Где участвует атф. АТФ в биологии – определение и расшифровка (10 класс). Способы получения энергии в клетке

Основным источником энергии для клетки являются питательные вещества: углеводы, жиры и белки, которые окисляются с помощью кислорода. Практически все углеводы, прежде чем достичь клеток организма, благодаря работе желудочно-кишечного тракта и печени превращаются в глюкозу. Наряду с углеводами расщепляются также белки - до аминокислот и липиды - до жирных кислот.В клетке питательные вещества окисляются под действием кислорода и при участии ферментов, контролирующих реакции высвобождения энергии и ее утилизацию.

Почти все окислительные реакции происходят в митохондриях, а высвобождаемая энергия запасается в виде макроэргического соединения - АТФ. В дальнейшем для обеспечения внутриклеточных метаболических процессов энергией используется именно АТФ, а не питательные вещества.

Молекула АТФ содержит: (1) азотистое основание аденин; (2) пентозный углевод рибозу, (3) три остатка фосфорной кислоты. Два последних фосфата соединены друг с другом и с остальной частью молекулы макроэргическими фосфатными связями, обозначенными на формуле АТФ символом ~. При соблюдении характерных для организма физических и химических условий энергия каждой такой связи составляет 12000 калорий на 1 моль АТФ, что во много раз превышает энергию обычной химической связи, поэтому фосфатные связи и называют макроэргическими. Более того, эти связи легко разрушаются, обеспечивая внутриклеточные процессы энергией сразу, как только в этом возникает необходимость.

При высвобождении энергии АТФ отдает фосфатную группу и превращается в аденозиндифосфат. Выделившаяся энергия используется практически для всех клеточных процессов, например в реакциях биосинтеза и при мышечном сокращении.

Восполнение запасов АТФ происходит путем воссоединения АДФ с остатком фосфорной кислоты за счет энергии питательных веществ. Этот процесс повторяется вновь и вновь. АТФ постоянно расходуется и накапливается, поэтому она получила название энергетической валюты клетки. Время оборота АТФ составляет всего несколько минут.

Роль митохондрий в химических реакциях образования АТФ . При попадании внутрь клетки глюкоза под действием ферментов цитоплазмы превращается в пировиноградную кислоту (этот процесс называют гликолизом). Энергия, высвобождаемая в этом процессе, затрачивается на превращение небольшого количества АДФ в АТФ, составляющего менее 5% общих запасов энергии.

На 95% осуществляется в митохондриях. Пировиноградная кислота, жирные кислоты и аминокислоты, образующиеся соответственно из углеводов, жиров и белков, в матриксе митохондрий в итоге превращаются в соединение под названием «ацетил-КоА». Это соединение, в свою очередь, вступает в серию ферментативных реакций под общим названием «цикл трикарбоновых кислот» или «цикл Кребса», чтобы отдать свою энергию.

В цикле трикарбоновых кислот ацетил-КоА расщепляется до атомов водорода и молекул углекислого газа. Углекислый газ удаляется из митохондрий, затем - из клетки путем диффузии и выводится из организма через легкие.

Атомы водорода химически очень активны и поэтому сразу вступают в реакцию с кислородом, диффундирующим в митохондрии. Большое количество энергии, выделяющейся в этой реакции, используется для превращения множества молекул АДФ в АТФ. Эти реакции достаточно сложны и требуют участия огромного числа ферментов, входящих в состав крист митохондрий. На начальном этапе от атома водорода отщепляется электрон, и атом превращается в ион водорода. Процесс заканчивается присоединением ионов водорода к кислороду. В результате этой реакции образуются вода и большое количество энергии, необходимой для работы АТФ-синтетазы - крупного глобулярного белка, выступающего в виде бугорков на поверхности крист митохондрий. Под действием этого фермента, использующего энергию ионов водорода, АДФ превращается в АТФ. Новые молекулы АТФ направляются из митохондрий ко всем отделам клетки, включая ядро, где энергия этого соединения используется для обеспечения самых разных функций.
Данный процесс синтеза АТФ в целом называют хемиосмотическим механизмом образования АТФ.

Называют диссимиляцией. Он представляет собой совокупность органических соединений, при которых выделяется определенное количество энергии.

Диссимиляция проходит в два или три этапа, что зависит от вида живых организмов. Так, у аэробов состоит из подготовительного, бескислородного и кислородного этапов. У анаэробов (организмы, которые способны функционировать в бескислородной среде) диссимиляция не требует последнего этапа.

Конечная стадия энергетического обмена у аэробов заканчивается полным окислением. При этом происходит расщепление молекул глюкозы с образованием энергии, которая частично идет на образование АТФ.

Стоит отметить, что синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования, когда к АДФ присоединяется неорганический фосфат. При этом синтезируется в митохондриях при участии АТФ-синтазы.

Какая реакция происходит при образовании данного энергетического соединения?

Аденозиндифосфат и фосфат соединяются с образованием АТФ и на образование которой затрачивается около 30,6 кДж / моль. Аденозинтрифосфат поскольку значительное его количество высвобождается при гидролизе именно макроэргических связей АТФ.

Молекулярной машиной, которая отвечает за синтез АТФ, является специфическая синтаза. Она состоит из двух частей. Одна из них находится в мембране и представляет собой канал, по которому протоны попадают внутрь митохондрии. При этом высвобождается энергия, которая улавливается другой структурной частью АТФ под названием F1. Она содержит статор и ротор. Статор в мембране размещается неподвижно и состоит из дельта-области, а также альфа- и бета-субъединиц, которые отвечают за химический синтез АТФ. Ротор содержит гамма-, а также эпсилон-субъединицы. Эта часть крутится, используя энергию протонов. Данная синтаза обеспечивает синтез АТФ, если протоны с внешней мембраны направлены к середине митохондрий.

Необходимо отметить, что в клетке свойственна пространственная упорядоченность. Продукты химических взаимодействий веществ распределяются асимметрично (положительно заряженные ионы идут в одну сторону, а отрицательно заряженные частицы направляются в другую сторону), создавая на мембране электрохимический потенциал. Он состоит из химической и электрической компоненты. Следует сказать, что именно этот потенциал на поверхности митохондрий становится универсальной формой запасания энергии.

Данная закономерность была обнаружена английским ученым П. Митчеллом. Он предположил, что вещества после окисления имеют вид не молекул, а положительно и отрицательно заряженных ионов, которые размещаются на противоположных сторонах мембраны митохондрий. Данное предположение позволило выяснить природу образования макроэргических связей между фосфатами в процессе синтеза аденозинтрифосфата, а также сформулировать хемиосмотическую гипотезу этой реакции.

В состав молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) входят:

аденин (относится к пуриновым основаниям),

рибоза (пятиуглеродный сахар, относится к пентозам),

три фосфатные группы (остатки фосфорной кислоты).

АТФ подвержен гидролизу, при котором происходит отщепление концевых фосфатных групп, и выделяется энергия . Обычно отщепляется только конечный фосфат, реже второй. В обоих случаях количество энергии достаточно большое (около 40 кДж/моль). Если происходит отщепление третьей группы выделяется только около 13 кДж. Поэтому говорят, что в молекуле АТФ два последних фосфата связаны макроэргической (высокоэнергетической) связью, которую обозначают знаком «~». Таким образом, строение АТФ можно выразить формулой:

Аденин – Рибоза – Ф ~ Ф ~ Ф

При отщеплении от АТФ (аденозинтрифосфата) одного остатка фосфорной кислоты образуется АДФ (аденозиндифосфат). При отщеплении двух остатков - АМФ (аденозинмонофосфат).

АТФ + H 2 0 = АДФ + H 3 PO 4 + энергия

Главная функция аденозинтрифосфата в клетке заключаются в том, что он является для нее универсальной формой для запаса высвобождаемой при дыхании энергии, когда АДФ путем фосфорилирования превращается в АТФ. Такая универсальность позволяет всем процессам, идущим в клетке с поглощением энергии, иметь одинаковый «химический механизм» для приема энергии от АТФ. Мобильность АТФ позволяет доставлять энергию в любой участок клетки.

АТФ образуется не только в процессе клеточного дыхания. Также он синтезируется в хлоропластах растений, в мышечных клетках с помощью креатинфосфата.

Кроме энергетической роли аденозинтрифосфат выполняет ряд других функций. Он используется наряду с другими нуклеозидтрифосфатам (гуанозидтрифосфатом) как сырье при синтезе нуклеиновых кислот, входит в состав ряда ферментов и др.

Синтез и распад АТФ в клетке происходит постоянно и в больших количествах.

Способы получения энергии в клетке

В клетке существуют четыре основных процесса, обеспечивающих высвобождение энергии из химических связей при окислении веществ и ее запасание:

1. Гликолиз (2 этап биологического окисления) – окисление молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты, при этом образуется 2 молекулы АТФ и НАДН . Далее пировиноградная кислота в аэробных условиях превращается в ацетил-SКоА, в анаэробных условиях – в молочную кислоту.

2. β-Окисление жирных кислот (2 этап биологического окисления) – окисление жирных кислот до ацетил-SКоА, здесь образуются молекулы НАДН и ФАДН 2 . Молекулы АТФ "в чистом виде" не появляются.

3. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК , 3 этап биологического окисления) – окисление ацетильной группы (в составе ацетил-SКоА) или иных кетокислот до углекислого газа. Реакции полного цикла сопровождаются образованием 1 молекулы ГТФ (что эквивалентно одной АТФ), 3 молекул НАДН и 1 молекулы ФАДН 2 .

4. Окислительное фосфорилирование (3 этап биологического окисления) – окисляются НАДН и ФАДН 2 , полученные в реакциях катаболизма глюкозы, аминокислот и жирных кислот. При этом ферменты дыхательной цепи на внутренней мембране митохондрий обеспечивают образование большей части клеточного АТФ .

Два способа синтеза АТФ

В клетке постоянно происходит использование всех нуклеозидтри фосфатов (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ, ТТФ) как донора энергии. При этом АТФ является универсальным макроэргом, участвующим практически во всех сторонах метаболизма и деятельности клетки. И именно за счет АТФ обеспечивается фосфорилирование нуклеотидов ГМФ и ГДФ , ЦДФ, УМФ и УДФ , ТМФ и ТДФ до нуклеозидтри фосфатов.

1. Основным способом получения АТФ в клетке является окислительное фосфорилирование , протекающее в структурах внутренней мембраны митохондрий. При этом энергия атомов водорода молекул НАДН и ФАДН 2 , образованных в гликолизе и ЦТК, при окислении жирных кислот и аминокислот, преобразуется в энергию связей АТФ.

2. Однако также есть другой способ фосфорилирования АДФ до АТФ – субстратное фосфорилирование. Этот способ связан с передачей макроэргического фосфата или энергии макроэргической связи какого-либо вещества (субстрата) на АДФ. К таким веществам относятся метаболиты гликолиза (1,3-дифосфоглицериновая кислота , фосфоенолпируват ), цикла трикарбоновых кислот (сукцинил-SКоА ) и резервный макроэрг креатинфосфат . Энергия гидролиза их макроэргической связи выше, чем 7,3 ккал/моль в АТФ, и роль указанных веществ сводится к использованию этой энергии для фосфорилирования молекулы АДФ до АТФ.

Классификация макроэргов

Макроэргические соединения классифицируются по типу связи , несущей дополнительную энергию:

1. Фосфоангидридная связь. Такую связь имеют все нуклеотиды: нуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ, ТТФ) и нуклеозиддифосфаты (АДФ, ГДФ, ЦДФ, УДФ, ТДФ).

Занятие № 9

Тема: «Обмен веществ в клетке. Энергетический и пластический обмены».

1.Обмен веществ и превращение энергии в клетке – основа ее жизнедеятельности.

2.Пластический и энергетический обмен.

3.Этапы энергетического обмена.

4.Фотосинтез. Фазы фотосинтеза.

5. Хемосинтез и его значение.

Любой живой организм, как и отдельная клетка, является открытой системой, т.е.

обменивающейся с окружающей средой веществом и энергией. Итак, мы знаем, что для поддержания жизни организму требуется энергия. Мы запасаем и тратим энергию – и этот процесс бесконечен, пока есть жизнь.Основным источником энергии для всех живых существ, служит энергия солнечного света. Солнце- первоисточник энергии.Живые существа способны использовать два вида энергии: световую (энергию солнечного излучения) и химическую (энергию связей химических соединении) – по этому признаку организмы делятся на две группы – фототрофы и хемотрофы.

Как показали эксперименты, содержимое клетки находится в состоянии непрерывной активности; различные вещества все время входят в клетку и выходят из нее наружу, т.е. происходит обмен веществ – основа существования живых организмов. Всю совокупность ферментативных реакций обмена веществ и энергии , протекающих в организме, называют метаболизмом (греч.«метаболе»-превращение) .

Метаболизм как основа жизнедеятельности клетки.

Метаболизм состоит из взаимосвязанных реакций:

Метаболизм = анаболизм + катаболизм

ассимиляция диссимиляция

(синтез высокомолекулярных соединений- (расщепление и окисление органических

белков,нукл-вых к-т,полисахаридов, липидов) вещ-в, идущих с превращением энергии)

пластический обмен энергетический обмен

Под метаболизмом понимают постоянно происходящий в клетках живых организмов обмен веществ и энергии. Одни соединения, выполнив свою функцию, становятся ненужными, в других возникает насущная потребность. В различных процессах метаболизма из простых веществ при участии ферментов синтезируются высокомолекулярные соединения, в свою очередь сложные молекулы расщепляются на более простые.В клетке протекает огромное количество процессов синтеза: липидов в эндоплазматической сети, белков на рибосомах, полисахаридов в комплексе Гольджи. Для обеспечения реакций синтеза клетке требуются существенные затраты энергии, получаемой при расщеплении веществ.

Обмен веществ выполняет две функции .

Первая - обеспечение клетки строительным материалом (реакции синтеза новых сложных веществ из более простых). Реакции синтеза особенно активно идут в молодых клетках, но и в зрелых клетках эти процессы также происходят - разрушившиеся в процессе жизнедеятельности молекулы заменяются новыми.

Совокупность реакций, обеспечивающих построение клетки и обновление ее состава, называется пластическим обменом . Всё это - реакции биологического синтеза, называемые анаболическими (греч. anabole подъем), а их совокупность в клетке называют - анаболизмом.

Вторая функция обмена веществ - обеспечение клетки энергией.

Для энергообеспечения клетки используется энергия химических связей, высвобождающаяся при расщеплении различных веществ. Эта энергия преобразуется в другие виды энергии.

Совокупность реакций расщепления сложных молекул на более простые носит название катаболизма или энергетического обмена.

Примерами таких реакций является расщепление липидов, полисахаридов, белков и нуклеиновых кислот в лизосомах, а также простых углеводов и жирных кислот в митохондриях.

Пластический и энергетический обмен клетки связаны между собой. С одной стороны, для всех реакций синтеза необходима энергия, а с другой, для реакций энергетического обмена нужен постоянный синтез ферментов, т.к. они быстро разрушаются.

Ферменты - это биологически активные вещества белковой природы, которые ускоряют химические реакции в клетке (биологические катализаторы) путем образования промежуточных соединений.

Ч/з пластический и энергетический обмены осуществляется связь клетки с внешней средой. Эти процессы явл.основным условием поддержания жизни клетки, источником ее роста, развития и функционирования.

Энергетический обмен в клетке. Синтез АТФ.

Источником энергии в живых клетках, обеспечивающим все виды их деятельности, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Освобождающаяся при расщеплении АТФ энергия обеспечивает любые виды клеточных функций - движение, биосинтез, перенос веществ через мембраны и др. Т,к. запас АТФ в клетке невелик, то понятно, что по мере убыли АТФ содержание ее должно восстанавливаться. В действительности так и происходит. Биологический смыл остальных реакций энергетического обмена и состоит в том, что энергия, освобождающаяся в результате химических реакций окисления углеводов и других веществ, используется для синтеза АТФ, т. е. для восполнения ее запаса в клетке. При усиленной, но кратковременной работе, например при беге на короткую дистанцию, мышцы работают почти исключительно за счет распада содержащейся в них АТФ. После окончания бега спортсмен усиленно дышит, разогревается: в этот период происходит интенсивное окисление углеводов и других веществ для восполнения убыли израсходованной АТФ. При длительной и не очень напряженной работе содержание АТФ в клетках может существенно не изменяться, так как реакции окисления успевают обеспечить быстрое и полное восстановление израсходованной АТФ.

Итак, АТФ представляет единый и универсальный источник энергии для функциональной деятельности клетки. Отсюда понятно, что возможна передача энергии из одних частей клетки в другие и заготовка энергии впрок. Синтез АТФ может происходить в одном месте клетки и в одно время, а использоваться она может в другом месте и в другое время.

Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях. Именно поэтому митохондрии называют "силовыми станциями" клетки. Образовавшаяся здесь АТФ по каналам эндоплазматической сети направляется в те участки клетки, где возникает потребность в энергии.

Итак, источником энергии для подавляющего большинства процессов в живых организмах является следующая реакция:

АТФ + Н2О = АДФ + Н3РО4 + энергия.

АТФ присоединяет молекулу воды и расщепляется. Концевой фосфорный остаток дает при этом фосфорную кислоту, а АТФ превращается в АДФ. Эта реакция сопровождается освобождением энергии (порядка 40 кДж/моль)

– Известно, что в среднем содержание АТФ в клетках составляет от 0,05% до 0,5% ее массы. Но практически все идущие в клетке биохимические реакции требуют затрат энергии молекул АТФ. Запаса АТФ в мышцах хватает только на 20–30 сокращений. Поэтому в клетках идет постоянный процесс синтеза АТФ.

Следовательно, запас АТФ должен непрерывно пополняться на основе обратной реакции, идущей с затратой энергии:

АДФ + Н3РО4 + энергия = АТФ + Н2О.

Энергетический обмен - совокупность реакций окисления органических веществ в клетке, синтеза молекул АТФ за счет освобождаемой энергии. Значение энергетического обмена - снабжение клетки энергией, которая необходима для жизнедеятельности.