Struktur ATP. nilai ATP
Kelanjutan. Lihat No. 11, 12, 13, 14, 15, 16/2005
Pelajaran biologi di kelas sains
Perencanaan Lanjutan, Kelas 10
Pelajaran 19
Peralatan: tabel tentang biologi umum, diagram struktur molekul ATP, diagram hubungan antara plastik dan pertukaran energi.
I. Tes Pengetahuan
Melakukan dikte biologis "Senyawa organik dari materi hidup"
Guru membacakan tesis di bawah angka, siswa menuliskan di buku catatan nomor tesis yang sesuai isinya dengan versinya.
Opsi 1 - protein.
Opsi 2 - karbohidrat.
Opsi 3 - lipid.
Opsi 4 - asam nukleat.
1. Dalam bentuknya yang murni, mereka hanya terdiri dari atom C, H, O.
2. Selain atom C, H, O, mereka mengandung atom N dan biasanya S.
3. Selain atom C, H, O, mengandung atom N dan P.
4. Mereka memiliki berat molekul yang relatif kecil.
5. Berat molekul bisa dari ribuan hingga beberapa puluh dan ratusan ribu dalton.
6. Senyawa organik terbesar dengan berat molekul hingga beberapa puluh dan ratusan juta dalton.
7. Mereka memiliki berat molekul yang berbeda - dari sangat kecil hingga sangat tinggi, tergantung pada apakah zat tersebut monomer atau polimer.
8. Terdiri dari monosakarida.
9. Terdiri dari asam amino.
10. Terdiri dari nukleotida.
11. Mereka adalah ester dari asam lemak yang lebih tinggi.
12. Unit struktural dasar: "basa nitrogen - pentosa - residu asam fosfat".
13. Unit struktural dasar: "asam amino".
14. Unit struktural dasar: "monosakarida".
15. Unit struktural dasar: "gliserol-asam lemak".
16. Molekul polimer dibangun dari monomer yang sama.
17. Molekul polimer dibangun dari monomer yang serupa, tetapi tidak persis identik.
18. Bukan polimer.
19. Mereka melakukan hampir secara eksklusif fungsi energi, konstruksi dan penyimpanan, dalam beberapa kasus - pelindung.
20. Selain energi dan konstruksi, mereka melakukan katalitik, sinyal, transportasi, propulsi, dan fungsi perlindungan;
21. Mereka menyimpan dan mentransfer sifat turun-temurun dari sel dan tubuh.
Pilihan 1 – 2; 5; 9; 13; 17; 20.
pilihan 2 – 1; 7; 8; 14; 16; 19.
Opsi 3 – 1; 4; 11; 15; 18; 19.
Opsi 4– 3; 6; 10; 12; 17; 21.
II. Mempelajari materi baru
1. Struktur asam adenosin trifosfat
Selain protein, asam nukleat, lemak, dan karbohidrat, sejumlah besar senyawa organik lainnya disintesis dalam materi hidup. Diantaranya, peran penting dalam bioenergetika sel dimainkan oleh adenosin trifosfat (ATP). ATP ditemukan di semua sel tumbuhan dan hewan. Di dalam sel, asam adenosin trifosfat paling sering hadir dalam bentuk garam yang disebut adenosin trifosfat. Jumlah ATP berfluktuasi dan rata-rata 0,04% (rata-rata ada sekitar 1 miliar molekul ATP dalam sel). Jumlah ATP terbesar ditemukan di otot rangka (0,2–0,5%).
Molekul ATP terdiri dari basa nitrogen - adenin, pentosa - ribosa dan tiga residu asam fosfat, mis. ATP adalah nukleotida adenil khusus. Tidak seperti nukleotida lainnya, ATP tidak mengandung satu, tetapi tiga residu asam fosfat. ATP mengacu pada zat makroergik - zat yang mengandung sejumlah besar energi dalam ikatannya.
Model spasial (A) dan rumus struktur (B) dari molekul ATP
Dari komposisi ATP di bawah aksi enzim ATPase, residu asam fosfat dibelah. ATP memiliki kecenderungan kuat untuk melepaskan gugus fosfat terminalnya:
ATP 4– + H 2 O ––> ADP 3– + 30,5 kJ + Fn,
Karena ini mengarah pada hilangnya tolakan elektrostatik yang tidak menguntungkan secara energetik antara muatan negatif yang berdekatan. Fosfat yang dihasilkan distabilkan dengan pembentukan ikatan hidrogen yang menguntungkan secara energetik dengan air. Distribusi muatan dalam sistem ADP + Fn menjadi lebih stabil daripada di ATP. Sebagai hasil dari reaksi ini, 30,5 kJ dilepaskan (ketika ikatan kovalen konvensional putus, 12 kJ dilepaskan).
Untuk menekankan "biaya" energi tinggi dari ikatan fosfor-oksigen dalam ATP, biasanya dilambangkan dengan tanda ~ dan disebut ikatan makroenergi. Ketika satu molekul asam fosfat dibelah, ATP diubah menjadi ADP (asam adenosin difosfat), dan jika dua molekul asam fosfat dibelah, maka ATP diubah menjadi AMP (asam adenosin monofosfat). Pembelahan fosfat ketiga disertai dengan pelepasan hanya 13,8 kJ, sehingga hanya ada dua ikatan makroergik dalam molekul ATP.
2. Pembentukan ATP di dalam sel
Pasokan ATP dalam sel kecil. Misalnya, dalam otot, cadangan ATP cukup untuk 20–30 kontraksi. Tapi otot bisa bekerja berjam-jam dan menghasilkan ribuan kontraksi. Oleh karena itu, seiring dengan pemecahan ATP menjadi ADP, sintesis balik harus terus terjadi di dalam sel. Ada beberapa jalur untuk sintesis ATP dalam sel. Mari kita mengenal mereka.
1. fosforilasi anaerobik. Fosforilasi adalah proses sintesis ATP dari ADP dan fosfat berat molekul rendah (Pn). Pada kasus ini kita sedang berbicara tentang proses oksidasi zat organik bebas oksigen (misalnya, glikolisis adalah proses oksidasi glukosa bebas oksigen menjadi asam piruvat). Sekitar 40% dari energi yang dilepaskan selama proses ini (sekitar 200 kJ / mol glukosa) dihabiskan untuk sintesis ATP, dan sisanya hilang dalam bentuk panas:
C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Fn -->> 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 4H.
2. Fosforilasi oksidatif- ini adalah proses sintesis ATP karena energi oksidasi zat organik dengan oksigen. Proses ini ditemukan pada awal 1930-an. abad ke-20 V.A. Engelhardt. Oksigen proses oksidasi zat organik berlangsung di mitokondria. Kira-kira 55% energi yang dilepaskan dalam kasus ini (sekitar 2600 kJ/mol glukosa) diubah menjadi energi ikatan kimia ATP, dan 45% dihamburkan dalam bentuk panas.
Fosforilasi oksidatif jauh lebih efisien daripada sintesis anaerobik: jika hanya 2 molekul ATP yang disintesis selama glikolisis selama pemecahan molekul glukosa, maka 36 molekul ATP terbentuk selama fosforilasi oksidatif.
3. Fotofosforilasi- proses sintesis ATP karena energi sinar matahari. Jalur sintesis ATP ini hanya khas untuk sel yang mampu melakukan fotosintesis (tanaman hijau, cyanobacteria). Energi kuanta sinar matahari digunakan oleh fotosintesis dalam fase cahaya fotosintesis untuk sintesis ATP.
3. Signifikansi biologis ATP
ATP berada di pusat proses metabolisme dalam sel, menjadi penghubung antara reaksi sintesis biologis dan pembusukan. Peran ATP dalam sel dapat dibandingkan dengan peran baterai, karena selama hidrolisis ATP, energi yang diperlukan untuk berbagai proses kehidupan ("pelepasan") dilepaskan, dan dalam proses fosforilasi ("pengisian") , ATP kembali mengakumulasi energi dalam dirinya sendiri.
Karena energi yang dilepaskan selama hidrolisis ATP, hampir semua proses vital dalam sel dan tubuh terjadi: transmisi impuls saraf, biosintesis zat, kontraksi otot, pengangkutan zat, dll.
AKU AKU AKU. Konsolidasi pengetahuan
Memecahkan masalah biologis
Tugas 1. Saat berlari cepat, kita sering bernafas, keringat meningkat. Jelaskan fenomena ini.
Tugas 2. Mengapa orang yang kedinginan mulai menghentak dan melompat dalam cuaca dingin?
Tugas 3. Dalam karya terkenal I. Ilf dan E. Petrov "Dua Belas Kursi" di antara banyak tips berguna Anda juga dapat menemukan ini: "Tarik napas dalam-dalam, Anda bersemangat." Cobalah untuk membenarkan nasihat ini dari sudut pandang proses energi yang terjadi di dalam tubuh.
IV. Pekerjaan rumah
Mulailah mempersiapkan ujian dan ujian (mendiktekan pertanyaan ujian - lihat pelajaran 21).
Pelajaran 20
Peralatan: tabel biologi umum.
I. Generalisasi pengetahuan bagian
Pekerjaan siswa dengan pertanyaan (secara individu) dengan verifikasi dan diskusi berikutnya
1. Berikan contoh senyawa organik yang meliputi karbon, belerang, fosfor, nitrogen, besi, mangan.
2. Bagaimana sel hidup dapat dibedakan dari sel mati berdasarkan komposisi ioniknya?
3. Zat apa saja yang ada di dalam sel dalam bentuk tidak larut? Organ dan jaringan apa yang termasuk di dalamnya?
4. Berikan contoh makronutrien yang termasuk dalam pusat aktif enzim.
5. Hormon apa yang mengandung elemen jejak?
6. Apa peran halogen dalam tubuh manusia?
7. Bagaimana protein berbeda dari polimer buatan?
8. Apa perbedaan antara peptida dan protein?
9. Apa nama protein yang merupakan bagian dari hemoglobin? Terdiri dari berapa subunit?
10. Apa itu ribonuklease? Berapa banyak asam amino di dalamnya? Kapan itu disintesis secara artifisial?
11. Mengapa laju reaksi kimia tanpa enzim rendah?
12. Zat apa saja yang diangkut oleh protein melalui membran sel?
13. Bagaimana antibodi berbeda dari antigen? Apakah vaksin mengandung antibodi?
14. Zat apa saja yang memecah protein dalam tubuh? Berapa banyak energi yang dilepaskan dalam kasus ini? Di mana dan bagaimana amonia dinetralkan?
15. Berikan contoh hormon peptida: bagaimana mereka berpartisipasi dalam pengaturan metabolisme sel?
16. Bagaimana struktur gula yang kita minum teh? Apa tiga sinonim lain untuk zat ini yang Anda ketahui?
17. Mengapa lemak dalam susu tidak terkumpul di permukaan, melainkan dalam bentuk suspensi?
18. Berapa massa DNA dalam inti sel somatik dan germinal?
19. Berapa banyak ATP yang digunakan seseorang per hari?
20. Dari protein apa orang membuat pakaian?
Struktur primer ribonuklease pankreas (124 asam amino)
II. Pekerjaan rumah.
Lanjutkan persiapan untuk ujian dan ujian di bagian "Organisasi kimiawi kehidupan".
Pelajaran 21
I. Melakukan tes lisan pada soal
1. Komposisi dasar sel.
2. Ciri-ciri unsur organogenik.
3. Struktur molekul air. Ikatan hidrogen dan signifikansinya dalam "kimia" kehidupan.
4. Sifat dan fungsi biologis air.
5. Zat hidrofilik dan hidrofobik.
6. Kation dan signifikansi biologisnya.
7. Anion dan signifikansi biologisnya.
8. Polimer. polimer biologis. Perbedaan antara polimer periodik dan non-periodik.
9. Sifat lipid, fungsi biologisnya.
10. Kelompok karbohidrat dibedakan berdasarkan ciri strukturalnya.
11. Fungsi biologis karbohidrat.
12. Komposisi dasar protein. Asam amino. Pembentukan peptida.
13. Struktur protein primer, sekunder, tersier dan kuaterner.
14. Fungsi biologis protein.
15. Perbedaan antara enzim dan katalis non-biologis.
16. Struktur enzim. Koenzim.
17. Mekanisme kerja enzim.
18. Asam nukleat. Nukleotida dan strukturnya. Pembentukan polinukleotida.
19. Aturan E.Chargaff. Prinsip saling melengkapi.
20. Pembentukan molekul DNA beruntai ganda dan spiralisasinya.
21. Kelas RNA seluler dan fungsinya.
22. Perbedaan antara DNA dan RNA.
23. Replikasi DNA. Transkripsi.
24. Struktur dan peran biologis ATP.
25. Pembentukan ATP di dalam sel.
II. Pekerjaan rumah
Lanjutkan persiapan untuk ujian di bagian "Organisasi kimiawi kehidupan".
Pelajaran 22
I. Melakukan tes tertulis
Pilihan 1
1. Ada tiga jenis asam amino - A, B, C. Berapa banyak varian rantai polipeptida yang terdiri dari lima asam amino yang dapat dibuat. Tentukan opsi ini. Akankah polipeptida ini memiliki sifat yang sama? Mengapa?
2. Semua makhluk hidup terutama terdiri dari senyawa karbon, dan analog karbon adalah silikon, yang kandungannya di kerak bumi 300 kali lebih banyak dari karbon, ditemukan hanya pada sedikit organisme. Jelaskan fakta ini dalam kaitannya dengan struktur dan sifat atom unsur-unsur ini.
3. Molekul ATP berlabel radioaktif 32P terakhir, residu asam fosfat ketiga dimasukkan ke dalam satu sel, dan molekul ATP berlabel 32P pada residu pertama yang paling dekat dengan ribosa dimasukkan ke dalam sel lain. Setelah 5 menit, kandungan ion fosfat anorganik berlabel 32P diukur pada kedua sel. Di mana itu akan jauh lebih tinggi?
4. Penelitian telah menunjukkan bahwa 34% dari jumlah total nukleotida mRNA ini adalah guanin, 18% urasil, 28% sitosin, dan 20% adenin. Tentukan persentase komposisi basa nitrogen dari DNA beruntai ganda, di mana mRNA yang ditentukan adalah cetakannya.
pilihan 2
1. Lemak merupakan "cadangan pertama" dalam metabolisme energi dan digunakan saat cadangan karbohidrat habis. Namun, pada otot rangka, dengan adanya glukosa dan asam lemak, yang terakhir digunakan lebih banyak. Protein sebagai sumber energi selalu digunakan hanya sebagai upaya terakhir, saat tubuh kelaparan. Jelaskan fakta-fakta ini.
2. Ion logam berat (merkuri, timbal, dll.) dan arsenik mudah diikat oleh gugus sulfida protein. Mengetahui sifat-sifat sulfida dari logam-logam ini, jelaskan apa yang terjadi pada protein bila digabungkan dengan logam-logam ini. Mengapa logam berat beracun bagi tubuh?
3. Pada reaksi oksidasi zat A menjadi zat B, energi dilepaskan sebesar 60 kJ. Berapa banyak molekul ATP yang dapat disintesis secara maksimal dalam reaksi ini? Bagaimana sisa energi akan digunakan?
4. Studi telah menunjukkan bahwa 27% jumlah total nukleotida mRNA ini adalah guanin, 15% adalah urasil, 18% adalah sitosin, dan 40% adalah adenin. Tentukan persentase komposisi basa nitrogen dari DNA beruntai ganda, di mana mRNA yang ditentukan adalah gips.
Bersambung
Molekul ini memainkan peran yang sangat penting dalam metabolisme, senyawa ini dikenal sebagai sumber energi universal dalam semua proses yang terjadi pada organisme hidup.
Menjawab
Utama sumber energi bagi sel adalah nutrisi: karbohidrat, lemak dan protein, yang teroksidasi dengan bantuan oksigen. Hampir semua karbohidrat, sebelum mencapai sel-sel tubuh, diubah menjadi glukosa karena kerja saluran cerna dan hati. Bersama dengan karbohidrat, protein juga dipecah - menjadi asam amino dan lipid - menjadi asam lemak... Di dalam sel, nutrisi dioksidasi di bawah aksi oksigen dan dengan partisipasi enzim yang mengontrol reaksi pelepasan energi dan pemanfaatannya.
Hampir semua reaksi oksidatif terjadi di mitokondria, dan energi yang dilepaskan disimpan dalam bentuk senyawa makroergik - ATP. Di masa depan, ATP, dan bukan nutrisi, yang digunakan untuk menyediakan energi untuk proses metabolisme intraseluler.
molekul ATP mengandung: (1) basa nitrogen adenin; (2) ribosa karbohidrat pentosa, (3) tiga residu asam fosfat. Dua fosfat terakhir terhubung satu sama lain dan dengan molekul lainnya melalui ikatan fosfat makroergik, ditunjukkan dengan simbol ~ dalam rumus ATP. Tunduk pada karakteristik kondisi fisik dan kimia tubuh, energi dari setiap ikatan tersebut adalah 12.000 kalori per 1 mol ATP, yang jauh lebih tinggi daripada energi ikatan kimia biasa, itulah sebabnya ikatan fosfat disebut makroergik. Selain itu, ikatan ini mudah dihancurkan, memberikan energi pada proses intraseluler segera setelah diperlukan.
Saat dirilis energi ATP menyumbangkan gugus fosfat dan diubah menjadi adenosin difosfat. Energi yang dilepaskan digunakan untuk hampir semua proses seluler, misalnya dalam reaksi biosintesis dan selama kontraksi otot.
Skema pembentukan adenosin trifosfat di dalam sel, menunjukkan peran kunci mitokondria dalam proses ini.GI - glukosa; FA - asam lemak; AA adalah asam amino.
Pengisian kembali cadangan ATP terjadi dengan menggabungkan kembali ADP dengan residu asam fosfat dengan mengorbankan energi nutrisi. Proses ini berulang-ulang. ATP terus dikonsumsi dan diakumulasikan, oleh karena itu disebut mata uang energi sel. Waktu pergantian ATP hanya beberapa menit.
Peran mitokondria dalam reaksi kimia pembentukan ATP. Ketika glukosa memasuki sel, di bawah aksi enzim sitoplasma, ia berubah menjadi asam piruvat (proses ini disebut glikolisis). Energi yang dilepaskan dalam proses ini digunakan untuk mengubah sejumlah kecil ADP menjadi ATP, kurang dari 5% dari total cadangan energi.
95% dilakukan di mitokondria. Asam piruvat, asam lemak dan asam amino, masing-masing terbentuk dari karbohidrat, lemak dan protein, akhirnya diubah dalam matriks mitokondria menjadi senyawa yang disebut asetil-KoA. Senyawa ini, pada gilirannya, memasuki serangkaian reaksi enzimatik, yang secara kolektif dikenal sebagai siklus asam trikarboksilat atau siklus Krebs, untuk melepaskan energinya.
Dalam satu putaran asam trikarboksilat asetil-KoA terurai menjadi atom hidrogen dan molekul karbon dioksida. Karbon dioksida dikeluarkan dari mitokondria, kemudian dari sel melalui difusi dan dikeluarkan dari tubuh melalui paru-paru.
atom hidrogen secara kimiawi sangat aktif dan karena itu segera bereaksi dengan oksigen yang berdifusi ke dalam mitokondria. Sejumlah besar energi yang dilepaskan dalam reaksi ini digunakan untuk mengubah banyak molekul ADP menjadi ATP. Reaksi ini cukup kompleks dan membutuhkan partisipasi sejumlah besar enzim yang membentuk krista mitokondria. Pada tahap awal elektron dipisahkan dari atom hidrogen, dan atom menjadi ion hidrogen. Proses diakhiri dengan penambahan ion hidrogen ke oksigen. Sebagai hasil dari reaksi ini, air dan sejumlah besar energi terbentuk yang diperlukan untuk pengoperasian ATP sintetase, protein globular besar yang bertindak sebagai tuberkel pada permukaan krista mitokondria. Di bawah aksi enzim ini, yang menggunakan energi ion hidrogen, ADP diubah menjadi ATP. Molekul ATP baru dikirim dari mitokondria ke seluruh bagian sel, termasuk nukleus, di mana energi senyawa ini digunakan untuk menyediakan berbagai fungsi.
Proses ini sintesis ATP umumnya disebut mekanisme kemiosmotik pembentukan ATP.
Penggunaan adenosin trifosfat mitokondria untuk implementasi tiga fungsi penting sel: transportasi membran, sintesis protein dan kontraksi otot.
Organisme apa pun bisa ada selama ada pasokan nutrisi dari lingkungan luar dan sementara produk dari aktivitas vitalnya dikeluarkan ke lingkungan ini. Di dalam sel terdapat transformasi kimia kompleks yang sangat kompleks, yang karenanya komponen tubuh sel terbentuk dari nutrisi. Totalitas proses transformasi materi dalam organisme hidup, disertai dengan pembaruannya yang konstan, disebut metabolisme.
Bagian dari keseluruhan metabolisme, yang terdiri dari penyerapan, asimilasi nutrisi, dan penciptaan dengan mengorbankan mereka komponen struktural sel, disebut asimilasi - ini adalah pertukaran yang konstruktif. Bagian kedua dari pertukaran umum adalah proses disimilasi, yaitu. proses dekomposisi dan oksidasi zat organik, akibatnya sel menerima energi, adalah pertukaran energi. Konstruktif dan pertukaran energi merupakan satu kesatuan.
Dalam proses pertukaran konstruktif, sel mensintesis biopolimer tubuhnya dari senyawa dengan berat molekul rendah dalam jumlah yang agak terbatas. Reaksi biosintetik berlangsung dengan partisipasi berbagai enzim dan membutuhkan energi.
Organisme hidup hanya dapat menggunakan energi yang terikat secara kimiawi. Setiap zat memiliki sejumlah energi potensial. Pembawa material utamanya adalah ikatan kimia, pemutusan atau transformasi yang mengarah pada pelepasan energi. Tingkat energi beberapa ikatan memiliki nilai 8-10 kJ - ikatan ini disebut normal. Ikatan lain mengandung lebih banyak energi - 25-40 kJ - inilah yang disebut ikatan makroergik. Hampir semua senyawa yang dikenal dengan ikatan semacam itu memiliki atom fosfor atau belerang dalam komposisinya, di mana ikatan ini terlokalisasi dalam molekul. Adenosine triphosphoric acid (ATP) merupakan salah satu senyawa yang berperan penting dalam kehidupan sel.
Asam adenosin trifosfat (ATP) terdiri dari basa adenin organik (I), karbohidrat ribosa (II) dan tiga residu asam fosfat (III). Kombinasi adenin dan ribosa disebut adenosin. Gugus pirofosfat memiliki ikatan makroergik, ditandai dengan ~. Penguraian satu molekul ATP dengan partisipasi air disertai dengan eliminasi satu molekul asam fosfat dan pelepasan energi bebas, yaitu 33-42 kJ / mol. Semua reaksi yang melibatkan ATP diatur oleh sistem enzim.
Gbr.1. Asam adenosin trifosfat (ATP)
Metabolisme energi di dalam sel sintesis ATP
Sintesis ATP terjadi di membran mitokondria selama respirasi, oleh karena itu semua enzim dan kofaktor rantai pernapasan, semua enzim fosforilasi oksidatif terlokalisasi di organel ini.
Sintesis ATP terjadi sedemikian rupa sehingga dua ion H + dipisahkan dari ADP dan fosfat (P) di sisi kanan membran, mengkompensasi hilangnya dua H + selama reduksi zat B. Salah satu atom oksigen fosfat dipindahkan ke sisi lain membran dan, setelah menempel dua ion H + dari kompartemen kiri, membentuk H 2 O. Residu fosforil menempel pada ADP, membentuk ATP.
Gbr.2. Skema oksidasi dan sintesis ATP dalam membran mitokondria
Dalam sel organisme, banyak reaksi biosintetik telah dipelajari yang menggunakan energi yang terkandung dalam ATP, di mana proses karboksilasi dan dekarboksilasi, sintesis ikatan amida, pembentukan senyawa makroergik yang mampu mentransfer energi dari ATP menjadi reaksi anabolik dari sintesis zat terjadi. Reaksi-reaksi ini memainkan peran penting dalam proses metabolisme organisme tanaman.
Dengan partisipasi ATP dan polifosfat nukleosida berenergi tinggi lainnya (GTP, CTP, UGF), molekul monosakarida, asam amino, basa nitrogen, asilgliserol dapat diaktifkan oleh sintesis zat antara aktif yang merupakan turunan dari nukleotida. Jadi, misalnya, dalam proses sintesis pati dengan partisipasi enzim ADP-glukosa pirofosforilase, bentuk aktif glukosa terbentuk - glukosa adenosin difosfat, yang dengan mudah menjadi donor residu glukosa selama pembentukan struktur. molekul polisakarida ini.
Sintesis ATP terjadi dalam sel semua organisme dalam proses fosforilasi, mis. penambahan fosfat anorganik ke ADP. Energi untuk fosforilasi ADP dihasilkan selama metabolisme energi. Metabolisme energi, atau disimilasi, adalah serangkaian reaksi pemisahan zat organik, disertai dengan pelepasan energi. Bergantung pada habitatnya, disimilasi dapat berlangsung dalam dua atau tiga tahap.
Pada sebagian besar organisme hidup - aerob yang hidup di lingkungan oksigen - tiga tahap dilakukan selama disimilasi: persiapan, bebas oksigen, dan oksigen, di mana zat organik terurai menjadi senyawa anorganik. Dalam anaerob yang hidup di lingkungan tanpa oksigen, atau dalam aerob dengan kekurangan oksigen, disimilasi hanya terjadi pada dua tahap pertama dengan pembentukan zat antara. senyawa organik masih kaya energi.
Tahap pertama - persiapan - terdiri dari pemisahan enzimatik senyawa organik kompleks menjadi yang lebih sederhana (protein - menjadi asam amino, lemak - menjadi gliserol dan asam lemak, polisakarida - menjadi monosakarida, asam nukleat - menjadi nukleotida). Pemecahan substrat makanan organik dilakukan pada berbagai tingkat saluran pencernaan organisme multisel. Pembelahan zat organik intraseluler terjadi di bawah aksi enzim hidrolitik lisosom. Energi yang dilepaskan dalam kasus ini dihamburkan dalam bentuk panas, dan molekul organik kecil yang dihasilkan dapat mengalami pemisahan lebih lanjut atau digunakan oleh sel sebagai "bahan bangunan" untuk sintesis senyawa organiknya sendiri.
Tahap kedua - oksidasi tidak lengkap (bebas oksigen) - dilakukan langsung di sitoplasma sel, tidak membutuhkan oksigen dan terdiri dari pemisahan lebih lanjut dari substrat organik. Sumber energi utama dalam sel adalah glukosa. Anoksik, pemecahan glukosa yang tidak lengkap disebut glikolisis.
Glikolisis adalah proses enzimatik multi-tahap untuk mengubah glukosa enam karbon menjadi dua molekul tiga karbon asam piruvat (piruvat, PVA) C3H4O3. Selama reaksi glikolisis, sejumlah besar energi dilepaskan - 200 kJ / mol. Sebagian dari energi ini (60%) dihamburkan sebagai panas, sisanya (40%) digunakan untuk sintesis ATP.
Sebagai hasil dari glikolisis satu molekul glukosa, dua molekul PVC, ATP dan air terbentuk, serta atom hidrogen yang disimpan oleh sel dalam bentuk NADH, mis. sebagai bagian dari pembawa spesifik - nicotinamide adenine dinucleotide. Nasib selanjutnya dari produk glikolisis - piruvat dan hidrogen dalam bentuk NAD H - dapat berkembang dengan cara yang berbeda. Dalam ragi atau sel tumbuhan, dengan kekurangan oksigen, terjadi fermentasi alkohol - PVC direduksi menjadi etil alkohol:
Pada sel hewan yang mengalami kekurangan oksigen sementara, misalnya pada sel otot manusia selama aktivitas fisik yang berlebihan, serta pada beberapa bakteri, terjadi fermentasi asam laktat, di mana piruvat direduksi menjadi asam laktat. Di hadapan oksigen di lingkungan, produk glikolisis mengalami pemisahan lebih lanjut menjadi produk akhir.
Tahap ketiga - oksidasi lengkap (respirasi) - berlangsung dengan partisipasi wajib oksigen. Respirasi aerobik adalah rantai reaksi yang dikendalikan oleh enzim membran dalam dan matriks mitokondria. Begitu berada di mitokondria, PVC berinteraksi dengan enzim matriks dan membentuk: karbon dioksida, yang dikeluarkan dari sel; atom hidrogen, yang, sebagai bagian dari pembawa, dikirim ke membran dalam; asetil koenzim A (asetil-KoA), yang terlibat dalam siklus asam trikarboksilat (siklus Krebs). Siklus Krebs adalah rantai reaksi berturut-turut di mana dua molekul CO2, molekul ATP dan empat pasang atom hidrogen terbentuk dari satu molekul asetil-KoA, ditransfer ke molekul pembawa - NAD dan FAD (flavin adenin dinukleotida). Reaksi keseluruhan glikolisis dan siklus Krebs dapat direpresentasikan sebagai berikut:
Jadi, sebagai hasil dari tahap disimilasi bebas oksigen dan siklus Krebs, molekul glukosa dipecah menjadi karbon dioksida anorganik (CO2), dan energi yang dilepaskan dalam proses ini sebagian dihabiskan untuk sintesis ATP, tetapi sebagian besar disimpan. dalam pembawa bermuatan elektron NAD H2 dan FAD H2. Protein pembawa mengangkut atom hidrogen ke membran mitokondria bagian dalam, di mana mereka melewati rantai protein yang dibangun ke dalam membran. Pengangkutan partikel di sepanjang rantai transpor dilakukan sedemikian rupa sehingga proton tetap berada di sisi luar membran dan menumpuk di ruang antarmembran, mengubahnya menjadi reservoir H+, sedangkan elektron dipindahkan ke permukaan bagian dalam membran. membran mitokondria, di mana mereka akhirnya bergabung dengan oksigen.
Sebagai hasil dari aktivitas enzim rantai transpor elektron, membran dalam mitokondria bermuatan negatif dari dalam, dan bermuatan positif dari luar (karena H), sehingga tercipta perbedaan potensial di antara permukaannya. Diketahui bahwa molekul enzim ATP sintetase dengan saluran ion tertanam di membran dalam mitokondria. Ketika perbedaan potensial melintasi membran mencapai tingkat kritis (200 mV), partikel H+ yang bermuatan positif mulai mendorong melalui saluran ATPase dengan kekuatan medan listrik dan, begitu berada di permukaan bagian dalam membran, berinteraksi dengan oksigen, membentuk air.
Jalan normal reaksi metabolisme pada tingkat molekuler disebabkan oleh kombinasi harmonis dari proses katabolisme dan anabolisme. Ketika proses katabolik terganggu, pertama-tama, kesulitan energi muncul, regenerasi ATP terganggu, serta pasokan substrat anabolisme awal yang diperlukan untuk proses biosintesis. Pada gilirannya, kerusakan pada proses anabolik primer atau terkait dengan perubahan proses katabolisme menyebabkan terganggunya reproduksi senyawa penting secara fungsional - enzim, hormon, dll.
Pelanggaran berbagai mata rantai rantai metabolisme tidak seimbang dalam konsekuensinya. Perubahan patologis yang paling signifikan dan mendalam dalam katabolisme terjadi ketika sistem oksidasi biologis rusak karena blokade enzim respirasi jaringan, hipoksia, dll., Atau kerusakan pada mekanisme konjugasi respirasi jaringan dan fosforilasi oksidatif (misalnya, pemisahan jaringan). respirasi dan fosforilasi oksidatif pada tirotoksikosis). Dalam kasus ini, sel kehilangan sumber energi utama, hampir semua reaksi oksidatif katabolisme diblokir atau kehilangan kemampuan untuk mengakumulasi energi yang dilepaskan dalam molekul ATP. Dengan menghambat reaksi siklus asam trikarboksilat, produksi energi dari katabolisme berkurang sekitar dua pertiga.
Jutaan reaksi biokimia terjadi di setiap sel tubuh kita. Mereka dikatalisis oleh berbagai enzim yang seringkali membutuhkan energi. Di mana sel membawanya? Pertanyaan ini dapat dijawab jika kita mempertimbangkan struktur molekul ATP - salah satu sumber energi utama.
ATP adalah sumber energi universal
ATP adalah singkatan dari adenosin trifosfat, atau adenosin trifosfat. Materi adalah salah satu dari dua sumber energi terpenting dalam sel mana pun. Struktur ATP dan peran biologis terkait erat. Sebagian besar reaksi biokimia hanya dapat terjadi dengan partisipasi molekul suatu zat, terutama hal ini berlaku.Namun, ATP jarang terlibat langsung dalam reaksi: untuk berlangsungnya proses apa pun, diperlukan energi yang justru terkandung dalam adenosin trifosfat.
Struktur molekul zat sedemikian rupa sehingga ikatan yang terbentuk antara gugus fosfat membawa energi dalam jumlah besar. Oleh karena itu, ikatan semacam itu disebut juga makroergik, atau makroenergi (makro=banyak, jumlah besar). Istilah ini pertama kali diperkenalkan oleh ilmuwan F. Lipman, dan dia juga menyarankan untuk menggunakan ikon ̴ untuk menunjuknya.
Sangat penting bagi sel untuk mempertahankan tingkat adenosin trifosfat yang konstan. Hal ini terutama berlaku untuk sel otot dan serabut saraf, karena mereka sangat bergantung pada energi dan membutuhkan kandungan adenosin trifosfat yang tinggi untuk menjalankan fungsinya.
Struktur molekul ATP
Adenosin trifosfat terdiri dari tiga unsur: ribosa, adenin, dan
Ribosa- karbohidrat yang termasuk dalam kelompok pentosa. Ini berarti ribosa mengandung 5 atom karbon, yang terbungkus dalam satu siklus. Ribosa terhubung ke adenin oleh ikatan β-N-glikosidik pada atom karbon pertama. Juga, residu asam fosfat pada atom karbon ke-5 melekat pada pentosa.
Adenin adalah basa nitrogen. Bergantung pada basa nitrogen mana yang melekat pada ribosa, GTP (guanosin trifosfat), TTP (timidin trifosfat), CTP (cytidine triphosphate) dan UTP (uridin trifosfat) juga diisolasi. Semua zat ini memiliki struktur yang mirip dengan adenosin trifosfat dan melakukan fungsi yang kira-kira sama, tetapi jauh lebih jarang di dalam sel.
Residu asam fosfat. Maksimal tiga residu asam fosfat dapat melekat pada ribosa. Jika ada dua atau hanya satu di antaranya, maka masing-masing zat tersebut disebut ADP (difosfat) atau AMP (monofosfat). Di antara residu fosfor itulah ikatan makroenergi disimpulkan, setelah pecahnya energi 40 hingga 60 kJ dilepaskan. Jika dua ikatan putus, 80, lebih jarang - 120 kJ energi dilepaskan. Ketika ikatan antara ribosa dan residu fosfor terputus, hanya 13,8 kJ yang dilepaskan, oleh karena itu, hanya ada dua ikatan energi tinggi dalam molekul trifosfat (P ̴ P ̴ P), dan satu dalam molekul ADP (P ̴ P).
Apa fitur struktural ATP. Karena ikatan makroenergi terbentuk antara residu asam fosfat, struktur dan fungsi ATP saling berhubungan.
Struktur ATP dan peran biologis molekul. Fungsi tambahan adenosin trifosfat
Selain energi, ATP dapat melakukan banyak fungsi lain di dalam sel. Bersama dengan nukleotida trifosfat lainnya, trifosfat terlibat dalam konstruksi asam nukleat. Dalam hal ini, ATP, GTP, TTP, CTP dan UTP adalah pemasok basa nitrogen. Properti ini digunakan dalam proses dan transkripsi.
ATP juga diperlukan untuk pengoperasian saluran ion. Misalnya, saluran Na-K memompa 3 molekul natrium keluar dari sel dan memompa 2 molekul kalium ke dalam sel. Arus ion seperti itu diperlukan untuk mempertahankan muatan positif pada permukaan luar membran, dan hanya dengan bantuan adenosin trifosfat saluran dapat berfungsi. Hal yang sama berlaku untuk saluran proton dan kalsium.
ATP adalah prekursor cAMP messenger kedua (adenosin monofosfat siklik) - cAMP tidak hanya mentransmisikan sinyal yang diterima oleh reseptor membran sel, tetapi juga merupakan efektor alosterik. Efektor alosterik adalah zat yang mempercepat atau memperlambat reaksi enzimatik. Jadi, adenosin trifosfat siklik menghambat sintesis enzim yang mengkatalisis pemecahan laktosa dalam sel bakteri.
Molekul adenosin trifosfat itu sendiri juga bisa menjadi efektor alosterik. Selain itu, dalam proses seperti itu, ADP bertindak sebagai antagonis ATP: jika trifosfat mempercepat reaksi, maka difosfat melambat, dan sebaliknya. Ini adalah fungsi dan struktur ATP.
Bagaimana ATP terbentuk di dalam sel
Fungsi dan struktur ATP sedemikian rupa sehingga molekul zat tersebut cepat digunakan dan dihancurkan. Oleh karena itu, sintesis trifosfat merupakan proses penting dalam pembentukan energi di dalam sel.
Ada tiga cara paling penting untuk mensintesis adenosin trifosfat:
1. Fosforilasi substrat.
2. Fosforilasi oksidatif.
3. Fotofosforilasi.
Fosforilasi substrat didasarkan pada beberapa reaksi yang terjadi di sitoplasma sel. Reaksi ini disebut glikolisis - tahap anaerobik Sebagai hasil dari 1 siklus glikolisis, dua molekul disintesis dari 1 molekul glukosa, yang selanjutnya digunakan untuk produksi energi, dan dua ATP juga disintesis.
- C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Fn --> 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 4H.
Respirasi sel
Fosforilasi oksidatif adalah pembentukan adenosin trifosfat dengan transfer elektron di sepanjang rantai transpor elektron membran. Sebagai hasil dari transfer ini, gradien proton terbentuk di salah satu sisi membran, dan dengan bantuan set integral protein ATP sintase, molekul dibangun. Prosesnya terjadi pada membran mitokondria.
Urutan langkah-langkah glikolisis dan fosforilasi oksidatif dalam mitokondria membentuk keseluruhan proses yang disebut respirasi. Setelah siklus penuh 36 molekul ATP terbentuk dari 1 molekul glukosa dalam sel.
Fotofosforilasi
Proses fotofosforilasi adalah fosforilasi oksidatif yang sama dengan hanya satu perbedaan: reaksi fotofosforilasi terjadi di kloroplas sel di bawah pengaruh cahaya. ATP diproduksi selama tahap cahaya fotosintesis, proses penghasil energi utama pada tumbuhan hijau, alga, dan beberapa bakteri.
Dalam proses fotosintesis, elektron melewati rantai transpor elektron yang sama, menghasilkan pembentukan gradien proton. Konsentrasi proton di satu sisi membran adalah sumber sintesis ATP. Perakitan molekul dilakukan oleh enzim ATP sintase.
Sel rata-rata mengandung 0,04% adenosin trifosfat dari total massa. Namun, yang paling sangat penting diamati pada sel otot: 0,2-0,5%.
Ada sekitar 1 miliar molekul ATP dalam sel.
Setiap molekul hidup tidak lebih dari 1 menit.
Satu molekul adenosin trifosfat diperbarui 2000-3000 kali sehari.
Secara total, tubuh manusia mensintesis 40 kg adenosin trifosfat per hari, dan pada setiap titik pasokan ATP adalah 250 g.
Kesimpulan
Struktur ATP dan peran biologis molekulnya terkait erat. Zat tersebut memainkan peran kunci dalam proses kehidupan, karena ikatan makroergik antara residu fosfat mengandung energi dalam jumlah besar. Adenosine triphosphate melakukan banyak fungsi di dalam sel, dan oleh karena itu penting untuk mempertahankan konsentrasi zat yang konstan. Peluruhan dan sintesis berlangsung dengan kecepatan tinggi, karena energi ikatan terus digunakan dalam reaksi biokimia. Ini adalah zat yang sangat diperlukan dari setiap sel tubuh. Mungkin hanya itu yang bisa dikatakan tentang struktur ATP.
