Fő energiaforrás a sejt számára tápanyagok: szénhidrátok, zsírok és fehérjék, amelyek oxigén segítségével oxidálódnak. Szinte minden szénhidrát, mielőtt elérné a test sejtjeit, a gyomor-bélrendszer és a máj munkájának köszönhetően glükózzá alakul. A szénhidrátokkal együtt a fehérjék is aminosavakra, a lipidek zsírsavakra bomlanak le A sejtben a tápanyagok oxigén hatására és az energiafelszabadulási reakciókat és annak hasznosítását szabályozó enzimek közreműködésével oxidálódnak.
Majdnem minden oxidatív reakció mitokondriumokban fordulnak elő, és a felszabaduló energiát egy nagy energiájú vegyület - ATP - formájában tárolják. Ezt követően az ATP-t, és nem a tápanyagokat használják az intracelluláris anyagcsere folyamatok energiával való ellátására.
ATP molekula tartalmazza: (1) a nitrogéntartalmú adenint; (2) pentóz szénhidrát ribóz, (3) három foszforsav maradék. Az utolsó két foszfát nagy energiájú foszfátkötésekkel kapcsolódik egymáshoz és a molekula többi részéhez, amelyeket az ATP-képletben a ~ szimbólum jelöl. A testre jellemző fizikai és kémiai feltételektől függően minden ilyen kötés energiája 1 mól ATP-re számítva 12 000 kalória, ami sokszorosa egy közönséges kémiai kötés energiájának, ezért a foszfátkötéseket magas- energia. Ráadásul ezek a kapcsolatok könnyen megsemmisülnek, amint szükség van rá, energiával látják el az intracelluláris folyamatokat.
Amikor elengedik ATP energia foszfátcsoportot adományoz és adenozin-difoszfáttá válik. A felszabaduló energiát szinte minden sejtfolyamathoz felhasználják, például bioszintézis reakciókban és izomösszehúzódásban.
A sejtben az adenozin-trifoszfát képződésének vázlata, amely bemutatja a mitokondriumok kulcsszerepét ebben a folyamatban.GI - glükóz; FA - zsírsavak; Az AA egy aminosav.
ATP utánpótlás Az ADP foszforsavmaradékkal való rekombinációja a tápanyagenergia rovására történik. Ez a folyamat újra és újra megismétlődik. Az ATP folyamatosan elhasználódik és raktározódik, ezért is nevezik a sejt energiavalutájának. Az ATP átfutási ideje mindössze néhány perc.
A mitokondriumok szerepe az ATP képződésének kémiai reakcióiban. Amikor a glükóz belép a sejtbe, citoplazmatikus enzimek hatására piroszőlősavvá alakul (ezt a folyamatot glikolízisnek nevezik). Az ebben a folyamatban felszabaduló energiát kis mennyiségű ADP ATP-vé való átalakítására fordítják, ami a teljes energiatartalék kevesebb mint 5%-át teszi ki.
95%-a mitokondriumokban történik. A szénhidrátokból, zsírokból és fehérjékből képződő piroszőlősav, zsírsavak és aminosavak végül acetil-CoA nevű vegyületté alakulnak át a mitokondriális mátrixban. Ez a vegyület pedig egy sor enzimreakcióba lép be, amelyet összefoglalóan trikarbonsav-ciklusnak vagy Krebs-ciklusnak neveznek, hogy felszabadítsa energiáját.
Egy hurokban trikarbonsavak acetil-CoA hidrogénatomokra és szén-dioxid molekulákra bomlik. A szén-dioxidot a mitokondriumokból távolítják el, majd diffúzió útján a sejtből, és a tüdőn keresztül távolítják el a szervezetből.
Hidrogén atomok kémiailag nagyon aktív, ezért azonnal reagál a mitokondriumokba diffundáló oxigénnel. Az ebben a reakcióban felszabaduló nagy mennyiségű energia felhasználható számos ADP-molekula ATP-vé történő átalakítására. Ezek a reakciók meglehetősen összetettek, és nagyszámú enzim részvételét igénylik, amelyek a mitokondriális cristae részét képezik. A kezdeti szakaszban egy elektron leválik a hidrogénatomról, és az atom hidrogénionná alakul. A folyamat hidrogénionok oxigénhez való hozzáadásával ér véget. A reakció eredményeként víz és nagy mennyiségű energia képződik, amely az ATP-szintetáz működéséhez szükséges, egy nagy gömbölyű fehérje, amely gumók formájában nyúlik ki a mitokondriális cristae felszínén. Ennek az enzimnek a hatására, amely a hidrogénionok energiáját használja fel, az ADP ATP-vé alakul. A mitokondriumokból új ATP-molekulákat küldenek a sejt minden részébe, beleértve a sejtmagot is, ahol ennek a vegyületnek az energiáját különféle funkciók ellátására használják fel.
Ez a folyamat ATP szintézisáltalában az ATP-termelés kemiozmotikus mechanizmusának nevezik.
A mitokondriális adenozin-trifoszfát használata három fontos sejtfunkció megvalósítására: membrántranszport, fehérjeszintézis és izomösszehúzódás.
Az ábrán két módszer látható ATP szerkezeti képek. Az adenozin-monofoszfát (AMP), az adenozin-difoszfát (ADP) és az adenozin-trifoszfát (ATP) a nukleotidoknak nevezett vegyületek osztályába tartoznak. A nukleotidmolekula öt szénatomos cukorból, nitrogéntartalmú bázisból és foszforsavból áll. Az AMP molekulában a cukrot ribóz képviseli, a bázist pedig az adenin. Az ADP-molekulában két foszfátcsoport, az ATP-molekulában három foszfátcsoport található.
ATP érték
Amikor az ATP-t ADP-vé bontjákés szervetlen foszfát (Pn) energia szabadul fel:
A reakció a víz felszívódásával megy végbe, azaz a hidrolízist képviseli (cikkünkben sokszor találkozhattunk a biokémiai reakciók e nagyon gyakori típusával). Az ATP-ről levált harmadik foszfátcsoport szervetlen foszfát (Pn) formájában a sejtben marad. A reakció szabadenergia-hozama 30,6 kJ/1 mol ATP.
Az ADF-bőlés foszfát, az ATP újra szintetizálható, de ehhez 30,6 kJ energiát kell elkölteni 1 mól újonnan képződött ATP-re.
Ebben a reakcióban, amelyet kondenzációs reakciónak neveznek, víz szabadul fel. Az ADP-hez foszfát hozzáadását foszforilációs reakciónak nevezik. A két fenti egyenlet kombinálható:
Ezt a reverzibilis reakciót az úgynevezett enzim katalizálja ATPáz.
Mint már említettük, minden sejtnek energiára van szüksége munkája elvégzéséhez, és bármely szervezet minden sejtje számára ez az energia forrása. ATP-ként szolgál. Ezért az ATP-t a sejtek „univerzális energiahordozójának” vagy „energiavalutájának” nevezik. A megfelelő analógia az elektromos akkumulátorok. Ne feledje, miért nem használjuk őket. Segítségükkel egy esetben fényt, máskor hangot, hol mechanikai mozgást kaphatunk, hol pedig tényleges elektromos energiára van szükségünk belőlük. Az akkumulátorok kényelme, hogy ugyanazt az energiaforrást - akkumulátort - többféle célra használhatjuk, attól függően, hogy hol helyezzük el. Az ATP ugyanazt a szerepet tölti be a sejtekben. Energiával látja el az olyan változatos folyamatokat, mint az izomösszehúzódás, az idegimpulzusok továbbítása, az aktív anyagszállítás vagy a fehérjeszintézis, és minden más típusú sejttevékenység. Ehhez egyszerűen „csatlakoztatni kell” a cellakészülék megfelelő részéhez.
Az analógia folytatható. Az elemeket először le kell gyártani, és ezek egy része (az újratölthetőek), akárcsak a , újratölthető. Ha az akkumulátorokat gyárban gyártják, bizonyos mennyiségű energiát kell bennük tárolni (és ezáltal a gyárnak el kell fogyasztania). Az ATP szintézise is energiát igényel; forrása a szerves anyagok légzés közbeni oxidációja. Mivel az ADP foszforilálása során az oxidáció során energia szabadul fel, az ilyen foszforilációt oxidatív foszforilációnak nevezik. A fotoszintézis során fényenergiából ATP termelődik. Ezt a folyamatot fotofoszforilációnak nevezik (lásd a 7.6.2. szakaszt). Vannak a sejtben „gyárak” is, amelyek az ATP nagy részét termelik. Ezek a mitokondriumok; kémiai „összeszerelő vonalakat” tartalmaznak, amelyeken aerob légzés során ATP képződik. Végül a lemerült „akkumulátorok” is újratöltődnek a cellában: miután az ATP a benne lévő energiát felszabadítva ADP-vé és Fn-né alakul, a folyamatban kapott energiának köszönhetően gyorsan újra szintetizálható ADP-ből és Fn-ből. a szerves anyag új részeinek oxidációjából származó légzés.
ATP mennyisége a cellában minden pillanatban nagyon kicsi. Ezért az ATF-ben csak az energiahordozót kell látni, és nem a raktárát. Az olyan anyagokat, mint a zsírok vagy a glikogén, hosszú távú energiatárolásra használják. A sejtek nagyon érzékenyek az ATP-szintre. Használatának növekedésével az ezt a szintet fenntartó légzési folyamat sebessége is növekszik.
Az ATP szerepe a sejtlégzés és az energiafelhasználással járó folyamatok közötti összekötő kapocs látható az ábrán. Ez a diagram egyszerűnek tűnik, de egy nagyon fontos mintát szemléltet.
Elmondható tehát, hogy általában a légzés funkciója az ATP-t termelnek.
Foglaljuk össze röviden a fent elmondottakat.
1. Az ATP ADP-ből és szervetlen foszfátból történő szintézise 30,6 kJ energiát igényel 1 mol ATP-nként.
2. Az ATP minden élő sejtben jelen van, ezért univerzális energiahordozó. Más energiahordozót nem használnak. Ez leegyszerűsíti a dolgot – a szükséges cellás berendezés egyszerűbb, hatékonyabban és gazdaságosabban működhet.
3. Az ATP könnyedén szállít energiát a sejt bármely részére bármilyen energiát igénylő folyamathoz.
4. Az ATP gyorsan energiát szabadít fel. Ehhez egyetlen reakcióra van szükség - hidrolízisre.
5. Az ATP-termelés sebessége ADP-ből és szervetlen foszfátból (légzési folyamat sebessége) könnyen beállítható az igényeknek megfelelően.
6. Az ATP szintetizálódik a légzés során a szerves anyagok, például a glükóz oxidációja során felszabaduló kémiai energia, illetve a napenergia hatására a fotoszintézis során. Az ATP képződését ADP-ből és szervetlen foszfátból foszforilációs reakciónak nevezzük. Ha a foszforiláció energiáját oxidáció szolgáltatja, akkor oxidatív foszforilációról beszélünk (ez a folyamat a légzés során megy végbe), de ha fényenergiát használunk a foszforilációhoz, akkor a folyamatot fotofoszforilációnak nevezzük (ez a fotoszintézis során megy végbe).
Biokémiai reakciók milliói játszódnak le testünk bármely sejtjében. Különféle enzimek katalizálják őket, amelyek gyakran energiát igényelnek. Honnan veszi a sejt? Ez a kérdés megválaszolható, ha figyelembe vesszük az ATP molekula szerkezetét - az egyik fő energiaforrást.
Az ATP univerzális energiaforrás
Az ATP jelentése adenozin-trifoszfát vagy adenozin-trifoszfát. Az anyag bármely sejtben a két legfontosabb energiaforrás egyike. Az ATP szerkezete és biológiai szerepe szorosan összefügg. A legtöbb biokémiai reakció csak egy anyag molekuláinak részvételével megy végbe, ez azonban különösen igaz, az ATP azonban ritkán vesz részt közvetlenül a reakcióban: bármilyen folyamat bekövetkezéséhez pontosan az adenozin-trifoszfátban lévő energiára van szükség.
Az anyag molekuláinak szerkezete olyan, hogy a foszfátcsoportok között kialakuló kötések hatalmas mennyiségű energiát hordoznak. Ezért az ilyen kötéseket makroergikusnak vagy makroenergetikusnak is nevezik (makro=sok, nagy mennyiség). A kifejezést először F. Lipman tudós vezette be, és javasolta a ̴ szimbólum használatát is.
Nagyon fontos, hogy a sejt állandó szinten tartsa az adenozin-trifoszfát szintjét. Ez különösen igaz az izomsejtekre és az idegrostokra, mivel ezek a leginkább energiafüggőek, és nagy mennyiségű adenozin-trifoszfátot igényelnek funkcióik ellátásához.
Az ATP molekula szerkezete
Az adenozin-trifoszfát három elemből áll: ribózból, adeninből és maradékokból
Ribóz- a pentóz csoportba tartozó szénhidrát. Ez azt jelenti, hogy a ribóz 5 szénatomot tartalmaz, amelyek körbe vannak zárva. A ribóz az adeninhez egy β-N-glikozidos kötésen keresztül kapcsolódik az 1. szénatomon. Az 5. szénatomon lévő foszforsav-maradékokat is hozzáadják a pentózhoz.
Az adenin nitrogéntartalmú bázis. Attól függően, hogy melyik nitrogénbázis kapcsolódik a ribózhoz, megkülönböztetünk még GTP-t (guanozin-trifoszfát), TTP-t (timidin-trifoszfát), CTP-t (citidin-trifoszfát) és UTP-t (uridin-trifoszfát). Mindezek az anyagok szerkezetükben hasonlóak az adenozin-trifoszfáthoz, és megközelítőleg ugyanazokat a funkciókat látják el, de sokkal kevésbé gyakoriak a sejtben.
Foszforsav maradványok. A ribózhoz legfeljebb három foszforsav-maradék kapcsolódhat. Ha kettő vagy csak egy van, akkor az anyagot ADP-nek (difoszfátnak) vagy AMP-nek (monofoszfátnak) nevezik. A foszformaradékok között makroenergetikai kötések jönnek létre, amelyek felszakadása után 40-60 kJ energia szabadul fel. Ha két kötés megszakad, 80, ritkábban - 120 kJ energia szabadul fel. Amikor a ribóz és a foszformaradék közötti kötés megszakad, csak 13,8 kJ szabadul fel, így a trifoszfát molekulában csak két nagy energiájú kötés van (P ̴ P ̴ P), az ADP-molekulában pedig egy (P ̴) P).
Ezek az ATP szerkezeti jellemzői. Mivel a foszforsavmaradékok között makroenergetikai kötés jön létre, az ATP szerkezete és funkciói összefüggenek.
Az ATP szerkezete és a molekula biológiai szerepe. Az adenozin-trifoszfát további funkciói
Az ATP az energián kívül számos más funkciót is elláthat a sejtben. Más nukleotid-trifoszfátokkal együtt a trifoszfát is részt vesz a nukleinsavak felépítésében. Ebben az esetben az ATP, a GTP, a TTP, a CTP és az UTP a nitrogénbázisok szállítói. Ezt a tulajdonságot folyamatokban és átírásban használják.
Az ATP az ioncsatornák működéséhez is szükséges. Például a Na-K csatorna 3 nátriummolekulát pumpál ki a sejtből és 2 káliummolekulát pumpál a sejtbe. Ez az ionáram szükséges a pozitív töltés fenntartásához a membrán külső felületén, és csak az adenozin-trifoszfát segítségével tud működni a csatorna. Ugyanez vonatkozik a proton- és kalciumcsatornákra is.
Az ATP a második hírvivő cAMP (ciklikus adenozin-monofoszfát) prekurzora – a cAMP nemcsak a sejtmembrán receptorok által vett jelet továbbítja, hanem alloszterikus effektor is. Az alloszterikus effektorok olyan anyagok, amelyek felgyorsítják vagy lassítják az enzimatikus reakciókat. Így a ciklikus adenozin-trifoszfát gátolja egy olyan enzim szintézisét, amely katalizálja a laktóz lebomlását a baktériumsejtekben.
Maga az adenozin-trifoszfát molekula is alloszterikus effektor lehet. Ezenkívül az ilyen folyamatokban az ADP az ATP antagonistájaként működik: ha a trifoszfát felgyorsítja a reakciót, akkor a difoszfát gátolja, és fordítva. Ezek az ATP funkciói és szerkezete.
Hogyan képződik az ATP egy sejtben?
Az ATP funkciói és szerkezete olyan, hogy az anyag molekulái gyorsan felhasználhatók és megsemmisülnek. Ezért a trifoszfát szintézis fontos folyamat a sejt energiaképzésében.
Három legfontosabb módszer létezik az adenozin-trifoszfát szintézisére:
1. Szubsztrát foszforiláció.
2. Oxidatív foszforiláció.
3. Fotofoszforiláció.
A szubsztrát foszforilációja a sejt citoplazmájában előforduló többszörös reakción alapul. Ezeket a reakciókat nevezzük glikolízisnek – anaerob szakasznak. 1 ciklus glikolízis eredményeként 1 glükózmolekulából két molekula szintetizálódik, amelyekből energiát állítanak elő, és két ATP is szintetizálódik.
- C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Pn --> 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 4H.
Sejtlégzés
Az oxidatív foszforiláció adenozin-trifoszfát képződése elektronok átvitelével a membrán elektrontranszport lánca mentén. Az átvitel eredményeként a membrán egyik oldalán proton gradiens képződik, és az ATP-szintáz fehérje-integrálkészlete segítségével molekulák épülnek fel. A folyamat a mitokondriális membránon megy végbe.
A glikolízis és az oxidatív foszforiláció szakaszainak sorrendje a mitokondriumokban egy közös folyamat, amelyet légzésnek neveznek. Egy teljes ciklus után a sejtben 1 glükózmolekulából 36 ATP molekula képződik.
Fotofoszforiláció
A fotofoszforiláció folyamata ugyanaz az oxidatív foszforiláció, egyetlen különbséggel: a sejt kloroplasztiszában fény hatására fotofoszforilációs reakciók mennek végbe. Az ATP a fotoszintézis könnyű szakaszában termelődik, ez a fő energiatermelési folyamat zöld növényekben, algákban és egyes baktériumokban.
A fotoszintézis során az elektronok ugyanazon az elektronszállító láncon haladnak át, ami proton gradiens kialakulását eredményezi. A membrán egyik oldalán lévő protonkoncentráció az ATP szintézis forrása. A molekulák összeállítását az ATP-szintáz enzim végzi.
Az átlagos sejt 0,04 tömeg% adenozin-trifoszfátot tartalmaz. A legmagasabb érték azonban az izomsejtekben figyelhető meg: 0,2-0,5%.
Egy sejtben körülbelül 1 milliárd ATP-molekula található.
Mindegyik molekula legfeljebb 1 percig él.
Naponta 2000-3000 alkalommal újul meg egy molekula adenozin-trifoszfát.
Összességében az emberi szervezet naponta 40 kg adenozin-trifoszfátot szintetizál, és az ATP tartaléka mindenkor 250 g.
Következtetés
Az ATP szerkezete és molekuláinak biológiai szerepe szorosan összefügg. Az anyag kulcsszerepet játszik az életfolyamatokban, mivel a foszfátmaradékok közötti nagy energiájú kötések hatalmas mennyiségű energiát tartalmaznak. Az adenozin-trifoszfát számos funkciót lát el a sejtben, ezért fontos az anyag állandó koncentrációjának fenntartása. A bomlás és a szintézis nagy sebességgel megy végbe, mivel a kötések energiáját folyamatosan használják a biokémiai reakciókban. Ez a test bármely sejtje számára nélkülözhetetlen anyag. Valószínűleg ennyit lehet mondani az ATP szerkezetéről.
Ez a molekula rendkívül fontos szerepet játszik az anyagcserében, a vegyület univerzális energiaforrásként ismert minden élő szervezetben végbemenő folyamatban.
Válasz
A sejt fő energiaforrása a tápanyagok: szénhidrátok, zsírok és fehérjék, amelyek oxigén segítségével oxidálódnak. Szinte minden szénhidrát, mielőtt elérné a test sejtjeit, a gyomor-bélrendszer és a máj munkájának köszönhetően glükózzá alakul. A szénhidrátokkal együtt a fehérjék is aminosavakra, a lipidek pedig zsírsavakra bomlanak le. A sejtben a tápanyagok oxigén hatására és az energiafelszabadítási reakciókat és annak hasznosítását szabályozó enzimek közreműködésével oxidálódnak. Szinte minden oxidatív reakció a mitokondriumokban megy végbe, és a felszabaduló energiát egy nagy energiájú vegyület - ATP - formájában tárolják. Ezt követően az ATP-t, és nem a tápanyagokat használják az intracelluláris anyagcsere folyamatok energiával való ellátására.
Az ATP molekula a következőket tartalmazza: (1) a nitrogéntartalmú adenin bázis; (2) pentóz szénhidrát ribóz, (3) három foszforsav maradék. Az utolsó két foszfát nagy energiájú foszfátkötésekkel kapcsolódik egymáshoz és a molekula többi részéhez, amelyeket az ATP-képletben a ~ szimbólum jelöl. A testre jellemző fizikai és kémiai feltételektől függően minden ilyen kötés energiája 1 mól ATP-re számítva 12 000 kalória, ami sokszorosa egy közönséges kémiai kötés energiájának, ezért a foszfátkötéseket magas- energia. Ráadásul ezek a kapcsolatok könnyen megsemmisülnek, amint szükség van rá, energiával látják el az intracelluláris folyamatokat.
Amikor az energia felszabadul, az ATP foszfátcsoportot adományoz, és adenozin-difoszfáttá válik. A felszabaduló energiát szinte minden sejtfolyamathoz felhasználják, például bioszintézis reakciókban és izomösszehúzódásban.
Az ATP-készletek feltöltése az ADP-nek egy foszforsav-maradékkal való rekombinációjával történik a tápanyag-energia rovására. Ez a folyamat újra és újra megismétlődik. Az ATP folyamatosan elhasználódik és felhalmozódik, ezért nevezik a sejt energiavalutájának. Az ATP átfutási ideje mindössze néhány perc.
A mitokondriumok szerepe az ATP képződésének kémiai reakcióiban. Amikor a glükóz belép a sejtbe, citoplazmatikus enzimek hatására piroszőlősavvá alakul (ezt a folyamatot glikolízisnek nevezik). Az ebben a folyamatban felszabaduló energiát kis mennyiségű ADP ATP-vé való átalakítására fordítják, ami a teljes energiatartalék kevesebb mint 5%-át teszi ki.
Az ATP szintézis 95%-ban mitokondriumokban megy végbe. A szénhidrátokból, zsírokból és fehérjékből képződő piroszőlősav, zsírsavak és aminosavak végül acetil-CoA nevű vegyületté alakulnak át a mitokondriális mátrixban. Ez a vegyület pedig egy sor enzimreakcióba lép be, amelyet összefoglalóan trikarbonsav-ciklusnak vagy Krebs-ciklusnak neveznek, hogy felszabadítsa energiáját. A trikarbonsav ciklusban az acetil-CoA hidrogénatomokra és szén-dioxid molekulákra bomlik. A szén-dioxidot a mitokondriumokból távolítják el, majd diffúzió útján a sejtből, és a tüdőn keresztül távolítják el a szervezetből.
A hidrogénatomok kémiailag nagyon aktívak, ezért azonnal reagálnak a mitokondriumokba diffundáló oxigénnel. Az ebben a reakcióban felszabaduló nagy mennyiségű energia felhasználható számos ADP-molekula ATP-vé történő átalakítására. Ezek a reakciók meglehetősen összetettek, és nagyszámú enzim részvételét igénylik, amelyek a mitokondriális cristae részét képezik. A kezdeti szakaszban egy elektron leválik a hidrogénatomról, és az atom hidrogénionná alakul. A folyamat hidrogénionok oxigénhez való hozzáadásával ér véget. A reakció eredményeként víz és nagy mennyiségű energia képződik, amely az ATP-szintetáz működéséhez szükséges, egy nagy gömbölyű fehérje, amely gumók formájában nyúlik ki a mitokondriális cristae felszínén. Ennek az enzimnek a hatására, amely a hidrogénionok energiáját használja fel, az ADP ATP-vé alakul. A mitokondriumokból új ATP-molekulákat küldenek a sejt minden részébe, beleértve a sejtmagot is, ahol ennek a vegyületnek az energiáját különféle funkciók ellátására használják fel. Az ATP szintézisének ezt a folyamatát általában az ATP képződésének kemiozmotikus mechanizmusának nevezik.
