Молекулы атф выполняют в клетке функцию. Молекулы атф выполняют в клетке функцию.

В организме содержится множество ферментов, которые контролируют многочисленные метаболические процессы: обмен веществ, питание и преобразование биоэнергии. Большинство реакций, тесно связанных с жизненными процессами, катализируются ферментами.

Молекулы атф выполняют в клетке функцию

Аденозинтрифосфат (АТФ), нуклеотид, играющий важнейшую роль в энергетике и метаболизме организмов, известен прежде всего как универсальный источник энергии для всех биохимических процессов в живых системах. АТФ был открыт Карлом Лохманом в 1929 году 1, а в 1941 году Фриц Липманн показал, что АТФ является основным переносчиком энергии в клетке 2 .

Систематическое название АТФ:

9-β-D-рибофуранозил аденин 5′-трифосфат или 9-β-D-рибофуранозил 6-аминопурин 5′-трифосфат .

Химически АТФ представляет собой трифосфатный эфир аденозина, который является производным аденина и рибозы.

Азотистое основание пурина, аденин, связано с 1′-углеродом рибозы β-N-гликозидной связью. Три молекулы фосфорной кислоты, обозначенные буквами a, b и c соответственно, последовательно связываются с 5′-углеродом рибозы.

АТФ относится к так называемым макроэнергетическим соединениям, то есть химическим соединениям, содержащим связи, при гидролизе которых высвобождается значительное количество энергии. Согласно различным источникам, гидролиз макроэнергетических связей АТФ, который сопровождается удалением 1 или 2 остатков фосфорной кислоты, приводит к высвобождению от 40 до 60 кДж/моль.

Высвобожденная энергия используется в различных энергоемких процессах.

Роль в организме

Основная задача АТФ в организме — обеспечивать энергией многочисленные биохимические реакции. Как носитель двух высокоэнергетических связей, АТФ служит прямым источником энергии для многочисленных энергоемких биохимических и физиологических процессов. К ним относятся все сложные синтетические реакции в организме: активный транспорт молекул через биологические мембраны, включая генерацию трансмембранного электрического потенциала; применение мышечного сокращения.

Помимо обеспечения энергией, АТФ выполняет в организме ряд других, не менее важных функций:

• Вместе с другими нуклеозидтрифосфатами АТФ является исходным продуктом при синтезе нуклеиновых кислот.
• Кроме того, АТФ отводится важное место в регуляции множества биохимических процессов. Являясь аллостерическим эффектором ряда ферментов, АТФ, присоединяясь к их регуляторным центрам, усиливает или подавляет их активность.
• АТФ является также непосредственным предшественником синтеза циклического аденозинмонофосфата — вторичного посредника передачи в клетку гормонального сигнала.
• Также известна роль АТФ в качестве медиатора в синапсах

Пути синтеза

В организме АТФ синтезируется из АДФ с использованием энергии окислителей:

Фосфорилирование АДФ возможно двумя способами: субстратное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование. Большая часть АДФ образуется в мембранах митохондрий во время окислительного фосфорилирования под действием Н-зависимой АТФ-синтазы. Фосфорилирование субстрата АТФ не требует участия мембранных ферментов; оно происходит во время гликолиза или путем переноса фосфатных групп из других макроэргических соединений.

Реакции фосфорилирования АДФ и последующее использование АТФ в качестве источника энергии представляют собой циклический процесс, составляющий суть энергетического метаболизма.

В организме АТФ является одним из наиболее часто обновляемых веществ. В организме человека время жизни молекулы АТФ составляет менее 1 минуты. В среднем молекула АТФ проходит 2000-3000 циклов ресинтеза в день (человеческий организм синтезирует около 40 кг АТФ в день). Другими словами, организм испытывает недостаток АТФ, и для нормального функционирования необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ.

Структура

АТФ, как следует из названия, представляет собой нуклеотид с тремя фосфатами. Его особая структура, особенно две пирофосфатные связи, делают его богатым энергией соединением. Он состоит из следующих элементов:

— Азотистое основание, аденин. Азотистые основания — это циклические соединения, содержащие в своей структуре один или несколько атомов азота. Они также входят в состав нуклеиновых кислот, ДНК и РНК.

— Рибоза находится в середине молекулы. Это пентозный сахар, потому что в нем пять атомов углерода. Его химическая формула — C₅H₁₀О₅. Углерод 1 рибозы присоединен к адениновому кольцу.

— Три фосфатных радикала. Последние две — это «высокоэнергетические связи», представленные в графических структурах символом virgulilla: ~. Фосфатная группа является одной из самых важных в биологических системах. Эти три группы называются альфа, бета и гамма, от самой близкой к самой отдаленной.

Эта связь очень изменчива, поэтому она быстро, легко и спонтанно растворяется, когда этого требуют физиологические условия организма. Это связано с тем, что отрицательные заряды трех фосфатных групп постоянно пытаются отойти друг от друга.

Функция

АТФ играет незаменимую роль в энергетическом метаболизме почти всех живых организмов. По этой причине его часто называют энергетической валютой, поскольку он постоянно расходуется и может быть восполнен в течение нескольких минут.

АТФ прямо или косвенно обеспечивает энергией сотни процессов, а также функционирует как донор фосфатов.

АТФ в целом функционирует как сигнальная молекула в процессах внутри клетки, он необходим для синтеза компонентов ДНК и РНК, а также для синтеза других биомолекул, участвует в транспорте через мембраны и т.д.

Использование АТФ можно разделить на несколько основных категорий: Транспорт молекул через биологические мембраны, синтез различных соединений и, наконец, механическая работа…..

Функции АТФ очень разнообразны. Более того, он участвует в таком количестве реакций, что перечислить их все просто невозможно. Поэтому мы рассмотрим три конкретных примера, иллюстрирующих каждое из трех упомянутых применений…

Энергоснабжение для транспорта натрия и калия через мембрану

Клетка — это высокодинамичная среда, которая требует поддержания определенных концентраций. Большинство молекул попадают в клетку не случайно. Чтобы молекула или вещество попало внутрь, оно должно сделать это через определенный транспортер.

Транспортеры — это белки, которые пересекают мембрану и действуют как клеточные «привратники», контролирующие поток материалов. В результате мембрана становится полупроницаемой: она пропускает одни соединения и не пропускает другие…..

Одним из наиболее известных видов транспорта является натрий-калиевый насос. Этот механизм классифицируется как активный транспорт, поскольку движение ионов происходит против их концентрации, и единственным способом осуществления этого движения является поставка энергии в систему в виде АТФ….

По оценкам, одна треть АТФ, вырабатываемого в клетке, используется для работы насоса. Ионы натрия постоянно перекачиваются к поверхности клетки, ионы калия — в обратном направлении.

Логично, что использование АТФ не ограничивается переносом натрия и калия. Существуют и другие ионы, такие как кальций, магний и другие, для поступления которых требуется эта энергетическая валюта.

Участие в синтезе белка

Молекулы белка образуются из аминокислот, соединенных пептидными связями. Их образование требует разрыва четырех богатых энергией связей. Другими словами, значительное количество молекул АТФ должно быть гидролизовано для образования белка промежуточной длины…..

Синтез белка происходит в структурах, называемых рибосомами. Они способны интерпретировать код, содержащийся в мессенджерной РНК, и переводить его в последовательности аминокислот — процесс, который зависит от АТФ.

В наиболее активных клетках синтез белка может использовать до 75% синтезированного АТФ для этой важной задачи.

С другой стороны, клетка не только синтезирует белки, но и нуждается в липидах, холестерине и других жизненно важных веществах, для чего ей необходима энергия, содержащаяся в связях АТФ.

Обеспечить энергию для передвижения

Механическая работа — одна из важнейших функций АТФ: чтобы наше тело могло, например, осуществлять сокращение мышечных волокон, необходимо большое количество энергии…

В мышцах химическая энергия может быть преобразована в механическую путем перестройки сократительных белков, из которых состоит мышца. Длина этих структур изменяется и сокращается, создавая напряжение, которое приводит к движению.

Гидролиз

Гидролиз АТФ — это реакция, при которой молекула расщепляется в присутствии воды. Реакция представлена следующим образом:

АТФ + вода ⇋ АДФ + Р_Я+ энергия. Где термин P_Яобозначает неорганическую фосфатную группу, а ADP — аденозиндифосфат. Обратите внимание, что реакция обратима.

Гидролиз АТФ — это явление, при котором высвобождается огромное количество энергии. Расщепление пирофосфатной связи приводит к высвобождению 7 ккал на моль — а именно 7,3 АТФ на АДФ и 8,2 на образование аденозинмонофосфата (АМФ) из АТФ. Это соответствует 12 000 калорий на моль АТФ.

Почему происходит это высвобождение энергии??

Это происходит потому, что продукты гидролиза гораздо более стабильны, чем исходное соединение, т.е. АТФ.

Следует отметить, что только гидролиз, происходящий по пирофосфатным связям с образованием АДФ или АМФ, приводит к выработке энергии в заметных количествах…..

Гидролиз других связей в молекуле не дает столько энергии, за исключением гидролиза неорганического пирофосфата, который содержит большое количество энергии.

Энергия, высвобождаемая в этих реакциях, используется для осуществления метаболических реакций внутри клетки, поскольку многие из этих процессов требуют энергии для функционирования, как на начальных этапах путей деградации, так и при биосинтезе соединений.

В метаболизме глюкозы, например, молекула фосфорилируется на первом этапе. На следующих этапах вырабатывается новый АТФ, что приводит к чистому положительному приросту.

С энергетической точки зрения существуют и другие молекулы, которые имеют более высокое энерговыделение, чем АТФ, такие как 1,3-дифосфоглицерат, карбамилфосфат, креатининфосфат и фосфоенолпируват.

Образование энергии

Фосфатные группы соединены высокоэнергетическими связями, которые могут быть легко разорваны. Во время гидролиза (взаимодействия с водой) связи между двумя последними фосфатными группами разрываются, высвобождая большое количество энергии (40-60 кДж/моль), и АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфат).

Обычно химическая реакция протекает следующим образом:

который читается вместе с этим

АТФ + H2O → АДФ + H3PO4 + энергия

Часть высвобождаемой энергии используется для анаболизма (ассимиляция, пластический обмен), часть рассеивается в виде тепла и используется для поддержания температуры тела. При дальнейшем гидролизе АДФ высвобождается еще одна фосфатная группа, которая высвобождает энергию и образует АМФ (аденозинмонофосфат). AMP не подвергается гидролизу.

Синтез АТФ

АТФ содержится в цитоплазме, ядре, хлоропластах и митохондриях. Синтез АТФ происходит в митохондриях в животной клетке и в митохондриях и хлоропластах в растительной клетке.

АТФ производится из АДФ и фосфата с использованием энергии. Этот процесс называется фосфорилированием:

АДФ + H3PO4 + энергия → АТФ + H2O.

В растительных клетках фосфорилирование происходит во время фотосинтеза и называется фотофосфорилированием. У животных этот процесс происходит во время дыхания и называется окислительным фосфорилированием.

В животных клетках синтез АТФ происходит во время катаболизма (распада, энергетического обмена), когда расщепляются белки, жиры и углеводы.

Функции

Из определения АТФ ясно, что эта молекула способна производить энергию. Помимо энергетической функции, аденозинтрифосфат обладаетимеет и другие функции:

• является материалом для синтеза нуклеиновых кислот;
• участвует в регуляции биохимическим процессов, присоединяясь к к регулятивным центрам ферментов, усиливает или подавляет их активность;
• является медиатором – передаёт сигнал синапсам (местам контакта двух клеточных мембран).

Нуклеиновые кислоты — это биополимеры, которые способствуют хранению и передаче генетической информации.

Макромолекулы нуклеиновых кислот были открыты в 1869 году швейцарским ученым Ф. Мишером в гное лейкоцитов. Впоследствии эти соединения обнаруживаются в клетках всех плазм.

Как и белки, нуклеиновые кислоты также причисляются к биополимерам. Их мономер — нуклеотид; его структура показана на рисунке.

Мономеры соединяются друг с другом посредством ковалентных связей между углеводом одного нуклеотида и фосфатным остатком другого, образуя полинуклеотидную цепь.

Существует 2 типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Разница в названиях указывает на разную структуру: молекула ДНК содержит углевод дезоксирибозу, молекула РНК — рибозу.

Давайте рассмотрим структуру ДНК и РНК на рисунке.

Наиболее сложную структуру можно увидеть в молекуле ДНК, которая состоит из двух цепей, скрученных в спираль.

В молекуле ДНК 4 различных нуклеотида, но различное расположение нуклеотидов в цепи приводит к большому количеству нуклеиновых кислот.

Две полинуклеотидные цепи соединяются водородными связями между азотистыми основаниями, образуя молекулу. Рассмотрим принцип их соединения на рисунке.

Из-за своей структуры длина молекулы ДНК может достигать сотен тысяч нанометров, что намного больше, чем у самой большой белковой молекулы. В клетке ДНК находится в ядре, где она является частью хромосом, а также в митохондриях и пластидах. Предполагается, что основная функция ДНК заключается в хранении наследственной информации.

Структура РНК проще: молекула состоит из одной спиральной цепи нуклеотидов. Существует три типа РНК.

• Информационной РНК насчитывается приблизительно 6%. Основной функцией информационной РНК является перенос информации к рибосомам, где она используется для образования белка.
• Транспортная РНК образуется в ядрышках, затем перемещается в цитоплазму, где доставляет аминокислоты на рибосомы. Ее находится в клетке 10%. Всякой аминокислоте подходит своя молекула транспортной РНК.
• Больше всего в клетке имеется рибосомных РНК – 85%. Они синтезируются в ядрышках, а затем связываются с белками, создавая рибосомы. Функция рибосомной РНК: запускать и прекращать процесс присоединения аминокислот при образовании белка.

Каждая клетка содержит органические соединения, такие как аденозинтрифосфат (АТФ), который обеспечивает энергией большинство реакций, помогает клетке двигаться и синтезировать вещества.

Каждое вещество играет определенную роль в жизненных процессах. Недостаток того или иного вещества может привести к нарушению этих процессов. Чтобы избежать этого, организм приспособился поддерживать постоянство своей внутренней среды. Это достигается за счет нервной и гуморальной регуляции организма. О том, как протекают эти процессы, вы можете прочитать в уроке «Тело как единое целое».