Молекула АТФ в биологии: состав, функции и роль в организме

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.

• Строение АТФ
• Роль АТФ в живом организме. Её функции
• Как образуется АТФ в организме?
• Вывод

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.

Химия, Биология, подготовка к ГИА и ЕГЭ

Состав молекулы:

• азотистое основание аденин,
• сахар рибоза и
• три остатка фосфорной кислоты

Связи между остатками фосфорных кислот называются макроэнергетическими, т.к. при их расщеплении высделяется энергия:

АДФ — аденозиндифосфат ( 2 остатка фосфорной кислоты)

АМФ — аденозинмонофосфат ( 1 остаток фосфорной кислоты)

Энергия такой связи — от 40 до 60 кДжмоль, в то время как обычной — около 10 кДжмоль ( в 4-6 раз больше!)

Синтез молекулы АТФ происходит в полуавтономных органойдах клетки — митохондриях и хлоропластах, а выделившаяся энергия запасается в результате реакций распада — дыхания, брожения и фотосинтеза.

В реакциях синтеза (пластического обмена) АТФ расходуется, в реакциях энергетического обмена — наоборот, выделяется.

В ЕГЭ очень часто встречаются вопросы преобразования АТФ в ходе фотосинтеза или синтеза белка. Давайте четко определимя, где молекула расходуется, а где образуется:

Световая фаза

Темновая фаза

происходит синтез АТФ
( фосфорилирование АДФ до АТФ)

используется энергия АТФ

идет цикл реакций, в которых через ряд

промежуточных продуктов образуется глюкоза:

АТФ в реакции синтеза белка:

Активация аминокислоты специфичным ферментом в присутствии АТФ

Присоединение активированной аминокислоты к специфичной тРНК с высвобождением аденозинмонофосфата (АМФ)

Связывание аминоацил-тРНК (тРНК, нагруженной аминокислотой) с рибосомами, включение аминокислоты в белок с высвобождением тРНК (здесь АТФ уже не участвует)

Строение нуклеиновых кислот

По общему строению все нуклеиновые кислоты являются молекулами-полимерами, т. е. биополимерами, их мономерами являются нуклеотиды. Строение конкретного типа нуклеиновой кислоты имеет свои особенности как на уровне нуклеотидов, так и на уровне вторичной и третичной структуры молекул.

Существует два основных типа нуклеиновых кислот — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).

Общее строение каждого нуклеотида-мономера, входящего в состав молекулы любой нуклеиновой кислоты, таково:

• азотистое основание,
• пентоза,
• остаток фосфорной кислоты.

То есть каждый нуклеотид состоит из трех компонентов.

Пентоза — это углевод, включающий пять атомов углерода. В состав нуклеиновых кислот входят кольцевые (а не линейные) формы рибозы и дезоксирибозы. Первая входит в состав РНК, вторая — в ДНК. Дезоксирибоза отличается от рибозы тем, что лишена одной гидроксильной (-OH) группы. Пятичленное кольцо формируют четыре атома углерода и один атом кислорода. Один из атомов углерода (пятый) остается вне кольца и образует связь с остатком фосфорной кислоты.

Азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот, делятся на две группы — пуриновые и пиримидиновые. Пуриновые основания состоят из двух колец, одно из которых имеет 5 атомов, а другое — 6, при этом кольца соединены так, что у них два атома общие. Пиримидиновые основания включают одно шестичленное кольцо. К пуринам относятся гуанин (Г) и аденин (А). К пиримидинам относятся тимин (Т), цитозин (Ц) и урацил (У).

В ДНК входят Г, А, Т, Ц. В РНК — Г, А, У, Ц. То есть в РНК тимин заменен на урацил.

Между собой нуклеотиды соединены через остатки фосфорной кислоты, чем и определяют строение полимера — нуклеиновой кислоты. Остаток фосфорной кислоты через один атом кислорода соединен с 5-м атомом углерода пентозы одного нуклеотида, а через другой атом кислорода – с 3-м атомом углерода пентозы другого нуклеотида. Таким образом между нуклеотидами образуется фосфодиэфирная связь. В итоге получается одна полинуклеотидная цепочка.

Сборка нуклеиновой кислоты из нуклеотидов катализирует фермент полимераза. Он присоединяет фосфатную группу очередного нуклеотида к гидроксильной группе, находящейся при 3-м атоме углерода пентозы нуклеотида, который уже является частью нуклеиновой кислоты. Таким образом, синтез полинуклеотидной цепи всегда осуществляется с 3′-конца.

5′-конец первого нуклеотида цепи всегда несет фосфатную группу с одной эфирной связью. Этот конец считается началом цепи.

По строению рибонуклеиновые кислоты — одноцепочечные молекулы. Молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты имеют в своем строении две полимерные цепочки, закрученные относительно друг друга в спираль. Этим определяется вторичная структура ДНК. Цепочки соединены между собой водородными связями, образующимися между азотистыми основаниями.

Азотистые основания в молекуле ДНК соединены между собой по принципу комплиментарности: аденин с тимином (образуют две водородные связи), а гуанином с цитозином (три связи).

Многие молекулы ДНК — самые длинные из существующих полимеров.

Существует несколько типов РНК. Наиболее известные — информационная (она же матричная), транспортная и рибосомальная. Транспортная РНК имеет вторичную структуру, по форме напоминающую клеверный лист. Ее третичная структура похожа на букву Г.

Третичную структуру ДНК определяют различные уровни ее компактизации.