Атф-фізіологія. Молекула АТФ - що це і яка її роль в організмі
Продовження. Див. № 11, 12, 13, 14, 15, 16/2005
Уроки біології в класах природничо-наукового профілю
Розширене планування, 10 клас
Урок 19. Хімічна будова та біологічна роль АТФ
Обладнання:таблиці із загальної біології, схема будови молекули АТФ, схема взаємозв'язку пластичного та енергетичного обмінів.
I. Перевірка знань
Проведення біологічного диктанту «Органічні сполуки живої матерії»
Вчитель читає тези під номерами, учні записують у зошит номери тих тез, які підходять за змістом їхнього варіанту.
Варіант 1 – білки.
Варіант 2 – вуглеводи.
Варіант 3 – ліпіди.
Варіант 4 – нуклеїнові кислоти.
1. У чистому вигляді складаються лише з атомів С, Н, Про.
2. Крім атомів, Н, Про містять атоми N і зазвичай S.
3. Крім атомів, Н, Про містять атоми N і Р.
4. Мають відносно невелику молекулярну масу.
5. Молекулярна маса може бути від тисяч до кількох десятків та сотень тисяч дальтонів.
6. Найбільші органічні сполуки з молекулярною масою до кількох десятків і сотень мільйонів дальтонів.
7. Мають різні молекулярні маси – від дуже невеликої до дуже високої, залежно від того, чи є речовина мономером або полімером.
8. Складаються з моносахаридів.
9. Складаються з амінокислот.
10. Складаються із нуклеотидів.
11. Є складними ефірами вищих жирних кислот.
12. Основна структурна одиниця: «азотиста основа-пентоза-залишок фосфорної кислоти».
13. Основна структурна одиниця: "амінокислот".
14. Основна структурна одиниця: «моносахарид».
15. Основна структурна одиниця: «гліцерин-жирна кислота».
16. Молекули полімерів побудовані з однакових мономерів.
17. Молекули полімерів побудовані зі схожих, але не цілком однакових мономерів.
18. Не є полімерами.
19. Виконують майже виключно енергетичну, будівельну та запасну функції, у деяких випадках – захисну.
20. Крім енергетичної та будівельної виконують каталітичну, сигнальну, транспортну, рухову та захисну функції;
21. Здійснюють зберігання та передачу спадкових властивостей клітини та організму.
Варіант 1 – 2; 5; 9; 13; 17; 20.
Варіант 2 – 1; 7; 8; 14; 16; 19.
Варіант 3 – 1; 4; 11; 15; 18; 19.
Варіант 4– 3; 6; 10; 12; 17; 21.
ІІ. Вивчення нового матеріалу
1. Будова аденозинтрифосфорної кислоти
Крім білків, нуклеїнових кислот, жирів та вуглеводів у живій речовині синтезується велика кількість інших органічних сполук. Серед них важливу роль у біоенергетиці клітини відіграє аденозинтрифосфорна кислота (АТФ).АТФ міститься у всіх клітинах рослин та тварин. У клітинах найчастіше аденозинтрифосфорна кислота є у вигляді солей, званих аденозинтрифосфатами. Кількість АТФ коливається й у середньому становить 0,04% (у клітині загалом перебуває близько 1 млрд молекул АТФ). Найбільша кількість АТФ міститься у кістякових м'язах (0,2–0,5%).
Молекула АТФ складається з азотистого підстави – аденіну, пентози – рибози та трьох залишків фосфорної кислоти, тобто. АТФ – особливий аденіловий нуклеотид. На відміну від інших нуклеотидів АТФ містить не один, а три залишки фосфорної кислоти. АТФ відноситься до макроергічних речовин - речовин, що містять у своїх зв'язках велику кількість енергії.
Просторова модель (А) та структурна формула (Б) молекули АТФ
Зі складу АТФ під дією ферментів АТФаз відщеплюється залишок фосфорної кислоти. АТФ має стійку тенденцію до відділення своєї кінцевої фосфатної групи:
АТФ 4– + Н 2 О ––> АДФ 3– + 30,5 кДж + Фн,
т.к. це призводить до зникнення енергетично невигідного електростатичного відштовхування між сусідніми негативними зарядами. Фосфат, що утворився, стабілізується за рахунок утворення енергетично вигідних водневих зв'язків з водою. Розподіл заряду у системі АДФ + Фн стає стійкішим, ніж у АТФ. Внаслідок цієї реакції вивільняється 30,5 кДж (при розриві звичайного ковалентного зв'язку вивільняється 12 кДж).
Для того, щоб підкреслити високу енергетичну вартість фосфорно-кисневого зв'язку в АТФ, її прийнято позначати знаком ~ і називати макроенергетичним зв'язком. При відщепленні однієї молекули фосфорної кислоти АТФ перетворюється на АДФ (аденозиндифосфорная кислота), і якщо відщеплюються дві молекули фосфорної кислоти, то АТФ перетворюється на АМФ (аденозинмонофосфорная кислота). Відщеплення третього фосфату супроводжується виділенням лише 13,8 кДж, отже власне макроергічних зв'язків у молекулі АТФ лише дві.
2. Утворення АТФ у клітині
Запас АТФ у клітині невеликий. Наприклад, у м'язі запасів АТФ вистачає на 20–30 скорочень. Але ж м'яз здатний працювати годинником і виробляти тисячі скорочень. Тому поряд з розпадом АТФ до АДФ у клітині має безперервно йти зворотний синтез. Існує кілька шляхів синтезу АТФ у клітинах. Познайомимося із ними.
1. Анаеробне фосфорилювання.Фосфорилювання називають процес синтезу АТФ з АДФ і низькомолекулярного фосфату (Фн). В даному випадку йдеться про безкисневі процеси окислення органічних речовин (наприклад, гліколіз - процес безкисневого окислення глюкози до піровиноградної кислоти). Приблизно 40% енергії, що виділяється в ході цих процесів (близько 200 кДж/моль глюкози), витрачається на синтез АТФ, а решта розсіюється у вигляді тепла:
З 6 Н 12 Про 6 + 2АДФ + 2Фн -> 2С 3 Н 4 O 3 + 2АТФ + 4Н.
2. Окисне фосфорилювання- Це процес синтезу АТФ за рахунок енергії окислення органічних речовин киснем. Цей процес було відкрито на початку 1930-х років. XX ст. В.А. Енгельгардт. Кисневі процеси окислення органічних речовин протікають у мітохондріях. Приблизно 55% енергії, що виділяється при цьому (близько 2600 кДж/моль глюкози) перетворюється на енергію хімічних зв'язків АТФ, а 45% розсіюється у вигляді тепла.
Окисне фосфорилювання значно ефективніше анаеробних синтезів: якщо в процесі гліколізу при розпаді молекули глюкози синтезується всього 2 молекули АТФ, то в ході окислювального фосфорилювання утворюється 36 молекул АТФ.
3. Фотофосфорилювання- Процес синтезу АТФ за рахунок енергії сонячного світла. Цей шлях синтезу АТФ характерний лише клітин, здатних до фотосинтезу (зелені рослини, ціанобактерії). Енергія квантів сонячного світла використовується фотосинтетиками у світлову фазу фотосинтезу синтезу АТФ.
3. Біологічне значення АТФ
АТФ знаходиться в центрі обмінних процесів у клітині, будучи сполучною ланкою між реакціями біологічного синтезу та розпаду. Роль АТФ у клітині можна порівняти з роллю акумулятора, оскільки у ході гідролізу АТФ виділяється енергія, необхідна різних процесів життєдіяльності («розрядка»), а процесі фосфорилування («зарядка») АТФ знову акумулює у собі енергію.
За рахунок енергії, що виділяється при гідролізі АТФ, відбуваються майже всі процеси життєдіяльності в клітині та організмі: передача нервових імпульсів, біосинтез речовин, м'язові скорочення, транспорт речовин та ін.
ІІІ. Закріплення знань
Вирішення біологічних завдань
Завдання 1. При швидкому бігу ми часто дихаємо, відбувається посилене потовиділення. Поясніть ці явища.
Завдання 2. Чому на морозі люди, що замерзають, починають притупувати і підстрибувати?
Завдання 3. У відомому творі І.Ільфа та Є.Петрова «Дванадцять стільців» серед багатьох корисних порад можна знайти і такою: «Дихайте глибше, ви схвильовані». Спробуйте обґрунтувати цю пораду з погляду енергетичних процесів, що відбуваються в організмі.
IV. Домашнє завдання
Розпочати підготовку до заліку та контрольної роботи (продиктувати питання заліку – див. урок 21).
Урок 20. Узагальнення знань у розділі «Хімічна організація життя»
Обладнання:таблиці із загальної біології.
I. Узагальнення знань розділу
Робота учнів з питаннями (індивідуально) з наступними перевіркою та обговоренням
1. Наведіть приклади органічних сполук, до складу яких входять вуглець, сірка, фосфор, азот, залізо, марганець.
2. Як за іонним складом можна відрізнити живу клітину від мертвої?
3. Які речовини знаходяться у клітині у нерозчиненому вигляді? У які органи та тканини вони входять?
4. Наведіть приклади макроелементів, що входять до активних центрів ферментів.
5. Які гормони містять мікроелементи?
6. Яка роль галогенів в організмі людини?
7. Чим білки відрізняються від штучних полімерів?
8. Чим відрізняються пептиди від білків?
9. Як називається білок, що входить до складу гемоглобіну? З яких субодиниць він складається?
10. Що таке рибонуклеазу? Скільки амінокислот входить до її складу? Коли її синтезували штучно?
11. Чому швидкість хімічних реакцій без ферментів мала?
12. Які речовини транспортуються білками через клітинну мембрану?
13. Чим відрізняються антитіла від антигенів? Чи містять вакцини антитіла?
14. На які речовини розпадаються білки в організмі? Скільки енергії виділяється у своїй? Де і як знешкоджується аміак?
15. Наведіть приклад пептидних гормонів: як вони беруть участь у регуляції клітинного метаболізму?
16. Якою є структура цукру, з яким ми п'ємо чай? Які ще три синоніми цієї речовини ви знаєте?
17. Чому жир у молоці не збирається на поверхні, а знаходиться у вигляді суспензії?
18. Яка маса ДНК в ядрі соматичної та статевої клітин?
19. Яка кількість АТФ використовується людиною на добу?
20. З яких білків люди виготовляють одяг?
Первинна структура панкреатичної рибонуклеази (124 амінокислоти)
ІІ. Домашнє завдання.
Продовжити підготовку до заліку та контрольної роботи у розділі «Хімічна організація життя».
Урок 21. Заліковий урок у розділі «Хімічна організація життя»
I. Проведення усного заліку з питань
1. Елементарний склад клітини.
2. Характеристика органогенних елементів.
3. Структура молекули води. Водневий зв'язок та його значення в «хімії» життя.
4. Властивості та біологічні функції води.
5. Гідрофільні та гідрофобні речовини.
6. Катіони та його біологічне значення.
7. Аніони та їх біологічне значення.
8. Полімери. Біологічні полімери Відмінності періодичних та неперіодичних полімерів.
9. Властивості ліпідів, їх біологічні функції.
10. Групи вуглеводів, що виділяються за особливостями будови.
11. Біологічні функції вуглеводів.
12. Елементарний склад білків. амінокислоти. Утворення пептидів.
13. Первинна, вторинна, третинна та четвертинна структури білків.
14. Біологічна функція білків.
15. Відмінність ферментів від небіологічних каталізаторів.
16. Будова ферментів. Коферменти.
17. Механізм впливу ферментів.
18. Нуклеїнові кислоти. Нуклеотиди та їх будова. Освіта полінуклеотидів.
19. Правила Е. Чаргаффа. Принцип комплементарності
20. Освіта дволанцюжкової молекули ДНК та її спіралізація.
21. Класи клітинної РНК та його функції.
22. Відмінності ДНК та РНК.
23. Реплікація ДНК. Транскрипція.
24. Будова та біологічна роль АТФ.
25. Утворення АТФ у клітині.
ІІ. Домашнє завдання
Продовжити підготовку до контрольної роботи у розділі «Хімічна організація життя».
Урок 22. Контрольний урок у розділі «Хімічна організація життя»
I. Проведення письмової контрольної роботи
Варіант 1
1. Є три види амінокислот - А, В, С. Скільки варіантів поліпептидних ланцюгів, що складаються з п'яти амінокислот, можна побудувати. Укажіть ці варіанти. Чи будуть ці поліпептиди мати однакові властивості? Чому?
2. Все живе переважно складається з сполук вуглецю, а аналог вуглецю – кремній, вміст якого у земної корі в 300 разів більше, ніж вуглецю, зустрічається лише у небагатьох організмах. Поясніть цей факт з погляду будови та властивостей атомів цих елементів.
3. В одну клітину ввели молекули АТФ, мічені радіоактивним 32Р за останнім, третім залишком фосфорної кислоти, а в іншу – молекули АТФ, мічені 32Р по першому, найближчому до рибозу залишку. Через 5 хвилин в обох клітинах поміряли вміст неорганічного фосфат-іону, міченого 32Р. Де воно виявиться значно вищим?
4. Дослідження показали, що 34% загальної кількості нуклеотидів даної іРНК посідає гуанін, 18% – на урацил, 28% – на цитозин і 20% – на аденін. Визначте відсотковий склад азотистих основ дволанцюгової ДНК, зліпком з якої є вказана іРНК.
Варіант 2
1. Жири складають «перший резерв» в енергетичному обміні та використовуються, коли вичерпано резерв вуглеводів. Однак у скелетних м'язах за наявності глюкози та жирних кислот більшою мірою використовуються останні. Білки ж як джерело енергії завжди використовуються лише в крайньому випадку, при голодуванні організму. Поясніть ці факти.
2. Іони важких металів (ртуті, свинцю та ін.) та миш'яку легко зв'язуються сульфідними угрупованнями білків. Знаючи властивості сульфідів цих металів поясніть, що станеться з білком при з'єднанні з цими металами. Чому важкі метали є отрутою для організму?
3. У реакції окислення речовини А речовина В звільняється 60 кДж енергії. Скільки молекул АТФ може бути максимально синтезовано у цій реакції? Як буде витрачено решту енергії?
4. Дослідження показали, що 27% загальної кількості нуклеотидів даної іРНК посідає гуанін, 15% – на урацил, 18% – на цитозин і 40% – на аденін. Визначте відсотковий склад азотистих основ дволанцюгової ДНК, зліпком з якої є вказана іРНК.
Далі буде
19. Функції мітохондрій клітини. Атф та її роль у клітині.
Основним джерелом енергії для клітини є поживні речовини: вуглеводи, жири та білки, що окислюються за допомогою кисню. Практично всі вуглеводи, перш ніж досягти клітин організму, завдяки роботі шлунково-кишкового тракту та печінки перетворюються на глюкозу. Поряд з вуглеводами розщеплюються також білки – до амінокислот та ліпіди – до жирних кислот. У клітині поживні речовини окислюються під дією кисню та за участю ферментів, що контролюють реакції вивільнення енергії та її утилізацію. Майже всі окислювальні реакції відбуваються в мітохондріях, а енергія, що вивільняється, запасається у вигляді макроергічної сполуки - АТФ. Надалі для забезпечення внутрішньоклітинних метаболічних процесів енергією використовується саме АТФ, а чи не поживні речовини.
Молекула АТФ містить: (1) азотисту основу аденін; (2) пентозний вуглевод рибозу; (3) три залишки фосфорної кислоти. Два останні фосфати з'єднані один з одним і з рештою молекули макроергічних фосфатних зв'язків, позначеними на формулі АТФ символом ~. За дотримання характерних для організму фізичних та хімічних умов енергія кожного такого зв'язку становить 12000 калорій на 1 моль АТФ, що у багато разів перевищує енергію звичайного хімічного зв'язку, тому фосфатні зв'язки називають макроергічними. Більше того, ці зв'язки легко руйнуються, забезпечуючи внутрішньоклітинні процеси енергією відразу, як тільки в цьому виникає потреба.
При вивільненні енергії АТФ віддає фосфатну групу та перетворюється на аденозиндифосфат. Енергія, що виділилася використовується практично для всіх клітинних процесів, наприклад в реакціях біосинтезу і при м'язовому скороченні.
Поповнення запасів АТФ відбувається шляхом возз'єднання АДФ із залишком фосфорної кислоти за рахунок енергії поживних речовин. Цей процес повторюється знову і знову. АТФ постійно витрачається та накопичується, тому вона отримала назву енергетичної валюти клітини. Час обороту АТФ становить лише кілька хвилин.
Роль мітохондрій у хімічних реакціях утворення АТФ. При попаданні всередину клітини глюкоза під дією ферментів цитоплазми перетворюється на піровиноградну кислоту (цей процес називають гліколізом). Енергія, що вивільняється в цьому процесі, витрачається на перетворення невеликої кількості АДФ на АТФ, що становить менше 5% загальних запасів енергії.
Синтез АТФ на 95% здійснюється у мітохондріях. Пировиноградная кислота, жирні кислоти і амінокислоти, що утворюються відповідно з вуглеводів, жирів і білків, в матриксі мітохондрій у результаті перетворюються на сполуку під назвою «ацетил-КоА». Ця сполука, своєю чергою, входить у серію ферментативних реакцій під загальною назвою «цикл трикарбонових кислот» чи «цикл Кребса», щоб віддати свою енергію. У циклі трикарбонових кислот ацетил-КоА розщеплюється до атомів водню та молекул вуглекислого газу. Вуглекислий газ видаляється з мітохондрій, потім з клітини шляхом дифузії і виводиться з організму через легені.
Атоми водню хімічно дуже активні і тому відразу вступають у реакцію з киснем, що дифундує в мітохондрії. Велика кількість енергії, що виділяється в цій реакції, використовується для перетворення множини молекул АДФ на АТФ. Ці реакції досить складні та вимагають участі величезної кількості ферментів, що входять до складу кріст мітохондрій. На початковому етапі від атома водню відщеплюється електрон, і атом перетворюється на іон водню. Процес закінчується приєднанням іонів водню до кисню. В результаті цієї реакції утворюються вода і велика кількість енергії, необхідної для роботи АТФ-синтетази - великого глобулярного білка, що виступає у вигляді горбків на поверхні кріст мітохондрій. Під дією цього ферменту, що використовує енергію іонів водню, АДФ перетворюється на АТФ. Нові молекули АТФ направляються з мітохондрій до всіх відділів клітини, включаючи ядро, де енергія цієї сполуки використовується для забезпечення різних функцій. Цей процес синтезу АТФ загалом називають хеміосмотичним механізмом утворення АТФ.
Енергетика м'язової діяльності
Як зазначалося, обидві фази м'язової діяльності - скорочення і розслаблення - протікають при обов'язковому використанні енергії, що виділяється при гідролізі АТФ.
Однак запаси АТФ у м'язових клітинах незначні (у спокої концентрація АТФ у м'язах близько 5 ммоль/л), та їх достатньо для м'язової роботи протягом 1-2 с. Тому для забезпечення більш тривалої м'язової діяльності у м'язах має відбуватися поповнення запасів АТФ. Утворення АТФ у м'язових клітинах безпосередньо під час фізичної роботи називається ресинтезом АТФ та йде із споживанням енергії.
Таким чином, при функціонуванні м'язів у них одночасно протікають два процеси: гідроліз АТФ, що дає необхідну енергію для скорочення та розслаблення, та ресинтез АТФ, що заповнює втрати цієї речовини. Якщо для забезпечення м'язового скорочення та розслаблення використовується лише хімічна енергія АТФ, то для ресинтезу АТФ придатна хімічна енергія найрізноманітніших сполук: вуглеводів, жирів, амінокислот та креатинфосфату.
Будова та біологічна роль АТФ
Аденозинтрифосфат (АТФ) є нуклеотидом. Молекула АТФ (аденозинтрифосфорної кислоти) складається з азотистої основи аденіну, п'ятивуглецевого цукру рибози та трьох залишків фосфорної кислоти, з'єднаних між собою макроергічним зв'язком. При її гідролізі вивільняється велика кількість енергії. АТФ є основним макроергом клітини, акумулятором енергії як енергії високоенергетичних хімічних зв'язків.
У фізіологічних умовах, тобто за тих умов, які є в живій клітині, розщеплення молячи АТФ (506 г) супроводжується виділенням 12 ккал, або 50 кДж енергії.
Шляхи освіти АТФ
Аеробне окислення (тканинне дихання)
Синоніми: окисне фосфорилювання, дихальне фосфорилювання, аеробне фосфорилювання.
Протікає цей шлях у мітохондріях.
Цикл трикарбонових кислот вперше було відкрито англійським біохіміком Г. Кребсом (рис. 4).
Перша реакція каталізується ферментом цитрат-синтазою, при цьому ацетильна група ацетил-КоА конденсується з оксалоацетатом, у результаті утворюється лимонна кислота. Очевидно, у цій реакції як проміжний продукт утворюється пов'язаний з ферментом цитрил-КоА. Потім останній мимовільно та незворотно гідролізується з утворенням цитрату та НS-КоА.
В результаті другої реакції лимонна кислота, що утворилася, піддається дегідратуванню з утворенням цис-аконітової кислоти, яка, приєднуючи молекулу води, переходить в ізолімонну кислоту (ізоцитрат). Каталізує ці оборотні реакції гідратації-дегідратації фермент аконітатгідратаза (аконітаза). В результаті відбувається взаємопереміщення Н та ОН у молекулі цитрату.
Рис. 4. Цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса)
Третя реакція, мабуть, лімітує швидкість циклу Кребса. Ізолімонна кислота дегідрується у присутності НАД-залежної ізоцитратдегідрогенази. В ході ізоцитратдегідрогеназної реакції ізолімонна кислота одночасно декарбоксилюється. НАД-залежна ізоцитратдегідрогеназа є алостеричним ферментом, якому як специфічний активатор необхідний АДФ. Крім того, фермент для прояву своєї активності потребує іонів або .
Під час четвертої реакції відбувається окисне декарбоксилювання α-кетоглутарової кислоти з утворенням високоенергетичної сполуки сукциніл-КоА. За механізмом ця реакція схожа з реакцією окисного декарбоксилювання пірувату до ацетил-КоА; α-кетоглутаратдегідрогеназний комплекс нагадує за своєю структурою піруватдегідрогеназний комплекс. Як в одному, так і в іншому випадку, в реакції беруть участь 5 коферментів: ТПФ, амід ліпоєвої кислоти, НS-КоА, ФАД і НАД+.
П'ята реакція каталізується ферментом сукциніл-КоА-синтетазою. У ході цієї реакції сукциніл-КоА за участю ГТФ та неорганічного фосфату перетворюється на бурштинову кислоту (сукцинат). Одночасно відбувається утворення високоергічного фосфатного зв'язку ГТФ за рахунок високоергічного тіоефірного зв'язку сукциніл-КоА.
Внаслідок шостої реакції сукцинат дегідрується у фумарову кислоту. Окислення сукцинату каталізується сукцинатдегідрогеназою,
у молекулі якої з білком міцно (ковалентно) пов'язаний кофермент ФАД. У свою чергу, сукцинатдегідрогеназа міцно пов'язана із внутрішньою мітохондріальною мембраною.
Сьома реакція здійснюється під впливом ферменту фумаратгідратази (фумарази). Фумарова кислота, що утворилася при цьому, гідратується, продуктом реакції є яблучна кислота (малат).
Нарешті, під час восьмої реакції циклу трикарбонових кислот під впливом мітохондріальної НАД-залежної малатдегідрогенази відбувається окислення Ь-малату в оксалоацетат.
За один оберт циклу при окисленні однієї молекули ацетил-КоА в циклі Кребса і системі окисного фосфорилювання може утворитися 12 молекул АТФ.
Анаеробне окислення
Синоніми: субстратне фосфорилювання, анаеробний синтез АТФ. Йде в цитоплазмі, відщеплений водень приєднується до якоїсь іншої речовини. Залежно від субстрату виділяють два шляхи анаеробного ресинтезу АТФ: креатинфосфатний (креатинкіназний, алактатний) та гліколітичний (гліколіз, лактатний). У нервовому випадку субстратом виступає креатинфосфат, у другому – глюкоза.
Ці шляхи протікають без кисню.
Зважаючи на все вище викладене, потрібна колосальна кількість АТФ. У скелетних м'язах при переході від стану спокою до скорочувальної активності - в 20 разів (або навіть у кілька сотень разів) різко одномоментно підвищується швидкість розщеплення АТФ.
Однак, запаси АТФ у м'язахпорівняно нікчемні (близько 0,75 % від її маси) та його може вистачити лише з 2-3 секунди інтенсивної роботи.
Рис.15. Аденозинтрифосфат (АТФ, ATP). Молярна маса 507.18г/моль
Це тому, що АТФ - велика важка молекула ( рис.15). АТФявляє собою нуклеотид, утворений азотистою основою аденіном, п'ятивуглецевим цукром рибозою та трьома залишками фосфорної кислоти. Фосфатні групи у молекулі АТФ з'єднані між собою високоенергетичними (макроергічними) зв'язками. Підраховано, що якби в організмі містилося кількість АТФ, достатнє для використання в протягом одного дня, то вага людини, навіть ведучого сидячий спосіб життя, була б на 75% більше.
Щоб підтримувати тривале скорочення, молекули АТФ повинні утворюватися в процесі метаболізму з такою ж швидкістю, як вони розщеплюються під час скорочення. Тому АТФ є одним із найчастіше оновлюваних речовин, так у людини тривалість життя однієї молекули АТФ менше 1 хв. Протягом доби одна молекула АТФ проходить у середньому 2000-3000 циклів ресинтезу (людський організм синтезує близько 40 кг АТФ на день, але містить у кожний конкретний момент приблизно 250 г), тобто запасу АТФ в організмі практично не створюється, і для нормальної життєдіяльності необхідно постійно синтезувати нові молекули АТФ.
Таким чином, для підтримки активності м'язової тканини на певному рівні необхідний швидкий ресинтез АТФ з тією ж швидкістю, з якою він витрачається.
Синтез АТФ -фосфорилювання АДФ
В організмі АТФ утворюється з АДФ та неорганічного фосфату за рахунок енергії, що звільняється при окисленні органічних речовин та у процесі фотосинтезу. Цей процес називається фосфорилювання.При цьому має бути витрачено не менше 40 кДж/моль енергії, що акумулюється в макроергічних зв'язках:
АДФ + H 3 PO 4 + енергія→ АТФ + H 2 O
Фосфорилювання АДФ
Субстратне фосфорилювання АТФ Окислювальне фосфорилювання АТФ
Фосфорилювання АДФ можливе двома способами: субстратне фосфорилювання та окисне фосфорилювання (використовуючи енергію речовин, що окислюються). Основна маса АТФ утворюється на мембранах мітохондрій в ході окисного фосфорилювання Н-залежної АТФ – синтазою. Субстратне фосфорилювання АТФ не вимагає участі мембранних ферментів, воно відбувається в процесі гліколізу або шляхом перенесення фосфатної групи з інших макроергічних сполук.
Реакції фосфорилювання АДФ та подальшого використання АТФ як джерело енергії утворюють циклічний процес, що становить суть енергетичного обміну.
Існують три способи утворення АТФ під час скорочення м'язового волокна.
Три основні шляхи ресинтезу АТФ:
1 - креатинфосфатна (КФ) система
2 – гліколіз
3 - окисне фосфорилювання
Креатинфосфатна (КФ) система –
Фосфорилювання АДФ шляхом перенесення фосфатної групи від креатинфосфату
Анаеробний креатинфосфатний ресинтез АТФ.
Рис.16. Креатинфосфатна (КФ) система ресинтезу АТФ в організмі
Для підтримки активності м'язової тканини на певному рівні необхідний швидкий ресинтез АТФ. Це відбувається у процесі рефосфорилування, при з'єднанні АДФ та фосфатів. Найбільш доступною речовиною, яка використовується для ресинтезу АТФ, насамперед є креатинфосфат ( рис.16), що легко передає свою фосфатну групу на АДФ:
КрФ + АДФ → Креатин + АТФ
КрФ – це сполука азотовмісної речовини креатиніну з фосфорною кислотою. Концентрація його в м'язах становить приблизно 2-3%, тобто в 3-4 рази більше в порівнянні з АТФ. Помірне (на 20-40%) зниження вмісту АТФ відразу ж веде до використання КрФ. Однак при максимальній роботі запаси креатинфосфату також швидко виснажуються. Завдяки фосфорилуванню АДФ креатинфосфатомзабезпечується дуже швидке утворення АТФ на початку скорочення.
Протягом періоду спокою концентрація креатинфосфату в м'язовому волокні зростає до рівня, що приблизно в п'ять разів перевищує вміст АТФ. На початку скорочення, коли починаються зниження концентрації АТФ та збільшення концентрації АДФ внаслідок розщеплення АТФ під дією АТФази міозину, реакція зрушується у бік утворення АТФ за рахунок креатинфосфату. При цьому перехід енергії відбувається з такою великою швидкістю, що на початку скорочення концентрація АТФ у м'язовому волокні змінюється мало, тоді як концентрація креатинфосфату падає швидко.
Хоча АТФ утворюється за рахунок креатинфосфату дуже швидко, за допомогою єдиної ферментативної реакції (рис.16), кількість АТФ лімітована вихідною концентрацією креатинфосфату в клітині. Щоб м'язове скорочення могло продовжуватися довше кількох секунд, потрібна участь двох інших, згадуваних вище, джерел освіти АТФ. Після початку скорочення, що забезпечується за рахунок використання креатинфосфату, підключаються повільніші, що вимагають участі багатьох ферментів шляху окисного фосфорилювання та гліколізу, завдяки яким швидкість утворення АТФ збільшується до рівня, що відповідає швидкості розщеплення АТФ.
Яка система синтезу АТФ найшвидша?
Система КФ (креатинфосфата) - це найшвидша система ресинтезу АТФ в організмі, оскільки вона включає лише одну ферментативну реакцію. Вона здійснює перенесення високоенергетичного фосфату прямо з КФ на АДФ із заснуванням АТФ. Однак здатність цієї системи ресинтезувати АТФ обмежена, оскільки запаси КФ у клітині невеликі. Оскільки ця система не використовує для синтезу АТФ кисень, її вважають анаеробним джерелом АТФ.
Скільки КФ зберігається в організмі?
Загальних запасів КФ та АТФ в організмі вистачило б менш ніж на 6 секунд інтенсивного фізичного навантаження.
У чому полягає перевага анаеробного вироблення АТФ з використанням КФ?
Система КФ/АТФ використовується під час короткочасного інтенсивного фізичного навантаження. Вона розташована на головках молекул міозину, тобто безпосередньо у місці споживання енергії. Система КФ/АТФ використовується, коли людина здійснює швидкі рухи, наприклад, швидко піднімається в гору, виконує високі стрибки, біжить стометрівку, швидко піднімається з ліжка, тікає від бджоли або відскакує убік від вантажівки під час переходу вулиці.
Гліколіз
Фосфорилювання АДФ у цитоплазмі
Розщеплення глікогену та глюкози в анаеробних умовах з утворенням молочної кислоти та АТФ.
Для відновлення АТФ з метою продовження інтенсивної м'язової діяльностіу процес включається наступне джерело енергоутворення – ферментативне розщеплення вуглеводів у безкисневих (анаеробних) умовах.
Рис.17. Загальна схема гліколізу
Процес гліколізу схематично представлений наступним чином (р іс.17).
Поява в процесі гліколізу вільних фосфатних груп уможливлює ресинтез АТФ з АДФ. Однак при цьому, крім АТФ, утворюються дві молекули молочної кислоти.
Процес гліколізу більш повільнийпорівняно з креатинфосфатним ресинтезом АТФ. Тривалість роботи м'язів в анаеробних (безкисневих) умовах обмежена у зв'язку з вичерпуванням запасів глікогену або глюкози та у зв'язку з накопиченням молочної кислоти.
Анаеробне утворення енергії шляхом гліколізу проводиться неекономно з великою витратою глікогену, так як використовується тільки частина енергії, що міститься в ньому (молочна кислота при гліколізі не використовується, хоча містить значні запаси енергії).
Звичайно, вже на цьому етапі частина молочної кислоти окислюється деякою кількістю кисню до вуглекислого газу та води:
С3Н6О3 + 3О2 = 3СО2 + 3Н2О 41
Енергія, що утворюється при цьому, йде на ресинтез вуглеводу з інших частин молочної кислоти. Однак обмежена кількість кисню при дуже інтенсивному фізичному навантаженні виявляється недостатньою для підтримки реакцій, спрямованих на перетворення молочної кислоти та ресинтез вуглеводів.
Звідки береться АТФ для фізичної активності, що триває понад 6 секунд?
При гліколізАТФ утворюється без використання кисню (анаеробно). Гліколіз відбувається у цитоплазмі м'язової клітини. В процесі гліколізу вуглеводи окислюються до пірувату або лактату та виділяються 2 молекули АТФ (3 молекули, якщо починати розрахунок з глікогену). При гліколізі АТФ синтезується швидко, але повільніше, ніж у системі КФ.
Що є кінцевим продуктом гліколізу – піруват чи лактат?
Коли гліколіз протікає повільно і мітохондрії адекватно акцептують відновлений НАДН, кінцевим продуктом гліколізу є піруват. Піруват перетворюється на ацетил-КоА (реакція, що вимагає НАД) і піддається повному окисленню в циклі Кребса та ЦПЕ. Коли мітохондрії не можуть забезпечити адекватне окислення пірувату або регенерацію акцепторів електронів (НАД або ФАДН), піруват перетворюється на лактат. Перетворення пірувату на лактат зменшує концентрацію пірувату, що запобігає інгібування реакції кінцевими продуктами, і гліколіз продовжується.
У яких випадках основним кінцевим продуктом гліколізу є лактат?
Лактат утворюється у тому випадку, коли мітохондрії не можуть адекватно окислювати піруват або регенерувати достатню кількість акцепторів електронів. Це відбувається при низькій ферментативної активності мітохондрій, при недостатньому кисневому забезпеченні, при високій швидкості гліколізу. Загалом утворення лактату посилюється під час гіпоксії, ішемії, при кровотечі, після вживання вуглеводів, при високій концентрації глікогену в м'язах, при гіпертермії, викликаній фізичним навантаженням.
Якими іншими способами може метаболізуватись піруват?
Під час фізичних вправ або за недостатньо калорійного харчування піруват перетворюється на замінну амінокислоту аланін. Синтезований у скелетних м'язах аланін зі струмом крові потрапляє у печінку, де перетворюється на піруват. Потім піруват перетворюється на глюкозу, яка надходить у кровотік. Цей процес аналогічний циклу Корі і називається аланіновим циклом.
У клітинах всіх організмів є молекули АТФ – аденозинтрифосфорної кислоти. АТФ - універсальна речовина клітини, молекула якої має багаті на енергію зв'язку. Молекула АТФ - це один своєрідний нуклеотид, який, як і інші нуклеотиди, складається з трьох компонентів: азотистої основи - аденіну, вуглеводу - рибози, але замість одного містить три залишки молекул фосфорної кислоти (рис. 12). Зв'язки, позначені на малюнку значком, багаті енергією і називаються макроергічними. Кожна молекула АТФ містить два макроергічні зв'язки.
При розриві макроергічного зв'язку та відщепленні за допомогою ферментів однієї молекули фосфорної кислоти звільняється 40 кДж/моль енергії, а АТФ при цьому перетворюється на АДФ – аденозиндифосфорну кислоту. При відщепленні ще однієї молекули фосфорної кислоти звільняється ще 40 кДж/моль; утворюється АМФ - аденозинмонофосфорна кислота. Ці реакції оборотні, тобто АМФ може перетворюватися на АДФ, АДФ — на АТФ.
Молекули АТФ як розщеплюються, а й синтезуються, тому їх вміст у клітині щодо постійно. Значення АТФ у житті клітини величезне. Ці молекули відіграють провідну роль в енергетичному обміні, необхідному для забезпечення життєдіяльності клітини та організму загалом.
Молекула РНК, як правило, одиночний ланцюг, що складається з чотирьох типів нуклеотидів - А, У, Г, Ц. Відомі три основні види РНК: іРНК, рРНК, тРНК. Зміст молекул РНК у клітині непостійно, вони беруть участь у біосинтезі білка. АТФ - універсальна енергетична речовина клітини, в якій є багаті на енергію зв'язку. АТФ грає центральну роль обміні енергії у клітині. РНК та АТФ містяться як у ядрі, так і в цитоплазмі клітини.
Будь-якій клітині, як і будь-якій живій системі, властива здатність зберігати свій склад і всі свої властивості на відносно постійному рівні. Так, наприклад, вміст АТФ у клітинах становить близько 0,04%, і ця величина стійко утримується, незважаючи на те, що АТФ постійно витрачається в клітині в процесі життєдіяльності. Інший приклад: реакція клітинного вмісту слаболужна, і ця реакція стійко утримується, незважаючи на те, що в процесі обміну речовин постійно утворюються кислоти і основи. Стійко утримується певному рівні як хімічний склад клітини, а й інші властивості. Високу стійкість живих систем не можна пояснити властивостями матеріалів, з яких вони побудовані, оскільки білки, жири і вуглеводи мають незначну стійкість. Стійкість живих систем активна, вона зумовлена складними процесами координації та регуляції.
Розглянемо, наприклад, яким чином підтримується сталість вмісту АТФ у клітині. Як відомо, АТФ витрачається клітиною під час здійснення нею будь-якої діяльності. Синтез АТФ відбувається в результаті процесів без кисневого і кисневого розщеплення глюкози. Очевидно, що сталість вмісту АТФ досягається завдяки точному врівноваженню обох процесів - витрати АТФ та її синтезу: як тільки вміст АТФ у клітині знизиться, відразу ж включаються процеси без кисневого та кисневого розщеплення глюкози, у ході яких АТФ синтезується та вміст АТФ у клітині. Коли рівень АТФ досягне норми, синтез АТФ пригальмовується.
Увімкнення та вимкнення процесів, що забезпечують підтримання нормального складу клітини, відбувається в ній автоматично. Таке регулювання називається саморегуляцією чи авторегуляцією.
Основою регуляції діяльності клітини є процеси інформації, т. е. процеси, у яких зв'язок між окремими ланками системи здійснюється з допомогою сигналів. Сигналом служить зміна, що виникає в якомусь ланці системи. У відповідь на сигнал запускається процес, в результаті якого зміна усувається. Коли нормальний стан системи відновлено - це є новим сигналом для вимкнення процесу.
Яким чином працює сигнальна система клітини, як вона забезпечує процеси авторегуляції у ній?
Прийом сигналів усередині клітини провадиться її ферментами. Ферменти, як і більшість білків, мають нестійку структуру. Під впливом низки чинників, зокрема багатьох хімічних агентів, структура ферменту порушується і каталітична активність його втрачається. Ця зміна, як правило, оборотна, тобто після усунення фактора, що діє, структура ферменту повертається до норми і його каталітична функція відновлюється.
Механізм авторегуляції клітини заснований на тому, що речовина, зміст якої регулюється, здатна до специфічної взаємодії з ферментом, що його породжує. Внаслідок цієї взаємодії структура ферменту деформується і каталітична активність його втрачається.
Механізм авторегуляції клітини працює в такий спосіб. Ми вже знаємо, що хімічні речовини, що виробляються у клітині, зазвичай виникають у результаті кількох послідовних ферментативних реакцій. Згадайте без кисневий та кисневий процеси розщеплення глюкози. Кожен з цих процесів представляє довгий ряд - не менше десятка реакцій, що послідовно протікають. Цілком очевидно, що для регуляції таких багаточленних процесів достатньо виключення будь-якої однієї ланки. Достатньо вимкнути хоча б одну реакцію – і зупиниться вся лінія. Саме цим шляхом здійснюється регуляція вмісту АТФ в клітині. Поки клітина перебуває у спокої, вміст АТФ у ній близько 0,04%. При такій високій концентрації АТФ вона реагує з одним із ферментів без кисневого процесу розщеплення глюкози. В результаті цієї реакції всі молекули даного ферменту позбавлені активності та конвеєрні лінії без кисневого та кисневого процесів не діють. Якщо завдяки якійсь діяльності клітини концентрація АТФ у ній знижується, тоді структура та функція ферменту відновлюються і без кисневий та кисневий процеси запускаються. В результаті відбувається вироблення АТФ, концентрація її збільшується. Коли вона досягне норми (0,04%), конвеєр без кисневого та кисневого процесів автоматично вимикається.
2241-2250
2241. Географічна ізоляція призводить до видоутворення, оскільки у популяціях вихідного виду спостерігається
А) дивергенція
Б) конвергенція
В) ароморфоз
Г) дегенерація
2242. До невідновних природних ресурсів біосфери відносять
А) вапняні відкладення
Б) тропічні ліси
В) пісок та глину
Г) кам'яне вугілля
2243. Яка ймовірність прояву рецесивної ознаки у фенотипі у потомства першого покоління, якщо обидва батьки мають генотип Aa?
а) 0%
Б) 25%
В) 50%
г) 75%
Конспект
2244. Багаті енергією зв'язки між залишками фосфорної кислоти є в молекулі
А) білка
Б) АТФ
В) іРНК
Г) ДНК
2245. За якою ознакою зображену на малюнку тварину відносять до класу комах?
а) три пари ходильних ніг
Б) два простих ока
В) одна пара прозорих крил
Г) розчленування тіла на голову та черевце
Конспект
2246. Зигота, на відміну від гамети, утворюється в результаті
А) запліднення
Б) партеногенезу
В) сперматогенезу
Г) I поділу мейозу
2247. Безплідні гібриди у рослин утворюються в результаті
А) внутрішньовидового схрещування
Б) поліплоїдизації
В) віддаленої гібридизації
Г) аналізуючого схрещування
Яка кількість АТФ міститься в організмі?
2249. У резус-негативних людей, порівняно з резус-позитивними, еритроцити крові відрізняються за складом
а) ліпідів
Б) вуглеводів
в) мінеральних речовин
Г) білків
2250. При руйнуванні клітин скроневої частки кори великих півкуль людина
А) отримує спотворене уявлення про форму предметів
Б) не розрізняє силу та висоту звуку
В) втрачає координацію рухів
Г) не розрізняє зорові сигнали
© Д.В.Поздняков, 2009-2018
Adblock detector
1. Які слова пропущені у реченні та замінені літерами (а-г)?
"До складу молекули АТФ входить азотна підстава (а), п'ятивуглецевий моносахарид (б) і (в) залишку (г) кислоти."
Літерами замінено такі слова: а – аденін, б – рибоза, в – три, г – фосфорної.
2. Порівняйте будову АТФ та будову нуклеотиду. Виявіть подібність та відмінності.
Фактично АТФ є похідним аденілового нуклеотиду РНК (аденозинмонофосфату, або АМФ). До складу молекул обох речовин входить азотна основа аденін і п'ятивуглецевий цукор рибозу. Відмінності пов'язані з тим, що у складі аденілового нуклеотиду РНК (як і у складі будь-якого іншого нуклеотиду) є лише один залишок фосфорної кислоти і відсутні макроергічні (високоенергетичні) зв'язки. Молекула АТФ містить три залишки фосфорної кислоти, між якими є два макроергічні зв'язки, тому АТФ може виконувати функцію акумулятора та переносника енергії.
3. Що являє собою процес гідролізу АТФ?
АТФ: енергетична валюта
Синтезу АТФ? У чому полягає біологічна роль АТФ?
У процесі гідролізу відбувається відщеплення від молекули АТФ одного залишку фосфорної кислоти (дефосфорилування). При цьому розривається макроергічний зв'язок, вивільняється 40 кДж/моль енергії та АТФ перетворюється на АДФ (аденозиндифосфорну кислоту):
АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4 + 40 кДж
АДФ може піддаватися подальшому гідролізу (що відбувається рідко) з відщепленням ще однієї фосфатної групи та виділенням другої "порції" енергії. При цьому АДФ перетворюється на АМФ (аденозинмонофосфорну кислоту):
АДФ + Н2О → АМФ + Н3РО4 + 40 кДж
Синтез АТФ відбувається внаслідок приєднання до молекули АДФ залишку фосфорної кислоти (фосфорилування). Цей процес здійснюється головним чином у мітохондріях та хлоропластах, частково в гіалоплазмі клітин. Для утворення 1 моль АТФ з АДФ має бути витрачено не менше 40 кДж енергії:
АДФ + Н3РО4 + 40 кДж → АТФ + Н2О
АТФ є універсальним зберігачем (акумулятором) та переносником енергії у клітинах живих організмів. Практично у всіх біохімічних процесах, що йдуть у клітинах із витратами енергії, як постачальник енергії використовується АТФ. Завдяки енергії АТФ синтезуються нові молекули білків, вуглеводів, ліпідів, здійснюється активний транспорт речовин, рух джгутиків та вій, відбувається розподіл клітин, здійснюється робота м'язів, підтримується постійна температура тіла теплокровних тварин тощо.
4. Які зв'язки називаються макроергічні? Які функції можуть виконувати речовини, які містять макроергічні зв'язки?
Макроергічні називають зв'язки, при розриві яких виділяється велика кількість енергії (наприклад, розрив кожного макроергічного зв'язку АТФ супроводжується вивільненням 40 кДж/моль енергії). Речовини, що містять макроергічні зв'язки, можуть бути акумуляторами, переносниками та постачальниками енергії для здійснення різних процесів життєдіяльності.
5. Загальна формула АТФ – С10H16N5O13P3. При гідролізі 1 моль АТФ до АДФ виділяється 40 кДж енергії. Скільки енергії виділиться за гідролізу 1 кг АТФ?
● Розрахуємо молярну масу АТФ:
М (С10H16N5O13P3) = 12 × 10 + 1 × 16 + 14 × 5 + 16 × 13 + 31 × 3 = 507 г/моль.
● При гідролізі 507 г АТФ (1 моль) виділяється 40 кДж енергії.
Отже, при гідролізі 1000 г АТФ виділиться: 1000 г × 40 кДж: 507 г ≈ 78,9 кДж.
Відповідь: при гідролізі 1 кг АТФ до АДФ виділяється близько 78,9 кДж енергії.
6. В одну клітину ввели молекули АТФ, мічені радіоактивним фосфором 32Р за останнім (третім) залишком фосфорної кислоти, а в іншу - молекули АТФ, мічені 32Р по першому (найближчому до рибозу) залишку. Через 5 хв в обох клітинах виміряли вміст неорганічного фосфат-іону, міченого 32Р. Де воно виявилося вищим і чому?
Останній (третій) залишок фосфорної кислоти легко відщеплюється в процесі гідролізу АТФ, а перший (найближчий до рибози) не відщеплюється навіть при двоступінчастому гідролізі АТФ до АМФ. Тому вміст радіоактивного неорганічного фосфату буде вищим у тій клітині, в яку ввели АТФ, мічену за останнім (третім) залишком фосфорної кислоти.
Дашков М.Л.
Сайт: dashkov.by
Молекула РНК на відміну від ДНК, як правило, являє собою одиночний ланцюжок нуклеотидів, який значно коротший, ніж ДНК. Однак загальна маса РНК у клітині більша, ніж ДНК. Молекули РНК є й у ядрі, й у цитоплазмі.
Відомі три основні типи РНК: інформаційні, або матричні – іРНК; рибосомні - рРНК, транспортні - тРНК, які різняться за формою, розмірами та функціями молекул. Їхня головна функція – участь у біосинтезі білка.
Ви бачите, що молекула РНК, як і ДНК, складається з чотирьох типів нуклеотидів, три з яких містять такі ж азотисті основи, як і нуклеотиди ДНК (А, Г, Ц) . Однак до складу РНК замість азотистої основи тиміну входить інша азотна основа - урацил (У). Таким чином, до складу нуклеотидів молекули РНК входять азотисті основи: А, Г, Ц, У. Крім того, замість вуглеводу дезоксирибози до складу РНК входить рибоза.
У клітинах всіх організмів є молекули АТФ – аденозинтрифосфорної кислоти. АТФ – універсальна речовина клітини, молекула якої має багаті на енергію зв'язку. Молекула АТФ – це один своєрідний нуклеотид, який, як і інші нуклеотиди, складається з трьох компонентів: азотистої основи – аденіну, вуглеводу – рибози, але замість одного містить три залишки молекул фосфорної кислоти. Кожна молекула АТФ містить два макроергічні зв'язки.
При розриві макроергічного зв'язку та відщепленні за допомогою ферментів однієї молекули фосфорної кислоти звільняється 40 кДж/моль енергії, а АТФ при цьому перетворюється на АДФ – аденозиндифосфорну кислоту. При відщепленні ще однієї молекули фосфорної кислоти звільняється ще 40 кДж/моль; утворюється АМФ – аденозинмонофосфорна кислота. Ці реакції оборотні, тобто АМФ може перетворюватися на АДФ, АДФ – на АТФ.
Молекула АТФ - що і яка її роль організмі
Молекули АТФ як розщеплюються, а й синтезуються, п bcd тому їх вміст у клітині щодо постійно. Значення АТФ у житті клітини величезне. Ці молекули відіграють провідну роль в енергетичному обміні, необхідному для забезпечення життєдіяльності клітини та організму загалом.
Дядько Ваня сюжет п'єси. "Дядя Ваня. Ставлення до професора оточуючих
Крихітка Цахес по прозвищу Циннобер
Майков, Аполлон Миколайович – коротка біографія