Hlavná zdroj energie pre bunku sú živiny: sacharidy, tuky a bielkoviny, ktoré sa oxidujú pomocou kyslíka. Takmer všetky uhľohydráty sa pred dosiahnutím buniek tela premieňajú na glukózu vďaka práci gastrointestinálneho traktu a pečene. Spolu so sacharidmi sa v bunke štiepia aj bielkoviny na aminokyseliny a lipidy na mastné kyseliny, pod vplyvom kyslíka a za účasti enzýmov, ktoré riadia reakcie uvoľňovania energie a jej využitia.
Takmer všetky oxidačné reakcie sa vyskytujú v mitochondriách a uvoľnená energia sa ukladá vo forme vysokoenergetickej zlúčeniny – ATP. Následne je to ATP, a nie živiny, ktoré sa používajú na zásobovanie intracelulárnych metabolických procesov energiou.
molekula ATP obsahuje: (1) dusíkatú bázu adenín; (2) pentózový uhľohydrát ribóza, (3) tri zvyšky kyseliny fosforečnej. Posledné dva fosfáty sú spojené navzájom a so zvyškom molekuly vysokoenergetickými fosfátovými väzbami, ktoré sú vo vzorci ATP označené symbolom ~. V závislosti od fyzikálnych a chemických podmienok charakteristických pre telo je energia každej takejto väzby 12 000 kalórií na 1 mol ATP, čo je mnohonásobne viac ako energia bežnej chemickej väzby, a preto sa fosfátové väzby nazývajú vysoko- energie. Okrem toho sa tieto spojenia ľahko zničia a poskytujú intracelulárnym procesom energiu, len čo to bude potrebné.
Pri uvoľnení Energia ATP daruje fosfátovú skupinu a stáva sa adenozíndifosfátom. Uvoľnená energia sa využíva takmer na všetky bunkové procesy, napríklad na biosyntetické reakcie a svalovú kontrakciu.
Schéma tvorby adenozíntrifosfátu v bunke, ukazujúca kľúčovú úlohu mitochondrií v tomto procese.GI - glukóza; FA - mastné kyseliny; AA je aminokyselina.
Doplnenie ATP vzniká rekombináciou ADP so zvyškom kyseliny fosforečnej na úkor energie živín. Tento proces sa opakuje znova a znova. ATP sa neustále spotrebúva a hromadí, preto sa nazýva energetická mena bunky. Doba obratu ATP je len niekoľko minút.
Úloha mitochondrií v chemických reakciách tvorby ATP. Keď glukóza vstúpi do bunky, pôsobením cytoplazmatických enzýmov sa premení na kyselinu pyrohroznovú (tento proces sa nazýva glykolýza). Energia uvoľnená v tomto procese sa vynakladá na premenu malého množstva ADP na ATP, čo predstavuje menej ako 5 % celkových energetických zásob.
95 % prebieha v mitochondriách. Kyselina pyrohroznová, mastné kyseliny a aminokyseliny, vytvorené zo sacharidov, tukov a bielkovín, sa nakoniec v mitochondriálnej matrici premenia na zlúčeninu nazývanú acetyl-CoA. Táto zlúčenina zasa vstupuje do série enzymatických reakcií, ktoré sa súhrnne nazývajú cyklus trikarboxylových kyselín alebo Krebsov cyklus, aby uvoľnila svoju energiu.
V slučke trikarboxylové kyseliny acetyl-CoA rozkladá sa na atómy vodíka a molekuly oxidu uhličitého. Oxid uhličitý je odstránený z mitochondrií, potom von z bunky difúziou a odstránený z tela cez pľúca.
Atómy vodíka chemicky veľmi aktívne a preto okamžite reagujú s kyslíkom difundujúcim do mitochondrií. Veľké množstvo energie uvoľnenej pri tejto reakcii sa využíva na premenu mnohých molekúl ADP na ATP. Tieto reakcie sú pomerne zložité a vyžadujú si účasť obrovského množstva enzýmov, ktoré sú súčasťou mitochondriálnych krís. V počiatočnom štádiu sa elektrón odštiepi od atómu vodíka a atóm sa zmení na vodíkový ión. Proces končí pridaním vodíkových iónov ku kyslíku. V dôsledku tejto reakcie vzniká voda a veľké množstvo energie, ktorá je potrebná pre činnosť ATP syntetázy, veľkého guľovitého proteínu, ktorý vyčnieva vo forme tuberkúl na povrch mitochondriálnych krís. Pôsobením tohto enzýmu, ktorý využíva energiu vodíkových iónov, sa ADP premieňa na ATP. Nové molekuly ATP sa posielajú z mitochondrií do všetkých častí bunky, vrátane jadra, kde sa energia tejto zlúčeniny využíva na zabezpečenie rôznych funkcií.
Tento proces Syntéza ATP všeobecne nazývaný chemiosmotický mechanizmus tvorby ATP.
Použitie mitochondriálneho adenozíntrifosfátu na implementáciu troch dôležitých bunkových funkcií: membránový transport, syntézu bielkovín a svalovú kontrakciu.
Obrázok ukazuje dva spôsoby Obrázky štruktúry ATP. Adenozínmonofosfát (AMP), adenozíndifosfát (ADP) a adenozíntrifosfát (ATP) patria do triedy zlúčenín nazývaných nukleotidy. Nukleotidová molekula pozostáva z päťuhlíkového cukru, dusíkatej bázy a kyseliny fosforečnej. V molekule AMP je cukor reprezentovaný ribózou a základom je adenín. V molekule ADP sú dve fosfátové skupiny a v molekule ATP tri.
Hodnota ATP
Keď sa ATP rozloží na ADP a uvoľňuje sa energia anorganického fosfátu (Pn):
Reakcia nastáva pri absorpcii vody, teda predstavuje hydrolýzu (v našom článku sme sa s týmto veľmi častým typom biochemických reakcií stretli mnohokrát). Tretia fosfátová skupina odštiepená od ATP zostáva v bunke vo forme anorganického fosfátu (Pn). Výťažok voľnej energie pre túto reakciu je 30,6 kJ na 1 mol ATP.
Z ADF a fosfát, ATP môže byť znovu syntetizovaný, ale to si vyžaduje vynaloženie 30,6 kJ energie na 1 mol novovzniknutého ATP.
V tejto reakcii, nazývaná kondenzačná reakcia, sa uvoľňuje voda. Pridanie fosfátu k ADP sa nazýva fosforylačná reakcia. Obe vyššie uvedené rovnice je možné kombinovať:
Táto reverzibilná reakcia je katalyzovaná enzýmom tzv ATPáza.
Všetky bunky, ako už bolo spomenuté, potrebujú energiu na výkon svojej práce a pre všetky bunky akéhokoľvek organizmu je zdrojom tejto energie slúži ako ATP. Preto sa ATP nazýva „univerzálny nosič energie“ alebo „energetická mena“ buniek. Vhodnou analógiou sú elektrické batérie. Pamätajte, prečo ich nepoužívame. S ich pomocou môžeme v jednom prípade prijímať svetlo, v inom prípade zvuk, niekedy mechanický pohyb a niekedy z nich potrebujeme skutočnú elektrickú energiu. Výhodou batérií je, že rovnaký zdroj energie – batériu – môžeme využiť na rôzne účely, podľa toho, kam ju umiestnime. ATP hrá rovnakú úlohu v bunkách. Dodáva energiu pre také rozmanité procesy, ako je svalová kontrakcia, prenos nervových vzruchov, aktívny transport látok či syntéza bielkovín a všetky ostatné typy bunkovej aktivity. Aby to bolo možné, musí byť jednoducho „pripojený“ k zodpovedajúcej časti bunkového aparátu.
Analógia môže pokračovať. Batérie je potrebné najskôr vyrobiť a niektoré z nich (nabíjateľné), podobne ako , možno nabíjať. Keď sa batérie vyrábajú v továrni, musí sa v nich skladovať určité množstvo energie (a teda spotrebovaná továrňou). Syntéza ATP tiež vyžaduje energiu; jeho zdrojom je oxidácia organických látok pri dýchaní. Pretože sa energia uvoľňuje počas procesu oxidácie na fosforyláciu ADP, takáto fosforylácia sa nazýva oxidačná fosforylácia. Počas fotosyntézy sa ATP vyrába zo svetelnej energie. Tento proces sa nazýva fotofosforylácia (pozri časť 7.6.2). V bunke sú tiež „továrne“, ktoré produkujú väčšinu ATP. Toto sú mitochondrie; obsahujú chemické „montážne linky“, na ktorých sa pri aeróbnom dýchaní tvorí ATP. Nakoniec sa vybité „batérie“ dobijú aj v článku: po tom, čo sa ATP po uvoľnení energie v ňom obsiahnutej premení na ADP a Fn, môže byť vďaka energii prijatej v procese rýchlo opäť syntetizované z ADP a Fn. dýchania z oxidácie nových častí organickej hmoty.
množstvo ATP v bunke je v každom danom okamihu veľmi malá. Preto v ATFčlovek by mal vidieť iba nosič energie, a nie jej sklad. Na dlhodobé ukladanie energie slúžia látky ako tuky alebo glykogén. Bunky sú veľmi citlivé na hladiny ATP. So zvyšujúcou sa mierou jeho používania sa zvyšuje aj rýchlosť dýchacieho procesu, ktorý túto úroveň udržiava.
Úloha ATP ako spojovací článok medzi bunkovým dýchaním a procesmi zahŕňajúcimi spotrebu energie, je vidieť z obrázku Tento diagram vyzerá jednoducho, ale ilustruje veľmi dôležitý vzorec.
Dá sa teda povedať, že vo všeobecnosti je funkcia dýchania k produkujú ATP.
Stručne zhrňme, čo bolo povedané vyššie.
1. Syntéza ATP z ADP a anorganického fosfátu vyžaduje 30,6 kJ energie na 1 mol ATP.
2. ATP je prítomný vo všetkých živých bunkách a je teda univerzálnym nosičom energie. Nepoužívajú sa žiadne iné nosiče energie. To zjednodušuje záležitosť - potrebný bunkový aparát môže byť jednoduchší a pracovať efektívnejšie a hospodárnejšie.
3. ATP ľahko dodáva energiu do akejkoľvek časti bunky akémukoľvek procesu, ktorý vyžaduje energiu.
4. ATP rýchlo uvoľňuje energiu. To si vyžaduje len jednu reakciu – hydrolýzu.
5. Rýchlosť produkcie ATP z ADP a anorganického fosfátu (rýchlosť dýchacieho procesu) sa dá ľahko upraviť podľa potrieb.
6. ATP sa syntetizuje počas dýchania v dôsledku chemickej energie uvoľnenej počas oxidácie organických látok, ako je glukóza, a počas fotosyntézy v dôsledku slnečnej energie. Tvorba ATP z ADP a anorganického fosfátu sa nazýva fosforylačná reakcia. Ak je energia na fosforyláciu dodávaná oxidáciou, potom hovoríme o oxidatívnej fosforylácii (tento proces prebieha pri dýchaní), ale ak sa na fosforyláciu využíva svetelná energia, potom sa tento proces nazýva fotofosforylácia (nastáva pri fotosyntéze).
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 iba za účasti molekúl látky, to platí najmä pre ATP, ktorý 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. Platí to najmä pre svalové bunky 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 len 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 rovnaká 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.
Táto molekula hrá mimoriadne dôležitú úlohu v metabolizme, zlúčenina je známa ako univerzálny zdroj energie vo všetkých procesoch prebiehajúcich v živom organizme
Odpoveď
Hlavným zdrojom energie pre bunku sú živiny: sacharidy, tuky a bielkoviny, ktoré sa oxidujú pomocou kyslíka. Takmer všetky uhľohydráty sa pred dosiahnutím buniek tela premieňajú na glukózu vďaka práci gastrointestinálneho traktu a pečene. Spolu so sacharidmi sa bielkoviny štiepia aj na aminokyseliny a lipidy na mastné kyseliny. V bunke dochádza k oxidácii živín vplyvom kyslíka a za účasti enzýmov, ktoré riadia reakcie uvoľňovania energie a jej využitie. Takmer všetky oxidačné reakcie prebiehajú v mitochondriách a uvoľnená energia sa ukladá vo forme vysokoenergetickej zlúčeniny – ATP. Následne je to ATP, a nie živiny, ktoré sa používajú na zásobovanie intracelulárnych metabolických procesov energiou.
Molekula ATP obsahuje: (1) dusíkatú bázu adenín; (2) pentózový uhľohydrát ribóza, (3) tri zvyšky kyseliny fosforečnej. Posledné dva fosfáty sú spojené navzájom a so zvyškom molekuly vysokoenergetickými fosfátovými väzbami, ktoré sú vo vzorci ATP označené symbolom ~. V závislosti od fyzikálnych a chemických podmienok charakteristických pre telo je energia každej takejto väzby 12 000 kalórií na 1 mol ATP, čo je mnohonásobne viac ako energia bežnej chemickej väzby, a preto sa fosfátové väzby nazývajú vysoko- energie. Okrem toho sa tieto spojenia ľahko zničia a poskytujú intracelulárnym procesom energiu, len čo to bude potrebné.
Keď sa uvoľní energia, ATP daruje fosfátovú skupinu a stáva sa adenozíndifosfátom. Uvoľnená energia sa využíva takmer na všetky bunkové procesy, napríklad na biosyntetické reakcie a svalovú kontrakciu.
K doplneniu zásob ATP dochádza rekombináciou ADP so zvyškom kyseliny fosforečnej na úkor energie živín. Tento proces sa opakuje znova a znova. ATP sa neustále spotrebúva a hromadí, preto sa nazýva energetická mena bunky. Doba obratu ATP je len niekoľko minút.
Úloha mitochondrií v chemických reakciách tvorby ATP. Keď glukóza vstúpi do bunky, pôsobením cytoplazmatických enzýmov sa premení na kyselinu pyrohroznovú (tento proces sa nazýva glykolýza). Energia uvoľnená v tomto procese sa vynakladá na premenu malého množstva ADP na ATP, čo predstavuje menej ako 5 % celkových energetických zásob.
Syntéza ATP sa z 95 % uskutočňuje v mitochondriách. Kyselina pyrohroznová, mastné kyseliny a aminokyseliny, vytvorené zo sacharidov, tukov a bielkovín, sa nakoniec v mitochondriálnej matrici premenia na zlúčeninu nazývanú acetyl-CoA. Táto zlúčenina zasa vstupuje do série enzymatických reakcií, ktoré sa súhrnne nazývajú cyklus trikarboxylových kyselín alebo Krebsov cyklus, aby uvoľnila svoju energiu. V cykle trikarboxylových kyselín sa acetyl-CoA rozkladá na atómy vodíka a molekuly oxidu uhličitého. Oxid uhličitý je odstránený z mitochondrií, potom von z bunky difúziou a odstránený z tela cez pľúca.
Atómy vodíka sú chemicky veľmi aktívne, a preto okamžite reagujú s kyslíkom difundujúcim do mitochondrií. Veľké množstvo energie uvoľnenej pri tejto reakcii sa využíva na premenu mnohých molekúl ADP na ATP. Tieto reakcie sú pomerne zložité a vyžadujú si účasť obrovského množstva enzýmov, ktoré sú súčasťou mitochondriálnych krís. V počiatočnom štádiu sa elektrón odštiepi od atómu vodíka a atóm sa zmení na vodíkový ión. Proces končí pridaním vodíkových iónov ku kyslíku. V dôsledku tejto reakcie vzniká voda a veľké množstvo energie, ktorá je potrebná pre činnosť ATP syntetázy, veľkého guľovitého proteínu, ktorý vyčnieva vo forme tuberkúl na povrch mitochondriálnych krís. Pôsobením tohto enzýmu, ktorý využíva energiu vodíkových iónov, sa ADP premieňa na ATP. Nové molekuly ATP sa posielajú z mitochondrií do všetkých častí bunky, vrátane jadra, kde sa energia tejto zlúčeniny využíva na zabezpečenie rôznych funkcií. Tento proces syntézy ATP sa všeobecne nazýva chemiosmotický mechanizmus tvorby ATP.
