Strukturen av ATP. ATP-värde
Fortsättning. Se nr 11, 12, 13, 14, 15, 16/2005
Biologilektioner i naturvetenskapsklasser
Avancerad planering, årskurs 10
Lektion 19
Utrustning: tabeller om allmän biologi, ett diagram över ATP-molekylens struktur, ett diagram över förhållandet mellan plast- och energiutbyten.
I. Kunskapstest
Genomför ett biologiskt diktat "Organiska föreningar av levande materia"
Läraren läser uppsatserna under siffrorna, eleverna skriver ner i anteckningsboken numren på de uppsatser som är lämpliga till sin version.
Alternativ 1 - proteiner.
Alternativ 2 - kolhydrater.
Alternativ 3 - lipider.
Alternativ 4 - nukleinsyror.
1. I sin rena form består de endast av C, H, O-atomer.
2. Förutom C-, H-, O-atomer innehåller de N- och vanligtvis S-atomer.
3. Förutom C-, H-, O-atomerna innehåller de N- och P-atomer.
4. De har en relativt liten molekylvikt.
5. Molekylvikten kan vara från tusentals till flera tiotals och hundratusentals dalton.
6. De största organiska föreningarna med en molekylvikt på upp till flera tiotals och hundratals miljoner dalton.
7. De har olika molekylvikter - från mycket liten till mycket hög, beroende på om ämnet är en monomer eller en polymer.
8. Består av monosackarider.
9. Består av aminosyror.
10. Består av nukleotider.
11. De är estrar av högre fettsyror.
12. Grundläggande strukturell enhet: "kvävehaltig bas - pentos - fosforsyrarest".
13. Grundläggande strukturell enhet: "aminosyror".
14. Grundläggande strukturell enhet: "monosackarid".
15. Grundläggande strukturell enhet: "glycerol-fettsyra".
16. Polymermolekyler är byggda av samma monomerer.
17. Polymermolekyler är byggda av liknande, men inte exakt identiska, monomerer.
18. Är inte polymerer.
19. De utför nästan uteslutande energi-, konstruktions- och lagringsfunktioner, i vissa fall - skyddande.
20. Förutom energi och konstruktion utför de katalytisk, signal, transport, framdrivning och skyddande funktion;
21. De lagrar och överför cellens och kroppens ärftliga egenskaper.
Alternativ 1 – 2; 5; 9; 13; 17; 20.
Alternativ 2 – 1; 7; 8; 14; 16; 19.
Alternativ 3 – 1; 4; 11; 15; 18; 19.
Alternativ 4– 3; 6; 10; 12; 17; 21.
II. Att lära sig nytt material
1. Strukturen av adenosintrifosforsyra
Förutom proteiner, nukleinsyror, fetter och kolhydrater syntetiseras ett stort antal andra organiska föreningar i levande materia. Bland dem spelas en viktig roll i cellens bioenergetik adenosintrifosfat (ATP). ATP finns i alla växt- och djurceller. I celler är adenosintrifosforsyra oftast närvarande i form av salter som kallas adenosintrifosfater. Mängden ATP fluktuerar och är i genomsnitt 0,04 % (i genomsnitt finns det cirka 1 miljard ATP-molekyler i en cell). Den största mängden ATP finns i skelettmuskler (0,2–0,5%).
ATP-molekylen består av en kvävehaltig bas – adenin, pentos – ribos och tre rester av fosforsyra, d.v.s. ATP är en speciell adenylnukleotid. Till skillnad från andra nukleotider innehåller ATP inte en, utan tre fosforsyrarester. ATP hänvisar till makroerga ämnen - ämnen som innehåller en stor mängd energi i sina bindningar.
Rumslig modell (A) och strukturformel (B) för ATP-molekylen
Från sammansättningen av ATP under verkan av ATPas-enzymer spjälkas en rest av fosforsyra av. ATP har en stark tendens att ta bort sin terminala fosfatgrupp:
ATP 4– + H 2 O ––> ADP 3– + 30,5 kJ + Fn,
därför att detta leder till att den energimässigt ogynnsamma elektrostatiska repulsionen mellan närliggande negativa laddningar försvinner. Det resulterande fosfatet stabiliseras genom bildandet av energetiskt gynnsamma vätebindningar med vatten. Laddningsfördelningen i ADP + Fn-systemet blir mer stabil än i ATP. Som ett resultat av denna reaktion frigörs 30,5 kJ (när en konventionell kovalent bindning bryts frigörs 12 kJ).
För att understryka den höga energi-"kostnaden" för fosfor-syrebindningen i ATP är det vanligt att beteckna den med tecknet ~ och kalla det en makroenergetisk bindning. När en molekyl fosforsyra spjälkas av, omvandlas ATP till ADP (adenosin difosforsyra), och om två molekyler fosforsyra klyvs av, omvandlas ATP till AMP (adenosinmonofosforsyra). Klyvningen av det tredje fosfatet åtföljs av frisättningen av endast 13,8 kJ, så att det bara finns två makroerga bindningar i ATP-molekylen.
2. Bildning av ATP i cellen
Tillförseln av ATP i cellen är liten. Till exempel, i en muskel räcker ATP-reserver till 20–30 sammandragningar. Men en muskel kan arbeta i timmar och producera tusentals sammandragningar. Därför, tillsammans med nedbrytningen av ATP till ADP, måste omvänd syntes kontinuerligt ske i cellen. Det finns flera vägar för syntes av ATP i celler. Låt oss lära känna dem.
1. anaerob fosforylering. Fosforylering är processen för ATP-syntes från ADP och fosfat med låg molekylvikt (Pn). I detta fall vi pratar om syrefria processer för oxidation av organiska ämnen (till exempel är glykolys processen för syrefri oxidation av glukos till pyrodruvsyra). Ungefär 40% av energin som frigörs under dessa processer (cirka 200 kJ / mol glukos) går åt till ATP-syntes, och resten försvinner i form av värme:
C6H12O6 + 2ADP + 2Fn -–> 2C3H4O3 + 2ATP + 4H.
2. Oxidativ fosforylering- detta är processen för ATP-syntes på grund av energin för oxidation av organiska ämnen med syre. Denna process upptäcktes i början av 1930-talet. 1900-talet V.A. Engelhardt. Syreprocesser för oxidation av organiska ämnen fortsätter i mitokondrier. Ungefär 55% av energin som frigörs i detta fall (cirka 2600 kJ / mol glukos) omvandlas till energin av kemiska bindningar av ATP, och 45% försvinner i form av värme.
Oxidativ fosforylering är mycket effektivare än anaeroba synteser: om endast 2 ATP-molekyler syntetiseras under glykolys under nedbrytningen av en glukosmolekyl, så bildas 36 ATP-molekyler under oxidativ fosforylering.
3. Fotofosforylering- processen för ATP-syntes på grund av solljusets energi. Denna väg för ATP-syntes är karakteristisk endast för celler som kan fotosyntes (gröna växter, cyanobakterier). Energin från solljuskvanta används av fotosyntetik i ljusfasen av fotosyntesen för syntes av ATP.
3. Biologisk betydelse av ATP
ATP är i centrum för metaboliska processer i cellen, och är länken mellan reaktionerna av biologisk syntes och sönderfall. Rollen av ATP i cellen kan jämföras med rollen av ett batteri, eftersom under hydrolysen av ATP frigörs den energi som är nödvändig för olika livsprocesser ("urladdning") och i processen för fosforylering ("laddning") ackumulerar ATP återigen energi i sig själv.
På grund av den energi som frigörs under ATP-hydrolys sker nästan alla vitala processer i cellen och kroppen: överföring av nervimpulser, biosyntes av ämnen, muskelsammandragningar, transport av ämnen, etc.
III. Konsolidering av kunskap
Att lösa biologiska problem
Uppgift 1. När vi springer snabbt andas vi ofta, det blir ökad svettning. Förklara dessa fenomen.
Uppgift 2. Varför börjar frysende människor stampa och hoppa i kylan?
Uppgift 3. I det välkända verket av I. Ilf och E. Petrov "De tolv stolarna" bland många användbara tips du kan också hitta detta: "Andas djupt, du är upphetsad." Försök att motivera detta råd utifrån de energiprocesser som sker i kroppen.
IV. Läxa
Börja förbereda provet och testa (diktera testfrågor - se lektion 21).
Lektion 20
Utrustning: tabeller om allmän biologi.
I. Generalisering av sektionens kunskaper
Arbete av studenter med frågor (enskilt) med efterföljande verifiering och diskussion
1. Ge exempel på organiska föreningar som inkluderar kol, svavel, fosfor, kväve, järn, mangan.
2. Hur kan en levande cell särskiljas från en död genom jonisk sammansättning?
3. Vilka ämnen finns i cellen i olöst form? Vilka organ och vävnader omfattar de?
4. Ge exempel på makronäringsämnen som ingår i enzymernas aktiva centra.
5. Vilka hormoner innehåller spårämnen?
6. Vilken roll har halogener i människokroppen?
7. Hur skiljer sig proteiner från artificiella polymerer?
8. Vad är skillnaden mellan peptider och proteiner?
9. Vad heter proteinet som ingår i hemoglobin? Hur många underenheter består den av?
10. Vad är ribonukleas? Hur många aminosyror är det i det? När syntetiserades det på konstgjord väg?
11. Varför är hastigheten för kemiska reaktioner utan enzymer låg?
12. Vilka ämnen transporteras av proteiner genom cellmembranet?
13. Hur skiljer sig antikroppar från antigener? Innehåller vacciner antikroppar?
14. Vilka ämnen bryter ner proteiner i kroppen? Hur mycket energi frigörs i detta fall? Var och hur neutraliseras ammoniak?
15. Ge ett exempel på peptidhormoner: hur deltar de i regleringen av cellulär metabolism?
16. Vilken struktur har socker som vi dricker te med? Vilka andra tre synonymer för detta ämne känner du till?
17. Varför samlas inte fett i mjölk på ytan, men är i suspension?
18. Vad är massan av DNA i kärnan i somatiska celler och könsceller?
19. Hur mycket ATP används av en person per dag?
20. Vilka proteiner gör folk kläder av?
Primär struktur av pankreatisk ribonukleas (124 aminosyror)
II. Läxa.
Fortsätt förberedelserna för testet och testet i avsnittet "Kemisk organisation av livet."
Lektion 21
I. Genomförande av ett muntligt prov på frågor
1. Elementär sammansättning av cellen.
2. Egenskaper hos organogena element.
3. Vattenmolekylens struktur. Vätebindningen och dess betydelse i livets "kemi".
4. Vattnets egenskaper och biologiska funktioner.
5. Hydrofila och hydrofoba ämnen.
6. Katjoner och deras biologiska betydelse.
7. Anjoner och deras biologiska betydelse.
8. Polymerer. biologiska polymerer. Skillnader mellan periodiska och icke-periodiska polymerer.
9. Lipiders egenskaper, deras biologiska funktioner.
10. Grupper av kolhydrater kännetecknade av strukturella egenskaper.
11. Biologiska funktioner av kolhydrater.
12. Elementär sammansättning av proteiner. Aminosyror. Bildandet av peptider.
13. Primära, sekundära, tertiära och kvartära strukturer av proteiner.
14. Biologisk funktion av proteiner.
15. Skillnader mellan enzymer och icke-biologiska katalysatorer.
16. Enzymernas struktur. Koenzymer.
17. Verkningsmekanismen för enzymer.
18. Nukleinsyror. Nukleotider och deras struktur. Bildandet av polynukleotider.
19. Regler för E.Chargaff. Principen om komplementaritet.
20. Bildning av en dubbelsträngad DNA-molekyl och dess spiralisering.
21. Klasser av cellulärt RNA och deras funktioner.
22. Skillnader mellan DNA och RNA.
23. DNA-replikation. Transkription.
24. Struktur och biologisk roll för ATP.
25. Bildandet av ATP i cellen.
II. Läxa
Fortsätt förberedelserna för testet i avsnittet "Kemisk organisation av livet."
Lektion 22
I. Genomförande av ett skriftligt prov
Alternativ 1
1. Det finns tre typer av aminosyror - A, B, C. Hur många varianter av polypeptidkedjor bestående av fem aminosyror kan byggas. Ange dessa alternativ. Kommer dessa polypeptider att ha samma egenskaper? Varför?
2. Allt levande består huvudsakligen av kolföreningar, och analogen till kol är kisel, vars innehåll i jordskorpan 300 gånger mer än kol, som finns i endast ett fåtal organismer. Förklara detta faktum i termer av strukturen och egenskaperna hos dessa elements atomer.
3. ATP-molekyler märkta med radioaktivt 32P vid den sista, tredje fosforsyraresten infördes i en cell, och ATP-molekyler märkta med 32P vid den första resten närmast ribos infördes i en annan cell. Efter 5 minuter mättes innehållet av oorganisk fosfatjon märkt med 32P i båda cellerna. Var blir det betydligt högre?
4. Studier har visat att 34 % av det totala antalet nukleotider i detta mRNA är guanin, 18 % är uracil, 28 % är cytosin och 20 % är adenin. Bestäm den procentuella sammansättningen av de kvävehaltiga baserna av dubbelsträngat DNA, varav det specificerade mRNA:t är ett avgjutningsmaterial.
Alternativ 2
1. Fetter utgör den "första reserven" i energiomsättningen och används när reserven av kolhydrater är slut. Men i skelettmuskler, i närvaro av glukos och fettsyror, används de senare i större utsträckning. Proteiner som energikälla används alltid bara som en sista utväg, när kroppen svälter. Förklara dessa fakta.
2. Joner av tungmetaller (kvicksilver, bly, etc.) och arsenik binds lätt av sulfidgrupper av proteiner. Genom att känna till egenskaperna hos dessa metallers sulfider, förklara vad som händer med proteinet när det kombineras med dessa metaller. Varför är tungmetaller giftiga för kroppen?
3. Vid oxidationsreaktionen av ämne A till ämne B frigörs 60 kJ energi. Hur många ATP-molekyler kan syntetiseras maximalt i denna reaktion? Hur ska resten av energin användas?
4. Studier har visat att 27 % Totala numret av nukleotiderna i detta mRNA är guanin, 15% är uracil, 18% är cytosin och 40% är adenin. Bestäm den procentuella sammansättningen av de kvävehaltiga baserna av dubbelsträngat DNA, av vilka det angivna mRNA är en mögel.
Fortsättning följer
Denna molekyl spelar en extremt viktig roll i ämnesomsättningen, föreningen är känd som en universell energikälla i alla processer som sker i en levande organism.
Svar
Main energikälla för cellenär näringsämnen: kolhydrater, fetter och proteiner, som oxideras med hjälp av syre. Nästan alla kolhydrater, innan de når kroppens celler, omvandlas till glukos på grund av arbetet i mag-tarmkanalen och levern. Tillsammans med kolhydrater bryts även proteiner ner - till aminosyror och lipider - till fettsyror.I cellen oxideras näringsämnen under inverkan av syre och med deltagande av enzymer som styr reaktionerna av energifrisättning och dess utnyttjande.
Nästan alla oxidativa reaktioner förekommer i mitokondrier, och den frigjorda energin lagras i form av en makroergisk förening - ATP. I framtiden är det ATP, och inte näringsämnen, som används för att ge energi till intracellulära metaboliska processer.
ATP-molekyl innehåller: (1) den kvävehaltiga basen adenin; (2) pentoskolhydratribos, (3) tre fosforsyrarester. De två sista fosfaterna är förbundna med varandra och till resten av molekylen genom makroerga fosfatbindningar, indikerade med symbolen ~ i ATP-formeln. Med förbehåll för de fysiska och kemiska förhållandena som är karakteristiska för kroppen är energin för varje sådan bindning 12 000 kalorier per 1 mol ATP, vilket är många gånger högre än energin för en vanlig kemisk bindning, vilket är anledningen till att fosfatbindningar kallas makroerga. Dessutom förstörs dessa bindningar lätt, vilket förser intracellulära processer med energi så snart behovet uppstår.
När den släpps ATP energi donerar en fosfatgrupp och omvandlas till adenosindifosfat. Den frigjorda energin används för nästan alla cellulära processer, till exempel i biosyntesreaktioner och under muskelkontraktion.
Schema för bildandet av adenosintrifosfat i cellen, som visar nyckelrollen för mitokondrier i denna process.GI - glukos; FA - fettsyror; AA är en aminosyra.
Påfyllning av ATP-reserver sker genom att rekombinera ADP med en fosforsyrarest på bekostnad av näringsämnenas energi. Denna process upprepas om och om igen. ATP konsumeras och ackumuleras konstant, varför det kallas cellens energivaluta. Omsättningstiden för ATP är bara några minuter.
Mitokondriernas roll i kemiska reaktioner ATP-bildning. När glukos kommer in i cellen, under verkan av cytoplasmatiska enzymer, förvandlas det till pyrodruvsyra (denna process kallas glykolys). Energin som frigörs i denna process används för att omvandla en liten mängd ADP till ATP, mindre än 5 % av de totala energireserverna.
95% utförs i mitokondrier. Pyrodruvsyra, fettsyror och aminosyror, bildade av kolhydrater, fetter och proteiner, omvandlas så småningom i mitokondriematrisen till en förening som kallas acetyl-CoA. Denna förening går i sin tur in i en serie enzymatiska reaktioner, gemensamt kända som trikarboxylsyracykeln eller Krebscykeln, för att ge upp sin energi.
I en slinga trikarboxylsyror acetyl-CoA delas upp i väteatomer och koldioxidmolekyler. Koldioxid avlägsnas från mitokondrierna, sedan från cellen genom diffusion och utsöndras från kroppen genom lungorna.
väteatomerär kemiskt mycket aktiva och reagerar därför omedelbart med syre som diffunderar in i mitokondrierna. Den stora mängden energi som frigörs i denna reaktion används för att omvandla många ADP-molekyler till ATP. Dessa reaktioner är ganska komplexa och kräver deltagande av ett stort antal enzymer som utgör mitokondriella kristae. På inledande skede en elektron delas av från en väteatom, och atomen blir en vätejon. Processen slutar med tillsats av vätejoner till syre. Som ett resultat av denna reaktion bildas vatten och en stor mängd energi som är nödvändiga för driften av ATP-syntetas, ett stort klotformat protein som fungerar som tuberkler på ytan av mitokondriella kristaller. Under verkan av detta enzym, som använder energin från vätejoner, omvandlas ADP till ATP. Nya ATP-molekyler skickas från mitokondrierna till alla delar av cellen, inklusive kärnan, där energin från denna förening används för att tillhandahålla en mängd olika funktioner.
Denna process ATP-syntes allmänt kallad den kemiosmotiska mekanismen för ATP-bildning.
Användningen av mitokondriellt adenosintrifosfat för implementering av tre viktiga funktioner i cellen: membrantransport, proteinsyntes och muskelkontraktion.
Vilken organism som helst kan existera så länge det finns en tillgång på näringsämnen från yttre miljön och medan produkterna av dess vitala aktivitet utsöndras i denna miljö. Inuti cellen finns ett kontinuerligt mycket komplext komplex av kemiska transformationer, på grund av vilka komponenterna i cellkroppen bildas av näringsämnen. Helheten av processerna för omvandling av materia i en levande organism, åtföljd av dess ständiga förnyelse, kallas metabolism.
En del av den övergripande ämnesomsättningen, som består i absorption, assimilering av näringsämnen och skapandet på deras bekostnad strukturella komponenter celler, kallas assimilering - detta är ett konstruktivt utbyte. Den andra delen av det allmänna utbytet är dissimileringsprocesserna, dvs. processerna för nedbrytning och oxidation av organiska ämnen, som ett resultat av vilket cellen får energi, är ett energiutbyte. Konstruktivt utbyte och energiutbyte utgör en helhet.
I processen för konstruktivt utbyte syntetiserar en cell biopolymerer av sin kropp från ett ganska begränsat antal föreningar med låg molekylvikt. Biosyntetiska reaktioner fortgår med deltagande av olika enzymer och kräver energi.
Levande organismer kan bara använda kemiskt bunden energi. Varje ämne har en viss mängd potentiell energi. Dess huvudsakliga materialbärare är kemiska bindningar, vars brytning eller omvandling leder till frigöring av energi. Energinivån för vissa bindningar har ett värde på 8-10 kJ - dessa bindningar kallas normala. Andra bindningar innehåller mycket mer energi - 25-40 kJ - det är de så kallade makroerga bindningarna. Nästan alla kända föreningar med sådana bindningar har fosfor- eller svavelatomer i sin sammansättning, på vars plats dessa bindningar är lokaliserade i molekylen. Adenosintrifosforsyra (ATP) är en av de föreningar som spelar en viktig roll i celllivet.
Adenosintrifosforsyra (ATP) består av en organisk adeninbas (I), en riboskolhydrat (II) och tre fosforsyrarester (III). Kombinationen av adenin och ribos kallas adenosin. Pyrofosfatgrupper har makroerga bindningar, indikerade med ~. Nedbrytningen av en ATP-molekyl med deltagande av vatten åtföljs av eliminering av en molekyl fosforsyra och frisättning av fri energi, vilket är 33-42 kJ / mol. Alla reaktioner som involverar ATP regleras av enzymsystem.
Figur 1. Adenosintrifosforsyra (ATP)
Energimetabolism i cellen. ATP-syntes
ATP-syntes sker i mitokondriella membran under andning, därför är alla enzymer och kofaktorer i andningskedjan, alla enzymer av oxidativ fosforylering lokaliserade i dessa organeller.
ATP-syntes sker på ett sådant sätt att två H+-joner delas av från ADP och fosfat (P) på höger sida av membranet, vilket kompenserar för förlusten av två H+ under reduktionen av ämne B. En av syreatomerna av fosfatet överförs till den andra sidan av membranet och, efter att ha fäst två H-joner + från den vänstra avdelningen, bildar H 2 O. Fosforylresten fäster till ADP och bildar ATP.
Fig.2. Schema för ATP-oxidation och syntes i mitokondriella membran
I organismers celler har många biosyntetiska reaktioner studerats som använder energin som finns i ATP, under vilka processerna för karboxylering och dekarboxylering, syntes av amidbindningar, bildning av makroerga föreningar som kan överföra energi från ATP till anabola reaktioner av organismer. syntes av ämnen sker. Dessa reaktioner spelar en viktig roll i växtorganismernas metaboliska processer.
Med deltagande av ATP och andra nukleosidpolyfosfater med hög energi (GTP, CTP, UGF), kan monosackaridmolekyler, aminosyror, kvävehaltiga baser, acylglyceroler aktiveras genom syntes av aktiva mellanprodukter som är derivat av nukleotider. Så, till exempel, i processen med stärkelsesyntes med deltagande av enzymet ADP-glukospyrofosforylas, bildas en aktiverad form av glukos - adenosindifosfatglukos, som lätt blir en donator av glukosrester under bildandet av strukturen hos molekyler av denna polysackarid.
ATP-syntes sker i cellerna hos alla organismer i fosforyleringsprocessen, dvs. tillsats av oorganiskt fosfat till ADP. Energin för ADP-fosforylering genereras under energimetabolism. Energimetabolism, eller dissimilering, är en uppsättning splittrande reaktioner av organiska ämnen, åtföljda av frigöring av energi. Beroende på livsmiljön kan dissimilering ske i två eller tre steg.
I de flesta levande organismer - aerober som lever i en syremiljö - utförs tre steg under dissimilering: förberedande, syrefritt och syre, under vilka organiska ämnen sönderdelas till oorganiska föreningar. Hos anaerober som lever i en miljö utan syre, eller i aerober med brist på det, sker dissimilering endast i de två första stadierna med bildandet av mellanliggande organiska föreningar fortfarande rik på energi.
Det första steget - förberedande - består i den enzymatiska uppdelningen av komplexa organiska föreningar till enklare (proteiner - till aminosyror, fetter - till glycerol och fettsyror, polysackarider - till monosackarider, nukleinsyror - till nukleotider). Nedbrytningen av organiska livsmedelssubstrat utförs på olika nivåer i mag-tarmkanalen hos flercelliga organismer. Intracellulär klyvning av organiska ämnen sker under verkan av hydrolytiska enzymer av lysosomer. Den energi som frigörs i detta fall försvinner i form av värme, och de resulterande små organiska molekylerna kan genomgå ytterligare spjälkning eller användas av cellen som ett "byggmaterial" för syntesen av sina egna organiska föreningar.
Det andra steget - ofullständig oxidation (syrefri) - utförs direkt i cellens cytoplasma, den behöver inte närvaron av syre och består i ytterligare uppdelning av organiska substrat. Den huvudsakliga energikällan i cellen är glukos. Anoxisk, ofullständig nedbrytning av glukos kallas glykolys.
Glykolys är en enzymatisk process i flera steg för att omvandla sexkolsglukos till två trekolmolekyler av pyrodruvsyra (pyruvat, PVA) C3H4O3. Under reaktionerna av glykolys frigörs en stor mängd energi - 200 kJ / mol. En del av denna energi (60%) försvinner som värme, resten (40%) används för ATP-syntes.
Som ett resultat av glykolys av en glukosmolekyl bildas två molekyler av PVC, ATP och vatten samt väteatomer som lagras av cellen i form av NADH, d.v.s. som en del av en specifik bärare - nikotinamidadenindinukleotid. Det vidare ödet för glykolysprodukter - pyruvat och väte i form av NAD H - kan utvecklas på olika sätt. I jäst eller i växtceller, med brist på syre, sker alkoholjäsning - PVC reduceras till etylalkohol:
I djurceller som upplever en tillfällig brist på syre, till exempel i mänskliga muskelceller vid överdriven träning, liksom i vissa bakterier, sker mjölksyrajäsning, där pyruvat reduceras till mjölksyra. I närvaro av syre i miljön genomgår glykolysprodukterna ytterligare uppdelning till slutprodukter.
Det tredje steget - fullständig oxidation (andning) - fortsätter med obligatoriskt deltagande av syre. Aerob andning är en kedja av reaktioner som kontrolleras av enzymer i det inre membranet och mitokondriella matrisen. Väl i mitokondrierna interagerar PVC med matrisenzymer och bildar: koldioxid, som utsöndras från cellen; väteatomer, som, som en del av bärarna, skickas till det inre membranet; acetylkoenzym A (acetyl-CoA), som är involverat i trikarboxylsyracykeln (Krebs-cykeln). Krebs-cykeln är en kedja av successiva reaktioner under vilka två CO2-molekyler, en ATP-molekyl och fyra par väteatomer bildas från en acetyl-CoA-molekyl, överförda till bärarmolekyler - NAD och FAD (flavinadenindinukleotid). Den övergripande reaktionen av glykolys och Krebs-cykeln kan representeras enligt följande:
Så, som ett resultat av det syrefria steget av dissimilering och Krebs-cykeln, bryts glukosmolekylen ner till oorganisk koldioxid (CO2), och energin som frigörs i denna process spenderas delvis på ATP-syntes, men sparas huvudsakligen i de elektronladdade bärarna NAD H2 och FAD H2. Bärarproteiner transporterar väteatomer till det inre mitokondriella membranet, där de förs längs en kedja av proteiner som är inbyggda i membranet. Transporten av partiklar längs transportkedjan utförs på ett sådant sätt att protoner stannar kvar på utsidan av membranet och ackumuleras i intermembranutrymmet, vilket gör det till en H+-reservoar, medan elektroner överförs till den inre ytan av det inre. mitokondriella membran, där de så småningom kombineras med syre.
Som ett resultat av aktiviteten hos elektrontransportkedjans enzymer är det inre mitokondriella membranet negativt laddat från insidan, och positivt laddat från utsidan (på grund av H), så att en potentialskillnad skapas mellan dess ytor. Det är känt att molekyler av enzymet ATP-syntetas med en jonkanal är inbäddade i mitokondriernas inre membran. När potentialskillnaden över membranet når en kritisk nivå (200 mV), börjar de positivt laddade H+-partiklarna tränga igenom ATPas-kanalen av kraften från det elektriska fältet och, när de väl är på membranets inre yta, interagerar de med syre, bildar vatten.
Det normala förloppet av metaboliska reaktioner på molekylär nivå beror på den harmoniska kombinationen av processerna för katabolism och anabolism. När kataboliska processer störs uppstår först och främst energisvårigheter, ATP-regenerering störs, liksom tillförseln av de initiala anabolismsubstraten som är nödvändiga för biosyntetiska processer. I sin tur leder skador på anabola processer som är primära eller förknippade med förändringar i katabolismprocesser till en störning i reproduktionen av funktionellt viktiga föreningar - enzymer, hormoner etc.
Brott mot olika länkar av metaboliska kedjor är ojämlika i sina konsekvenser. De mest betydande, djupgående patologiska förändringarna i katabolism inträffar när det biologiska oxidationssystemet skadas på grund av blockad av vävnadsandningsenzymer, hypoxi, etc., eller skada på mekanismerna för konjugering av vävnadsandning och oxidativ fosforylering (till exempel frikoppling av vävnad andning och oxidativ fosforylering vid tyreotoxikos). I dessa fall berövas cellerna den huvudsakliga energikällan, nästan alla oxidativa reaktioner av katabolism blockeras eller förlorar förmågan att ackumulera den frigjorda energin i ATP-molekyler. Genom att hämma reaktionerna i trikarboxylsyracykeln minskar energiproduktionen från katabolism med cirka två tredjedelar.
Miljontals biokemiska reaktioner äger rum i vilken cell som helst i vår kropp. De katalyseras av en mängd olika enzymer som ofta kräver energi. Vart tar cellen den? Denna fråga kan besvaras om vi överväger strukturen hos ATP-molekylen - en av de viktigaste energikällorna.
ATP är en universell energikälla
ATP står för adenosintrifosfat, eller adenosintrifosfat. Materia är en av de två viktigaste energikällorna i varje cell. ATP:s struktur och den biologiska rollen är nära besläktade. De flesta biokemiska reaktioner kan bara äga rum med deltagande av molekyler av ett ämne, särskilt gäller detta, men ATP är sällan direkt involverad i reaktionen: för att någon process ska kunna äga rum krävs energi som finns just i adenosintrifosfat.
Strukturen hos ämnets molekyler är sådan att bindningarna som bildas mellan fosfatgrupperna bär en enorm mängd energi. Därför kallas sådana bindningar även makroergiska, eller makroenergetiska (makro=många, stort antal). Termen introducerades först av vetenskapsmannen F. Lipman, och han föreslog också att man skulle använda ikonen ̴ för att beteckna dem.
Det är mycket viktigt för cellen att upprätthålla en konstant nivå av adenosintrifosfat. Detta gäller särskilt muskelceller och nervfibrer, eftersom de är mest energiberoende och behöver ett högt innehåll av adenosintrifosfat för att utföra sina funktioner.
ATP-molekylens struktur
Adenosintrifosfat består av tre element: ribos, adenin och rester
Ribose- en kolhydrat som tillhör gruppen pentoser. Det betyder att ribos innehåller 5 kolatomer, som är inneslutna i en cykel. Ribos är ansluten till adenin genom en β-N-glykosidbindning på den första kolatomen. Dessutom är fosforsyrarester på den 5:e kolatomen bundna till pentosen.
Adenin är en kvävehaltig bas. Beroende på vilken kvävehaltig bas som är fäst vid ribosen, isoleras även GTP (guanosintrifosfat), TTP (tymidintrifosfat), CTP (cytidintrifosfat) och UTP (uridintrifosfat). Alla dessa ämnen liknar adenosintrifosfat till sin struktur och har ungefär samma funktioner, men de är mycket mindre vanliga i cellen.
Rester av fosforsyra. Högst tre fosforsyrarester kan fästas på en ribos. Om det finns två eller bara en av dem, så kallas ämnet respektive ADP (difosfat) eller AMP (monofosfat). Det är mellan fosforresterna som makroenergetiska bindningar sluts, efter bristningen av vilka från 40 till 60 kJ energi frigörs. Om två bindningar bryts, frigörs 80, mindre ofta - 120 kJ energi. När bindningen mellan ribosen och fosforresten bryts frigörs endast 13,8 kJ, därför finns det bara två högenergibindningar i trifosfatmolekylen (P ̴ P ̴ P), och en i ADP-molekylen (P ̴ P).
Vilka är de strukturella egenskaperna hos ATP. På grund av det faktum att en makroenergetisk bindning bildas mellan fosforsyrarester är ATP:s struktur och funktioner sammankopplade.
ATP:s struktur och molekylens biologiska roll. Ytterligare funktioner av adenosintrifosfat
Förutom energi kan ATP utföra många andra funktioner i cellen. Tillsammans med andra nukleotidtrifosfater är trifosfat involverat i konstruktionen nukleinsyra. I detta fall är ATP, GTP, TTP, CTP och UTP leverantörer av kvävebaser. Denna egenskap används i processer och transkription.
ATP krävs också för driften av jonkanaler. Till exempel pumpar Na-K-kanalen 3 molekyler natrium ut ur cellen och pumpar 2 molekyler kalium in i cellen. En sådan jonström behövs för att upprätthålla Positiv laddning på membranets yttre yta, och endast med hjälp av adenosintrifosfat kan kanalen fungera. Detsamma gäller proton- och kalciumkanaler.
ATP är en föregångare till den andra budbäraren cAMP (cykliskt adenosinmonofosfat) - cAMP överför inte bara signalen som tas emot av cellmembranreceptorerna, utan är också en allosterisk effektor. Allosteriska effektorer är ämnen som påskyndar eller bromsar enzymatiska reaktioner. Så, cykliskt adenosintrifosfat hämmar syntesen av ett enzym som katalyserar nedbrytningen av laktos i bakterieceller.
Adenosintrifosfatmolekylen i sig kan också vara en allosterisk effektor. Dessutom, i sådana processer, fungerar ADP som en ATP-antagonist: om trifosfat påskyndar reaktionen, saktar difosfat ner, och vice versa. Dessa är funktionerna och strukturen hos ATP.
Hur bildas ATP i cellen
ATP:s funktioner och struktur är sådana att ämnets molekyler snabbt används och förstörs. Därför är syntesen av trifosfat en viktig process i bildandet av energi i cellen.
Det finns tre viktigaste sätten att syntetisera adenosintrifosfat:
1. Substratfosforylering.
2. Oxidativ fosforylering.
3. Fotofosforylering.
Substratfosforylering är baserad på flera reaktioner som sker i cellens cytoplasma. Dessa reaktioner kallas glykolys - det anaeroba stadiet. Som ett resultat av 1 glykolyscykel syntetiseras två molekyler från 1 glukosmolekyl, som vidare används för energiproduktion, och två ATP syntetiseras också.
- C6H12O6 + 2ADP + 2Fn --> 2C3H4O3 + 2ATP + 4H.
Cellandning
Oxidativ fosforylering är bildandet av adenosintrifosfat genom överföring av elektroner längs membranets elektrontransportkedja. Som ett resultat av denna överföring bildas en protongradient på en av sidorna av membranet, och med hjälp av proteinintegraluppsättningen av ATP-syntas byggs molekyler. Processen sker på mitokondriella membranet.
Sekvensen av steg av glykolys och oxidativ fosforylering i mitokondrier utgör den övergripande processen som kallas andning. Efter full cykel 36 ATP-molekyler bildas av 1 glukosmolekyl i en cell.
Fotofosforylering
Processen för fotofosforylering är samma oxidativa fosforylering med bara en skillnad: fotofosforyleringsreaktioner inträffar i cellens kloroplaster under inverkan av ljus. ATP produceras under fotosyntesens ljusstadium, den huvudsakliga energiproducerande processen i gröna växter, alger och vissa bakterier.
I processen för fotosyntes passerar elektroner genom samma elektrontransportkedja, vilket resulterar i bildandet av en protongradient. Koncentrationen av protoner på ena sidan av membranet är källan till ATP-syntes. Sammansättningen av molekyler utförs av enzymet ATP-syntas.
Den genomsnittliga cellen innehåller 0,04 % adenosintrifosfat av den totala massan. Dock mest stor betydelse observeras i muskelceller: 0,2-0,5%.
Det finns cirka 1 miljard ATP-molekyler i en cell.
Varje molekyl lever inte mer än 1 minut.
En molekyl av adenosintrifosfat förnyas 2000-3000 gånger om dagen.
Totalt syntetiserar människokroppen 40 kg adenosintrifosfat per dag, och vid varje tidpunkt är tillförseln av ATP 250 g.
Slutsats
ATP:s struktur och dess molekylers biologiska roll är nära besläktade. Ämnet spelar en nyckelroll i livsprocesser, eftersom de makroergiska bindningarna mellan fosfatrester innehåller en enorm mängd energi. Adenosintrifosfat utför många funktioner i cellen, och därför är det viktigt att hålla en konstant koncentration av ämnet. Sönderfall och syntes fortgår med hög hastighet, eftersom energin från bindningar ständigt används i biokemiska reaktioner. Det är en oumbärlig substans i alla celler i kroppen. Det är kanske allt som kan sägas om ATP:s struktur.
