W biologii ATP jest źródłem energii i podstawą życia. ATP – adenozynotrójfosforan – bierze udział w procesach metabolicznych i reguluje reakcje biochemiczne w organizmie.
Co to jest?
Chemia pomoże ci zrozumieć, czym jest ATP. Wzór chemiczny Cząsteczki ATP - C10H16N5O13P3. Zapamiętanie pełnej nazwy jest łatwe, jeśli podzielisz ją na części składowe. Trifosforan adenozyny lub kwas adenozynotrójfosforowy to nukleotyd składający się z trzech części:
- adenina - zasada azotowa purynowa;
- ryboza - monosacharyd spokrewniony z pentozami;
- trzy pozostałości Kwas fosforowy.
Ryż. 1. Struktura cząsteczki ATP.
Bardziej szczegółowe wyjaśnienie ATP przedstawiono w tabeli.
ATP po raz pierwszy odkryli biochemicy z Harvardu Subbarao, Lohman i Fiske w 1929 roku. W 1941 roku niemiecki biochemik Fritz Lipmann odkrył, że ATP jest źródłem energii dla żywego organizmu.
Generacja energii
Grupy fosforanowe są połączone wiązaniami wysokoenergetycznymi, które łatwo ulegają zniszczeniu. Podczas hydrolizy (oddziaływania z wodą) wiązania grupy fosforanowej rozpadają się, uwalniając duża liczba energię, a ATP przekształca się w ADP (kwas adenozynodifosforowy).
Konwencjonalnie reakcja chemiczna wygląda następująco:
TOP 4 artykułyktórzy czytają razem z tym
ATP + H2O → ADP + H3PO4 + energia
Ryż. 2. Hydroliza ATP.
Część uwolnionej energii (ok. 40 kJ/mol) bierze udział w anabolizmie (asymilacja, metabolizm plastyczny), część natomiast jest rozpraszana w postaci ciepła w celu utrzymania temperatury ciała. Podczas dalszej hydrolizy ADP kolejna grupa fosforanowa zostaje oddzielona, uwalniając energię i tworząc AMP (monofosforan adenozyny). AMP nie ulega hydrolizie.
Synteza ATP
ATP znajduje się w cytoplazmie, jądrze, chloroplastach i mitochondriach. Synteza ATP w komórka zwierzęca występuje w mitochondriach, a u roślin – w mitochondriach i chloroplastach.
ATP powstaje z ADP i fosforanów przy wydatku energii. Proces ten nazywa się fosforylacją:
ADP + H3PO4 + energia → ATP + H2O
Ryż. 3. Tworzenie ATP z ADP.
W komórkach roślinnych fosforylacja zachodzi podczas fotosyntezy i nazywa się ją fotofosforylacją. U zwierząt proces ten zachodzi podczas oddychania i nazywany jest fosforylacją oksydacyjną.
W komórkach zwierzęcych synteza ATP zachodzi w procesie katabolizmu (dysymilacji, metabolizmu energetycznego) podczas rozkładu białek, tłuszczów i węglowodanów.
Funkcje
Z definicji ATP jasno wynika, że cząsteczka ta jest zdolna do dostarczania energii. Oprócz energii działa kwas adenozynotrójfosforowy inne funkcje:
- jest materiałem do syntezy kwasów nukleinowych;
- wchodzi w skład enzymów i reguluje procesy chemiczne, przyspieszając lub spowalniając ich przebieg;
- jest mediatorem - przekazuje sygnał do synaps (miejsc kontaktu dwóch błon komórkowych).
19. Funkcje mitochondriów komórkowych. ATP i jego rola w komórce.
Głównym źródłem energii dla komórki są składniki odżywcze: węglowodany, tłuszcze i białka, które ulegają utlenieniu za pomocą tlenu. Prawie wszystkie węglowodany, zanim dotrą do komórek organizmu, ulegają przemianie w glukozę dzięki pracy przewodu pokarmowego i wątroby. Oprócz węglowodanów białka rozkładają się również na aminokwasy, a lipidy na kwasy tłuszczowe. W komórce składniki odżywcze ulegają utlenieniu pod wpływem tlenu i przy udziale enzymów kontrolujących reakcje uwalniania energii i jej wykorzystanie. Prawie wszystkie reakcje oksydacyjne zachodzą w mitochondriach, a uwolniona energia magazynowana jest w postaci wysokoenergetycznego związku – ATP. Następnie to ATP, a nie składniki odżywcze, służy do zaopatrzenia w energię wewnątrzkomórkowych procesów metabolicznych.
Cząsteczka ATP zawiera: (1) zasadę azotową – adeninę; (2) pentozowo-węglowodanowy ryboza, (3) trzy reszty kwasu fosforowego. Dwa ostatnie fosforany są połączone ze sobą i z resztą cząsteczki wysokoenergetycznymi wiązaniami fosforanowymi, oznaczonymi we wzorze ATP symbolem ~. W zależności od warunków fizykochemicznych charakterystycznych dla organizmu, energia każdego takiego wiązania wynosi 12 000 kalorii na 1 mol ATP, co jest wielokrotnie większą energią niż energia zwykłego wiązania chemicznego, dlatego wiązania fosforanowe nazywane są wysoko- energia. Co więcej, połączenia te łatwo ulegają zniszczeniu, dostarczając energii procesom wewnątrzkomórkowym, gdy tylko zajdzie taka potrzeba.
Po uwolnieniu energii ATP oddaje grupę fosforanową i staje się difosforanem adenozyny. Uwolniona energia jest wykorzystywana niemal do wszystkiego procesy komórkowe, na przykład w reakcjach biosyntezy i skurczu mięśni.
Uzupełnianie rezerw ATP następuje poprzez rekombinację ADP z resztą kwasu fosforowego kosztem energii odżywczej. Proces ten powtarza się wielokrotnie. ATP ulega ciągłemu zużyciu i magazynowaniu, dlatego nazywa się go walutą energetyczną komórki. Czas obrotu ATP to tylko kilka minut.
Rola mitochondriów w reakcje chemiczne Tworzenie się ATP. Kiedy glukoza dostaje się do komórki, pod wpływem enzymów cytoplazmatycznych ulega przekształceniu w kwas pirogronowy (proces ten nazywa się glikolizą). Energia uwolniona w tym procesie jest zużywana na przekształcenie niewielkiej ilości ADP w ATP, co stanowi mniej niż 5% całkowitych rezerw energii.
Synteza ATP w 95% zachodzi w mitochondriach. Kwas pirogronowy, kwasy tłuszczowe i aminokwasy, powstałe odpowiednio z węglowodanów, tłuszczów i białek, ostatecznie przekształcają się w związek zwany acetylo-CoA w macierzy mitochondrialnej. Związek ten z kolei wchodzi w szereg reakcji enzymatycznych zwanych łącznie cyklem kwasów trikarboksylowych lub cyklem Krebsa, aby uwolnić swoją energię. W cyklu kwasu trikarboksylowego acetylo-CoA rozkłada się na atomy wodoru i cząsteczki dwutlenku węgla. Dwutlenek węgla jest usuwany z mitochondriów, następnie na zewnątrz komórki poprzez dyfuzję i usuwany z organizmu przez płuca.
Atomy wodoru są chemicznie bardzo aktywne i dlatego natychmiast reagują z tlenem dyfundującym do mitochondriów. Duża ilość energii uwolnionej w tej reakcji jest wykorzystywana do przekształcenia wielu cząsteczek ADP w ATP. Reakcje te są dość złożone i wymagają udziału ogromnej liczby enzymów wchodzących w skład mitochondrialnych cristae. NA etap początkowy Elektron zostaje usunięty z atomu wodoru i atom staje się jonem wodoru. Proces kończy się dodaniem jonów wodoru do tlenu. W wyniku tej reakcji powstaje woda i duża ilość energii, która jest niezbędna do działania syntetazy ATP, dużego, kulistego białka, które w postaci guzków wystaje na powierzchnię mitochondrialnych cristae. Pod wpływem tego enzymu, który wykorzystuje energię jonów wodoru, ADP przekształca się w ATP. Nowe cząsteczki ATP wysyłane są z mitochondriów do wszystkich części komórki, łącznie z jądrem, gdzie energia tego związku wykorzystywana jest do realizacji różnorodnych funkcji. Ten proces Synteza ATP jest ogólnie nazywana mechanizmem chemiosmotycznym tworzenia ATP.
W każdej komórce naszego ciała zachodzą miliony reakcji biochemicznych. Są katalizowane przez różne enzymy, które często wymagają energii. Skąd komórka to bierze? Na to pytanie można odpowiedzieć, jeśli weźmiemy pod uwagę strukturę cząsteczki ATP – jednego z głównych źródeł energii.
ATP jest uniwersalnym źródłem energii
ATP oznacza trifosforan adenozyny lub trifosforan adenozyny. Substancja jest jednym z dwóch najważniejszych źródeł energii w każdej komórce. Struktura ATP i rola biologicznaściśle powiązane. Większość reakcji biochemicznych może zachodzić tylko przy udziale cząsteczek substancji, jest to szczególnie prawdziwe, jednak ATP rzadko bierze bezpośredni udział w reakcji: aby jakikolwiek proces mógł nastąpić, potrzebna jest energia zawarta właśnie w trójfosforanie adenozyny.
Struktura cząsteczek substancji jest taka, że wiązania utworzone między grupami fosforanowymi przenoszą ogromną ilość energii. Dlatego takie wiązania nazywane są również makroergicznymi lub makroenergetycznymi (makro=dużo, duża ilość). Termin ten po raz pierwszy wprowadził naukowiec F. Lipman, który zaproponował także używanie do ich oznaczenia symbolu ̴.
Dla komórki bardzo ważne jest utrzymywanie stałego poziomu adenozynotrójfosforanu. Dotyczy to zwłaszcza komórek mięśniowych i włókien nerwowych, gdyż to one są najbardziej energochłonne i do pełnienia swoich funkcji wymagają dużej zawartości trójfosforanu adenozyny.
Struktura cząsteczki ATP
Trifosforan adenozyny składa się z trzech pierwiastków: rybozy, adeniny i reszt
Ryboza- węglowodan należący do grupy pentoz. Oznacza to, że ryboza zawiera 5 atomów węgla, które są zamknięte w cyklu. Ryboza łączy się z adeniną poprzez wiązanie β-N-glikozydowe na pierwszym atomie węgla. Do pentozy dodaje się także reszty kwasu fosforowego na 5. atomie węgla.
Adenina jest zasadą azotową. W zależności od tego, która zasada azotowa jest przyłączona do rybozy, wyróżnia się także GTP (trifosforan guanozyny), TTP (trifosforan tymidyny), CTP (trifosforan cytydyny) i UTP (trifosforan urydyny). Wszystkie te substancje mają podobną strukturę do trifosforanu adenozyny i pełnią w przybliżeniu te same funkcje, ale są znacznie mniej powszechne w komórce.
Pozostałości kwasu fosforowego. Do rybozy można przyłączyć maksymalnie trzy reszty kwasu fosforowego. Jeśli są dwa lub tylko jeden, wówczas substancję nazywa się ADP (difosforan) lub AMP (monofosforan). To właśnie pomiędzy resztami fosforu tworzą się wiązania makroenergetyczne, po zerwaniu których uwalnia się od 40 do 60 kJ energii. W przypadku zerwania dwóch wiązań uwalnia się 80, rzadziej - 120 kJ energii. Kiedy wiązanie pomiędzy rybozą a resztą fosforu zostaje zerwane, uwalniane jest jedynie 13,8 kJ, zatem w cząsteczce trifosforanu (P ̴ P ̴ P) występują tylko dwa wiązania wysokoenergetyczne, a w cząsteczce ADP jedno (P ̴ P).
Są to cechy strukturalne ATP. Dzięki temu, że pomiędzy resztami kwasu fosforowego powstaje wiązanie makroenergetyczne, struktura i funkcje ATP są ze sobą powiązane.
Struktura ATP i biologiczna rola cząsteczki. Dodatkowe funkcje trifosforanu adenozyny
Oprócz energii ATP może pełnić w komórce wiele innych funkcji. Wraz z innymi trifosforanami nukleotydów, trifosforan bierze udział w budowie Kwas nukleinowy. W tym przypadku dostawcami zasad azotowych są firmy ATP, GTP, TTP, CTP i UTP. Ta właściwość jest wykorzystywana w procesach i transkrypcji.
ATP jest również niezbędny do funkcjonowania kanałów jonowych. Na przykład kanał Na-K pompuje 3 cząsteczki sodu z komórki i pompuje do komórki 2 cząsteczki potasu. Ten prąd jonowy jest potrzebny do utrzymania ładunku dodatniego na zewnętrznej powierzchni membrany i tylko przy pomocy trójfosforanu adenozyny kanał może działać. To samo dotyczy kanałów protonowych i wapniowych.
ATP jest prekursorem drugiego przekaźnika cAMP (cyklicznego monofosforanu adenozyny) – cAMP nie tylko przekazuje sygnał odbierany przez receptory błony komórkowej, ale jest także efektorem allosterycznym. Efektory allosteryczne to substancje przyspieszające lub spowalniające reakcje enzymatyczne. Zatem cykliczny trifosforan adenozyny hamuje syntezę enzymu katalizującego rozkład laktozy w komórkach bakteryjnych.
Sama cząsteczka trifosforanu adenozyny może również być efektorem allosterycznym. Co więcej, w takich procesach ADP działa jako antagonista ATP: jeśli trifosforan przyspiesza reakcję, to difosforan ją hamuje i odwrotnie. Oto funkcje i struktura ATP.
Jak powstaje ATP w komórce?
Funkcje i struktura ATP są takie, że cząsteczki substancji są szybko wykorzystywane i niszczone. Dlatego synteza trifosforanów jest ważnym procesem w tworzeniu energii w komórce.
Istnieją trzy najważniejsze metody syntezy trifosforanu adenozyny:
1. Fosforylacja podłoża.
2. Fosforylacja oksydacyjna.
3. Fotofosforylacja.
Fosforylacja substratu opiera się na wielu reakcjach zachodzących w cytoplazmie komórki. Reakcje te nazywane są glikolizą – etapem beztlenowym.W wyniku 1 cyklu glikolizy z 1 cząsteczki glukozy syntetyzowane są dwie cząsteczki, które następnie wykorzystywane są do produkcji energii, a także syntetyzowane są dwa ATP.
- C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Pn --> 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 4H.
Oddychanie komórkowe
Fosforylacja oksydacyjna polega na tworzeniu trójfosforanu adenozyny poprzez przenoszenie elektronów wzdłuż łańcucha transportu elektronów przez błonę. W wyniku tego przeniesienia po jednej stronie membrany powstaje gradient protonów i za pomocą integralnego zestawu białek syntazy ATP budowane są cząsteczki. Proces zachodzi na błonie mitochondrialnej.
Kolejność etapów glikolizy i fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach stanowi wspólny proces zwany oddychaniem. Po pełnym cyklu z 1 cząsteczki glukozy w komórce powstaje 36 cząsteczek ATP.
Fotofosforylacja
Proces fotofosforylacji przebiega tak samo, jak fosforylacja oksydacyjna, z jedną tylko różnicą: reakcje fotofosforylacji zachodzą w chloroplastach komórki pod wpływem światła. ATP powstaje podczas lekkiej fazy fotosyntezy, głównego procesu wytwarzania energii w roślinach zielonych, algach i niektórych bakteriach.
Podczas fotosyntezy elektrony przechodzą przez ten sam łańcuch transportu elektronów, co powoduje powstanie gradientu protonów. Źródłem syntezy ATP jest koncentracja protonów po jednej stronie błony. Montaż cząsteczek odbywa się za pomocą enzymu syntazy ATP.
Przeciętna komórka zawiera wagowo 0,04% adenozynotrifosforanu. Jednak najbardziej bardzo ważne obserwowane w komórkach mięśniowych: 0,2-0,5%.
W komórce znajduje się około 1 miliarda cząsteczek ATP.
Każda cząsteczka żyje nie dłużej niż 1 minutę.
Jedna cząsteczka trifosforanu adenozyny odnawia się 2000-3000 razy dziennie.
W sumie organizm ludzki syntetyzuje 40 kg adenozynotrifosforanu dziennie, a w danym momencie rezerwa ATP wynosi 250 g.
Wniosek
Struktura ATP i biologiczna rola jego cząsteczek są ze sobą ściśle powiązane. Substancja odgrywa kluczową rolę w procesach życiowych, ponieważ wysokoenergetyczne wiązania pomiędzy resztami fosforanowymi zawierają ogromną ilość energii. Trójfosforan adenozyny pełni w komórce wiele funkcji, dlatego ważne jest utrzymanie stałego stężenia tej substancji. Rozpad i synteza zachodzą z dużą szybkością, ponieważ energia wiązań jest stale wykorzystywana w reakcjach biochemicznych. Jest to substancja niezbędna dla każdej komórki organizmu. To chyba wszystko, co można powiedzieć o strukturze ATP.
Każdy organizm może istnieć, jeśli dostarcza sobie składników odżywczych otoczenie zewnętrzne i podczas gdy produkty jego życiowej działalności są uwalniane do tego środowiska. Wewnątrz komórki zachodzi ciągły, bardzo złożony zespół przemian chemicznych, dzięki którym ze składników odżywczych powstają składniki ciała komórki. Zespół procesów przemiany materii w żywym organizmie, któremu towarzyszy jej ciągła odnowa, nazywa się metabolizmem.
Część ogólnego metabolizmu, która polega na wchłanianiu, przyswajaniu składników odżywczych i tworzeniu Elementy konstrukcyjne komórek nazywa się asymilacją – jest to konstruktywna wymiana. Na drugą część wymiany ogólnej składają się procesy dysymilacyjne, tj. procesy rozkładu i utleniania materia organiczna w wyniku którego komórka otrzymuje energię, jest metabolizm energetyczny. Konstruktywna i wymiana energii tworzą jedną całość.
W procesie konstruktywnego metabolizmu komórka syntetyzuje biopolimery swojego ciała z dość ograniczonej liczby związków niskocząsteczkowych. Reakcje biosyntezy zachodzą z udziałem różnych enzymów i wymagają energii.
Organizmy żywe mogą wykorzystywać wyłącznie energię związaną chemicznie. Każda substancja ma pewną rezerwę energia potencjalna. Jego głównymi nośnikami materialnymi są wiązania chemiczne, którego pęknięcie lub przekształcenie prowadzi do wyzwolenia energii. Poziom energii niektóre wiązania mają wartość 8-10 kJ - wiązania te nazywane są normalnymi. Pozostałe wiązania zawierają znacznie więcej energii – 25-40 kJ – są to tzw. wiązania wysokoenergetyczne. Prawie wszystkie znane związki posiadające takie wiązania zawierają atomy fosforu lub siarki, w miejscu których w cząsteczce zlokalizowane są te wiązania. Jednym ze związków odgrywających istotną rolę w życiu komórki jest kwas adenozynotrójfosforowy (ATP).
Kwas adenozynotrójfosforowy (ATP) składa się z organicznej zasady adeniny (I), węglowodanowej rybozy (II) i trzech reszt kwasu fosforowego (III). Połączenie adeniny i rybozy nazywa się adenozyną. Grupy pirofosforanowe mają wiązania wysokoenergetyczne, oznaczone ~. Rozkładowi jednej cząsteczki ATP przy udziale wody towarzyszy eliminacja jednej cząsteczki kwasu fosforowego i uwolnienie energii swobodnej, która wynosi 33-42 kJ/mol. Wszystkie reakcje z udziałem ATP są regulowane przez układy enzymatyczne.
Ryc.1. Kwas adenozynotrójfosforowy (ATP)
Metabolizm energetyczny w klatce. Synteza ATP
Synteza ATP zachodzi w błonach mitochondriów podczas oddychania, dlatego wszystkie enzymy i kofaktory łańcucha oddechowego, wszystkie enzymy fosforylacji oksydacyjnej są zlokalizowane w tych organellach.
Synteza ATP zachodzi w ten sposób, że dwa jony H+ zostają oddzielone od ADP i fosforanu (P) po prawej stronie membrany, kompensując utratę dwóch jonów H+ podczas redukcji substancji B. Jeden z atomów tlenu fosforanu przenosi się na drugą stronę membrany i łącząc dwa jony H + z lewego przedziału, tworzy H 2 O. Reszta fosforylowa łączy się z ADP, tworząc ATP.
Ryc.2. Schemat utleniania i syntezy ATP w błonach mitochondrialnych
W komórkach organizmów badano wiele reakcji biosyntezy wykorzystujących energię zawartą w ATP, podczas których zachodzą procesy karboksylacji i dekarboksylacji, synteza wiązań amidowych oraz powstawanie związków wysokoenergetycznych zdolnych do przenoszenia energii z ATP do zachodzą reakcje anaboliczne syntezy substancji. Te reakcje grają ważna rola w procesach metabolicznych organizmów roślinnych.
Przy udziale ATP i innych wysokoenergetycznych polifosforanów nukleozydów (GTP, CTP, UGP) może nastąpić aktywacja cząsteczek monosacharydów, aminokwasów, zasad azotowych i acylogliceroli poprzez syntezę aktywnych związków pośrednich będących pochodnymi nukleotydów. Na przykład w procesie syntezy skrobi przy udziale enzymu pirofosforylazy ADP-glukozy powstaje aktywowana forma glukozy - glukoza adenozynodifosforanowa, która łatwo staje się donorem reszt glukozy podczas tworzenia struktury cząsteczek ten polisacharyd.
Synteza ATP zachodzi w komórkach wszystkich organizmów w procesie fosforylacji, tj. dodanie nieorganicznego fosforanu do ADP. Energia do fosforylacji ADP jest wytwarzana podczas metabolizmu energetycznego. Metabolizm energii, czyli dysymilacja, to zespół reakcji rozkładu substancji organicznych, któremu towarzyszy uwolnienie energii. W zależności od siedliska dysymilacja może przebiegać w dwóch lub trzech etapach.
U większości organizmów żywych – tlenowców żyjących w środowisku tlenowym – podczas dysymilacji zachodzą trzy etapy: przygotowawczy, beztlenowy i tlenowy, podczas którego substancje organiczne rozkładają się na związki nieorganiczne. U beztlenowców żyjących w środowisku pozbawionym tlenu lub u tlenowców z brakiem tlenu dysymilacja zachodzi tylko w pierwszych dwóch etapach wraz z utworzeniem związków pośrednich związki organiczne, wciąż bogaty w energię.
Pierwszy etap – przygotowawczy – polega na enzymatycznym rozkładzie złożonych związków organicznych na prostsze (białka na aminokwasy, tłuszcze na glicerol i kwasy tłuszczowe, polisacharydy na monosacharydy, kwasy nukleinowe na nukleotydy). Rozkład organicznych substratów żywności zachodzi na różnych poziomach przewodu pokarmowego organizmów wielokomórkowych. Wewnątrzkomórkowy rozkład substancji organicznych następuje pod wpływem enzymów hydrolitycznych lizosomów. Energia uwolniona w tym przypadku jest rozpraszana w postaci ciepła, a powstająca niewielka organiczne molekuły mogą ulegać dalszemu rozkładowi lub zostać wykorzystane przez komórkę jako „materiał budowlany” do syntezy własnych związków organicznych.
Drugi etap – niepełne utlenianie (beztlenowe) – zachodzi bezpośrednio w cytoplazmie komórki, nie wymaga obecności tlenu i polega na dalszym rozpadzie substratów organicznych. Głównym źródłem energii w komórce jest glukoza. Beztlenowy, niepełny rozkład glukozy nazywany jest glikolizą.
Glikoliza to wieloetapowy proces enzymatyczny przekształcania sześciowęglowej glukozy w dwie trójwęglowe cząsteczki kwasu pirogronowego (pirogronian, PVK) C3H4O3. Podczas reakcji glikolizy uwalniana jest duża ilość energii - 200 kJ/mol. Część tej energii (60%) jest rozpraszana w postaci ciepła, reszta (40%) jest wykorzystywana do syntezy ATP.
W wyniku glikolizy jednej cząsteczki glukozy powstają dwie cząsteczki PVK, ATP i wody oraz atomy wodoru, które komórka magazynuje w postaci NAD H, tj. jako część specyficznego nośnika – dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego. Dalsze losy produktów glikolizy – pirogronianu i wodoru w postaci NADH – mogą potoczyć się różnie. W drożdżach lub komórkach roślinnych przy braku tlenu dochodzi do fermentacji alkoholowej – PVA ulega redukcji do alkoholu etylowego:
W komórkach zwierząt doświadczających chwilowego braku tlenu, np. w komórkach mięśniowych człowieka podczas nadmiernego wysiłku fizycznego, a także u niektórych bakterii zachodzi fermentacja mlekowa, w wyniku której pirogronian ulega redukcji do kwasu mlekowego. W obecności tlenu w środowisku produkty glikolizy ulegają dalszemu rozkładowi do produktów końcowych.
Trzeci etap - całkowite utlenianie (oddychanie) - zachodzi przy obowiązkowym udziale tlenu. Oddychanie aerobowe to łańcuch reakcji kontrolowany przez enzymy w wewnętrznej błonie i macierzy mitochondriów. Po dotarciu do mitochondrium PVK oddziałuje z enzymami macierzy i tworzy: dwutlenek węgla, który jest usuwany z komórki; atomy wodoru, które jako część nośników są kierowane na błonę wewnętrzną; acetylokoenzym A (acetylo-CoA), który bierze udział w cyklu kwasów trikarboksylowych (cyklu Krebsa). Cykl Krebsa to łańcuch kolejnych reakcji, podczas których z jednej cząsteczki acetylo-CoA powstają dwie cząsteczki CO2, cząsteczka ATP i cztery pary atomów wodoru, które przenoszone są na cząsteczki nośnikowe – NAD i FAD (dinukleotyd flawinoadeninowy). Całkowitą reakcję glikolizy i cykl Krebsa można przedstawić w następujący sposób:
Zatem w wyniku beztlenowego etapu dysymilacji i cyklu Krebsa cząsteczka glukozy rozkłada się na nieorganiczny dwutlenek węgla (CO2), a uwolniona w tym przypadku energia jest częściowo wydatkowana na syntezę ATP, ale jest magazynowany głównie w nośnikach obciążonych elektronami NAD H2 i FAD H2. Białka nośnikowe transportują atomy wodoru do wewnętrznej błony mitochondrialnej, gdzie przekazują je wzdłuż łańcucha białek wbudowanych w błonę. Transport cząstek wzdłuż łańcucha transportowego odbywa się w taki sposób, że protony pozostają po zewnętrznej stronie membrany i gromadzą się w przestrzeni międzybłonowej, zamieniając ją w zbiornik H+, a elektrony przenoszone są na wewnętrzną powierzchnię wewnętrznej błonie mitochondrialnej, gdzie ostatecznie łączą się z tlenem.
W wyniku działania enzymów w łańcuchu transportu elektronów wewnętrzna błona mitochondrialna ładowana jest od wewnątrz ujemnie, a od zewnątrz dodatnio (pod wpływem H), dzięki czemu pomiędzy jej powierzchniami powstaje różnica potencjałów. Wiadomo, że cząsteczki enzymu syntetazy ATP, posiadające kanał jonowy, są wbudowane w wewnętrzną błonę mitochondriów. Kiedy różnica potencjałów na membranie osiągnie poziom krytyczny (200 mV), dodatnio naładowane cząstki H+ zaczynają być wypychane przez kanał ATPazy pod wpływem siły pola elektrycznego i gdy znajdą się na wewnętrznej powierzchni membrany, wchodzą w interakcję z tlenem, tworząca się woda.
Prawidłowy przebieg reakcji metabolicznych na poziomie molekularnym wynika z harmonijnego połączenia procesów katabolizmu i anabolizmu. Kiedy procesy kataboliczne zostają zakłócone, pojawiają się przede wszystkim trudności energetyczne, zostaje zakłócona regeneracja ATP, a także zaopatrzenie w początkowe substraty anaboliczne niezbędne do procesów biosyntezy. Z kolei uszkodzenie procesów anabolicznych, pierwotne lub związane ze zmianami w procesach katabolicznych, prowadzi do zakłócenia reprodukcji związków ważnych funkcjonalnie – enzymów, hormonów itp.
Zakłócenie różnych ogniw łańcuchów metabolicznych ma nierówne konsekwencje. Do najbardziej znaczących, głębokich zmian patologicznych w katabolizmie dochodzi, gdy biologiczny układ utleniania ulega uszkodzeniu na skutek blokady enzymów oddychania tkankowego, niedotlenienia itp. lub uszkodzenia mechanizmów łączenia oddychania tkankowego i fosforylacji oksydacyjnej (np. rozdzielenie oddychania tkankowego i fosforylacja oksydacyjna w tyreotoksykozie). W takich przypadkach komórki zostają pozbawione głównego źródła energii, prawie wszystkie reakcje oksydacyjne katabolizmu zostają zablokowane lub tracą zdolność kumulowania uwolnionej energii w organizmie. Cząsteczki ATP. Gdy reakcje w cyklu kwasu trikarboksylowego zostaną zahamowane, produkcja energii w wyniku katabolizmu zostaje zmniejszona o około dwie trzecie.
Kwas adenozynotrifosforowy - ATP
Nukleotydy stanowią podstawę strukturalną szeregu substancji organicznych ważnych dla życia, np. związków wysokoenergetycznych.
ATP jest uniwersalnym źródłem energii we wszystkich komórkach. kwas adenozynotrójfosforowy Lub adenozynotrifosforan.
ATP występuje w cytoplazmie, mitochondriach, plastydach i jądrach komórkowych i jest najpowszechniejszym i uniwersalnym źródłem energii dla większości reakcji biochemicznych zachodzących w komórce.
ATP dostarcza energię dla wszystkich funkcji komórkowych: Praca mechaniczna, biosynteza substancji, podział itp. Średnio zawartość ATP w komórce wynosi około 0,05% jej masy, ale w komórkach, w których koszty ATP są wysokie (na przykład w komórkach wątroby, mięśniach prążkowanych) jego zawartość może sięgać nawet 0,5%.
Struktura ATP
ATP to nukleotyd składający się z zasady azotowej - adeniny, węglowodanowej rybozy i trzech reszt kwasu fosforowego, z których dwie magazynują dużą ilość energii.
Wiązanie między resztami kwasu fosforowego nazywa się makroergiczny(jest oznaczony symbolem ~), ponieważ przy rozerwaniu uwalnia się prawie 4 razy więcej energii niż przy rozszczepieniu innych wiązań chemicznych.
ATP jest strukturą niestabilną i po oddzieleniu jednej reszty kwasu fosforowego powstaje ATP przekształca się w difosforan adenozyny (ADP) uwalniając 40 kJ energii.
Inne pochodne nukleotydów
Specjalną grupą pochodnych nukleotydów są nośniki wodoru. Wodór molekularny i atomowy ma duże znaczenie aktywność chemiczna i jest uwalniany lub wchłaniany podczas różnych procesów biochemicznych. Jednym z najbardziej rozpowszechnionych nośników wodoru jest fosforan dinukleotydu nikotynamidu(NADP).
Cząsteczka NADP jest zdolna do przyłączenia dwóch atomów lub jednej cząsteczki wolnego wodoru, przekształcając się w formę zredukowaną NADP H2
. W tej postaci wodór można wykorzystać w różnych reakcjach biochemicznych.
Nukleotydy mogą także brać udział w regulacji procesów oksydacyjnych w komórce.
Witaminy
Witaminy (od łac. życie- życie) - złożone związki bioorganiczne, które są absolutnie niezbędne w małych ilościach do normalnego funkcjonowania organizmów żywych. Witaminy różnią się od innych substancji organicznych tym, że nie są wykorzystywane jako źródło energii lub materiał budowlany. Organizmy potrafią same syntetyzować niektóre witaminy (na przykład bakterie są w stanie syntetyzować prawie wszystkie witaminy), inne witaminy dostają się do organizmu z pożywieniem.
Witaminy są zwykle oznaczane literami alfabetu łacińskiego. Współczesna klasyfikacja witamin opiera się na ich zdolności rozpuszczania się w wodzie i tłuszczach (dzielą się je na dwie grupy: rozpuszczalne w wodzie(B 1, B 2, B 5, B 6, B 12, PP, C) i rozpuszczalny w tłuszczach(A, D, E, K)).
Witaminy biorą udział w niemal wszystkich procesach biochemicznych i fizjologicznych składających się na metabolizm. Zarówno niedobór, jak i nadmiar witamin może prowadzić do poważnych zaburzeń wielu funkcji fizjologicznych organizmu.
