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.
- 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.
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.
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.
Что это?
Понять, что такое АТФ, поможет химия. Химическая формула молекулы АТФ – C10H16N5O13P3. Запомнить полное название несложно, если разбить его на составные части. Аденозинтрифосфат или аденозинтрифосфорная кислота – нуклеотид, состоящий из трёх частей:
- аденина – пуринового азотистого основания;
- рибозы – моносахарида, относящегося к пентозам;
- трёх остатков фосфорной кислоты.
Рис. 1. Строение молекулы АТФ.
Более подробная расшифровка АТФ представлена в таблице.
|
Составные части |
Формула |
Описание |
|
Аденин |
C5H5N5 |
Производное пурина, входит в состав жизненно важных нуклеотидов. Не растворим в воде |
|
Рибоза |
C5H10O5 |
Пятиуглеродный сахар, входящий в состав нуклеотидов, в том числе РНК |
|
Фосфорная кислота |
Н3РО4 |
Неорганическая кислота, растворимая в воде |
АТФ впервые обнаружили гарвардские биохимики Суббарао, Ломан, Фиске в 1929 году. В 1941 году немецкий биохимик Фриц Липман установил, что АТФ является источником энергии живого организма.
Вариант 1
А1. Совокупность процессов ассимиляции и диссимиляции — это
1) метаболизм
2) анаболизм
3) катаболизм
4) нейтрализм
А2. Совокупность реакций распада и окисления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии и запасанием ее в молекулах АТФ, — это
1) пластический обмен
2) биосинтез
3) энергетический обмен
4) фотосинтез
А3. Процесс синтеза органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды), протекающий за счет энергии света, — это
1) энергетический обмен
2) фотосинтез
3) пластический обмен
4) биосинтез
А4. В световую фазу фотосинтеза образуются
1) АТФ, НАДФ·H2 и кислород
2) ДНК, РНК и углекислый газ
3) C6H12O6 и крахмал
4) АДФ, НАДФ+, глюкоза и свободный кислород
А5. Темновая фаза фотосинтеза протекает
1) в строме хлоропластов как на свету, так и в темноте
2) в строме хлоропластов только в темноте
3) только на свету в тилакоидах хлоропластов
4) в строме хлоропластов только на свету
А6. В результате фотосинтеза образуются
1) минеральные вещества и углекислый газ
2) органические вещества и свободный кислород
3) вода, минеральные соли и углекислый газ
4) неорганические вещества и вода
А7. Выделяющаяся в процессе подготовительного этапа энергия
1) запасается в виде АТФ
2) рассеивается в виде тепла
3) идет на образование НАДФ
4) превращается в 2 молекулы АДФ
А8. Бескислородное ферментативное расщепление глюкозы в цитоплазме — это
1) гликолиз
2) плазмолиз
3) хемосинтез
4) фагоцитоз
А9. Третий этап энергетического обмена происходит в
1) рибосомах с образованием двух молекул АТФ
2) митохондриях с образованием 36 молекул АТФ
3) аппарате Гольджи с образованием 32 молекул АТФ
4) ядре без образования АТФ
В1. Установите соответствие между химическим процессом и его характеристикой.
ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА
А. Углекислый газ и вода поглощаются, а кислород выделяется
Б. Органические вещества расщепляются
В. Кислород поглощается, а углекислый газ и вода выделяются
Г. Происходит в хлоропластах на свету
Д. Происходит в митохондриях на свету и в темноте
Е. Органические вещества образуются
ПРОЦЕСС
1. Дыхание
2. Фотосинтез
Запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.
С1. Сколько молекул АТФ будет синтезировано в клетках эукариот на подготовительном этапе энергетического обмена, в процессе гликолиза и в процессе дыхания при окислении фрагмента молекулы крахмала, состоящего из 200 остатков глюкозы? Сколько АТФ образуется при полном окислении этого фрагмента крахмала?
Синтез АТФ
АТФ располагается в цитоплазме, ядре, хлоропластах, в митохондриях. Синтез АТФ в животной клетке происходит в митохондриях, а в растительной – в митохондриях и хлоропластах.
АТФ образуется из АДФ и фосфата с затратой энергии. Такой процесс называется фосфорилированием:
АДФ + Н3РО4 + энергия → АТФ + Н2О
Рис. 3. Образование АТФ из АДФ.
В растительных клетках фосфорилирование происходит при фотосинтезе и называется фотофосфорилированием. У животных процесс протекает при дыхании и называется окислительным фосфорилированием.
В животных клетках синтез АТФ происходит в процессе катаболизма (диссимиляции, энергетического обмена) при расщеплении белков, жиров, углеводов.
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).
Роль АТФ в клетке
Процесс фотофосфорилирования — это то же окислительное фосфорилирование лишь с одним отличием: реакции фотофосфорилирования протекают в хлоропластах клетки под действием света.
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.
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.
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.
Как образуется АТФ в организме?
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.
Функции
Из определения АТФ понятно, что эта молекула способна давать энергию. Помимо энергетической аденозинтрифосфорная кислота выполняет 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).
Что мы узнали?
Из урока биологии 10 класса узнали о строении и функциях АТФ – аденозинтрифосфорной кислоты. АТФ состоит из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты. При гидролизе связи между остатками фосфорной кислоты разрушаются, что высвобождает энергию, необходимую для жизнедеятельности организмов.
-
/10
Вопрос 1 из 10
Вариант 2
А1. Совокупность химических реакций синтеза и распада органических веществ, протекающих в клетке, — это
1) энергетический обмен
2) биосинтез
3) пластический обмен
4) метаболизм
А2. Совокупность реакций синтеза органических веществ, сопровождающихся поглощением энергии за счет распада молекул АТФ, — это
1) пластический обмен (ассимиляция)
2) метаболизм
3) энергетический обмен (диссимиляция)
4) катаболизм
А3. Процесс перевода энергии света в энергию химических связей органических соединений (углеводов) из неорганических (CO2 и H2O) у автотрофных организмов — это
1) дыхание
2) брожение
3) фотосинтез
4) выделение
А4. Световая фаза фотосинтеза происходит
1) на свету и в темноте в строме хлоропластов
2) только на свету на мембранах тилакоидов
3) на свету и в темноте в тилакоидах хлоропластов
4) только на свету в строме хлоропластов
А5. В результате темновой фазы фотосинтеза образуется
1) глюкоза
2) АТФ
3) НАДФ·H2
4) кислород
А6. В процессе фотосинтеза кислород образуется
1) в темновую фазу
2) в результате разложения углекислого газа
3) благодаря окислению глюкозы
4) в процессе фотолиза воды
А7. Биологическое значение подготовительного этапа энергетического обмена заключается в
1) полном окислении органических веществ до неорганических
2) неполном окислении питательных веществ в цитоплазме клеток
3) расщеплении полимеров до мономеров
4) образовании крахмала из молекул глюкозы
А8. Второй этап энергетического обмена — это
1) полное окисление органических веществ до неорганических
2) неполное окисление веществ в цитоплазме клеток
3) расщепление полимеров до мономеров
4) образование крахмала из молекул глюкозы
А9. На третьем этапе энергетического обмена образуются
1) 2 молекулы АТФ
2) 34 молекулы АТФ
3) 36 молекул АТФ
4) 38 молекул АТФ
В1. Установите соответствие между фазой фотосинтеза и его характеристикой.
ХАРАКТЕРИСТИКА ЭТАПА
А. Происходит в строме хлоропласта
Б. Выделяется кислород
В. Происходит в тилакоидах
Г. Образуется глюкоза
Д. Образуются молекулы АТФ и НАДФ·H2
Е. Затрачиваются молекулы АТФ и НАДФ·H2
ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА
1. Световая фаза
2. Темновая фаза
Запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.
С1. Сколько молекул АТФ будет синтезировано в клетках эукариот на подготовительном этапе энергетического обмена, в процессе гликолиза и в процессе дыхания при окислении фрагмента молекулы гликогена, состоящего из 300 остатков глюкозы? Сколько АТФ образуется при полном окислении этого фрагмента гликогена?
Ответы на тест по биологии Жизнедеятельность клетки. Метаболизм: энергетический и пластический обмен. Фотосинтез 10 классВариант 1
А1-1
А2-3
А3-2
А4-1
А5-1
А6-2
А7-2
А8-1
А9-2
В1. А2 Б1 В1 Г2 Д1 Е2
С1.
1. На подготовительном этапе энергетического обмена, который происходит в желудочно-кишечном тракте, АТФ не образуется.
2. В процессе гликолиза при распаде 1 молекулы глюкозы образуются 2 молекулы АТФ. Поэтому из 200 молекул глюкозы образуются 400 молекул АТФ.
3. В процессе клеточного дыхания из 1 молекулы образуются 36 молекул АТФ. Поэтому из 200 молекул глюкозы образуются 7200 молекул АТФ.
4. Итак, при полном окислении 1 молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ. Из 200 молекул глюкозы получится 200 х 38 = 7600 молекул АТФ.Вариант 2
А1-4
А2-1
А3-3
А4-2
А5-1
А6-4
А7-3
А8-2
А9-3
В1. А2 Б1 В1 Г2 Д1 Е2
С1.
1. На подготовительном этапе энергетического обмена, который происходит в желудочно-кишечном тракте, АТФ не образуется.
2. В процессе гликолиза при распаде 1 молекулы глюкозы образуются 2 молекулы АТФ. Поэтому из 300 молекул глюкозы образуются 600 молекул АТФ.
3. В процессе клеточного дыхания из 1 молекулы образуются 36 молекул АТФ. Поэтому из 300 молекул глюкозы образуются 10 800 молекул АТФ.
4. Итак, при полном окислении 1 молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ. Из 300 молекул глюкозы получится 300 х 38 = 11 400 молекул АТФ.
Образование энергии
Фосфатные группы соединены между собой высокоэргическими связями, которые легко разрушаются. При гидролизе (взаимодействии с водой) связи между двумя последними фосфатными группами распадаются, высвобождая большое количество энергии (от 40 до 60 кДж/моль), а АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту).
Условно химическая реакция выглядит следующим образом:
ТОП-4 статьи
которые читают вместе с этой
АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4 + энергия
Рис. 2. Гидролиз АТФ.
Часть высвободившейся энергии участвует в анаболизме (ассимиляции, пластическом обмене), часть – рассеивается в виде тепла и используется для поддержания температуры тела. При дальнейшем гидролизе АДФ отщепляется ещё одна фосфатная группа с высвобождением энергии и образованием АМФ (аденозинмонофосфата). АМФ гидролизу не подвергается.