът се дехидрогенира до фумарова киселина. Окисляването на сукцинат се катализира от сукцинат дехидрогеназа,
в чиято молекула коензимът FAD е здраво (ковалентно) свързан с протеина. На свой ред сукцинат дехидрогеназата е здраво свързана с вътрешната митохондриална мембрана.
Седмата реакция се осъществява под въздействието на ензима фумарат хидратаза (фумараза). Получената фумарова киселина се хидратира, реакционният продукт е ябълчена киселина (малат).
И накрая, по време на осмата реакция от цикъла на трикарбоксилната киселина, L-малатът се окислява до оксалоацетат под въздействието на митохондриалната NAD-зависима малат дехидрогеназа.
По време на едно завъртане на цикъла, при окисляването на една молекула ацетил-КоА в цикъла на Кребс и системата за окислително фосфорилиране, могат да се образуват 12 молекули АТФ.
Анаеробно окисление
Синоними: субстратно фосфорилиране, анаеробен синтез на АТФ. Отива в цитоплазмата, отделеният водород се свързва с някакво друго вещество. В зависимост от субстрата се разграничават два пътя на анаеробна ресинтеза на АТФ: креатин фосфат (креатин киназа, алактат) и гликолитичен (гликолиза, лактат). В първия случай субстратът е креатин фосфат, във втория - глюкоза.
Тези пътища протичат без участието на кислород.
Съдейки по горното, е необходимо огромно количество АТФ. В скелетните мускули, по време на прехода им от състояние на покой към контрактилна активност - 20 пъти (или дори няколкостотин пъти) скоростта на разделяне на АТФ рязко се увеличава едновременно.
Въпреки това, АТФ се съхранява в мускулитеса сравнително незначителни (около 0,75% от масата си) и могат да издържат само 2-3 секунди интензивна работа.
Фиг.15. Аденозин трифосфат (АТФ, ATP). Моларна маса 507,18 g/mol
Това е така, защото АТФ е голяма, тежка молекула ( фиг.15). АТФе нуклеотид, образуван от азотната база аденин, пет-въглеродната захар рибоза и три остатъка от фосфорна киселина. Фосфатните групи в молекулата на АТФ са свързани помежду си чрез високоенергийни (макроергични) връзки. Изчислено е, че ако тялото съдържа количество АТФдостатъчно за използване в в рамките на един ден, тогава теглото на човек, дори да води заседнал начин на живот, би било на 75% Повече ▼.
За да се поддържа продължителна контракция, ATP молекулите трябва да се образуват по време на метаболизма със същата скорост, с която се разграждат по време на контракция. Следователно АТФ е едно от най-често актуализираните вещества, така че при хората продължителността на живота на една молекула АТФ е по-малко от 1 минута. През деня една молекула АТФ преминава средно през 2000-3000 цикъла на ресинтеза (човешкото тяло синтезира около 40 kg АТФ на ден, но съдържа приблизително 250 g във всеки един момент), тоест практически няма резерв от АТФ в тялото, а за нормален живот е необходимо постоянно да се синтезират нови АТФ молекули.
По този начин, за да се поддържа активността на мускулната тъкан на определено ниво, е необходим бърз ресинтез на АТФ със същата скорост, с която се изразходва.Това се случва в процеса на повторно фосфорилиране, когато ADP и фосфатите се комбинират
Синтез на АТФ - ADP фосфорилиране
В тялото АТФ се образува от АДФ и неорганичен фосфат поради енергията, отделена при окисляването на органичните вещества и в процеса на фотосинтеза. Този процес се нарича фосфорилиране.В този случай трябва да се изразходват най-малко 40 kJ / mol енергия, която се натрупва в макроергични връзки:
ADP + H 3 PO 4 + енергия→ ATP + H 2 O
Фосфорилиране на ADP
Субстратно фосфорилиране на АТФ Окислително фосфорилиране на АТФ
Фосфорилирането на ADP е възможно по два начина: субстратно фосфорилиране и окислително фосфорилиране (използване на енергията на окисляващите вещества). По-голямата част от АТФ се образува върху митохондриалните мембрани по време на окислителното фосфорилиране от Н-зависима АТФ синтаза.
Реакциите на ADP фосфорилиране и последващото използване на ATP като източник на енергия образуват цикличен процес, който е същността на енергийния метаболизъм.
Има три начина, по които се генерира АТФ по време на свиването на мускулните влакна.
Три основни пътя за ресинтез на АТФ:
1 - креатин фосфатна (СР) система
2 - гликолиза
3 - окислително фосфорилиране
Креатин фосфатна (CP) система -
Фосфорилиране на ADP чрез прехвърляне на фосфатна група от креатин фосфат
Анаеробна креатин фосфатна ресинтеза на АТФ.
Фиг.16. Креатин фосфат ( CF) Система за ресинтез на АТФ в тялото
За поддържане на активността на мускулната тъкан на определено ниво необходим е бърз ресинтез на АТФ. Това се случва в процеса на рефосфорилиране, когато ADP и фосфатите се комбинират. Най-достъпното вещество, което се използва за ресинтеза на АТФ, е предимно креатин фосфат ( фиг.16), лесно прехвърляйки своята фосфатна група към ADP:
CrF + ADP → Креатин + ATP
CRF е съединение на азотсъдържащото вещество креатинин с фосфорна киселина. Концентрацията му в мускулите е приблизително 2-3%, т.е. 3-4 пъти по-висока от тази на АТФ. Умерено (с 20-40%) намаляване на съдържанието на АТФ незабавно води до употребата на CRF. Въпреки това, при максимална работа резервите от креатин фосфат също бързо се изчерпват. Чрез ADP фосфорилиране креатин фосфатосигурява се много бързо образуване на АТФ в самото начало на контракцията.
През периода на почивка концентрацията на креатин фосфат в мускулните влакна се повишава до ниво, приблизително пет пъти по-високо от съдържанието на АТФ. В началото на контракцията, когато концентрацията на АТФ започне да намалява и концентрацията на АДФ започне да се увеличава поради разграждането на АТФ под действието на миозиновата АТФ-аза, реакцията се измества към образуването на АТФ поради креатин фосфат. В този случай енергийният преход се извършва с толкова висока скорост, че в началото на свиването концентрацията на АТФ в мускулните влакна се променя малко, докато концентрацията на креатин фосфат пада бързо.
Въпреки че АТФ се образува от креатин фосфат много бързо, чрез една ензимна реакция (фиг. 16), количеството АТФ е ограничено от първоначалната концентрация на креатин фосфат в клетката. За да може мускулната контракция да продължи повече от няколко секунди, другите два източника на образуване на АТФ, споменати по-горе, трябва да бъдат включени. След началото на свиването, осигурено от употребата на креатин фосфат, се активират по-бавните, мулти-ензимни пътища на окислително фосфорилиране и гликолиза, поради което скоростта на образуване на АТФ се увеличава до ниво, съответстващо на скоростта на разделяне на АТФ.
Коя е най-бързата система за синтез на АТФ?
Системата СР (креатин фосфат) е най-бързата система за ресинтез на АТФ в тялото, тъй като включва само една ензимна реакция. Той осъществява преноса на високоенергиен фосфат директно от CP към ADP с образуването на ATP. Въпреки това способността на тази система да ресинтезира АТФ е ограничена, тъй като резервите на СР в клетката са малки. Тъй като тази система не използва кислород за синтезиране на АТФ, тя се счита за анаеробен източник на АТФ.
Колко CF се съхранява в тялото?
Общите запаси от CF и ATP в тялото биха били достатъчни за по-малко от 6 секунди интензивна физическа активност.
Какво е предимството на анаеробното производство на АТФ чрез CF?
Системата CF/ATP се използва по време на краткотрайни интензивни упражнения. Той се намира на главите на миозиновите молекули, тоест директно на мястото на потребление на енергия. Системата CF/ATF се използва, когато човек прави бързи движения, като бързо изкачване на планина, извършване на високи скокове, бягане на сто метра, бързо ставане от леглото, бягане от пчела или скачане от камион, докато пресича улицата.
гликолиза
Фосфорилиране на ADP в цитоплазмата
Разграждането на гликоген и глюкоза при анаеробни условия за образуване на млечна киселина и АТФ.
За възстановяване на ATP за да продължи интензивната мускулна дейностпроцесът включва следния източник на производство на енергия - ензимното разграждане на въглехидратите в безкислородни (анаеробни) условия.
Фиг.17. Обща схема на гликолиза
Процесът на гликолиза е схематично представен по следния начин (стр е.17).
Появата на свободни фосфатни групи по време на гликолиза прави възможна повторната синтеза на АТФ от АДФ. Въпреки това, освен АТФ, се образуват две молекули млечна киселина.
Процес гликолизата е по-бавнав сравнение с ресинтеза на креатин фосфат ATP. Продължителността на мускулната работа в анаеробни (безкислородни) условия е ограничена поради изчерпването на запасите от гликоген или глюкоза и поради натрупването на млечна киселина.
Получава се анаеробно производство на енергия чрез гликолиза неикономичен с висока консумация на гликоген, тъй като се използва само част от съдържащата се в него енергия (млечната киселина не се използва в гликолизата, въпреки че съдържа значително количество енергия).
Разбира се, вече на този етап част от млечната киселина се окислява от известно количество кислород до въглероден диоксид и вода:
С3Н6О3 + 3О2 = 3СО2 + 3Н2О 41
Получената енергия отива за ресинтеза на въглехидрати от други части на млечната киселина. Ограниченото количество кислород по време на много интензивна физическа активност обаче е недостатъчно, за да поддържа реакциите, насочени към преобразуване на млечна киселина и ресинтез на въглехидрати.
Откъде идва ATP за физическа активност с продължителност над 6 секунди?
При гликолизаАТФ се образува без използване на кислород (анаеробно). Гликолизата се случва в цитоплазмата на мускулната клетка. В процеса на гликолиза въглехидратите се окисляват до пируват или лактат и се освобождават 2 ATP молекули (3 молекули, ако започнете изчислението с гликоген). По време на гликолизата АТФ се синтезира бързо, но по-бавно, отколкото в CF системата.
Какъв е крайният продукт на гликолизата - пируват или лактат?
Когато гликолизата протича бавно и митохондриите адекватно приемат намален NADH, крайният продукт на гликолизата е пируват. Пируватът се превръща в ацетил-КоА (реакция, изискваща NAD) и претърпява пълно окисление в цикъла на Кребс и CPE. Когато митохондриите не могат да осигурят адекватно окисление на пируват или регенерация на акцептори на електрони (NAD или FADH), пируватът се превръща в лактат. Превръщането на пируват в лактат намалява концентрацията на пируват, което не позволява на крайните продукти да инхибират реакцията и гликолизата продължава.
Кога лактатът е основният краен продукт на гликолизата?
Лактат се образува, когато митохондриите не могат адекватно да окислят пирувата или да регенерират достатъчно акцептори на електрони. Това се случва при ниска ензимна активност на митохондриите, при недостатъчно снабдяване с кислород, при висока скорост на гликолиза. Като цяло, образуването на лактат се увеличава по време на хипоксия, исхемия, кървене, след прием на въглехидрати, високи концентрации на мускулен гликоген и хипертермия, предизвикана от физическо натоварване.
Какви други начини може да се метаболизира пируватът?
По време на тренировка или нискокалорична диета, пируватът се превръща в несъществената аминокиселина аланин. Синтезиран в скелетните мускули, аланинът навлиза в черния дроб с кръвен поток, където се превръща в пируват. След това пируватът се превръща в глюкоза, която навлиза в кръвта. Този процес е подобен на цикъла на Кори и се нарича аланинов цикъл.
В клетките на всички организми има молекули на АТФ - аденозинтрифосфорна киселина. АТФ е универсална клетъчна субстанция, чиято молекула има богати на енергия връзки. Молекулата на АТФ е един вид нуклеотид, който, подобно на други нуклеотиди, се състои от три компонента: азотна основа - аденин, въглехидрат - рибоза, но вместо един съдържа три остатъка от молекули на фосфорна киселина (фиг. 12). Връзките, обозначени на фигурата с иконата, са богати на енергия и се наричат макроергични. Всяка молекула на АТФ съдържа две макроергични връзки.
Когато високоенергийната връзка се разкъса и една молекула фосфорна киселина се отцепи с помощта на ензими, се освобождава 40 kJ / mol енергия и ATP се превръща в ADP - аденозин дифосфорна киселина. С елиминирането на още една молекула фосфорна киселина се освобождават още 40 kJ / mol; Образува се АМФ – аденозинмонофосфорна киселина. Тези реакции са обратими, т.е. AMP може да се преобразува в ADP, ADP в ATP.
Молекулите на АТФ не само се разграждат, но и се синтезират, така че тяхното съдържание в клетката е относително постоянно. Значението на АТФ в живота на клетката е огромно. Тези молекули играят водеща роля в енергийния метаболизъм, необходим за осигуряване на жизнената дейност на клетката и на организма като цяло.
Молекулата на РНК, като правило, е единична верига, състояща се от четири вида нуклеотиди - A, U, G, C. Известни са три основни вида РНК: иРНК, рРНК, тРНК. Съдържанието на РНК молекули в клетката не е постоянно, те участват в биосинтезата на протеините. АТФ е универсалната енергийна субстанция на клетката, в която има богати на енергия връзки. АТФ играе централна роля в обмена на енергия в клетката. РНК и АТФ се намират както в ядрото, така и в цитоплазмата на клетката.
Всяка клетка, като всяка жива система, има способността да поддържа своя състав и всички свои свойства на относително постоянно ниво. Например, съдържанието на АТФ в клетките е около 0,04% и тази стойност се поддържа стабилно, въпреки факта, че АТФ постоянно се консумира в клетката в хода на живота. Друг пример: реакцията на клетъчното съдържание е леко алкална и тази реакция се поддържа стабилно, въпреки факта, че в процеса на метаболизма постоянно се образуват киселини и основи. Не само химичният състав на клетката, но и другите й свойства се поддържат на определено ниво. Високата стабилност на живите системи не може да се обясни със свойствата на материалите, от които са изградени, тъй като протеините, мазнините и въглехидратите имат малка стабилност. Устойчивостта на живите системи е активна, тя се дължи на сложни процеси на координация и регулиране.
Помислете например как се поддържа постоянството на съдържанието на АТФ в клетката. Както знаем, АТФ се консумира от клетката, когато извършва някаква дейност. Синтезът на АТФ възниква в резултат на процеси без кислород и кислородно разграждане на глюкозата. Очевидно е, че постоянството на съдържанието на АТФ се постига благодарение на точното балансиране на двата процеса - консумацията на АТФ и неговия синтез: веднага щом съдържанието на АТФ в клетката намалее, процесите без кислород и кислородното разграждане на глюкозата незабавно включване, по време на което се синтезира АТФ и съдържанието на АТФ в клетката се увеличава. Когато нивото на АТФ достигне нормата, синтезът на АТФ се забавя.
Включването и изключването на процесите, които осигуряват поддържането на нормалния състав на клетката, става автоматично в нея. Такова регулиране се нарича саморегулиране или саморегулиране.
Основата за регулиране на клетъчната активност са информационните процеси, т.е. процесите, при които комуникацията между отделните връзки на системата се осъществява чрез сигнали. Сигналът е промяна, която настъпва в част от системата. В отговор на сигнала се стартира процес, в резултат на който се елиминира настъпилата промяна. При възстановяване на нормалното състояние на системата - това служи като нов сигнал за спиране на процеса.
Как работи клетъчната сигнална система, как осигурява процесите на авторегулация в нея?
Приемането на сигнали вътре в клетката се осъществява от нейните ензими. Ензимите, както повечето протеини, имат нестабилна структура. Под въздействието на редица фактори, включително много химични агенти, структурата на ензима се нарушава и неговата каталитична активност се губи. Тази промяна, като правило, е обратима, т.е. след отстраняване на активния фактор структурата на ензима се връща към нормалното и неговата каталитична функция се възстановява.
Механизмът на клетъчната авторегулация се основава на факта, че веществото, чието съдържание се регулира, е способно на специфично взаимодействие с ензима, който го генерира. В резултат на това взаимодействие структурата на ензима се деформира и каталитичната му активност се губи.
Механизмът на клетъчната авторегулация работи по следния начин. Вече знаем, че химикалите, произведени в една клетка, обикновено са резултат от няколко последователни ензимни реакции. Спомнете си безкислородните и безкислородните процеси на разграждане на глюкозата. Всеки от тези процеси е дълга поредица - поне дузина последователни реакции. Съвсем очевидно е, че за регулирането на такива мултиномиални процеси е достатъчно да се изключи всяка една връзка. Достатъчно е да изключите поне една реакция - и цялата линия ще спре. По този начин се осъществява регулирането на съдържанието на АТФ в клетката. Докато клетката е в покой, съдържанието на АТФ в нея е около 0,04%. При такава висока концентрация на АТФ той реагира с един от ензимите без кислородно разграждане на глюкозата. В резултат на тази реакция всички молекули на този ензим са лишени от активност и конвейерните линии без кислород и кислородните процеси са неактивни. Ако поради някаква активност на клетката концентрацията на АТФ в нея намалее, тогава структурата и функцията на ензима се възстановяват и без кислород и кислород се стартират процеси. В резултат на това се произвежда АТФ, концентрацията му се увеличава. Когато достигне нормата (0,04%), конвейерът без кислород и кислородните процеси автоматично се изключва.
2241-2250
2241. Географската изолация води до видообразуване, тъй като в популациите на първоначалния вид
А) дивергенция
Б) конвергенция
Б) ароморфоза
Г) дегенерация
2242. Невъзобновимите природни ресурси на биосферата включват
А) варовикови отлагания
Б) тропически гори
Б) пясък и глина
Г) въглища
2243. Каква е вероятността за проява на рецесивен признак във фенотипа в потомството от първото поколение, ако и двамата родители имат генотип Аа?
А) 0%
Б) 25%
В) 50%
Г) 75%
Резюме
2244. В молекулата присъстват богати на енергия връзки между остатъците от фосфорна киселина
А) катерица
Б) АТФ
Б) иРНК
Г) ДНК
2245. На какво основание животното, изобразено на фигурата, е причислено към класа насекоми?
А) три чифта ходещи крака
Б) две прости очи
в) един чифт прозрачни крила
Г) разчленяване на тялото на глава и корем
Резюме
2246. Зиготата, за разлика от гаметата, се образува в резултат на
А) оплождане
Б) партеногенеза
Б) сперматогенеза
Г) I деление на мейозата
2247. Безплодните хибриди при растенията се образуват в резултат на
А) вътревидово кръстосване
Б) полиплоидизация
Б) далечна хибридизация
D) анализиращ кръст
Колко АТФ има в тялото?
2249. При Rh-отрицателните хора, в сравнение с Rh-положителните, кръвните еритроцити се различават по състав
А) липиди
Б) въглехидрати
Б) минерали
Г) протеини
2250. Когато клетките на темпоралния лоб на кората на главния мозък са унищожени, човек
А) получава изкривена представа за формата на предметите
Б) не прави разлика между силата и височината на звука
Б) губи координация
Г) не различава визуални сигнали
© Д. В. Поздняков, 2009-2018
детектор за блокиране на реклами
1. Кои думи са пропуснати в изречението и са заменени с букви (а-г)?
"Съставът на молекулата на АТФ включва азотна основа (а), монозахарид с пет въглерода (b) и (c) остатък (d) от киселина."
Следните думи се заменят с букви: a - аденин, b - рибоза, c - три, d - фосфорна.
2. Сравнете структурата на АТФ и структурата на нуклеотида. Открийте приликите и разликите.
Всъщност АТФ е производно на адениловия нуклеотид на РНК (аденозин монофосфат или AMP). Съставът на молекулите на двете вещества включва азотната основа аденин и петвъглеродната захар рибоза. Разликите се дължат на факта, че в състава на адениловия нуклеотид на РНК (както в състава на всеки друг нуклеотид) има само един остатък от фосфорна киселина и няма макроергични (високоенергийни) връзки. Молекулата на АТФ съдържа три остатъка от фосфорна киселина, между които има две макроергични връзки, така че АТФ може да действа като акумулатор и носител на енергия.
3. Какъв е процесът на хидролиза на АТФ?
ATP: енергийна валута
синтез на АТФ? Каква е биологичната роля на АТФ?
В процеса на хидролиза един остатък от фосфорна киселина се отцепва от молекулата на АТФ (дефосфорилиране). В този случай макроергичната връзка се прекъсва, освобождава се 40 kJ / mol енергия и ATP се превръща в ADP (аденозин дифосфорна киселина):
ATP + H2O → ADP + H3PO4 + 40 kJ
ADP може да претърпи допълнителна хидролиза (което се случва рядко) с елиминиране на друга фосфатна група и освобождаване на втора "порция" енергия. В този случай ADP се превръща в AMP (аденозинмонофосфорна киселина):
ADP + H2O → AMP + H3PO4 + 40 kJ
Синтезът на АТФ възниква в резултат на добавянето на остатък от фосфорна киселина към молекулата на АДФ (фосфорилиране). Този процес се извършва главно в митохондриите и хлоропластите, отчасти в хиалоплазмата на клетките. За образуването на 1 mol ATP от ADP трябва да се изразходват поне 40 kJ енергия:
ADP + H3PO4 + 40 kJ → ATP + H2O
АТФ е универсален запас (акумулатор) и носител на енергия в клетките на живите организми. В почти всички биохимични процеси, протичащи в клетките с енергийни разходи, АТФ се използва като източник на енергия. Благодарение на енергията на АТФ се синтезират нови молекули протеини, въглехидрати, липиди, извършва се активен транспорт на вещества, движението на камшичетата и ресничките, настъпва клетъчно делене, работата на мускулите, постоянна телесна температура на топлокръвни животни поддържани и др.
4. Какви връзки се наричат макроергични? Какви функции могат да изпълняват веществата, съдържащи макроергични връзки?
Макроергичните връзки се наричат връзки, при разрушаването на които се освобождава голямо количество енергия (например разкъсването на всяка макроергична връзка на АТФ е придружено от освобождаване на 40 kJ / mol енергия). Веществата, съдържащи макроергични връзки, могат да служат като акумулатори, носители и доставчици на енергия за различни жизнени процеси.
5. Общата формула на АТФ е С10H16N5O13P3. Хидролизата на 1 mol ATP до ADP освобождава 40 kJ енергия. Колко енергия се отделя при хидролизата на 1 kg АТФ?
● Изчислете моларната маса на ATP:
M (С10H16N5O13P3) = 12 × 10 + 1 × 16 + 14 × 5 + 16 × 13 + 31 × 3 = 507 g/mol.
● Хидролизата на 507 g АТФ (1 mol) освобождава 40 kJ енергия.
Това означава, че по време на хидролизата на 1000 g АТФ ще бъдат освободени: 1000 g × 40 kJ: 507 g ≈ 78,9 kJ.
Отговор: по време на хидролизата на 1 kg АТФ до АДФ ще бъдат освободени около 78,9 kJ енергия.
6. ATP молекули, белязани с радиоактивен фосфор 32P в последния (трети) остатък от фосфорна киселина, бяха въведени в една клетка, а ATP молекули, белязани с 32P в първия (най-близък до рибоза) остатък бяха въведени в друга клетка. След 5 минути съдържанието на неорганичен фосфатен йон, белязан с 32P, се измерва и в двете клетки. Къде е по-високо и защо?
Последният (трети) остатък от фосфорна киселина лесно се отцепва по време на хидролиза на АТФ, докато първият (най-близък до рибозата) не се отцепва дори по време на двуетапната хидролиза на АТФ до АМФ. Следователно съдържанието на радиоактивен неорганичен фосфат ще бъде по-високо в клетката, в която е въведен АТФ, белязан с последния (трети) остатък от фосфорна киселина.
Дашков М.Л.
Уебсайт: dashkov.by
Молекулата на РНК, за разлика от ДНК, обикновено е единична верига от нуклеотиди, която е много по-къса от ДНК. Въпреки това, общата маса на РНК в клетката е по-голяма от тази на ДНК. Молекулите на РНК се намират както в ядрото, така и в цитоплазмата.
Известни са три основни типа РНК: информационна, или матрична, - иРНК; рибозомни - рРНК, транспортни - тРНК, които се различават по формата, размера и функцията на молекулите. Тяхната основна функция е участието в биосинтезата на протеини.
Виждате, че молекулата на РНК, подобно на молекулата на ДНК, се състои от четири вида нуклеотиди, три от които съдържат същите азотни бази като нуклеотидите на ДНК (A, G, C). Въпреки това, вместо азотната основа на тимина, съставът на РНК включва друга азотна основа - урацил (U). По този начин съставът на нуклеотидите на молекулата на РНК включва азотни бази: A, G, C, U. Освен това, вместо въглехидратната дезоксирибоза, РНК съдържа рибоза.
В клетките на всички организми има АТФ молекули - аденозинтрифосфорна киселина. АТФ е универсална клетъчна субстанция, чиято молекула има богати на енергия връзки. Молекулата на АТФ е един вид нуклеотид, който, подобно на други нуклеотиди, се състои от три компонента: азотна основа - аденин, въглехидрат - рибоза, но вместо един съдържа три остатъка от молекули на фосфорна киселина. Всяка молекула на АТФ съдържа две макроергични връзки.
Когато високоенергийна връзка се разкъса и една молекула фосфорна киселина се отцепи с помощта на ензими, се освобождава 40 kJ / mol енергия и ATP се превръща в ADP - аденозин дифосфорна киселина. С елиминирането на още една молекула фосфорна киселина се освобождават още 40 kJ / mol; Образува се АМФ – аденозинмонофосфорна киселина. Тези реакции са обратими, т.е. AMP може да се преобразува в ADP, ADP в ATP.
Молекула АТФ - какво е това и каква е ролята му в организма
Молекулите на АТФ не само се разграждат, но и се синтезират, така че тяхното съдържание в клетката е относително постоянно. Значението на АТФ в живота на клетката е огромно. Тези молекули играят водеща роля в енергийния метаболизъм, необходим за осигуряване на жизнената дейност на клетката и на организма като цяло.
Ораторското изкуство като първообраз на журналистиката
Цитати за Наполеон - dslinkov — LiveJournal
Аз отмъщение Човекът на булдозера унищожи града