La struttura dell'ATP. Valore dell'ATP
Continuazione. Vedi n. 11, 12, 13, 14, 15, 16/2005
Lezioni di biologia nelle classi di scienze
Pianificazione avanzata, grado 10
Lezione 19
Attrezzatura: tabelle di biologia generale, diagramma della struttura della molecola di ATP, diagramma del rapporto tra scambi plastici ed energetici.
I. Prova di conoscenza
Condurre un dettato biologico "Composti organici della materia vivente"
L'insegnante legge le tesi sotto i numeri, gli studenti annotano sul quaderno i numeri di quelle tesi che sono adatte nel contenuto alla loro versione.
Opzione 1 - proteine.
Opzione 2: carboidrati.
Opzione 3 - lipidi.
Opzione 4 - acidi nucleici.
1. Nella sua forma pura, sono costituiti solo da atomi di C, H, O.
2. Oltre agli atomi di C, H, O, contengono N e solitamente S atomi.
3. Oltre agli atomi C, H, O, contengono atomi N e P.
4. Hanno un peso molecolare relativamente piccolo.
5. Il peso molecolare può variare da migliaia a diverse decine e centinaia di migliaia di dalton.
6. I più grandi composti organici con un peso molecolare fino a diverse decine e centinaia di milioni di dalton.
7. Hanno pesi molecolari diversi, da molto piccoli a molto alti, a seconda che la sostanza sia un monomero o un polimero.
8. Sono costituiti da monosaccaridi.
9. Consistono di amminoacidi.
10. Consistono di nucleotidi.
11. Sono esteri di acidi grassi superiori.
12. Unità strutturale di base: "base azotata - pentoso - residuo acido fosforico".
13. Unità strutturale di base: "amminoacidi".
14. Unità strutturale di base: "monosaccaride".
15. Unità strutturale di base: "glicerolo-acido grasso".
16. Le molecole polimeriche sono costruite dagli stessi monomeri.
17. Le molecole polimeriche sono costituite da monomeri simili, ma non esattamente identici.
18. Non sono polimeri.
19. Svolgono quasi esclusivamente funzioni energetiche, costruttive e di stoccaggio, in alcuni casi protettive.
20. Oltre all'energia e alla costruzione, svolgono servizi catalitici, di segnale, di trasporto, di propulsione e funzione protettiva;
21. Conservano e trasferiscono le proprietà ereditarie della cellula e del corpo.
opzione 1 – 2; 5; 9; 13; 17; 20.
opzione 2 – 1; 7; 8; 14; 16; 19.
Opzione 3 – 1; 4; 11; 15; 18; 19.
Opzione 4– 3; 6; 10; 12; 17; 21.
II. Imparare nuovo materiale
1. La struttura dell'acido adenosina trifosforico
Oltre alle proteine, agli acidi nucleici, ai grassi e ai carboidrati, nella materia vivente viene sintetizzato un gran numero di altri composti organici. Tra questi, un ruolo importante nella bioenergetica della cellula è svolto da adenosina trifosfato (ATP). L'ATP si trova in tutte le cellule vegetali e animali. Nelle cellule, l'acido adenosina trifosforico è più spesso presente sotto forma di sali chiamati adenosina trifosfati. La quantità di ATP oscilla ed è in media dello 0,04% (in media ci sono circa 1 miliardo di molecole di ATP in una cellula). La maggior quantità di ATP si trova nei muscoli scheletrici (0,2-0,5%).
La molecola di ATP è costituita da una base azotata - adenina, pentoso - ribosio e tre residui di acido fosforico, cioè L'ATP è uno speciale nucleotide adenilico. A differenza di altri nucleotidi, l'ATP contiene non uno, ma tre residui di acido fosforico. L'ATP si riferisce a sostanze macroergiche - sostanze che contengono una grande quantità di energia nei loro legami.
Modello spaziale (A) e formula strutturale (B) della molecola di ATP
Dalla composizione dell'ATP sotto l'azione degli enzimi ATPasi, viene staccato un residuo di acido fosforico. L'ATP ha una forte tendenza a staccare il suo gruppo fosfato terminale:
ATP 4– + H 2 O ––> ADP 3– + 30,5 kJ + Fn,
Perché questo porta alla scomparsa della repulsione elettrostatica energeticamente sfavorevole tra cariche negative vicine. Il fosfato risultante è stabilizzato dalla formazione di legami idrogeno energeticamente favorevoli con l'acqua. La distribuzione della carica nel sistema ADP + Fn diventa più stabile rispetto all'ATP. Come risultato di questa reazione, vengono rilasciati 30,5 kJ (quando un legame covalente convenzionale viene rotto, vengono rilasciati 12 kJ).
Per sottolineare l'alto "costo" energetico del legame fosforo-ossigeno nell'ATP, è consuetudine denotarlo con il segno ~ e chiamarlo legame macroenergetico. Quando una molecola di acido fosforico viene scissa, l'ATP viene convertito in ADP (acido adenosina difosforico) e se due molecole di acido fosforico vengono scisse, l'ATP viene convertito in AMP (acido adenosina monofosforico). La scissione del terzo fosfato è accompagnata dal rilascio di soli 13,8 kJ, quindi ci sono solo due legami macroergici nella molecola di ATP.
2. Formazione di ATP nella cellula
La fornitura di ATP nella cellula è piccola. Ad esempio, in un muscolo, le riserve di ATP sono sufficienti per 20-30 contrazioni. Ma un muscolo può lavorare per ore e produrre migliaia di contrazioni. Pertanto, insieme alla scomposizione dell'ATP in ADP, la sintesi inversa deve avvenire continuamente nella cellula. Esistono diversi percorsi per la sintesi di ATP nelle cellule. Conosciamoli.
1. fosforilazione anaerobica. La fosforilazione è il processo di sintesi dell'ATP dall'ADP e dal fosfato a basso peso molecolare (Pn). In questo caso noi stiamo parlando sui processi di ossidazione senza ossigeno delle sostanze organiche (ad esempio, la glicolisi è il processo di ossidazione senza ossigeno del glucosio in acido piruvico). Circa il 40% dell'energia rilasciata durante questi processi (circa 200 kJ / mol di glucosio) viene spesa per la sintesi di ATP e il resto viene dissipato sotto forma di calore:
C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Fn -> 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 4H.
2. Fosforilazione ossidativa- questo è il processo di sintesi dell'ATP dovuto all'energia di ossidazione delle sostanze organiche con l'ossigeno. Questo processo è stato scoperto nei primi anni '30. 20 ° secolo VA Engelhardt. I processi di ossigeno di ossidazione di sostanze organiche procedono nei mitocondri. Circa il 55% dell'energia rilasciata in questo caso (circa 2600 kJ / mol di glucosio) viene convertita nell'energia dei legami chimici dell'ATP e il 45% viene dissipato sotto forma di calore.
La fosforilazione ossidativa è molto più efficiente delle sintesi anaerobiche: se durante la glicolisi durante la scomposizione di una molecola di glucosio vengono sintetizzate solo 2 molecole di ATP, durante la fosforilazione ossidativa si formano 36 molecole di ATP.
3. Fotofosforilazione- il processo di sintesi dell'ATP dovuto all'energia della luce solare. Questo percorso di sintesi dell'ATP è caratteristico solo per le cellule capaci di fotosintesi (piante verdi, cianobatteri). L'energia dei quanti di luce solare viene utilizzata dai fotosintetici nella fase luminosa della fotosintesi per la sintesi di ATP.
3. Significato biologico dell'ATP
L'ATP è al centro dei processi metabolici nella cellula, essendo l'anello di congiunzione tra le reazioni di sintesi biologica e il decadimento. Il ruolo dell'ATP nella cellula può essere paragonato al ruolo di una batteria, poiché durante l'idrolisi dell'ATP viene rilasciata l'energia necessaria per vari processi vitali ("scarica") e nel processo di fosforilazione ("carica") , l'ATP accumula nuovamente energia in sé.
A causa dell'energia rilasciata durante l'idrolisi dell'ATP, si verificano quasi tutti i processi vitali nella cellula e nel corpo: trasmissione di impulsi nervosi, biosintesi di sostanze, contrazioni muscolari, trasporto di sostanze, ecc.
III. Consolidamento delle conoscenze
Risoluzione di problemi biologici
Compito 1. Quando corriamo veloci, spesso respiriamo, c'è una maggiore sudorazione. Spiega questi fenomeni.
Compito 2. Perché le persone congelate iniziano a calpestare e saltare al freddo?
Compito 3. Nel noto lavoro di I. Ilf ed E. Petrov "The Twelve Chairs" tra i tanti consigli utili puoi anche trovare questo: "Respira profondamente, sei eccitato". Cerca di giustificare questo consiglio dal punto di vista dei processi energetici che si verificano nel corpo.
IV. Compiti a casa
Inizia a prepararti per il test e il test (detta le domande del test - vedi lezione 21).
Lezione 20
Attrezzatura: tabelle di biologia generale.
I. Generalizzazione della conoscenza della sezione
Lavoro degli studenti con domande (singolarmente) con successiva verifica e discussione
1. Fornisci esempi di composti organici che includono carbonio, zolfo, fosforo, azoto, ferro, manganese.
2. Come si può distinguere una cellula vivente da una morta per composizione ionica?
3. Quali sostanze si trovano nella cellula in forma non disciolta? Quali organi e tessuti includono?
4. Fornire esempi di macronutrienti inclusi nei centri attivi degli enzimi.
5. Quali ormoni contengono oligoelementi?
6. Qual è il ruolo degli alogeni nel corpo umano?
7. In che modo le proteine sono diverse dai polimeri artificiali?
8. Qual è la differenza tra peptidi e proteine?
9. Qual è il nome della proteina che fa parte dell'emoglobina? Da quante subunità è composto?
10. Cos'è la ribonucleasi? Quanti aminoacidi ci sono? Quando è stato sintetizzato artificialmente?
11. Perché la velocità delle reazioni chimiche senza enzimi è bassa?
12. Quali sostanze vengono trasportate dalle proteine attraverso la membrana cellulare?
13. In che modo gli anticorpi differiscono dagli antigeni? I vaccini contengono anticorpi?
14. Quali sostanze scompongono le proteine nel corpo? Quanta energia viene rilasciata in questo caso? Dove e come viene neutralizzata l'ammoniaca?
15. Fai un esempio di ormoni peptidici: come partecipano alla regolazione del metabolismo cellulare?
16. Qual è la struttura dello zucchero con cui beviamo il tè? Quali altri tre sinonimi di questa sostanza conosci?
17. Perché il grasso nel latte non si raccoglie in superficie, ma è in sospensione?
18. Qual è la massa di DNA nel nucleo delle cellule somatiche e germinali?
19. Quanto ATP viene utilizzato da una persona al giorno?
20. Con quali proteine si fabbricano i vestiti?
Struttura primaria della ribonucleasi pancreatica (124 amminoacidi)
II. Compiti a casa.
Continua la preparazione per il test e il test nella sezione "Organizzazione chimica della vita".
Lezione 21
I. Svolgimento di una prova orale su domande
1. Composizione elementare della cellula.
2. Caratteristiche degli elementi organogeni.
3. La struttura della molecola d'acqua. Il legame idrogeno e il suo significato nella "chimica" della vita.
4. Proprietà e funzioni biologiche dell'acqua.
5. Sostanze idrofile e idrofobe.
6. Cationi e loro significato biologico.
7. Anioni e loro significato biologico.
8. Polimeri. polimeri biologici. Differenze tra polimeri periodici e non periodici.
9. Proprietà dei lipidi, loro funzioni biologiche.
10. Gruppi di carboidrati distinti per caratteristiche strutturali.
11. Funzioni biologiche dei carboidrati.
12. Composizione elementare delle proteine. Aminoacidi. La formazione dei peptidi.
13. Strutture primarie, secondarie, terziarie e quaternarie delle proteine.
14. Funzione biologica delle proteine.
15. Differenze tra enzimi e catalizzatori non biologici.
16. La struttura degli enzimi. Coenzimi.
17. Il meccanismo d'azione degli enzimi.
18. Acidi nucleici. Nucleotidi e loro struttura. La formazione dei polinucleotidi.
19. Regolamento di E.Chargaff. Il principio di complementarietà.
20. Formazione di una molecola di DNA a doppio filamento e sua spiralizzazione.
21. Classi di RNA cellulari e loro funzioni.
22. Differenze tra DNA e RNA.
23. Replicazione del DNA. Trascrizione.
24. Struttura e ruolo biologico dell'ATP.
25. La formazione di ATP nella cellula.
II. Compiti a casa
Continua la preparazione per il test nella sezione "Organizzazione chimica della vita".
Lezione 22
I. Svolgimento di una prova scritta
opzione 1
1. Esistono tre tipi di amminoacidi: A, B, C. Quante varianti di catene polipeptidiche composte da cinque amminoacidi possono essere costruite. Specifica queste opzioni. Questi polipeptidi avranno le stesse proprietà? Perché?
2. Tutti gli esseri viventi sono costituiti principalmente da composti di carbonio e l'analogo del carbonio è il silicio, il cui contenuto in la crosta terrestre 300 volte più del carbonio, presente solo in pochissimi organismi. Spiega questo fatto in termini di struttura e proprietà degli atomi di questi elementi.
3. Le molecole di ATP marcate con 32P radioattivo all'ultimo, terzo residuo di acido fosforico sono state introdotte in una cellula e le molecole di ATP marcate con 32P al primo residuo più vicino al ribosio sono state introdotte in un'altra cellula. Dopo 5 minuti, in entrambe le cellule è stato misurato il contenuto di ione fosfato inorganico marcato con 32P. Dove sarà significativamente più alto?
4. Gli studi hanno dimostrato che il 34% del numero totale di nucleotidi di questo mRNA è guanina, il 18% è uracile, il 28% è citosina e il 20% è adenina. Determinare la composizione percentuale delle basi azotate del DNA a doppio filamento, di cui l'mRNA specificato è uno stampo.
opzione 2
1. I grassi costituiscono la "prima riserva" nel metabolismo energetico e vengono utilizzati quando la riserva di carboidrati è esaurita. Tuttavia, nei muscoli scheletrici, in presenza di glucosio e acidi grassi, questi ultimi vengono utilizzati in misura maggiore. Le proteine come fonte di energia sono sempre utilizzate solo come ultima risorsa, quando il corpo sta morendo di fame. Spiega questi fatti.
2. Gli ioni di metalli pesanti (mercurio, piombo, ecc.) e l'arsenico sono facilmente legati da gruppi di solfuro di proteine. Conoscendo le proprietà dei solfuri di questi metalli, spiega cosa succede alla proteina quando è combinata con questi metalli. Perché i metalli pesanti sono velenosi per il corpo?
3. Nella reazione di ossidazione della sostanza A nella sostanza B, vengono rilasciati 60 kJ di energia. Quante molecole di ATP possono essere sintetizzate al massimo in questa reazione? Come verrà utilizzato il resto dell'energia?
4. Gli studi hanno dimostrato che il 27% numero totale dei nucleotidi di questo mRNA è guanina, il 15% è uracile, il 18% è citosina e il 40% è adenina. Determinare la composizione percentuale delle basi azotate del DNA a doppio filamento, di cui l'mRNA specificato è uno stampo.
Continua
Questa molecola svolge un ruolo estremamente importante nel metabolismo, il composto è noto come fonte universale di energia in tutti i processi che si verificano in un organismo vivente.
Risposta
Principale fonte di energia per la cellula sono nutrienti: carboidrati, grassi e proteine, che vengono ossidati con l'aiuto dell'ossigeno. Quasi tutti i carboidrati, prima di raggiungere le cellule del corpo, vengono convertiti in glucosio a causa del lavoro del tratto gastrointestinale e del fegato. Insieme ai carboidrati, anche le proteine vengono scomposte - in amminoacidi e lipidi - in acidi grassi... Nella cellula i nutrienti vengono ossidati sotto l'azione dell'ossigeno e con la partecipazione di enzimi che controllano le reazioni di rilascio di energia e il suo utilizzo.
Quasi tutte le reazioni ossidative si verificano nei mitocondri e l'energia rilasciata viene immagazzinata sotto forma di un composto macroergico - ATP. In futuro, sarà l'ATP, e non i nutrienti, ad essere utilizzato per fornire energia ai processi metabolici intracellulari.
Molecola di ATP contiene: (1) la base azotata adenina; (2) carboidrato pentoso ribosio, (3) tre residui di acido fosforico. Gli ultimi due fosfati sono collegati tra loro e al resto della molecola da legami fosfatici macroergici, indicati dal simbolo ~ nella formula dell'ATP. Fatte salve le condizioni fisiche e chimiche caratteristiche del corpo, l'energia di ciascuno di questi legami è di 12.000 calorie per 1 mole di ATP, che è molte volte superiore all'energia di un normale legame chimico, motivo per cui i legami fosfatici sono chiamati macroergici. Inoltre, questi legami vengono facilmente distrutti, fornendo energia ai processi intracellulari non appena se ne presenta la necessità.
Quando rilasciato Energia ATP dona un gruppo fosfato e viene convertito in adenosina difosfato. L'energia rilasciata viene utilizzata per quasi tutti i processi cellulari, ad esempio nelle reazioni di biosintesi e durante la contrazione muscolare.
Schema della formazione di adenosina trifosfato nella cellula, che mostra il ruolo chiave dei mitocondri in questo processo.GI - glucosio; FA - acidi grassi; AA è un amminoacido.
Ricostituzione delle riserve ATP avviene ricombinando l'ADP con un residuo di acido fosforico a scapito dell'energia dei nutrienti. Questo processo viene ripetuto più e più volte. L'ATP viene costantemente consumato e accumulato, motivo per cui è chiamato la valuta energetica della cellula. Il tempo di rotazione dell'ATP è di pochi minuti.
Il ruolo dei mitocondri in reazioni chimiche Formazione dell'ATP. Quando il glucosio entra nella cellula, sotto l'azione degli enzimi citoplasmatici si trasforma in acido piruvico (questo processo è chiamato glicolisi). L'energia rilasciata in questo processo viene utilizzata per convertire una piccola quantità di ADP in ATP, meno del 5% delle riserve energetiche totali.
Il 95% viene effettuato nei mitocondri. L'acido piruvico, gli acidi grassi e gli amminoacidi, formati rispettivamente da carboidrati, grassi e proteine, vengono infine convertiti nella matrice mitocondriale in un composto chiamato acetil-CoA. Questo composto, a sua volta, entra in una serie di reazioni enzimatiche, note collettivamente come ciclo dell'acido tricarbossilico o ciclo di Krebs, per cedere la sua energia.
In un ciclo acidi tricarbossilici acetil-CoA si divide in atomi di idrogeno e molecole di anidride carbonica. L'anidride carbonica viene rimossa dai mitocondri, quindi dalla cellula per diffusione ed espulsa dal corpo attraverso i polmoni.
atomi di idrogeno sono chimicamente molto attivi e quindi reagiscono immediatamente con l'ossigeno diffondendosi nei mitocondri. La grande quantità di energia rilasciata in questa reazione viene utilizzata per convertire molte molecole di ADP in ATP. Queste reazioni sono piuttosto complesse e richiedono la partecipazione di un numero enorme di enzimi che costituiscono le creste mitocondriali. SU stato iniziale un elettrone viene separato da un atomo di idrogeno e l'atomo diventa uno ione idrogeno. Il processo termina con l'aggiunta di ioni idrogeno all'ossigeno. Come risultato di questa reazione si formano acqua e una grande quantità di energia necessaria per il funzionamento dell'ATP sintetasi, una grande proteina globulare che agisce come tubercoli sulla superficie delle creste mitocondriali. Sotto l'azione di questo enzima, che utilizza l'energia degli ioni idrogeno, l'ADP viene convertito in ATP. Nuove molecole di ATP vengono inviate dai mitocondri a tutte le parti della cellula, compreso il nucleo, dove l'energia di questo composto viene utilizzata per fornire una varietà di funzioni.
Questo processo Sintesi di ATP generalmente chiamato il meccanismo chemiosmotico della formazione di ATP.
L'uso dell'adenosina trifosfato mitocondriale per l'attuazione di tre importanti funzioni della cellula: trasporto di membrana, sintesi proteica e contrazione muscolare.
Qualsiasi organismo può esistere fintanto che c'è un apporto di nutrienti da ambiente esterno e mentre i prodotti della sua attività vitale vengono espulsi in questo ambiente. All'interno della cellula c'è un complesso continuo molto complesso di trasformazioni chimiche, grazie al quale i componenti del corpo cellulare sono formati dai nutrienti. L'insieme dei processi di trasformazione della materia in un organismo vivente, accompagnato dal suo costante rinnovamento, si chiama metabolismo.
Parte del metabolismo generale, che consiste nell'assorbimento, nell'assimilazione dei nutrienti e nella creazione a loro spese componenti strutturali cellule, si chiama assimilazione: questo è uno scambio costruttivo. La seconda parte dello scambio generale sono i processi di dissimilazione, cioè i processi di decomposizione e ossidazione delle sostanze organiche, a seguito dei quali la cellula riceve energia, è uno scambio di energia. Lo scambio costruttivo ed energetico costituisce un tutt'uno.
Nel processo di scambio costruttivo, una cellula sintetizza i biopolimeri del suo corpo da un numero piuttosto limitato di composti a basso peso molecolare. Le reazioni biosintetiche procedono con la partecipazione di vari enzimi e richiedono energia.
Gli organismi viventi possono utilizzare solo energia legata chimicamente. Ogni sostanza ha una certa quantità di energia potenziale. I suoi principali vettori materiali sono i legami chimici, la cui rottura o trasformazione porta al rilascio di energia. Il livello di energia di alcuni legami ha un valore di 8-10 kJ - questi legami sono chiamati normali. Altri legami contengono molta più energia - 25-40 kJ - questi sono i cosiddetti legami macroergici. Quasi tutti i composti noti con tali legami hanno nella loro composizione atomi di fosforo o zolfo, al posto dei quali questi legami sono localizzati nella molecola. L'acido adenosina trifosforico (ATP) è uno dei composti che svolgono un ruolo importante nella vita cellulare.
L'acido adenosina trifosforico (ATP) è costituito da una base di adenina organica (I), un carboidrato ribosio (II) e tre residui di acido fosforico (III). La combinazione di adenina e ribosio è chiamata adenosina. I gruppi pirofosfati hanno legami macroergici, indicati da ~. La decomposizione di una molecola di ATP con la partecipazione di acqua è accompagnata dall'eliminazione di una molecola di acido fosforico e dal rilascio di energia libera, che è di 33-42 kJ / mol. Tutte le reazioni che coinvolgono l'ATP sono regolate da sistemi enzimatici.
Fig. 1. Adenosina acido trifosforico (ATP)
Metabolismo energetico nella cellula. Sintesi di ATP
La sintesi di ATP avviene nelle membrane mitocondriali durante la respirazione; pertanto, tutti gli enzimi e i cofattori della catena respiratoria, tutti gli enzimi della fosforilazione ossidativa sono localizzati in questi organelli.
La sintesi di ATP avviene in modo tale che due ioni H + vengano separati da ADP e fosfato (P) sul lato destro della membrana, compensando la perdita di due H + durante la riduzione della sostanza B. Uno degli atomi di ossigeno del fosfato viene trasferito all'altro lato della membrana e, dopo aver attaccato due ioni H + dal compartimento sinistro, forma H 2 O. Il residuo fosforico si attacca all'ADP, formando ATP.
Fig.2. Schema di ossidazione e sintesi di ATP nelle membrane mitocondriali
Nelle cellule degli organismi sono state studiate numerose reazioni biosintetiche che utilizzano l'energia contenuta nell'ATP, durante le quali avvengono i processi di carbossilazione e decarbossilazione, la sintesi di legami ammidici, la formazione di composti macroergici in grado di trasferire energia dall'ATP a reazioni anaboliche di avviene la sintesi delle sostanze. Queste reazioni svolgono un ruolo importante nei processi metabolici degli organismi vegetali.
Con la partecipazione di ATP e altri polifosfati nucleosidici ad alta energia (GTP, CTP, UGF), molecole di monosaccaridi, amminoacidi, basi azotate, acilgliceroli possono essere attivati dalla sintesi di intermedi attivi che sono derivati di nucleotidi. Quindi, ad esempio, nel processo di sintesi dell'amido con la partecipazione dell'enzima ADP-glucosio pirofosforilasi, si forma una forma attivata di glucosio - adenosina difosfato glucosio, che diventa facilmente un donatore di residui di glucosio durante la formazione della struttura del molecole di questo polisaccaride.
La sintesi di ATP avviene nelle cellule di tutti gli organismi nel processo di fosforilazione, cioè aggiunta di fosfato inorganico all'ADP. L'energia per la fosforilazione dell'ADP viene generata durante il metabolismo energetico. Il metabolismo energetico, o dissimilazione, è un insieme di reazioni di scissione di sostanze organiche, accompagnate dal rilascio di energia. A seconda dell'habitat, la dissimilazione può procedere in due o tre fasi.
Nella maggior parte degli organismi viventi - aerobi che vivono in un ambiente di ossigeno - durante la dissimilazione vengono eseguite tre fasi: preparatoria, priva di ossigeno e ossigeno, durante le quali le sostanze organiche si decompongono in composti inorganici. Negli anaerobi che vivono in un ambiente privo di ossigeno, o negli aerobi privi di esso, la dissimilazione avviene solo nei primi due stadi con la formazione di intermedi composti organici ancora ricco di energia.
Il primo stadio - preparatorio - consiste nella scissione enzimatica di composti organici complessi in composti più semplici (proteine - in amminoacidi, grassi - in glicerolo e acidi grassi, polisaccaridi - in monosaccaridi, acidi nucleici - in nucleotidi). La scomposizione dei substrati degli alimenti biologici viene effettuata a diversi livelli del tratto gastrointestinale degli organismi multicellulari. La scissione intracellulare delle sostanze organiche avviene sotto l'azione degli enzimi idrolitici dei lisosomi. L'energia liberata in questo caso viene dissipata sotto forma di calore e le piccole molecole organiche risultanti possono subire ulteriori scissioni o essere utilizzate dalla cellula come “materiale da costruzione” per la sintesi dei propri composti organici.
Il secondo stadio - l'ossidazione incompleta (priva di ossigeno) - avviene direttamente nel citoplasma della cellula, non necessita della presenza di ossigeno e consiste nell'ulteriore scissione dei substrati organici. La principale fonte di energia nella cellula è il glucosio. La scomposizione anossica e incompleta del glucosio è chiamata glicolisi.
La glicolisi è un processo enzimatico a più stadi di conversione del glucosio a sei atomi di carbonio in due molecole a tre atomi di carbonio di acido piruvico (piruvato, PVA) C3H4O3. Durante le reazioni della glicolisi, viene rilasciata una grande quantità di energia - 200 kJ / mol. Parte di questa energia (60%) viene dissipata sotto forma di calore, il resto (40%) viene utilizzato per la sintesi di ATP.
Come risultato della glicolisi di una molecola di glucosio, si formano due molecole di PVC, ATP e acqua, nonché atomi di idrogeno, che vengono immagazzinati dalla cellula sotto forma di NADH, cioè come parte di un vettore specifico - nicotinammide adenina dinucleotide. L'ulteriore destino dei prodotti della glicolisi - piruvato e idrogeno sotto forma di NAD H - può svilupparsi in modi diversi. Nel lievito o nelle cellule vegetali, in mancanza di ossigeno, avviene la fermentazione alcolica - il PVC si riduce ad alcool etilico:
Nelle cellule animali che subiscono una temporanea mancanza di ossigeno, ad esempio nelle cellule muscolari umane durante un esercizio eccessivo, così come in alcuni batteri, si verifica la fermentazione dell'acido lattico, in cui il piruvato si riduce ad acido lattico. In presenza di ossigeno nell'ambiente, i prodotti della glicolisi subiscono un'ulteriore scissione nei prodotti finali.
Il terzo stadio - completa ossidazione (respirazione) - procede con la partecipazione obbligatoria dell'ossigeno. La respirazione aerobica è una catena di reazioni controllate dagli enzimi della membrana interna e della matrice mitocondriale. Una volta nei mitocondri, il PVC interagisce con gli enzimi della matrice e forma: anidride carbonica, che viene espulsa dalla cellula; atomi di idrogeno, che, come parte dei vettori, vengono inviati alla membrana interna; acetil coenzima A (acetil-CoA), che è coinvolto nel ciclo dell'acido tricarbossilico (ciclo di Krebs). Il ciclo di Krebs è una catena di reazioni successive durante le quali due molecole di CO2, una molecola di ATP e quattro coppie di atomi di idrogeno si formano da una molecola di acetil-CoA, trasferite a molecole di trasporto - NAD e FAD (flavina adenina dinucleotide). La reazione complessiva della glicolisi e del ciclo di Krebs può essere rappresentata come segue:
Quindi, come risultato della fase di dissimilazione priva di ossigeno e del ciclo di Krebs, la molecola di glucosio viene scomposta in anidride carbonica inorganica (CO2) e l'energia rilasciata in questo processo viene parzialmente spesa per la sintesi di ATP, ma viene principalmente risparmiata nei portatori caricati di elettroni NAD H2 e FAD H2. Le proteine trasportatrici trasportano gli atomi di idrogeno alla membrana mitocondriale interna, dove vengono fatti passare lungo una catena di proteine incorporate nella membrana. Il trasporto di particelle lungo la catena di trasporto avviene in modo tale che i protoni rimangano sul lato esterno della membrana e si accumulino nello spazio intermembrana, trasformandolo in un serbatoio di H+, mentre gli elettroni vengono trasferiti sulla superficie interna della membrana interna. membrana mitocondriale, dove alla fine si combinano con l'ossigeno.
Come risultato dell'attività degli enzimi della catena di trasporto degli elettroni, la membrana mitocondriale interna è caricata negativamente dall'interno e caricata positivamente dall'esterno (a causa di H), in modo che si crei una differenza di potenziale tra le sue superfici. È noto che le molecole dell'enzima ATP sintetasi con un canale ionico sono incorporate nella membrana interna dei mitocondri. Quando la differenza di potenziale attraverso la membrana raggiunge un livello critico (200 mV), le particelle H+ caricate positivamente iniziano a spingere attraverso il canale ATPasi dalla forza del campo elettrico e, una volta sulla superficie interna della membrana, interagiscono con l'ossigeno, formando acqua.
Il normale corso delle reazioni metaboliche a livello molecolare è dovuto alla combinazione armoniosa dei processi di catabolismo e anabolismo. Quando i processi catabolici vengono disturbati, prima di tutto sorgono difficoltà energetiche, la rigenerazione dell'ATP viene interrotta, così come la fornitura dei substrati anabolici iniziali necessari per i processi biosintetici. A sua volta, il danno ai processi anabolici che è primario o associato a cambiamenti nei processi di catabolismo porta a un'interruzione della riproduzione di composti funzionalmente importanti: enzimi, ormoni, ecc.
La violazione di vari collegamenti di catene metaboliche è ineguale nelle sue conseguenze. I cambiamenti patologici più significativi e profondi nel catabolismo si verificano quando il sistema di ossidazione biologica è danneggiato a causa del blocco degli enzimi della respirazione tissutale, ipossia, ecc., o danno ai meccanismi di coniugazione della respirazione tissutale e fosforilazione ossidativa (ad esempio, disaccoppiamento del tessuto respirazione e fosforilazione ossidativa nella tireotossicosi). In questi casi le cellule vengono private della principale fonte di energia, quasi tutte le reazioni ossidative del catabolismo vengono bloccate o perdono la capacità di accumulare l'energia rilasciata nelle molecole di ATP. Inibendo le reazioni del ciclo dell'acido tricarbossilico, la produzione di energia dal catabolismo si riduce di circa due terzi.
Milioni di reazioni biochimiche avvengono in ogni cellula del nostro corpo. Sono catalizzati da una varietà di enzimi che spesso richiedono energia. Dove lo porta la cellula? A questa domanda si può rispondere se si considera la struttura della molecola di ATP, una delle principali fonti di energia.
L'ATP è una fonte universale di energia
ATP sta per adenosina trifosfato o adenosina trifosfato. La materia è una delle due più importanti fonti di energia in ogni cellula. La struttura dell'ATP e il ruolo biologico sono strettamente correlati. La maggior parte delle reazioni biochimiche può avvenire solo con la partecipazione di molecole di una sostanza, soprattutto in questo caso, ma raramente l'ATP è coinvolto direttamente nella reazione: perché qualsiasi processo abbia luogo, è necessaria energia che è contenuta proprio nell'adenosina trifosfato.
La struttura delle molecole della sostanza è tale che i legami formati tra i gruppi fosfato trasportano un'enorme quantità di energia. Pertanto, tali legami sono anche detti macroergici, o macroenergetici (macro=molti, gran numero). Il termine è stato introdotto per la prima volta dallo scienziato F. Lipman e ha anche suggerito di utilizzare l'icona ̴ per designarli.
È molto importante che la cellula mantenga un livello costante di adenosina trifosfato. Ciò è particolarmente vero per le cellule muscolari e le fibre nervose, perché sono le più dipendenti dall'energia e necessitano di un alto contenuto di adenosina trifosfato per svolgere le loro funzioni.
La struttura della molecola di ATP
L'adenosina trifosfato è composta da tre elementi: ribosio, adenina e
Ribosio- un carboidrato che appartiene al gruppo dei pentosi. Ciò significa che il ribosio contiene 5 atomi di carbonio, che sono racchiusi in un ciclo. Il ribosio è collegato all'adenina da un legame β-N-glicosidico sul 1° atomo di carbonio. Inoltre, i residui di acido fosforico sul quinto atomo di carbonio sono attaccati al pentoso.
L'adenina è una base azotata. A seconda di quale base azotata è attaccata al ribosio, vengono isolati anche GTP (guanosina trifosfato), TTP (timidina trifosfato), CTP (citidina trifosfato) e UTP (uridina trifosfato). Tutte queste sostanze sono simili nella struttura all'adenosina trifosfato e svolgono approssimativamente le stesse funzioni, ma sono molto meno comuni nella cellula.
Residui di acido fosforico. Un massimo di tre residui di acido fosforico possono essere attaccati a un ribosio. Se ce ne sono due o solo uno, allora, rispettivamente, la sostanza si chiama ADP (difosfato) o AMP (monofosfato). È tra i residui di fosforo che si concludono i legami macroenergetici, dopo la cui rottura vengono rilasciati da 40 a 60 kJ di energia. Se si rompono due legami, vengono rilasciati 80, meno spesso - 120 kJ di energia. Quando si rompe il legame tra il ribosio e il residuo di fosforo, vengono rilasciati solo 13,8 kJ, quindi, ci sono solo due legami ad alta energia nella molecola del trifosfato (P ̴ P ̴ P), e uno nella molecola dell'ADP (P ̴ P).
Quali sono le caratteristiche strutturali dell'ATP. A causa del fatto che si forma un legame macroenergetico tra i residui di acido fosforico, la struttura e le funzioni dell'ATP sono interconnesse.
La struttura dell'ATP e il ruolo biologico della molecola. Funzioni aggiuntive dell'adenosina trifosfato
Oltre all'energia, l'ATP può svolgere molte altre funzioni nella cellula. Insieme ad altri trifosfati nucleotidici, il trifosfato è coinvolto nella costruzione acido nucleico. In questo caso, ATP, GTP, TTP, CTP e UTP sono i fornitori di basi azotate. Questa proprietà viene utilizzata nei processi e nella trascrizione.
L'ATP è anche necessario per il funzionamento dei canali ionici. Ad esempio, il canale Na-K pompa 3 molecole di sodio fuori dalla cellula e pompa 2 molecole di potassio nella cellula. Tale corrente ionica è necessaria per mantenere Carica positiva sulla superficie esterna della membrana e solo con l'aiuto dell'adenosina trifosfato il canale può funzionare. Lo stesso vale per i canali protonici e del calcio.
L'ATP è un precursore del secondo messaggero cAMP (adenosina monofosfato ciclico) - cAMP non solo trasmette il segnale ricevuto dai recettori della membrana cellulare, ma è anche un effettore allosterico. Gli effettori allosterici sono sostanze che accelerano o rallentano le reazioni enzimatiche. Quindi, l'adenosina trifosfato ciclico inibisce la sintesi di un enzima che catalizza la scomposizione del lattosio nelle cellule batteriche.
La stessa molecola di adenosina trifosfato può anche essere un effettore allosterico. Inoltre, in tali processi, l'ADP agisce come antagonista dell'ATP: se il trifosfato accelera la reazione, il difosfato rallenta e viceversa. Queste sono le funzioni e la struttura dell'ATP.
Come si forma l'ATP nella cellula
Le funzioni e la struttura dell'ATP sono tali che le molecole della sostanza vengono rapidamente utilizzate e distrutte. Pertanto, la sintesi del trifosfato è un processo importante nella formazione di energia nella cellula.
Ci sono tre modi più importanti per sintetizzare l'adenosina trifosfato:
1. Fosforilazione del substrato.
2. Fosforilazione ossidativa.
3. Fotofosforilazione.
La fosforilazione del substrato si basa su molteplici reazioni che si verificano nel citoplasma della cellula. Queste reazioni sono chiamate glicolisi, lo stadio anaerobico: come risultato di 1 ciclo di glicolisi, da 1 molecola di glucosio vengono sintetizzate due molecole, che vengono ulteriormente utilizzate per la produzione di energia e vengono sintetizzate anche due ATP.
- C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Fn --> 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 4H.
Respirazione cellulare
La fosforilazione ossidativa è la formazione di adenosina trifosfato mediante il trasferimento di elettroni lungo la catena di trasporto degli elettroni della membrana. Come risultato di questo trasferimento, si forma un gradiente protonico su uno dei lati della membrana e, con l'aiuto dell'insieme proteico integrale dell'ATP sintasi, vengono costruite le molecole. Il processo avviene sulla membrana mitocondriale.
La sequenza delle fasi della glicolisi e della fosforilazione ossidativa nei mitocondri costituisce il processo generale chiamato respirazione. Dopo ciclo completo 36 molecole di ATP sono formate da 1 molecola di glucosio in una cellula.
Fotofosforilazione
Il processo di fotofosforilazione è la stessa fosforilazione ossidativa con una sola differenza: le reazioni di fotofosforilazione si verificano nei cloroplasti della cellula sotto l'azione della luce. L'ATP viene prodotto durante la fase luminosa della fotosintesi, il principale processo di produzione di energia nelle piante verdi, nelle alghe e in alcuni batteri.
Nel processo di fotosintesi, gli elettroni passano attraverso la stessa catena di trasporto degli elettroni, determinando la formazione di un gradiente di protoni. La concentrazione di protoni su un lato della membrana è la fonte della sintesi di ATP. L'assemblaggio delle molecole viene effettuato dall'enzima ATP sintasi.
La cellula media contiene lo 0,04% di adenosina trifosfato della massa totale. Tuttavia, il più Grande importanza osservato nelle cellule muscolari: 0,2-0,5%.
Ci sono circa 1 miliardo di molecole di ATP in una cellula.
Ogni molecola vive non più di 1 minuto.
Una molecola di adenosina trifosfato viene rinnovata 2000-3000 volte al giorno.
In totale, il corpo umano sintetizza 40 kg di adenosina trifosfato al giorno e in ogni momento la fornitura di ATP è di 250 g.
Conclusione
La struttura dell'ATP e il ruolo biologico delle sue molecole sono strettamente correlati. La sostanza svolge un ruolo chiave nei processi vitali, perché i legami macroergici tra i residui di fosfato contengono un'enorme quantità di energia. L'adenosina trifosfato svolge molte funzioni nella cellula, quindi è importante mantenere una concentrazione costante della sostanza. Il decadimento e la sintesi procedono ad alta velocità, poiché l'energia dei legami viene costantemente utilizzata nelle reazioni biochimiche. È una sostanza indispensabile di qualsiasi cellula del corpo. Questo, forse, è tutto ciò che si può dire sulla struttura dell'ATP.
