V ktorejkoľvek bunke nášho tela prebiehajú milióny biochemických reakcií. Sú katalyzované rôznymi enzýmami, ktoré často vyžadujú energiu. Odkiaľ to bunka dostane? Na túto otázku možno odpovedať, ak vezmeme do úvahy štruktúru molekuly ATP - jedného z hlavných zdrojov energie.

ATP je univerzálny zdroj energie

ATP znamená adenozíntrifosfát alebo adenozíntrifosfát. Látka je jedným z dvoch najdôležitejších zdrojov energie v každej bunke. Štruktúra ATP a jeho biologická úloha spolu úzko súvisia. Väčšina biochemických reakcií môže prebiehať len za účasti molekúl látky, to platí najmä.ATP sa však zriedkavo priamo zúčastňuje reakcie: na to, aby prebehol akýkoľvek proces, je potrebná energia obsiahnutá práve v adenozíntrifosfáte.

Štruktúra molekúl látky je taká, že väzby vytvorené medzi fosfátovými skupinami nesú obrovské množstvo energie. Preto sa takéto väzby nazývajú aj makroergické, alebo makroenergetické (makro=veľa, veľké množstvo). Termín prvýkrát zaviedol vedec F. Lipman a navrhol použiť na ich označenie aj symbol ̴.

Pre bunku je veľmi dôležité udržiavať konštantnú hladinu adenozíntrifosfátu. To platí najmä pre bunky svalového tkaniva a nervové vlákna, pretože sú energeticky najviac závislé a na plnenie svojich funkcií vyžadujú vysoký obsah adenozíntrifosfátu.

Štruktúra molekuly ATP

Adenozíntrifosfát pozostáva z troch prvkov: ribózy, adenínu a zvyškov

Ribóza- sacharid, ktorý patrí do skupiny pentóz. To znamená, že ribóza obsahuje 5 atómov uhlíka, ktoré sú uzavreté v cykle. Ribóza sa pripája k adenínu prostredníctvom β-N-glykozidovej väzby na 1. atóme uhlíka. K pentóze sa pridávajú aj zvyšky kyseliny fosforečnej na 5. atóme uhlíka.

Adenín je dusíkatá zásada. Podľa toho, aká dusíkatá báza je naviazaná na ribózu, sa rozlišujú aj GTP (guanozíntrifosfát), TTP (tymidíntrifosfát), CTP (cytidíntrifosfát) a UTP (uridíntrifosfát). Všetky tieto látky majú podobnú štruktúru ako adenozíntrifosfát a vykonávajú približne rovnaké funkcie, ale v bunke sú oveľa menej bežné.

Zvyšky kyseliny fosforečnej. K ribóze môžu byť pripojené maximálne tri zvyšky kyseliny fosforečnej. Ak sú dva alebo iba jeden, potom sa látka nazýva ADP (difosfát) alebo AMP (monofosfát). Práve medzi zvyškami fosforu sa uzatvárajú makroenergetické väzby, po ktorých pretrhnutí sa uvoľní 40 až 60 kJ energie. Ak sa prerušia dve väzby, 80, menej často - uvoľní sa 120 kJ energie. Pri prerušení väzby medzi ribózou a fosforovým zvyškom sa uvoľní iba 13,8 kJ, takže v molekule trifosfátu sú len dve vysokoenergetické väzby (P ̴ P ̴ P) a v molekule ADP je jedna (P ̴ P).

Toto sú štrukturálne vlastnosti ATP. Vzhľadom na to, že medzi zvyškami kyseliny fosforečnej vzniká makroenergetická väzba, štruktúra a funkcie ATP sú vzájomne prepojené.

Štruktúra ATP a biologická úloha molekuly. Ďalšie funkcie adenozíntrifosfátu

Okrem energie môže ATP v bunke vykonávať mnoho ďalších funkcií. Spolu s inými nukleotidtrifosfátmi sa trifosfát podieľa na konštrukcii nukleových kyselín. V tomto prípade sú dodávateľmi dusíkatých zásad ATP, GTP, TTP, CTP a UTP. Táto vlastnosť sa využíva pri procesoch a transkripcii.

ATP je tiež nevyhnutný pre fungovanie iónových kanálov. Napríklad kanál Na-K pumpuje 3 molekuly sodíka z bunky a pumpuje 2 molekuly draslíka do bunky. Tento iónový prúd je potrebný na udržanie kladného náboja na vonkajšom povrchu membrány a len s pomocou adenozíntrifosfátu môže kanál fungovať. To isté platí pre protónové a vápnikové kanály.

ATP je prekurzorom druhého posla cAMP (cyklický adenozínmonofosfát) – cAMP nielenže prenáša signál prijatý receptormi bunkovej membrány, ale je aj alosterickým efektorom. Alosterické efektory sú látky, ktoré urýchľujú alebo spomaľujú enzymatické reakcie. Cyklický adenozíntrifosfát teda inhibuje syntézu enzýmu, ktorý katalyzuje rozklad laktózy v bakteriálnych bunkách.

Samotná molekula adenozíntrifosfátu môže byť tiež alosterickým efektorom. Navyše v takýchto procesoch ADP pôsobí ako antagonista ATP: ak trifosfát urýchľuje reakciu, potom ju difosfát inhibuje a naopak. Toto sú funkcie a štruktúra ATP.

Ako sa tvorí ATP v bunke?

Funkcie a štruktúra ATP sú také, že molekuly látky sa rýchlo využívajú a ničia. Preto je syntéza trifosfátov dôležitým procesom pri tvorbe energie v bunke.

Existujú tri najdôležitejšie spôsoby syntézy adenozíntrifosfátu:

1. Fosforylácia substrátu.

2. Oxidačná fosforylácia.

3. Fotofosforylácia.

Fosforylácia substrátu je založená na viacerých reakciách prebiehajúcich v bunkovej cytoplazme. Tieto reakcie sa nazývajú glykolýza – anaeróbne štádium.V dôsledku 1 cyklu glykolýzy sa z 1 molekuly glukózy syntetizujú dve molekuly, ktoré sa následne využívajú na výrobu energie a syntetizujú sa aj dve ATP.

C6H1206 + 2ADP + 2Pn --> 2C3H403 + 2ATP + 4H.

Bunkové dýchanie

Oxidačná fosforylácia je tvorba adenozíntrifosfátu prenosom elektrónov pozdĺž membránového elektrónového transportného reťazca. V dôsledku tohto prenosu sa na jednej strane membrány vytvorí protónový gradient a pomocou proteínovej integrálnej sady ATP syntázy sa budujú molekuly. Proces prebieha na mitochondriálnej membráne.

Postupnosť štádií glykolýzy a oxidatívnej fosforylácie v mitochondriách predstavuje bežný proces nazývaný dýchanie. Po úplnom cykle sa z 1 molekuly glukózy v bunke vytvorí 36 molekúl ATP.

Fotofosforylácia

Proces fotofosforylácie je rovnaký ako oxidačná fosforylácia len s jedným rozdielom: fotofosforylačné reakcie prebiehajú v chloroplastoch bunky pod vplyvom svetla. ATP sa vyrába počas svetelnej fázy fotosyntézy, hlavného procesu výroby energie v zelených rastlinách, riasach a niektorých baktériách.

Počas fotosyntézy prechádzajú elektróny rovnakým elektrónovým transportným reťazcom, čo vedie k vytvoreniu protónového gradientu. Koncentrácia protónov na jednej strane membrány je zdrojom syntézy ATP. Zostavenie molekúl vykonáva enzým ATP syntáza.

Priemerná bunka obsahuje 0,04 % hmotnostných adenozíntrifosfátu. Najvyššia hodnota sa však pozoruje vo svalových bunkách: 0,2-0,5%.

V bunke je asi 1 miliarda molekúl ATP.

Každá molekula nežije dlhšie ako 1 minútu.

Jedna molekula adenozíntrifosfátu sa obnovuje 2000-3000 krát denne.

Celkovo ľudské telo syntetizuje 40 kg adenozíntrifosfátu za deň a v každom danom čase je rezerva ATP 250 g.

Záver

Štruktúra ATP a biologická úloha jeho molekúl spolu úzko súvisia. Látka hrá kľúčovú úlohu v životných procesoch, pretože vysokoenergetické väzby medzi fosfátovými zvyškami obsahujú obrovské množstvo energie. Adenozíntrifosfát plní v bunke mnoho funkcií, a preto je dôležité udržiavať konštantnú koncentráciu látky. Rozpad a syntéza prebiehajú vysokou rýchlosťou, pretože energia väzieb sa neustále využíva v biochemických reakciách. Toto je základná látka pre každú bunku v tele. To je asi všetko, čo sa dá povedať o štruktúre ATP.

ATP je skratka pre Adenosine Tri-Phosphoric Acid. Môžete sa stretnúť aj s názvom Adenozíntrifosfát. Ide o nukleoid, ktorý hrá obrovskú úlohu pri výmene energie v tele. Kyselina adenozíntrifosforečná je univerzálnym zdrojom energie zapojeným do všetkých biochemických procesov v tele. Túto molekulu objavil v roku 1929 vedec Karl Lohmann. A jeho význam potvrdil Fritz Lipmann v roku 1941.

Štruktúra a vzorec ATP

Ak hovoríme o ATP podrobnejšie, potom je to molekula, ktorá dodáva energiu všetkým procesom prebiehajúcim v tele, vrátane energie na pohyb. Keď sa molekula ATP rozloží, svalové vlákno sa stiahne, čo vedie k uvoľneniu energie, ktorá umožní kontrakciu. Adenozíntrifosfát sa v živom organizme syntetizuje z inozínu.

Aby bolo možné dodať telu energiu, musí adenozíntrifosfát prejsť niekoľkými fázami. Najprv sa pomocou špeciálneho koenzýmu oddelí jeden z fosfátov. Každý fosfát poskytuje desať kalórií. Proces produkuje energiu a produkuje ADP (adenozíndifosfát).

Ak telo potrebuje viac energie na fungovanie potom sa oddelí ďalší fosforečnan. Potom sa vytvorí AMP (adenozínmonofosfát). Hlavným zdrojom tvorby adenozíntrifosfátu je glukóza, ktorá sa v bunke rozkladá na pyruvát a cytosol. Adenozíntrifosfát energizuje dlhé vlákna, ktoré obsahujú proteín myozín. To je to, čo tvorí svalové bunky.

Vo chvíľach, keď telo odpočíva, ide reťazec opačným smerom, t.j. vzniká kyselina adenozíntrifosforečná. Na tieto účely sa opäť používa glukóza. Vytvorené molekuly adenozíntrifosfátu budú znovu použité hneď, ako to bude potrebné. Keď energia nie je potrebná, ukladá sa v tele a uvoľňuje sa hneď, ako je to potrebné.

Molekula ATP pozostáva z niekoľkých alebo skôr troch zložiek:

Ribóza je päťuhlíkový cukor, ktorý tvorí základ DNA.
Adenín sú spojené atómy dusíka a uhlíka.
trifosfát.

V samom strede molekuly adenozíntrifosfátu je molekula ribózy a jej okraj je hlavný pre adenozín. Na druhej strane ribózy je reťazec troch fosfátov.

ATP systémy

Zároveň musíte pochopiť, že rezervy ATP budú dostatočné iba na prvé dve alebo tri sekundy fyzickej aktivity, po ktorých sa jeho hladina zníži. Zároveň sa však svalová práca môže vykonávať iba pomocou ATP. Vďaka špeciálnym systémom v tele sa neustále syntetizujú nové molekuly ATP. K inklúzii nových molekúl dochádza v závislosti od trvania záťaže.

Molekuly ATP syntetizujú tri hlavné biochemické systémy:

Fosfagénový systém (kreatínfosfát).
Systém glykogénu a kyseliny mliečnej.
Aeróbne dýchanie.

Uvažujme o každom z nich samostatne.

Fosfagénový systém- ak svaly pracujú krátko, no mimoriadne intenzívne (asi 10 sekúnd), využije sa fosfagénový systém. V tomto prípade sa ADP viaže na kreatínfosfát. Vďaka tomuto systému malé množstvo adenozíntrifosfátu neustále cirkuluje vo svalových bunkách. Keďže samotné svalové bunky obsahujú aj kreatínfosfát, používa sa na obnovenie hladiny ATP po krátkodobej práci s vysokou intenzitou. Ale do desiatich sekúnd začne hladina kreatínfosfátu klesať – táto energia stačí na krátke preteky alebo intenzívny silový tréning v kulturistike.

Glykogén a kyselina mliečna- dodáva telu energiu pomalšie ako predchádzajúci. Syntetizuje ATP, čo môže stačiť na jeden a pol minúty intenzívnej práce. V tomto procese sa glukóza vo svalových bunkách prostredníctvom anaeróbneho metabolizmu premieňa na kyselinu mliečnu.

Keďže v anaeróbnom stave telo nevyužíva kyslík, tento systém poskytuje energiu rovnako ako v aeróbnom systéme, ale šetrí čas. V anaeróbnom režime sa svaly sťahujú extrémne silne a rýchlo. Takýto systém vám umožní zabehnúť štyristo metrový šprint alebo dlhší intenzívny tréning v posilňovni. Ale práca týmto spôsobom po dlhú dobu neumožní bolesť svalov, ktorá sa objavuje v dôsledku prebytku kyseliny mliečnej.

Aeróbne dýchanie- tento systém sa zapne, ak cvičenie trvá viac ako dve minúty. Potom svaly začnú prijímať adenozíntrifosfát zo sacharidov, tukov a bielkovín. V tomto prípade sa ATP syntetizuje pomaly, ale energia trvá dlho - fyzická aktivita môže trvať niekoľko hodín. Deje sa tak vďaka tomu, že glukóza sa rozkladá bez prekážok, nemá žiadne protiakcie zvonku – keďže kyselina mliečna zasahuje do anaeróbneho procesu.

Úloha ATP v tele

Z predchádzajúceho opisu je zrejmé, že hlavnou úlohou adenozíntrifosfátu v tele je zabezpečiť energiu pre všetky početné biochemické procesy a reakcie v tele. Väčšina energeticky náročných procesov v živých bytostiach prebieha vďaka ATP.

Okrem tejto hlavnej funkcie však adenozíntrifosfát vykonáva aj ďalšie:

Úloha ATP v ľudskom tele a živote je dobre známy nielen vedcom, ale aj mnohým športovcom a kulturistom, pretože jeho pochopenie pomáha zefektívniť tréning a správne vypočítať zaťaženie. Pre ľudí, ktorí robia silový tréning v telocvični, šprintujú a iné športy, je veľmi dôležité pochopiť, aké cvičenia je potrebné vykonávať v tom či onom čase. Vďaka tomu môžete formovať požadovanú stavbu tela, vypracovať svalovú štruktúru, znížiť nadváhu a dosiahnuť ďalšie požadované výsledky.

Metabolické procesy zahŕňajú reakcie, ktoré spotrebúvajú energiu a reakcie, ktoré energiu uvoľňujú. V niektorých prípadoch sú tieto reakcie spojené. Často sú však reakcie, pri ktorých sa energia uvoľňuje, v priestore a čase oddelené od reakcií, pri ktorých sa spotrebuje. Rastlinné a živočíšne organizmy si v procese evolúcie vyvinuli schopnosť ukladať energiu vo forme zlúčenín, ktoré majú bohaté energetické väzby. Centrálne miesto medzi nimi zaujíma adenozíntrifosfát (ATP). ATP je nukleotid fosfát pozostávajúci z dusíkatej bázy (adenínu), pentózy (ribózy) a troch molekúl kyseliny fosforečnej. Dve koncové molekuly kyseliny fosforečnej tvoria vysokoenergetické, energeticky bohaté väzby. ATP je v bunke obsiahnutý najmä vo forme komplexu s iónmi horčíka. Počas dýchania sa adenozíntrifosfát tvorí z adenozíndifosfátu a zvyšku anorganickej kyseliny fosforečnej (Pn) pomocou energie uvoľnenej pri oxidácii rôznych organických látok:

ADP + FN --> ATP + H2O

V tomto prípade sa oxidačná energia organických zlúčenín premieňa na energiu fosforovej väzby.

V rokoch 1939-1940 F. Lipman zistil, že ATP slúži ako hlavný nosič energie v bunke. Špeciálne vlastnosti tejto látky sú dané skutočnosťou, že koncová fosfátová skupina sa ľahko prenáša z ATP na iné zlúčeniny alebo sa odštiepi, čím sa uvoľní energia využiteľná pre fyziologické funkcie. Táto energia je rozdielom medzi voľnou energiou ATP a voľnou energiou výsledných produktov (AG). AG je zmena voľnej energie systému alebo množstvo prebytočnej energie, ktorá sa uvoľní pri reorganizácii chemických väzieb. K rozkladu ATP dochádza podľa rovnice ATP + H20 = ADP + FN, v tomto prípade sa batéria vybije a pri pH 7 sa uvoľní AG = -30,6 kJ. Tento proces je katalyzovaný enzýmom adenozíntrifosfatáza (ATPáza) Rovnováha hydrolýzy ATP sa posúva smerom k dokončeniu reakcie, čo určuje veľkú zápornú hodnotu voľnej energie hydrolýzy. Je to spôsobené tým, že počas disoci. So štyrmi hydroxylovými skupinami pri pH 7 má ATP štyri záporné náboje. Tesné usporiadanie nábojov k sebe podporuje ich odpudzovanie a následne oddelenie fosfátových skupín. V dôsledku hydrolýzy vznikajú zlúčeniny s rovnakým nábojom (ADP3~ a HP04~), ktoré sa stávajú navzájom nezávislými, čo bráni ich spojeniu. Jedinečné vlastnosti ATP sa vysvetľujú nielen tým, že pri jeho hydrolýze sa uvoľňuje veľké množstvo energie, ale aj tým, že má schopnosť darovať koncovú fosfátovú skupinu spolu s energetickou rezervou iným organickým zlúčeninám. Energia obsiahnutá v makroergickej fosforovej väzbe sa využíva na fyziologickú činnosť bunky. Zároveň, pokiaľ ide o voľnú energiu hydrolýzy - 30,6 kJ/mol, ATP zaujíma medzipolohu. Vďaka tomu môže systém ATP-ADP slúžiť ako nosič fosfátových skupín od zlúčenín fosforu s vyššou energiou hydrolýzy, napríklad fosfoenolpyruvátu (53,6 K/mol), až po zlúčeniny s nižšou energiou hydrolýzy, napríklad fosforečnany cukrov (13,8 kJ/). mol) . Systém ADF je teda akoby intermediárny alebo konjugovaný.

Mechanizmus syntézy ATP. Difúzia protónov späť cez vnútornú membránu mitochondrií je spojená so syntézou ATP pomocou komplexu ATPázy, tzv. väzbový faktor F,. Na snímkach z elektrónového mikroskopu sa tieto faktory javia ako guľovité hubovité útvary na vnútornej membráne mitochondrií, s ich „hlavičkami“ vyčnievajúcimi do matrice. F1 je vo vode rozpustný proteín pozostávajúci z 9 podjednotiek piatich rôznych typov. Proteín je ATPáza a je spojený s membránou prostredníctvom ďalšieho proteínového komplexu F0, ktorý lemuje membránu. F 0 nevykazuje katalytickú aktivitu, ale slúži ako kanál na transport iónov H+ cez membránu do Fx.

Mechanizmus syntézy ATP v komplexe Fi~F0 nie je úplne objasnený. Existuje niekoľko hypotéz o tomto skóre.

Jednou z hypotéz vysvetľujúcich tvorbu ATP prostredníctvom tzv priamy mechanizmus, navrhol Mitchell.

Ryža. 9. Možné mechanizmy tvorby ATP v komplexe F 1 - F 0

Podľa tejto schémy sa v prvom štádiu fosforylácie fosfátový ión a ADP viažu na g zložku enzýmového komplexu (A). Protóny sa pohybujú kanálom v zložke F 0 a spájajú sa vo fosfáte s jedným z atómov kyslíka, ktorý je odstránený ako molekula vody (B). Atóm kyslíka ADP sa spája s atómom fosforu za vzniku ATP, po čom sa molekula ATP oddelí od enzýmu (B).

Pre nepriamy mechanizmus Možné sú rôzne možnosti. ADP a anorganický fosfát sa pridávajú do aktívneho miesta enzýmu bez prílevu voľnej energie. Ióny H +, pohybujúce sa pozdĺž protónového kanála pozdĺž gradientu ich elektrochemického potenciálu, sa viažu v určitých oblastiach Fb a spôsobujú konformačné zmeny. zmeny v enzýme (P. Boyer), v dôsledku ktorých sa ATP syntetizuje z ADP a P i. Uvoľňovanie protónov do matrice je sprevádzané návratom komplexu ATP syntetázy do pôvodného konformačného stavu a uvoľňovaním ATP.

V energizovanej forme funguje F1 ako ATP syntetáza. V neprítomnosti väzby medzi elektrochemickým potenciálom iónov H+ a syntézou ATP sa energia uvoľnená v dôsledku spätného transportu iónov H+ v matrici môže premeniť na teplo. Niekedy je to prospešné, pretože zvýšenie teploty v bunkách aktivuje enzýmy.

Pokračovanie. Pozri č. 11, 12, 13, 14, 15, 16/2005

Hodiny biológie na hodinách prírodovedy

Pokročilé plánovanie, ročník 10

Lekcia 19. Chemická štruktúra a biologická úloha ATP

Vybavenie: tabuľky zo všeobecnej biológie, diagram štruktúry molekuly ATP, diagram vzťahu medzi plastom a energetickým metabolizmom.

I. Test vedomostí

Vedenie biologického diktátu „Organické zlúčeniny živej hmoty“

Učiteľ prečíta abstrakty pod číslami, žiaci si zapíšu do zošitov čísla tých abstraktov, ktoré sa obsahovo zhodujú s ich verziou.

Možnosť 1 – proteíny.
Možnosť 2 – sacharidy.
Možnosť 3 – lipidy.
Možnosť 4 – nukleové kyseliny.

1. Vo svojej čistej forme pozostávajú iba z atómov C, H, O.

2. Okrem atómov C, H, O obsahujú atómy N a zvyčajne S.

3. Okrem atómov C, H, O obsahujú atómy N a P.

4. Majú relatívne malú molekulovú hmotnosť.

5. Molekulová hmotnosť môže byť od tisícok do niekoľkých desiatok a stoviek tisíc daltonov.

6. Najväčšie organické zlúčeniny s molekulovou hmotnosťou až niekoľko desiatok a stoviek miliónov daltonov.

7. Majú rôzne molekulové hmotnosti – od veľmi malých po veľmi vysoké, v závislosti od toho, či ide o látku monomér alebo polymér.

8. Pozostávajú z monosacharidov.

9. Pozostávajú z aminokyselín.

10. Pozostávajú z nukleotidov.

11. Sú to estery vyšších mastných kyselín.

12. Základná štruktúrna jednotka: „dusíková báza – pentóza – zvyšok kyseliny fosforečnej“.

13. Základná štruktúrna jednotka: „aminokyseliny“.

14. Základná štruktúrna jednotka: „monosacharid“.

15. Základná štruktúrna jednotka: „glycerol-mastná kyselina“.

16. Molekuly polymérov sú postavené z rovnakých monomérov.

17. Molekuly polymérov sú vytvorené z podobných, ale nie celkom identických monomérov.

18. Nie sú to polyméry.

19. Vykonávajú takmer výlučne energetické, stavebné a skladovacie funkcie av niektorých prípadoch aj ochranné.

20. Okrem energie a konštrukcie plnia katalytické, signalizačné, transportné, motorické a ochranné funkcie;

21. Uchovávajú a prenášajú dedičné vlastnosti bunky a organizmu.

možnosť 1 – 2; 5; 9; 13; 17; 20.
Možnosť 2 – 1; 7; 8; 14; 16; 19.
Možnosť 3 – 1; 4; 11; 15; 18; 19.
Možnosť 4– 3; 6; 10; 12; 17; 21.

II. Učenie sa nového materiálu

1. Štruktúra kyseliny adenozíntrifosforečnej

Okrem bielkovín, nukleových kyselín, tukov a sacharidov sa v živej hmote syntetizuje veľké množstvo ďalších organických zlúčenín. Medzi nimi hrá dôležitú úlohu v bioenergetike bunky. kyselina adenozíntrifosforečná (ATP). ATP sa nachádza vo všetkých rastlinných a živočíšnych bunkách. V bunkách je kyselina adenozíntrifosforečná najčastejšie prítomná vo forme solí tzv adenozíntrifosfáty. Množstvo ATP kolíše a dosahuje v priemere 0,04 % (v bunke je v priemere asi 1 miliarda molekúl ATP). Najväčšie množstvo ATP je obsiahnuté v kostrových svaloch (0,2–0,5 %).

Molekula ATP pozostáva z dusíkatej bázy – adenínu, pentózy – ribózy a troch zvyškov kyseliny fosforečnej, t.j. ATP je špeciálny adenylnukleotid. Na rozdiel od iných nukleotidov ATP neobsahuje jeden, ale tri zvyšky kyseliny fosforečnej. ATP označuje makroergické látky - látky obsahujúce vo svojich väzbách veľké množstvo energie.

Priestorový model (A) a štruktúrny vzorec (B) molekuly ATP

Zvyšky kyseliny fosforečnej sa odštiepia z ATP pôsobením enzýmov ATPázy. ATP má silnú tendenciu oddeľovať svoju terminálnu fosfátovú skupinu:

ATP 4– + H20 ––> ADP 3– + 30,5 kJ + Fn,

pretože to vedie k vymiznutiu energeticky nepriaznivého elektrostatického odpudzovania medzi susednými zápornými nábojmi. Vzniknutý fosfát je stabilizovaný tvorbou energeticky výhodných vodíkových väzieb s vodou. Rozloženie náboja v systéme ADP + Fn sa stáva stabilnejším ako v ATP. Touto reakciou sa uvoľní 30,5 kJ (rozbitím normálnej kovalentnej väzby sa uvoľní 12 kJ).

Aby sa zdôraznili vysoké energetické „náklady“ väzby fosfor-kyslík v ATP, zvyčajne sa označuje znakom ~ a nazýva sa makroenergetická väzba. Keď sa odstráni jedna molekula kyseliny fosforečnej, ATP sa premení na ADP (kyselina adenozíndifosforečná) a ak sa odstránia dve molekuly kyseliny fosforečnej, ATP sa premení na AMP (kyselina adenozínmonofosforečná). Štiepenie tretieho fosfátu je sprevádzané uvoľnením len 13,8 kJ, takže v molekule ATP sú len dve skutočné vysokoenergetické väzby.

2. Tvorba ATP v bunke

Zásoba ATP v bunke je malá. Napríklad zásoby ATP vo svale stačia na 20–30 kontrakcií. Ale sval môže pracovať celé hodiny a produkovať tisíce kontrakcií. Preto spolu s rozkladom ATP na ADP musí v bunke nepretržite prebiehať reverzná syntéza. Existuje niekoľko ciest syntézy ATP v bunkách. Poďme sa s nimi zoznámiť.

1. Anaeróbna fosforylácia. Fosforylácia je proces syntézy ATP z ADP a fosfátu s nízkou molekulovou hmotnosťou (Pn). V tomto prípade hovoríme o bezkyslíkových procesoch oxidácie organických látok (napríklad glykolýza je proces bezkyslíkatej oxidácie glukózy na kyselinu pyrohroznovú). Približne 40 % energie uvoľnenej počas týchto procesov (asi 200 kJ/mol glukózy) sa minie na syntézu ATP a zvyšok sa rozptýli ako teplo:

C6H1206 + 2ADP + 2Pn –-> 2C3H403 + 2ATP + 4H.

2. Oxidačná fosforylácia je proces syntézy ATP využívajúci energiu oxidácie organických látok kyslíkom. Tento proces bol objavený začiatkom 30. rokov 20. storočia. XX storočia V.A. Engelhardt. V mitochondriách prebiehajú kyslíkové procesy oxidácie organických látok. Približne 55% uvoľnenej energie v tomto prípade (asi 2600 kJ/mol glukózy) sa premení na energiu chemických väzieb ATP a 45% sa rozptýli ako teplo.

Oxidačná fosforylácia je oveľa účinnejšia ako anaeróbna syntéza: ak sa počas procesu glykolýzy syntetizujú iba 2 molekuly ATP počas rozpadu molekuly glukózy, potom sa počas oxidačnej fosforylácie vytvorí 36 molekúl ATP.

3. Fotofosforylácia– proces syntézy ATP využívajúci energiu slnečného žiarenia. Táto cesta syntézy ATP je charakteristická len pre bunky schopné fotosyntézy (zelené rastliny, sinice). Energiu kvánt slnečného svetla využíva fotosyntetika počas svetelnej fázy fotosyntézy na syntézu ATP.

3. Biologický význam ATP

ATP je v centre metabolických procesov v bunke a je spojením medzi reakciami biologickej syntézy a rozpadu. Úlohu ATP v bunke možno prirovnať k úlohe batérie, pretože pri hydrolýze ATP sa uvoľňuje energia potrebná pre rôzne životne dôležité procesy ("vybíjanie") a v procese fosforylácie ("nabíjanie") ATP opäť akumuluje energiu.

V dôsledku energie uvoľnenej počas hydrolýzy ATP prebiehajú takmer všetky životne dôležité procesy v bunke a tele: prenos nervových impulzov, biosyntéza látok, svalové kontrakcie, transport látok atď.

III. Upevnenie vedomostí

Riešenie biologických problémov

Úloha 1. Pri rýchlom behu rýchlo dýchame a dochádza k zvýšenému poteniu. Vysvetlite tieto javy.

Úloha 2. Prečo mrznúci ľudia začínajú dupať a skákať v mrazoch?

Úloha 3. V slávnom diele I. Ilfa a E. Petrova „Dvanásť stoličiek“ možno medzi mnohými užitočnými radami nájsť aj toto: „Zhlboka sa nadýchni, si vzrušený.“ Skúste túto radu zdôvodniť z pohľadu energetických procesov prebiehajúcich v tele.

IV. Domáca úloha

Začnite sa pripravovať na test a testujte (nadiktujte testové otázky – pozri lekciu 21).

Lekcia 20. Zovšeobecnenie poznatkov v časti „Chemická organizácia života“

Vybavenie: tabuľky zo všeobecnej biológie.

I. Zovšeobecnenie poznatkov sekcie

Študenti pracujú s otázkami (individuálne), po ktorých nasleduje kontrola a diskusia

1. Uveďte príklady organických zlúčenín, medzi ktoré patrí uhlík, síra, fosfor, dusík, železo, mangán.

2. Ako rozoznáte živú bunku od mŕtvej na základe jej iónového zloženia?

3. Aké látky sa nachádzajú v bunke v nerozpustenej forme? Aké orgány a tkanivá obsahujú?

4. Uveďte príklady makroprvkov obsiahnutých v aktívnych miestach enzýmov.

5. Aké hormóny obsahujú mikroelementy?

6. Aká je úloha halogénov v ľudskom organizme?

7. Ako sa proteíny líšia od umelých polymérov?

8. Ako sa líšia peptidy od proteínov?

9. Ako sa nazýva bielkovina, ktorá tvorí hemoglobín? Z koľkých podjednotiek sa skladá?

10. Čo je ribonukleáza? Koľko aminokyselín obsahuje? Kedy bol umelo syntetizovaný?

11. Prečo je rýchlosť chemických reakcií bez enzýmov nízka?

12. Aké látky transportujú bielkoviny cez bunkovú membránu?

13. Ako sa líšia protilátky od antigénov? Obsahujú vakcíny protilátky?

14. Na aké látky sa v tele rozkladajú bielkoviny? Koľko energie sa uvoľní? Kde a ako sa neutralizuje amoniak?

15. Uveďte príklad peptidových hormónov: ako sa podieľajú na regulácii bunkového metabolizmu?

16. Akú štruktúru má cukor, s ktorým pijeme čaj? Aké tri ďalšie synonymá pre túto látku poznáte?

17. Prečo sa tuk v mlieku nezhromažďuje na povrchu, ale skôr vo forme suspenzie?

18. Aká je hmotnosť DNA v jadre somatických a zárodočných buniek?

19. Koľko ATP spotrebuje človek denne?

20. Aké bielkoviny ľudia používajú na výrobu oblečenia?

Primárna štruktúra pankreatickej ribonukleázy (124 aminokyselín)

II. Domáca úloha.

Pokračujte v príprave na test a test v časti „Chemická organizácia života“.

Lekcia 21. Testovacia lekcia z časti „Chemická organizácia života“

I. Vykonanie ústneho testu z otázok

1. Elementárne zloženie bunky.

2. Charakteristika organogénnych prvkov.

3. Štruktúra molekuly vody. Vodíková väzba a jej význam v „chémii“ života.

4. Vlastnosti a biologické funkcie vody.

5. Hydrofilné a hydrofóbne látky.

6. Katióny a ich biologický význam.

7. Anióny a ich biologický význam.

8. Polyméry. Biologické polyméry. Rozdiely medzi periodickými a neperiodickými polymérmi.

9. Vlastnosti lipidov, ich biologické funkcie.

10. Skupiny uhľohydrátov, ktoré sa vyznačujú štruktúrnymi znakmi.

11. Biologické funkcie sacharidov.

12. Elementárne zloženie bielkovín. Aminokyseliny. Tvorba peptidov.

13. Primárne, sekundárne, terciárne a kvartérne štruktúry bielkovín.

14. Biologická funkcia bielkovín.

15. Rozdiely medzi enzýmami a nebiologickými katalyzátormi.

16. Štruktúra enzýmov. Koenzýmy.

17. Mechanizmus účinku enzýmov.

18. Nukleové kyseliny. Nukleotidy a ich štruktúra. Tvorba polynukleotidov.

19. Pravidlá E. Chargaffa. Princíp komplementarity.

20. Vznik molekuly dvojvláknovej DNA a jej špirálovitosť.

21. Triedy bunkovej RNA a ich funkcie.

22. Rozdiely medzi DNA a RNA.

23. replikácia DNA. Prepis.

24. Štruktúra a biologická úloha ATP.

25. Tvorba ATP v bunke.

II. Domáca úloha

Pokračujte v príprave na test v časti „Chemická organizácia života“.

Lekcia 22. Testovacia lekcia z časti „Chemická organizácia života“

I. Vykonanie písomného testu

možnosť 1

1. Existujú tri typy aminokyselín - A, B, C. Koľko variantov polypeptidových reťazcov pozostávajúcich z piatich aminokyselín možno postaviť. Označte tieto možnosti. Budú mať tieto polypeptidy rovnaké vlastnosti? prečo?

2. Všetko živé sa skladá hlavne zo zlúčenín uhlíka a analóg uhlíka, kremík, ktorého obsah v zemskej kôre je 300-krát väčší ako uhlík, sa nachádza len vo veľmi malom počte organizmov. Vysvetlite túto skutočnosť z hľadiska štruktúry a vlastností atómov týchto prvkov.

3. Molekuly ATP označené rádioaktívnym 32P na poslednom, treťom zvyšku kyseliny fosforečnej sa zaviedli do jednej bunky a molekuly ATP označené 32P na prvom zvyšku najbližšie k ribóze sa zaviedli do druhej bunky. Po 5 minútach sa v oboch bunkách zmeral obsah anorganického fosfátového iónu označeného32P. Kde bude výrazne vyššia?

4. Výskum ukázal, že 34 % z celkového počtu nukleotidov tejto mRNA tvorí guanín, 18 % uracil, 28 % cytozín a 20 % adenín. Určte percentuálne zloženie dusíkatých báz dvojvláknovej DNA, ktorej kópiou je uvedená mRNA.

Možnosť 2

1. Tuky tvoria „prvú rezervu“ v energetickom metabolizme a využívajú sa pri vyčerpaní zásob sacharidov. V kostrových svaloch sa však v prítomnosti glukózy a mastných kyselín vo väčšej miere využívajú práve tie druhé. Proteíny sa ako zdroj energie využívajú vždy až v krajnom prípade, keď telo hladuje. Vysvetlite tieto skutočnosti.

2. Ióny ťažkých kovov (ortuť, olovo atď.) a arzénu sa ľahko viažu sulfidovými skupinami bielkovín. Keď poznáte vlastnosti sulfidov týchto kovov, vysvetlite, čo sa stane s proteínom, keď sa skombinuje s týmito kovmi. Prečo sú ťažké kovy pre telo jedom?

3. Pri oxidačnej reakcii látky A na látku B sa uvoľní 60 kJ energie. Koľko molekúl ATP môže byť v tejto reakcii maximálne syntetizované? Ako sa využije zvyšok energie?

4. Štúdie ukázali, že 27 % z celkového počtu nukleotidov tejto mRNA tvorí guanín, 15 % uracil, 18 % cytozín a 40 % adenín. Určte percentuálne zloženie dusíkatých báz dvojvláknovej DNA, ktorej kópiou je uvedená mRNA.

Pokračovanie nabudúce

Pochopili ste sami z predchádzajúceho článku, pretože... je to veľmi dôležité. Teraz si povedzme, ako sa udržiava pohyb myozínového mostíka, odkiaľ pochádza energia pre kontraktilné procesy vo svale.

Pre celé naše telo ATP slúži ako jeden z hlavných zdrojov energie a výnimkou nie je ani svalové vlákno. Dovoľte mi pripomenúť: – vnútrobunkový zdroj energie, ktorý podporuje všetky procesy prebiehajúce v bunke.

Je to práve rozpad molekuly ATP, ku ktorému dochádza pri uvoľnenie energie, tiež počas rozkladu sa uvoľňuje kyselina ortofosforečná a ATP sa premieňa na adenezíndifosfát (ADP).

Pri interakcii s aktínovým vláknom hlavy myozínových mostíkov rozdeľujú molekulu ATP, čím získavajú energiu na kontrakciu.

Treba si však uvedomiť, že obsah „náhradných“ molekúl ATP v našom tele je malý, preto pri dlhodobej svalovej práci a najmä pri intenzívnom tréningu naše telo potrebuje doplnenie energie.

Doplnenie energetických zdrojov vo svaloch sa uskutočňuje tromi hlavnými spôsobmi:

Rozklad kreatínfosfátu. Počas tejto reakcie molekula kreatínfosfátu daruje svoju fosfátovú skupinu molekule adenezíndifosfátu (ADP), v dôsledku čoho sa ADP premení späť na ATP a kreatínfosfát na kreatín.
Takéto doplnenie energie však trvá veľmi obmedzenú dobu, pričom energetickú rovnováhu svalov udrží len na samom začiatku ich práce. Je to spôsobené malou zásobou kreatínfosfátu vo svalových bunkách. Ďalej je v práci zahrnutá glykolýza a oxidácia v mitochondriách.
Glykolýza. Pri tomto chemickom procese vznikajú vo svale dve molekuly kyseliny mliečnej – ako výsledok rozpadu molekuly glukózy. K rozkladu glukózy dochádza za účasti desiatich špeciálnych enzýmov.
Rozpad jednej molekuly glukózy je schopný doplniť zásoby energie dve molekuly ATP. Glykolýza veľmi rýchlo dopĺňa svalové zásoby ATP, pretože prebieha bez účasti kyslíka (anaeróbny proces).
Vo svalovom tkanive je hlavným substrátom glykolýzy glykogén. Glykogén– komplexný uhľohydrát pozostávajúci z jednotiek s rozvetveným reťazcom. Väčšina uhľohydrátov sa v našom tele hromadí vo forme glykogénu, koncentrovaného v kostrových svaloch a pečeni. Zásoby glykogénu do značnej miery určujú objem našich svalov a energetický potenciál svalov.
Oxidácia organických látok. Tento proces prebieha za účasti kyslíka (aeróbny proces), pre jeho vznik je nevyhnutná aj prítomnosť špeciálnych enzýmov. Dodávka kyslíka trvá určitý čas, takže tento proces začína až po odbúraní kreatínfosfátu a glykolýze.
Oxidácia organických látok sa uskutočňuje v etapách: proces glykolýzy sa spustí, ale ešte nesformované molekuly kyseliny mliečnej (molekuly pyruvátu) sa posielajú do mitochondrií na ďalšie oxidačné procesy, v dôsledku čoho vzniká energia s uvoľňovaním vody (H2O) a oxidu uhličitého (CO2). Pomocou vytvorenej energie vzniká 38 molekúl ATP.
Ak sa v dôsledku anaeróbneho rozkladu glukózy (glykolýza) obnovia 2 molekuly ATP, potom aeróbny proces (oxidácia v mitochondriách) dokáže obnoviť 19-krát viac molekúl ATP.

Záver: molekula ATP je hlavným a univerzálnym zdrojom energie pre svalovú činnosť, ale zásoby ATP vo svalovom vlákne sú malé, preto sa neustále dopĺňajú rozkladom kreatínfosfátu, glykolýzou a oxidáciou organických látok v mitochondriách.

Okrem toho sú glykolýza a oxidácia hlavnými spôsobmi obnovy ATP a každá z týchto metód zodpovedá vlastnému typu svalového vlákna. O tom si povieme v článku.

Materiály v tomto článku sú chránené autorským zákonom. Kopírovanie bez uvedenia odkazu na zdroj a upovedomenia autora je ZAKÁZANÉ!