Какими свойствами обладает атф в клетке

Химическое строение АТФ

АТФ является важнейшим клеточным веществом также и потому, что относится к группе нуклеозидтрифосфатов, обеспечивая метаболизм живых клеток.

Первооткрывателем АТФ в клетке являются ученые-биохимики Суббарао, Ломан и Фиске. АТФ была открыта в 1929 году и ее исследования стали революционными в развитии биологии живых систем. Немного позднее в 1941 году Ф. Липман установил энергетическую функцию АТФ.

АТФ обладает определенными чертами строения:

• представляет собой трифосфорный эфир аденозина;
• образуется путём соединения аденина, являющегося пуриновым азотистым основанием;
• соединяется с 1′-углеродом рибозы при помощи β-N-гликозидной связи.

Тем самым АТФ представляет собой такое соединение, которое содержит связи, гидролиз которых высвобождает колоссальное количество энергии. Подобные связи называют макроэргическими. Образуется количество энергии, равное 40 и 60-ти кДж / моль. Также в ходе этого процесса отщепляется один или два остатка фосфорной кислоты. Весь «химизм» описанных выше реакций можно представить следующим образом:

• АТФ + вода → АДФ + фосфорная кислота + энергия;
• АДФ + вода → АМФ + фосфорная кислота + энергия.

Общеизвестно, что в биоэнергетическом обмене веществ живых организмов важным является наличие двух основных моментов:

• химическая энергия запасается путем образования АТФ при протекании катаболических реакций окисления органических субстратов;
• химическая энергия утилизируется путем расщепления АТФ. Этот процесс сопряжен с эндергоническими реакциями анаболизма, а также другими процессами, которые также требуют энергетических затрат.

Выделяют три основных способа образования АТФ в клетке. А именно:

• субстратное фосфорилирование, протекающее в цитоплазме клетке. Такие реакции получили название гликолиза или анаэробного этапа аэробного дыхания;
• окислительное фосфорилирование;
• фотофосфорилирование.

Роль АТФ в клетке

АТФ образуется во время световой стадии фотосинтеза – основного процесса получения энергии у зеленых растений, водорослей и некоторых бактерий.

Как уже отмечалось ранее, АТФ выполняет в клетке, прежде всего, энергетическую функции. Это обусловлено тем, что подобная молекула содержит две высокоэнергетические связи и обеспечивает многие физиологические и биохимические процессы. К подобным процессам можно отнести все реакции синтеза веществ в организме.

Реакции синтеза – это комплекс химических реакций, направленных на создание вещества с определенной степенью затраты энергии. При этом отмечается активный перенос молекул через клеточную мембрану, включая участие в создании межмембранного электрического потенциала. Также АТФ необходима для обеспечения процесса сокращения мышц.

Также к достаточно важным функциям АТФ, иллюстрирующим ее роль в клетке относят:

• может являться медиатором в синапсах, сигнальным веществом в других клеточных взаимодействиях. Например, при пуринергической передаче сигнала;
• АТФ регулирует биохимические процессы. Например, при участии АТФ происходит усиление и подавление активности некоторых ферментов с помощью присоединения к их регуляторным центрам молекулы;
• участвует в создании циклического аденозинмонофосфата, который, в свою очередь, выступает посредником передачи гормональных сигналов в клетки;
• наконец, АТФ участвует в синтезе нуклеиновых кислот (ДНК и РНК);
• АТФ отвечает за обеспечение всех двигательных реакций организма, а именно от ее наличия зависит работа всех элементов опорно – двигательного аппарата.

Любая функция АТФ обусловлена тем, что ее используют для реализации жизненных клеточных процессов. Если АТФ не участвует в нем напрямую, то каким – либо образом обуславливает деятельность организма.

Во время нарушения жизнедеятельности организма, при перенесении человеком каких-либо болезней синтез АТФ происходит намного активнее, поскольку необходимо «покрывать» затраты иммунной системы. Также активизируется система терморегуляции организма, на обеспечение работы которой также требуется большое количество энергии.

Больше всего АТФ содержат такие клетки, как мышцы и нервная ткань, энергообмен в которых протекает особенно быстро. Неизменный уровень АТФ в клетках достаточно важно поддерживать, поскольку при минимальном недостатке данного вещества происходят серьёзные нарушения любого физиологического процесса.

Другими словами, АТФ является маркером стабильности развития организма человека и многих высокоорганизованных животных.

К наиболее интересным фактам, касательно АТФ можно отнести следующие:

• в клетке около 1 млрд молекул АТФ;
• срок жизни молекул АТФ очень короткий;
• синтез АТФ протекает достаточно быстро.

Подводя итог всему вышесказанному, можно сделать вывод о том, что АТФ является часто обновляемым веществом организма человека. Продолжительность жизни молекулы АТФ составляет менее одной минуты, поэтому одна молекула АТФ может зарождаться и распадаться до трех тысяч раз за сутки. В течение дня организм человека создает около 40 кг данного вещества.

На примере цикла синтеза АТФ и ее дальнейшего использования в качестве клеточного топлива рассматривают саму суть энергетического обмена внутри живого организма. Поэтому аденозинтрифосфорная кислота выполняет функцию «батарейки», которая обеспечивает нормальную жизнедеятельность клетки.

АТФ и его роль в клетке. Функции митохондрий клетки

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.

Схема образования аденозинтрифосфата в клетке, показывающая ключевую роль митохондрий в этом процессе.

GI – глюкоза; FA – жирные кислоты; АА – аминокислота.

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.

Синтез АТФ 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.

Использование аденозинтрифосфата митохондрий для реализации трех важных функций клетки:

мембранного транспорта, синтеза белка и мышечного сокращения.

Учебное видео: строение митохондрий и их функции

– Также рекомендуем “Как используется АТФ клеткой? Амебоидное движение клетки”

Оглавление темы “Физиология клетки и его ядра”:

1. Характеристика клетки. Эндоцитоз и пиноцитоз

2. Фагоцитоз. Функции лизосом клетки

3. Аппарат Гольджи. Синтез в эндоплазматическом ретикулуме

4. АТФ и его роль в клетке. Функции митохондрий клетки

5. Как используется АТФ клеткой? Амебоидное движение клетки

6. Хемотаксис. Роль ресничек клетки

7. Механизмы движения ресничек. Гены в ядре клетки

8. Образование двух цепей ДНК. Генетический код

9. Транскрипция. Виды и типы РНК клеток

10. Рибосомная РНК. Синтез белка на рибосомах клетки

Важнейшим веществом в клетках живых организмов является аденозинтрифосфорная кислота или аденозинтрифосфат. Если ввести аббревиатуру этого названия, то получим АТФ (англ. ATP). Это вещество относится к группе нуклеозидтрифосфатов и играет ведущую роль в процессах метаболизма в живых клетках, являясь для них незаменимым источником энергии.

…

Первооткрывателями АТФ стали учёные-биохимики гарвардской школы тропической медицины — Йеллапрагада Суббарао, Карл Ломан и Сайрус Фиске. Открытие произошло в 1929 году и стало главной вехой в биологии живых систем. Позднее, в 1941 году, немецким биохимиком Фрицем Липманом было установлено, что АТФ в клетках является основным переносчиком энергии.

Строение АТФ

Эта молекула имеет систематическое наименование, которое записывается так: 9-β-D-рибофуранозиладенин-5′-трифосфат, или 9-β-D-рибофуранозил-6-амино-пурин-5′-трифосфат. Какие соединения входят в состав АТФ? Химически она представляет собой трифосфорный эфир аденозина — производного аденина и рибозы. Это вещество образуется путём соединения аденина, являющегося пуриновым азотистым основанием, с 1′-углеродом рибозы при помощи β-N-гликозидной связи. К 5′-углероду рибозы затем последовательно присоединяются α-, β- и γ-молекулы фосфорной кислоты.

Это интересно: немембранные органоиды клетки, их особенности.

Таким образом, молекула АТФ содержит такие соединения, как аденин, рибозу и три остатка фосфорной кислоты. АТФ — это особое соединение, содержащее связи, при гидролизе которых высвобождается большое количество энергии. Такие связи и вещества называются макроэргическими. Во время гидролиза этих связей молекулы АТФ происходит выделение количества энергии от 40 до 60 кДж/моль, при этом данный процесс сопровождается отщеплением одного или двух остатков фосфорной кислоты.

Вот как записываются эти химические реакции:

• 1). АТФ + вода→АДФ + фосфорная кислота + энергия;
• 2). АДФ + вода→АМФ + фосфорная кислота + энергия.

Энергия, высвобожденная в ходе указанных реакций, используется в дальнейших биохимических процессах, требующих определённых энергозатрат.

Это интересно: примером рационального природопользования является… что?

Роль АТФ в живом организме. Её функции

Какую функцию выполняет АТФ? Прежде всего, энергетическую. Как уже было выше сказано, основной ролью аденозинтрифосфата является энергообеспечение биохимических процессов в живом организме. Такая роль обусловлена тем, что благодаря наличию двух высокоэнергетических связей, АТФ выступает источником энергии для многих физиологических и биохимических процессов, требующих больших энергозатрат. Такими процессами являются все реакции синтеза сложных веществ в организме. Это, прежде всего, активный перенос молекул через клеточные мембраны, включая участие в создании межмембранного электрического потенциала, и осуществление сокращения мышц.

Кроме указанной, перечислим ещё несколько, не менее важных, функций АТФ, таких, как:

• медиатор в синапсах и сигнальное вещество в других межклеточных взаимодействиях (функция пуринергической передачи сигнала);
• регуляция различных биохимических процессов, таких, как усиление или подавление активности ряда ферментов путём присоединения к их регуляторным центрам (функция аллостерического эффектора);
• участие в синтезе циклического аденозинмонофосфата (АМФ), являющегося вторичным посредником в процессе передачи гормонального сигнала в клетку (в качестве непосредственного предшественника в цепочке синтеза АМФ);
• участие вместе с другими нуклеозидтрифосфатами в синтезе нуклеиновых кислот (в качестве исходного продукта).

Как образуется АТФ в организме?

Синтез аденозинтрифосфорной кислоты идёт постоянно, т. к. энергия организму для нормальной жизнедеятельности нужна всегда. В каждый конкретный момент содержится совсем немного этого вещества — примерно 250 граммов, которые являются «неприкосновенным запасом» на «чёрный день». Во время болезни идёт интенсивный синтез этой кислоты, потому что требуется много энергии для работы иммунной и выделительной систем, а также системы терморегуляции организма, что необходимо для эффективной борьбы с начавшимся недугом.

В каких клетках АТФ больше всего? Это клетки мышечной и нервной тканей, поскольку в них наиболее интенсивно идут процессы энергообмена. И это очевидно, ведь мышцы участвуют в движении, требующем сокращения мышечных волокон, а нейроны передают электрические импульсы, без которых невозможна работа всех систем организма. Поэтому так важно для клетки поддерживать неизменный и высокий уровень аденозинтрифосфата.

Каким же образом в организме могут образовываться молекулы аденозинтрифосфата? Они образуются путём так называемого фосфорилирования АДФ (аденозиндифосфата). Эта химическая реакция выглядит следующим образом:

АДФ + фосфорная кислота + энергия→АТФ + вода.

Фосфорилирование же АДФ происходит при участии таких катализаторов, как ферменты и свет, и осуществляется одним из трёх способов:

• фотофосфорилирование (фотосинтез у растений) ;
• окислительное фосфорилирование АДФ Н-зависимой АТФ-синтáзой, в результате которого основная масса аденозинтрифосфата образуется на мембранах митохондрий клеток (связано с дыханием клетки);
• субстратное фосфорилирование в цитоплазме клетки в процессе гликолиза или путём переноса фосфатной группы с других макроэргических соединений, не требующее участия мембранных ферментов.

Как окислительное, так и субстратное фосфорилирование использует энергию веществ, окисляющихся в процессе такого синтеза.

Вывод

Аденозинтрифосфорная кислота — это наиболее часто обновляемое вещество в организме. Сколько в среднем живёт молекула аденозинтрифосфата? В теле человека, например, продолжительность её жизни составляет менее одной минуты, поэтому одна молекула такого вещества рождается и распадается до 3000 раз за сутки. Поразительно, но в течение дня человеческий организм синтезирует около 40 кг этого вещества! Настолько велики потребности в этом «внутреннем энергетике» для нас!

Весь цикл синтеза и дальнейшего использования АТФ в качестве энергетического топлива для процессов обмена веществ в организме живого существа представляет собой саму суть энергетического обмена в этом организме. Таким образом, аденозинтрифосфат является своего рода «батарейкой», обеспечивающей нормальную жизнедеятельность всех клеток живого организма.