Atf adf võimendi funktsioonid. Nukleosiidmono- ja polüfosfaadid. AMP, ADP, ATP. Nende roll biokeemilistes protsessides. ATP struktuur ja süntees

Joonisel on kaks meetodit ATP struktuuri pildid. Adenosiinmonofosfaat (AMP), adenosiindifosfaat (ADP) ja adenosiintrifosfaat (ATP) kuuluvad ühendite klassi, mida nimetatakse nukleotiidideks. Nukleotiidi molekul koosneb viie süsinikusisaldusega suhkrust, lämmastikalusest ja fosforhappest. AMP molekulis esindab suhkrut riboos ja alus on adeniin. ADP molekulis on kaks fosfaatrühma ja ATP molekulis kolm.

ATP väärtus

Kui ATP jagatakse ADP-ks ja anorgaanilise fosfaadi (Pn) energia vabaneb:

Reaktsioon toimub vee imendumisel, st see esindab hüdrolüüsi (meie artiklis oleme seda väga levinud biokeemiliste reaktsioonide tüüpi korduvalt kohanud). Kolmas ATP-st eraldatud fosfaatrühm jääb rakku anorgaanilise fosfaadi (Pn) kujul. Selle reaktsiooni vaba energia saagis on 30,6 kJ 1 mooli ATP kohta.

ADF-ist ja fosfaati, saab ATP-d uuesti sünteesida, kuid selleks on vaja kulutada 30,6 kJ energiat 1 mooli vastloodud ATP kohta.

Selles reaktsioonis, mida nimetatakse kondensatsioonireaktsiooniks, eraldub vett. Fosfaadi lisamist ADP-le nimetatakse fosforüülimisreaktsiooniks. Mõlemat ülaltoodud võrrandit saab kombineerida:

Seda pöörduvat reaktsiooni katalüüsib ensüüm, mida nimetatakse ATPaas.

Kõik rakud, nagu juba mainitud, vajavad oma töö tegemiseks energiat ja iga organismi kõigi rakkude jaoks on selle energia allikas toimib ATP-na. Seetõttu nimetatakse ATP-d rakkude "universaalseks energiakandjaks" või "energiavaluutaks". Sobiv analoogia on elektripatareid. Pidage meeles, miks me neid ei kasuta. Nende abiga saame ühel juhul vastu võtta valgust, teisel juhul heli, vahel mehaanilist liikumist ja vahel vajame neilt tegelikku elektrienergiat. Akude mugavus seisneb selles, et saame kasutada sama energiaallikat – akut – erinevatel eesmärkidel, olenevalt sellest, kuhu me selle paigutame. ATP mängib rakkudes sama rolli. See varustab energiat selliste erinevate protsesside jaoks nagu lihaste kokkutõmbumine, närviimpulsside ülekanne, ainete aktiivne transport või valkude süntees ja kõik muud tüüpi rakutegevused. Selleks tuleb see lihtsalt "ühendada" rakuseadme vastava osaga.

Analoogiat võib jätkata. Patareid tuleb esmalt valmistada ja mõnda neist (laetavad), nagu , saab uuesti laadida. Kui akusid toodetakse tehases, peab neis teatud kogus energiat salvestama (ja seega tehase poolt tarbima). ATP süntees nõuab ka energiat; selle allikaks on orgaaniliste ainete oksüdeerumine hingamisel. Kuna ADP fosforüülimiseks oksüdatsiooni käigus vabaneb energia, nimetatakse sellist fosforüülimist oksüdatiivseks fosforüülimiseks. Fotosünteesi käigus toodetakse valgusenergiast ATP-d. Seda protsessi nimetatakse fotofosforüülimiseks (vt jaotis 7.6.2). Rakus on ka "tehased", mis toodavad suurema osa ATP-st. Need on mitokondrid; need sisaldavad keemilisi "koostejooni", millel aeroobse hingamise käigus moodustub ATP. Lõpuks laetakse rakus ka tühjenenud “patareisid”: pärast seda, kui ATP, olles vabastanud selles sisalduva energia, muundatakse ADP-ks ja Fn-iks, saab selle protsessi käigus saadud energia tõttu kiiresti ADP-st ja Fn-st uuesti sünteesida. hingamine orgaanilise aine uute osade oksüdeerumisest.

ATP kogus on rakus igal hetkel väga väike. Seega ATF-is peaks nägema ainult energiakandjat, mitte selle ladu. Selliseid aineid nagu rasvad või glükogeen kasutatakse pikaajaliseks energia salvestamiseks. Rakud on ATP taseme suhtes väga tundlikud. Selle kasutamise kiiruse suurenedes suureneb ka seda taset säilitava hingamisprotsessi kiirus.

ATP rollÜhenduslülina rakuhingamise ja energiatarbimisega seotud protsesside vahel on näha jooniselt See diagramm näib lihtne, kuid illustreerib väga olulist mustrit.

Seega võib öelda, et üldiselt on hingamise funktsioon selleks toota ATP-d.

Võtame lühidalt kokku ülalöeldu.
1. ATP süntees ADP-st ja anorgaanilisest fosfaadist nõuab 30,6 kJ energiat 1 mooli ATP kohta.
2. ATP esineb kõigis elusrakkudes ja on seetõttu universaalne energiakandja. Muid energiakandjaid ei kasutata. See lihtsustab asja – vajalik mobiilsideseade võib olla lihtsam ning töötada tõhusamalt ja ökonoomsemalt.
3. ATP toimetab kergesti energiat mis tahes rakuosasse igasse energiat nõudvasse protsessi.
4. ATP vabastab kiiresti energiat. Selleks on vaja ainult ühte reaktsiooni – hüdrolüüsi.
5. ADP-st ja anorgaanilisest fosfaadist ATP tootmise kiirust (hingamisprotsessi kiirust) on lihtne vastavalt vajadustele kohandada.
6. ATP sünteesitakse hingamise käigus keemilise energia tõttu, mis vabaneb orgaaniliste ainete, näiteks glükoosi, oksüdatsiooni käigus ja fotosünteesi käigus päikeseenergia toimel. ATP moodustumist ADP-st ja anorgaanilisest fosfaadist nimetatakse fosforüülimisreaktsiooniks. Kui fosforüülimise energia tarnitakse oksüdatsiooni teel, siis räägime oksüdatiivsest fosforüülimisest (see protsess toimub hingamise käigus), aga kui fosforüülimiseks kasutatakse valgusenergiat, siis nimetatakse protsessi fotofosforüülimiseks (see toimub fotosünteesi käigus).

Kõige olulisem aine elusorganismide rakkudes on adenosiintrifosfaat ehk adenosiintrifosfaat. Kui sisestame selle nime lühendi, saame ATP. See aine kuulub nukleosiidtrifosfaatide rühma ja mängib juhtivat rolli elusrakkude ainevahetusprotsessides, olles neile asendamatuks energiaallikaks.

Kokkupuutel

Klassikaaslased

ATP avastajad olid Harvardi troopilise meditsiini kooli biokeemikud – Yellapragada Subbarao, Karl Lohman ja Cyrus Fiske. Avastus toimus 1929. aastal ja sellest sai elussüsteemide bioloogia oluline verstapost. Hiljem, 1941. aastal, avastas Saksa biokeemik Fritz Lipmann, et rakkudes olev ATP on peamine energiakandja.

ATP struktuur

Sellel molekulil on süstemaatiline nimi, mis on kirjutatud järgmiselt: 9-β-D-ribofuranosüüladeniin-5′-trifosfaat või 9-β-D-ribofuranosüül-6-amino-puriin-5′-trifosfaat. Millised ühendid moodustavad ATP? Keemiliselt on see adenosiintrifosfaatester - adeniini ja riboosi derivaat. See aine moodustub adeniini, mis on puriini lämmastikalus, kombineerimisel riboosi 1'-süsinikuga, kasutades β-N-glükosiidsidet. Seejärel lisatakse riboosi 5'-süsinikule järjestikku α-, β- ja γ-fosforhappe molekulid.

Seega sisaldab ATP molekul selliseid ühendeid nagu adeniin, riboos ja kolm fosforhappejääki. ATP on spetsiaalne ühend, mis sisaldab sidemeid, mis vabastavad suures koguses energiat. Selliseid sidemeid ja aineid nimetatakse suure energiaga. Nende ATP molekuli sidemete hüdrolüüsi käigus vabaneb energiahulk 40-60 kJ/mol ning selle protsessiga kaasneb ühe või kahe fosforhappejäägi eliminatsioon.

Nii on need keemilised reaktsioonid kirjas:

1). ATP + vesi → ADP + fosforhape + energia;
2). ADP + vesi →AMP + fosforhape + energia.

Nende reaktsioonide käigus vabanevat energiat kasutatakse edasistes biokeemilistes protsessides, mis nõuavad teatud energiasisendit.

ATP roll elusorganismis. Selle funktsioonid

Millist funktsiooni ATP täidab? Esiteks energiast. Nagu eespool mainitud, on adenosiintrifosfaadi põhiülesanne anda energiat elusorganismis toimuvateks biokeemilisteks protsessideks. See roll on tingitud asjaolust, et kahe suure energiaga sideme olemasolu tõttu toimib ATP energiaallikana paljudes füsioloogilistes ja biokeemilistes protsessides, mis nõuavad suuri energiasisendeid. Sellised protsessid on kõik kehas esinevate komplekssete ainete sünteesi reaktsioonid. See on ennekõike molekulide aktiivne ülekandmine läbi rakumembraanide, sealhulgas osalemine membraanidevahelise elektripotentsiaali loomises ja lihaste kontraktsioonide elluviimine.

Lisaks ülaltoodule loetleme veel mõned: ATP mitte vähem tähtsad funktsioonid, nagu näiteks:

Kuidas ATP kehas moodustub?

Adenosiintrifosforhappe süntees on käimas, sest keha vajab normaalseks toimimiseks alati energiat. Igal hetkel on seda ainet väga vähe – ligikaudu 250 grammi, mis on "vihmase päeva hädavaru". Haigestumise ajal toimub selle happe intensiivne süntees, kuna immuun- ja eritussüsteemi ning organismi termoregulatsioonisüsteemi toimimiseks kulub palju energiat, mis on vajalik tõhusaks haiguse algusega võitlemiseks.

Millistes rakkudes on kõige rohkem ATP-d? Need on lihas- ja närvikoe rakud, kuna neis toimuvad energiavahetusprotsessid kõige intensiivsemalt. Ja see on ilmne, sest lihased osalevad liikumises, mis nõuab lihaskiudude kokkutõmbumist, ja neuronid edastavad elektrilisi impulsse, ilma milleta on kõigi kehasüsteemide toimimine võimatu. Seetõttu on raku jaoks nii oluline säilitada konstantne ja kõrge adenosiintrifosfaadi tase.

Kuidas võivad kehas tekkida adenosiintrifosfaadi molekulid? Neid moodustavad nn ADP (adenosiindifosfaat) fosforüülimine. See keemiline reaktsioon näeb välja selline:

ADP + fosforhape + energia → ATP + vesi.

ADP fosforüülimine toimub katalüsaatorite, näiteks ensüümide ja valguse osalusel ning see viiakse läbi ühel kolmest viisist:

Nii oksüdatiivne kui ka substraadi fosforüülimine kasutab sellise sünteesi käigus oksüdeerunud ainete energiat.

Järeldus

Adenosiintrifosforhape- See on kehas kõige sagedamini uuenev aine. Kui kaua elab adenosiintrifosfaadi molekul keskmiselt? Näiteks inimkehas on selle eluiga alla ühe minuti, seega sünnib ja laguneb kuni 3000 korda päevas üks molekul sellist ainet. Hämmastav on see, et päeva jooksul sünteesib inimkeha seda ainet umbes 40 kg! Vajadus selle “sisemise energia” järele on meie jaoks nii suur!

Kogu ATP sünteesitsükkel ja edasine kasutamine elusolendi kehas toimuvate ainevahetusprotsesside energiakütusena kujutab endast selle organismi energiavahetuse põhiolemust. Seega on adenosiintrifosfaat omamoodi "aku", mis tagab elusorganismi kõigi rakkude normaalse funktsioneerimise.

Kahtlemata on energia tootmise seisukohalt meie keha kõige olulisem molekul ATP (adenosiintrifosfaat: kolme fosforhappejääki sisaldav adenüülnukleotiid, mida toodetakse mitokondrites).

Tegelikult salvestab ja kasutab meie keha iga rakk ATP kaudu energiat biokeemilisteks reaktsioonideks, seega võib ATP-d pidada bioloogilise energia universaalseks valuutaks. Kõik elusolendid vajavad pidevat energiavarustust, et toetada valkude ja DNA sünteesi, erinevate ioonide ja molekulide ainevahetust ja transporti ning säilitada organismi elutähtsaid funktsioone. Lihaskiud jõutreeningu ajal nõuavad ka kergesti kättesaadavat energiat. Nagu juba mainitud, varustab ATP energiat kõigi nende protsesside jaoks. ATP moodustamiseks vajavad meie rakud aga toorainet. Inimesed saavad need toorained kalorite kaudu tarbitud toidu oksüdeerumisel. Energia saamiseks tuleb see toit esmalt töödelda kergesti kasutatavaks molekuliks – ATP-ks.

ATP molekul peab enne kasutamist läbima mitu faasi.

Esiteks eraldab spetsiaalne koensüüm ühe kolmest fosfaadist (igaüks sisaldab kümmet kalorit energiat), vabastades suures koguses energiat ja moodustades reaktsioonisaaduse adenosiindifosfaadi (ADP). Kui on vaja rohkem energiat, eraldatakse järgmine fosfaatrühm, moodustades adenosiinmonofosfaadi (AMP).

ATP + H 2 O → ADP + H 3 PO 4 + energia
ATP + H 2 O → AMP + H 4 P 2 O 7 + energia

Kui kiiret energiatootmist pole vaja, toimub pöördreaktsioon – ADP, fosfageeni ja glükogeeni abiga seotakse fosfaatrühm uuesti molekuli külge, mille tulemusena moodustub ATP. See protsess hõlmab vabade fosfaatide ülekandmist teistele lihastes sisalduvatele ainetele, mille hulka kuuluvad ja. Samal ajal võetakse glükoosi glükogeenivarudest ja lagundatakse.

Sellest glükoosist saadud energia aitab muuta glükoosi tagasi algsele kujule, misjärel saab vabu fosfaate uuesti ADP-ga siduda, moodustades uue ATP. Kui tsükkel on lõppenud, on vastloodud ATP järgmiseks kasutuseks valmis.

Sisuliselt töötab ATP nagu molekulaarne aku, salvestades energiat, kui seda pole vaja, ja vabastades seda siis, kui seda vajatakse. Tõepoolest, ATP on nagu täielikult laetav aku.

ATP struktuur

ATP molekul koosneb kolmest komponendist:

Riboos (sama viiesüsinikuline suhkur, mis moodustab DNA selgroo)
Adeniin (ühendatud süsiniku- ja lämmastikuaatomid)
Trifosfaat

Riboosi molekul asub ATP molekuli keskel, mille serv toimib adenosiini alusena.
Riboosi molekuli teisel küljel asub kolmest fosfaadist koosnev ahel. ATP küllastab pikki õhukesi kiude, mis sisaldavad valku müosiini, mis on meie lihasrakkude aluseks.

ATP retentsioon

Keskmise täiskasvanu organism kasutab päevas umbes 200-300 mooli ATP-d (mool on keemiline termin aine koguse kohta süsteemis, mis sisaldab nii palju elementaarosakesi, kui on süsinikuaatomeid 0,012 kg isotoobis süsinik-12). ATP koguhulk kehas igal ajahetkel on 0,1 mooli. See tähendab, et ATP-d tuleb kogu päeva jooksul uuesti kasutada 2000-3000 korda. ATP-d ei saa säilitada, nii et selle sünteesi tase vastab peaaegu tarbimise tasemele.

ATP süsteemid

Kuna ATP on energia seisukohast oluline ja selle laialdase kasutuse tõttu, on organismil ATP tootmiseks erinevad viisid. Need on kolm erinevat biokeemilist süsteemi. Vaatame neid järjekorras:

Kui lihastel on lühike, kuid intensiivne tegevusperiood (umbes 8-10 sekundit), kasutatakse fosfageenisüsteemi – ATP ühineb kreatiinfosfaadiga. Fosfageenisüsteem tagab, et meie lihasrakkudes ringleb pidevalt väike kogus ATP-d.

Lihasrakud sisaldavad ka kõrge energiasisaldusega fosfaati, kreatiinfosfaati, mida kasutatakse ATP taseme taastamiseks pärast lühiajalist ja intensiivset tegevust. Ensüüm kreatiinkinaas võtab kreatiinfosfaadist fosfaatrühma ja kannab selle kiiresti ADP-sse, moodustades ATP. Seega muudab lihasrakk ATP ADP-ks ja fosfagen muudab ADP kiiresti ATP-ks. Kreatiinfosfaadi tase hakkab langema juba pärast 10 sekundit intensiivset tegevust ja energiatase langeb. Fosfageenisüsteemi toimimise näide on näiteks 100 meetri sprint.

Glükogeeni-piimhappe süsteem varustab keha energiaga aeglasemas tempos kui fosfageenisüsteem, kuigi see toimib suhteliselt kiiresti ja annab piisavalt ATP-d umbes 90 sekundiks suure intensiivsusega tegevuseks. Selles süsteemis toodetakse piimhapet lihasrakkudes anaeroobse metabolismi kaudu glükoosist.

Arvestades asjaolu, et anaeroobses olekus keha ei kasuta hapnikku, annab see süsteem lühiajalist energiat ilma kardiorespiratoorset süsteemi aktiveerimata samamoodi nagu aeroobne süsteem, kuid aja kokkuhoiuga. Veelgi enam, anaeroobses režiimis töötavad lihased kiiresti, tõmbuvad tugevalt kokku, blokeerivad nad hapnikuvarustust, kuna anumad on kokku surutud.

Seda süsteemi nimetatakse mõnikord ka anaeroobseks hingamiseks ja hea näide on antud juhul 400 meetri sprint.

Kui kehaline aktiivsus kestab kauem kui paar minutit, tuleb mängu aeroobne süsteem ning lihased saavad ATP-d esmalt, seejärel rasvadest ja lõpuks aminohapetest (). Valku kasutatakse energia saamiseks peamiselt näljahäda tingimustes (mõnel juhul dieedi pidamine).

Aeroobne hingamine toodab kõige aeglasemalt ATP-d, kuid toodab piisavalt energiat kehalise aktiivsuse säilitamiseks mitmeks tunniks. Selle põhjuseks on asjaolu, et aeroobse hingamise käigus laguneb glükoos süsinikdioksiidiks ja veeks, ilma et glükogeeni-piimhappe süsteemis piimhape sellele vastu hakkaks. Glükogeen (glükoosi salvestatud vorm) aeroobse hingamise ajal pärineb kolmest allikast:

Glükoosi imendumine toidust seedetraktis, mis siseneb vereringesüsteemi kaudu lihastesse.
Glükoosi jäägid lihastes
Maksa glükogeeni lagunemine glükoosiks, mis siseneb vereringesüsteemi kaudu lihastesse.

Järeldus

Kui olete kunagi mõelnud, kust saame energiat erinevate tegevuste sooritamiseks erinevates tingimustes, on vastuseks peamiselt ATP. See kompleksne molekul aitab muuta erinevaid toidukomponente kergesti kasutatavaks energiaks.

Ilma ATPta ei saaks meie keha lihtsalt toimida. Seega on ATP roll energia tootmisel mitmetahuline, kuid samas lihtne.

Monosahhariidid(lihtsad suhkrud) koosnevad ühest molekulist, mis sisaldab 3 kuni 6 süsinikuaatomit. Disahhariidid- kahest monosahhariidist moodustunud ühendid. Polüsahhariidid on suure molekulmassiga ained, mis koosnevad suurest hulgast (mitu kümnest kuni mitmekümne tuhandeni) monosahhariididest.

Organismides leidub suurtes kogustes mitmesuguseid süsivesikuid. Nende peamised funktsioonid:

Energia: süsivesikud on keha peamine energiaallikas. Monosahhariididest on nendeks fruktoos, mida leidub laialdaselt taimedes (peamiselt puuviljades) ja eriti glükoos (selle ühe grammi lagunemisel vabaneb 17,6 kJ energiat). Glükoosi leidub puuviljades ja teistes taimeosades, veres, lümfis ja loomsetes kudedes. Disahhariididest tuleb eristada sahharoosi (roo- või peedisuhkrut), mis koosneb glükoosist ja fruktoosist, ning laktoosi (piimasuhkur), mis moodustub glükoosi ja galaktoosi ühendist. Sahharoosi leidub taimedes (peamiselt puuviljades) ja laktoosi piimas. Nad mängivad olulist rolli loomade ja inimeste toitumises. Polüsahhariidid nagu tärklis ja glükogeen, mille monomeeriks on glükoos, omavad energiaprotsessides suurt tähtsust. Need on vastavalt taimede ja loomade reservained. Kui organismis on suur kogus glükoosi, kasutatakse seda nende ainete sünteesimiseks, mis kogunevad kudede ja elundite rakkudesse. Seega leidub tärklist suurtes kogustes puuviljades, seemnetes ja kartulimugulates; glükogeen - maksas, lihastes. Vajadusel need ained lagundatakse, varustades glükoosiga keha erinevaid organeid ja kudesid.
Struktuurne: näiteks monosahhariidid, nagu desoksüriboos ja riboos, osalevad nukleotiidide moodustamises. Erinevad süsivesikud on osa rakuseintest (taimedes tselluloos, seentes kitiin).

Lipiidid (rasvad)- orgaanilised ained, mis ei lahustu vees (hüdrofoobsed), kuid lahustuvad hästi orgaanilistes lahustites (kloroform, bensiin jne). Nende molekul koosneb glütseroolist ja rasvhapetest. Viimaste mitmekesisus määrab lipiidide mitmekesisuse. Rakumembraanides leidub laialdaselt fosfolipiide (mis sisaldavad lisaks rasvhapetele ka fosforhappejääki) ja glükolipiide (lipiidide ja sahhariidide ühendid).

Lipiidide funktsioonid on struktuursed, energeetilised ja kaitsvad.

Rakumembraani struktuurne alus on bimolekulaarne (moodustub kahest molekulikihist) lipiidide kiht, millesse on põimitud erinevate valkude molekulid.

1 g rasva lagundamisel vabaneb 38,9 kJ energiat, mis on ligikaudu kaks korda rohkem kui 1 g süsivesikute või valkude lagundamisel. Rasvad võivad koguneda erinevate kudede ja elundite rakkudesse (loomadel maks, nahaaluskoes, taimedes seemned), moodustades suures koguses kehas olulise kütusevaru.

Halva soojusjuhtivusega rasvad mängivad olulist rolli alajahtumise (näiteks vaalade ja loivaliste nahaaluse rasvakihi) eest kaitsmisel.

ATP (adenosiintrifosfaat). See toimib rakkudes universaalse energiakandjana. Orgaaniliste ainete (rasvad, süsivesikud, valgud jne) lagunemisel vabanevat energiat ei saa kasutada otse ühegi töö tegemiseks, vaid see salvestub esialgu ATP kujul.

Adenosiintrifosfaat koosneb lämmastikalusest adeniinist, riboosist ja kolmest fosforhappe molekulist (õigemini, jäägist) (joonis 1).

Riis. 1. ATP molekuli koostis

Ühe fosforhappejäägi elimineerimisel tekib ADP (adenosiindifosfaat) ja vabaneb umbes 30 kJ energiat, mis kulub rakus mingi töö tegemiseks (näiteks lihasraku kokkutõmbumine, orgaaniliste ainete sünteesi protsessid). , jne.):

Kuna ATP-ga varustamine rakus on piiratud, taastub see pidevalt teiste orgaaniliste ainete lagunemisel vabaneva energia tõttu; ATP redutseerimine toimub, lisades ADP-le fosforhappe molekuli: