Продължение. Виж № 11, 12, 13, 14, 15, 16/2005 г.

Уроци по биология в часовете по природни науки

Разширено планиране, 10 клас

Урок 19

Оборудване:таблици по обща биология, диаграма на структурата на молекулата на АТФ, диаграма на връзката между пластичния и енергийния обмен.

I. Проверка на знанията

Провеждане на биологична диктовка "Органични съединения на живата материя"

Учителят чете тезите под номерата, учениците записват в тетрадката номерата на онези тези, които са подходящи по съдържание за техния вариант.

Вариант 1 - протеини.
Вариант 2 – въглехидрати.
Вариант 3 - липиди.
Вариант 4 - нуклеинови киселини.

1. В чиста формасе състои само от С, Н, О атоми.

2. В допълнение към C, H, O атоми, те съдържат N и обикновено S атоми.

3. В допълнение към C, H, O атомите, те съдържат N и P атоми.

4. Те имат относително малко молекулно тегло.

5. Молекулното тегло може да бъде от хиляди до няколко десетки и стотици хиляди далтона.

6. Най-големите органични съединения с молекулно тегло до няколко десетки и стотици милиони далтони.

7. Имат различно молекулно тегло – от много малко до много високо, в зависимост от това дали веществото е мономер или полимер.

8. Състои се от монозахариди.

9. Състои се от аминокиселини.

10. Състои се от нуклеотиди.

11. Те ​​са естери на висши мастни киселини.

12. Основна структурна единица: "азотна основа - пентоза - остатък от фосфорна киселина".

13. Основна структурна единица: "аминокиселини".

14. Основна структурна единица: "монозахарид".

15. Основна структурна единица: "глицерол-мастна киселина".

16. Полимерните молекули са изградени от едни и същи мономери.

17. Полимерните молекули са изградени от подобни, но не съвсем идентични мономери.

18. Не са полимери.

19. Изпълняват почти изключително енергийни, строителни и складови функции, в някои случаи – защитни.

20. Освен енергийна и строителна те изпълняват каталитична, сигнална, транспортна, двигателна и защитна функции;

21. Те ​​съхраняват и предават наследствените свойства на клетката и тялото.

Опция 1 – 2; 5; 9; 13; 17; 20.
Вариант 2 – 1; 7; 8; 14; 16; 19.
Вариант 3 – 1; 4; 11; 15; 18; 19.
Вариант 4– 3; 6; 10; 12; 17; 21.

II. Учене на нов материал

1. Структурата на аденозинтрифосфорната киселина

Освен протеини, нуклеинови киселини, мазнини и въглехидрати, в живата материя се синтезират голям брой други органични съединения. Сред тях важна роля в биоенергетиката на клетката играят аденозин трифосфат (АТФ).АТФ се намира във всички растителни и животински клетки. В клетките аденозинтрифосфорната киселина най-често присъства под формата на соли, т.нар аденозин трифосфати. Количеството на АТФ варира и е средно 0,04% (средно в една клетка има около 1 милиард молекули АТФ). Най-голямо количество АТФ се намира в скелетните мускули (0,2–0,5%).

Молекулата на АТФ се състои от азотна основа - аденин, пентоза - рибоза и три остатъка от фосфорна киселина, т.е. АТФ е специален аденилов нуклеотид. За разлика от други нуклеотиди, АТФ съдържа не един, а три остатъка от фосфорна киселина. АТФ се отнася до макроергични вещества - вещества, съдържащи голямо количество енергия във връзките си.

Пространствен модел (А) и структурна формула (Б) на молекулата на АТФ

От състава на АТФ под действието на АТФ-азните ензими се отцепва остатък от фосфорна киселина. АТФ има силна тенденция да отделя крайната си фосфатна група:

ATP 4– + H 2 O ––> ADP 3– + 30,5 kJ + Fn,

защото това води до изчезване на енергийно неизгодното електростатично отблъскване между съседни отрицателни заряди. Полученият фосфат се стабилизира чрез образуване на енергийно изгодни водородни връзки с водата. Разпределението на заряда в системата ADP + Fn става по-стабилно, отколкото в ATP. В резултат на тази реакция се освобождават 30,5 kJ (при разкъсване на конвенционална ковалентна връзка се освобождават 12 kJ).

За да се подчертае високата енергийна "цена" на връзката фосфор-кислород в АТФ, е прието да се обозначава със знака ~ и да се нарича макроенергийна връзка. Когато една молекула фосфорна киселина се отцепи, АТФ се превръща в ADP (аденозин дифосфорна киселина), а ако две молекули фосфорна киселина се отцепят, тогава АТФ се превръща в AMP (аденозин монофосфорна киселина). Разцепването на третия фосфат е придружено от освобождаването само на 13,8 kJ, така че в молекулата на АТФ има само две макроергични връзки.

2. Образуване на АТФ в клетката

Запасът от АТФ в клетката е малък. Например в мускулите резервите на АТФ са достатъчни за 20-30 контракции. Но един мускул може да работи с часове и да предизвика хиляди контракции. Следователно, заедно с разграждането на АТФ до АДФ, в клетката трябва непрекъснато да се извършва обратен синтез. Има няколко пътя за синтез на АТФ в клетките. Нека ги опознаем.

1. анаеробно фосфорилиране.Фосфорилирането е процесът на синтез на АТФ от АДФ и фосфат с ниско молекулно тегло (Pn). В този случай говорим за безкислородни процеси на окисление на органични вещества (например гликолизата е процесът на безкислородно окисление на глюкозата до пирогроздена киселина). Приблизително 40% от енергията, освободена по време на тези процеси (около 200 kJ / mol глюкоза), се изразходва за синтез на АТФ, а останалата част се разсейва под формата на топлина:

C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Fn -–> 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 4H.

2. Окислително фосфорилиране- това е процесът на синтез на АТФ поради енергията на окисление на органични вещества с кислород. Този процес е открит в началото на 30-те години на миналия век. 20-ти век В.А. Енгелхард. В митохондриите протичат кислородни процеси на окисляване на органични вещества. Приблизително 55% от освободената в този случай енергия (около 2600 kJ / mol глюкоза) се превръща в енергия на химичните връзки на АТФ, а 45% се разсейва под формата на топлина.

Окислителното фосфорилиране е много по-ефективно от анаеробните синтези: ако само 2 молекули АТФ се синтезират по време на гликолизата по време на разграждането на глюкозна молекула, тогава по време на окислителното фосфорилиране се образуват 36 молекули АТФ.

3. Фотофосфорилиране- процесът на синтез на АТФ поради енергията на слънчевата светлина. Този път на синтез на АТФ е характерен само за клетки, способни на фотосинтеза (зелени растения, цианобактерии). Енергията на слънчевите кванти се използва от фотосинтезите в светлинна фазафотосинтеза за синтеза на АТФ.

3. Биологично значение на АТФ

АТФ е в центъра на метаболитните процеси в клетката, като е връзката между реакциите на биологичния синтез и разпадането. Ролята на АТФ в клетката може да се сравни с ролята на батерията, тъй като по време на хидролизата на АТФ се освобождава енергията, необходима за различни жизнени процеси ("разреждане"), а в процеса на фосфорилиране ("зареждане") , АТФ отново натрупва енергия в себе си.

Благодарение на енергията, освободена по време на хидролизата на АТФ, протичат почти всички жизненоважни процеси в клетката и тялото: предаване на нервни импулси, биосинтеза на вещества, мускулни контракции, транспорт на вещества и др.

III. Затвърдяване на знанията

Решаване на биологични проблеми

Задача 1. При бързо бягане често дишаме, има повишено изпотяване. Обяснете тези явления.

Задача 2. Защо замръзващите хора започват да тропат и да скачат в студа?

Задача 3. В известната творба на И. Илф и Е. Петров "Дванадесетте стола" сред мн. полезни съветиможете да намерите и това: "Дишай дълбоко, ти си развълнуван." Опитайте се да обосновете този съвет от гледна точка на енергийните процеси, протичащи в тялото.

IV. Домашна работа

Започнете да се подготвяте за теста и тествайте (диктувайте тестови въпроси - вижте урок 21).

Урок 20

Оборудване:таблици по обща биология.

I. Обобщаване на знанията по раздела

Работа на студентите с въпроси (индивидуално) с последваща проверка и обсъждане

1. Дайте примери за органични съединения, които включват въглерод, сяра, фосфор, азот, желязо, манган.

2. Как може да се различи живата клетка от мъртвата по йонен състав?

3. Какви вещества се намират в клетката в неразтворен вид? Какви органи и тъкани включват?

4. Дайте примери за макроелементи, включени в активните центрове на ензимите.

5. Какви хормони съдържат микроелементи?

6. Каква е ролята на халогените в човешкото тяло?

7. По какво се различават протеините от изкуствените полимери?

8. Каква е разликата между пептидите и протеините?

9. Как се нарича протеинът, който е част от хемоглобина? От колко субединици се състои?

10. Какво е рибонуклеаза? Колко аминокиселини има в него? Кога е изкуствено синтезиран?

11. Защо скоростта на химичните реакции без ензими е ниска?

12. Какви вещества се транспортират от протеини през клетъчната мембрана?

13. По какво се различават антителата от антигените? Съдържат ли ваксините антитела?

14. Какви вещества разграждат протеините в тялото? Колко енергия се отделя в този случай? Къде и как се неутрализира амонякът?

15. Дайте пример за пептидни хормони: как те участват в регулацията на клетъчния метаболизъм?

16. Каква е структурата на захарта, с която пием чай? Какви други три синонима на това вещество знаете?

17. Защо мазнините в млякото не се събират на повърхността, а са в суспензия?

18. Каква е масата на ДНК в ядрото на соматичните и зародишните клетки?

19. Колко АТФ се използва от човек на ден?

20. От какви протеини хората правят дрехи?

Първична структура на панкреасната рибонуклеаза (124 аминокиселини)

II. Домашна работа.

Продължете подготовката за теста и теста в раздела „Химическа организация на живота“.

Урок 21

I. Провеждане на устно изпитване по въпроси

1. Елементарен състав на клетката.

2. Характеристика на органогенните елементи.

3. Строежът на водната молекула. Водородната връзка и нейното значение в "химията" на живота.

4. Свойства и биологични функции на водата.

5. Хидрофилни и хидрофобни вещества.

6. Катиони и тяхното биологично значение.

7. Аниони и тяхното биологично значение.

8. Полимери. биологични полимери. Разлики между периодични и непериодични полимери.

9. Свойства на липидите, техните биологични функции.

10. Групи въглехидрати, разграничени по структурни особености.

11. Биологични функции на въглехидратите.

12. Елементарен състав на белтъците. Аминокиселини. Образуването на пептиди.

13. Първична, вторична, третична и кватернерна структура на белтъците.

14. Биологична функцияпротеини.

15. Разлики между ензими и небиологични катализатори.

16. Устройството на ензимите. Коензими.

17. Механизмът на действие на ензимите.

18. Нуклеинова киселина. Нуклеотиди и тяхната структура. Образуването на полинуклеотиди.

19. Правила на E.Chargaff. Принципът на допълване.

20. Образуване на двуверижна ДНК молекула и нейната спирализация.

21. Класове клетъчна РНК и техните функции.

22. Разлики между ДНК и РНК.

23. ДНК репликация. Транскрипция.

24. Структура и биологична роляАТФ.

25. Образуването на АТФ в клетката.

II. Домашна работа

Продължете подготовката за теста в раздела „Химическа организация на живота“.

Урок 22

I. Провеждане на писмен тест

Опция 1

1. Има три вида аминокиселини - A, B, C. Колко варианта на полипептидни вериги, състоящи се от пет аминокиселини, могат да бъдат изградени. Посочете тези опции. Ще имат ли тези полипептиди същите свойства? Защо?

2. Всички живи същества се състоят главно от въглеродни съединения, а силицият, аналогът на въглерода, чието съдържание в земната кора е 300 пъти повече от въглерода, се среща само в много малко организми. Обяснете този факт от гледна точка на структурата и свойствата на атомите на тези елементи.

3. ATP молекули, белязани с радиоактивен 32P в последния, трети остатък от фосфорна киселина, бяха въведени в една клетка, а ATP молекули, белязани с 32P в първия остатък, най-близо до рибозата, бяха въведени в друга клетка. След 5 минути съдържанието на неорганичен фосфатен йон, белязан с 32P, се измерва и в двете клетки. Къде ще бъде значително по-висока?

4. Проучванията показват, че 34% от общия брой нуклеотиди на тази иРНК е гуанин, 18% е урацил, 28% е цитозин и 20% е аденин. Определете процентния състав на азотните основи на двойноверижната ДНК, на която посочената иРНК е плесен.

Вариант 2

1. Мазнините представляват "първият резерв" в енергийния метаболизъм и се използват, когато резервът от въглехидрати е изчерпан. Но в скелетните мускули, в присъствието на глюкоза и мастни киселини, последните се използват в по-голяма степен. Протеините като източник на енергия винаги се използват само в краен случай, когато тялото гладува. Обяснете тези факти.

2. Йони на тежки метали (живак, олово и др.) и арсен лесно се свързват със сулфидни групи протеини. Познавайки свойствата на сулфидите на тези метали, обяснете какво се случва с протеина, когато се комбинира с тези метали. Защо тежките метали са отровни за тялото?

3. При реакцията на окисляване на вещество А във вещество В се отделя 60 kJ енергия. Колко ATP молекули могат да бъдат максимално синтезирани в тази реакция? Как ще се използва останалата енергия?

4. Проучванията показват, че 27% общ бройот нуклеотидите на тази иРНК е гуанин, 15% е урацил, 18% е цитозин и 40% е аденин. Определете процентния състав на азотните основи на двойноверижната ДНК, на която посочената иРНК е плесен.

Следва продължение

Механизмът на синтеза на АТФ по време на гликолиза е относително прост и може лесно да бъде възпроизведен в епруветка. Никога обаче не е било възможно да се симулира респираторният синтез на АТФ в лабораторията. През 1961 г. английският биохимик Питър Мичъл предполага, че ензимите - съседи в дихателната верига - наблюдават не само строга последователност от реакции, но и ясен ред в пространството на клетката. Дихателната верига, без да променя реда си, е фиксирана във вътрешната обвивка (мембрана) на митохондриите и я „зашива“ няколко пъти като шевове. Опитите за възпроизвеждане на дихателния синтез на АТФ се провалиха, тъй като ролята на мембраната беше подценена от изследователите. Но реакцията включва и ензими, концентрирани в израстъци във формата на гъби от вътрешната страна на мембраната. Ако тези израстъци бъдат отстранени, тогава АТФ няма да се синтезира.

Окислителното фосфорилиране, синтезът на АТФ от аденозин дифосфат и неорганичен фосфат, извършван в живите клетки, поради енергията, освободена по време на окислението на орг. вещества по време на клетъчното дишане. Най-общо окислителното фосфорилиране и неговото място в метаболизма могат да бъдат представени чрез схемата:

AN2 - органични вещества, окислени в дихателни вериги (така наречените субстрати на окисление или дишане), ADP-аденозин дифосфат, P-неорганичен фосфат.

Тъй като АТФ е необходим за осъществяването на много процеси, които изискват енергия (биосинтеза, механична работа, транспорт на вещества и др.), окислителното фосфорилиране играе решаваща роля в живота на аеробните организми. Образуването на АТФ в клетката възниква и поради други процеси, например в хода на гликолиза и различни видове ферментация. протича без участието на кислород. Техният принос за синтеза на АТФ в условията на аеробно дишане е незначителна част от приноса на окислителното фосфорилиране (около 5%).

При животните, растенията и гъбите окислителното фосфорилиране се осъществява в специализирани субклетъчни структури — митохондрии (фиг. 1); при бактериите ензимните системи, които осъществяват този процес, се намират в клетъчната мембрана.

Митохондриите са заобиколени от протеиново-фосфолипидна мембрана. Вътре в митохондриите (в така наречената матрица) има серия от метаболитни процеси на разлагане на хранителни вещества, които доставят субстратите за окисление на AH2 за окислително фосфорилиране на Naib. важен от тези процеси е цикълът на трикарбоксилните киселини и т.нар. -окисление на мастни киселини (окислително разцепване на мастна киселина за образуване на ацетил коензим А и киселина, съдържаща 2 С атома по-малко от оригинала; новообразуваната мастна киселина също може да претърпи -окисление). Междинните продукти на тези процеси претърпяват дехидрогениране (окисляване) с участието на дехидрогеназни ензими; след това електроните се прехвърлят към митохондриалната дихателна верига, съвкупност от редокс ензими, вградени във вътрешната митохондриална мембрана. Дихателната верига извършва многоетапен екзергоничен трансфер на електрони (придружен от намаляване на свободната енергия) от субстрати към кислород, а освободената енергия се използва от ензима АТФ синтетаза, разположен в същата мембрана, за фосфорилиране на АДФ до АТФ. В непокътната (интактна) митохондриална мембрана преносът на електрони в дихателната верига и фосфорилирането са тясно свързани. Така, например, спирането на фосфорилирането след изчерпване на ADP или неорганичен фосфат е придружено от инхибиране на дишането (ефектът на респираторния контрол). Голям брой увреждащи митохондриалната мембрана ефекти нарушават свързването между окисление и фосфорилиране, позволявайки трансфера на електрони да продължи дори при липса на синтез на АТФ (ефектът на разединяване).

Механизмът на окислителното фосфорилиране може да бъде представен чрез схемата: Електронен трансфер (дишане) A ~ B ATP A ~ B е високоенергиен междинен продукт. Предполага се, че A ~ B е химическо съединение с макроергична връзка, например фосфорилиран ензим на дихателната верига (хипотеза за химично конюгиране) или напрегната конформация на някакъв протеин, участващ в окислителното фосфорилиране (хипотеза за конформационно конюгиране). Тези хипотези обаче не са получили експериментално потвърждение. Най-голямо признание се радва на хемиосмотичната концепция за конюгация, предложена през 1961 г. от П. Мичъл (за развитието на тази концепция през 1979 г. той е награден Нобелова награда). Според тази теория свободната енергия на електронен транспорт в дихателната верига се изразходва за преноса на Н+ йони от митохондриите през митохондриалната мембрана към външната й страна (фиг. 2, процес 1). В резултат на това на мембраната възниква електрическа разлика. потенциали и химична разлика. активност на Н+ йони (вътре в митохондриите рН е по-високо от това извън тях). Накратко, тези компоненти дават трансмембранната разлика в електрохимичните потенциали на водородните йони между митохондриалната матрица и външната водна фаза, разделена от мембрана:

където R е универсалната газова константа, T е абсолютната температура, F е числото на Фарадей. Стойността обикновено е около 0,25 V, като основната част (0,15-0,20 V) е електрическият компонент. Енергията, освободена, когато протоните се движат вътре в митохондриите по протежение на електрическото поле към тяхната по-ниска концентрация (фиг. 2, процес 2), се използва от АТФ синтетазата за синтез на АТФ. По този начин схемата на окислителното фосфорилиране, съгласно тази концепция, може да бъде представена, както следва:

Електронен транспорт (дишане) АТФ

Конюгирането на окисление и фосфорилиране чрез позволява да се обясни защо окислителното фосфорилиране, за разлика от гликолитичното („субстратно“) фосфорилиране, протичащо в разтвор, е възможно само в затворени мембранни структури, а също и защо всички влияния, които намаляват електрическото съпротивление и увеличават протонната проводимост на мембраната потискат (разединяват) окислителното фосфорилиране Енергията, освен за синтеза на АТФ, може директно да се използва от клетката и за други цели - транспорт на метаболити, движение (при бактерии), редукция на никотинамидни коензими и др.

В дихателната верига има няколко участъка, които се характеризират със значителен спад на редокс потенциала и са свързани със съхранението (генерирането) на енергия. Обикновено има три такива места, наречени точки или точки на конюгация: NADH: убихинон редуктазна единица (0,35-0,4 V), убихинол: цитохром-с-редуктазна единица (~ ~ 0,25 V) и цитохром-с-оксидазен комплекс (~0,6 V ) - точки на спрежение 1, 2 и 3 респ. (фиг. 3). Всяка от точките на конюгиране на дихателната верига може да бъде изолирана от мембраната под формата на индивидуален ензимен комплекс с редокс активност. Такъв комплекс, вграден във фосфолипидната мембрана, може да функционира като протонна помпа.

Обикновено, за да се характеризира ефективността на окислителното фосфорилиране, се използват стойностите на H + / 2e или q / 2e, показващи колко протони (или електрически заряди) се прехвърлят през мембраната по време на транспортирането на двойка електрони през даден участък от дихателната верига, както и съотношението H + / ATP, показващо колко протони трябва да бъдат прехвърлени отвън към вътрешността на митохондриите чрез ATP синтетазата за синтеза на 1 ATP молекула. Стойността q/2e е съответно за точки на свързване 1, 2 и 3. 3-4, 2 и 4. Стойността на H+/ATP по време на синтеза на ATP в митохондриите е 2; но още един H+ може да бъде изразходван за отстраняването на синтезирания ATP4- от матрицата към цитоплазмата от носителя на аденинови нуклеотиди в замяна на ADP-3. Следователно видимата стойност на H + / ATP навън е 3.

В тялото окислителното фосфорилиране се потиска от много токсични вещества, които могат да бъдат разделени на три групи според мястото на действие: 1) инхибитори на дихателната верига или така наречените респираторни отрови. 2) инхибитори на АТФ синтетазата. Най-често срещаните инхибитори от този клас, използвани в лабораторни изследвания, - антибиотик олигомицин и модификатор на протеинова карбоксилна група дициклохексилкарбодиимид. 3) Така наречените разединители на окислителното фосфорилиране.Те не потискат нито преноса на електрони, нито собственото фосфорилиране на ADP, но имат способността да намаляват стойността на мембраната, поради което се нарушава енергийната конюгация между дишането и синтеза на АТФ. Ефектът на разединяване се проявява от голям брой съединения с най-разнообразна химична структура. Класическите разединители са вещества, които имат слаби киселинни свойства и са в състояние да проникнат през мембраната както в йонизирана (депротонирана), така и в неутрална (протонирана) форма. Такива вещества включват, например, 1-(2-дицианометилен)хидразино-4-трифлуорометоксибензен или карбонил цианид-р-трифлуорометоксифенилхидразон и 2,4-динитрофенол (формули I и II, съответно; показани са протонирани и депротонирани форми).

Движейки се през мембраната в електрическо поле в йонизирана форма, разединителят намалява; връщайки се обратно в протонирано състояние, разединителят се спуска (фиг. 4). Така че, такъв тип "совалка" на разединителя води до намаляване

Йонофорите (например грамицидин), които повишават електрическата проводимост на мембраната в резултат на образуването на йонни канали или вещества, които разрушават мембраната (например детергенти), също имат разединяващ ефект.

Окислителното фосфорилиране е открито от V. A. Engelgardt през 1930 г., докато работи с птичи еритроцити. През 1939 г. В. А. Белицер и Е. Т. Цибакова показват, че окислителното фосфорилиране е свързано с преноса на електрони по време на дишането; ГМ Калкар стигна до същото заключение малко по-късно.

Механизъм на синтез на АТФ. Дифузията на протони обратно през вътрешната митохондриална мембрана е съчетана със синтеза на АТФ от АТФазния комплекс, наречен фактор на свързване F,. На електронномикроскопични изображения тези фактори изглеждат като кълбовидни гъбовидни образувания върху вътрешната мембрана на митохондриите, а техните „глави“ стърчат в матрицата. F1 е водоразтворим протеин, съставен от 9 субединици от пет различни типа. Протеинът е АТФаза и е свързан към мембраната чрез друг F0 протеинов комплекс, който лигира мембраната. F0 не проявява каталитична активност, но служи като канал за транспорт на H+ йони през мембраната до Fx.

Механизмът на синтеза на АТФ в комплекса Fi ~ F0 не е напълно изяснен. Има редица хипотези в това отношение.

Една от хипотезите, обясняващи образуването на АТФ чрез така наречения директен механизъм, е предложена от Мичъл.

Съгласно тази схема, на първия етап от фосфорилирането, фосфатният йон и ADP се свързват с r компонента на ензимния комплекс (А). Протоните преминават през канал в компонента F0 и се комбинират във фосфата с един от кислородните атоми, който се отстранява като водна молекула (B). Кислородният атом на ADP се свързва с фосфорния атом, образувайки ATP, след което молекулата на ATP се отделя от ензима (B).

За индиректния механизъм са възможни различни варианти. ADP и неорганичният фосфат са прикрепени към активния център на ензима без приток на свободна енергия. Йоните H +, движещи се по протонния канал по градиента на техния електрохимичен потенциал, се свързват в определени области на Fb, причинявайки конформационни. промени в ензима (P. Boyer), в резултат на което се синтезира АТФ от АДФ и Пи. Освобождаването на протони в матрицата е придружено от връщането на АТФ-синтетазния комплекс в първоначалното му конформационно състояние и освобождаването на АТФ.

Когато е под напрежение, F1 функционира като АТФ синтетаза. При липса на конюгация между електрохимичния потенциал на Н+ йони и синтеза на АТФ, енергията, освободена в резултат на обратния транспорт на Н+ йони в матрицата, може да се преобразува в топлина. Понякога това е от полза, тъй като повишаването на температурата в клетките активира работата на ензимите.

В биологията АТФ е източникът на енергия и основата на живота. АТФ - аденозин трифосфат - участва в метаболитните процеси и регулира биохимичните реакции в организма.

Какво е това?

За да разберете какво е АТФ, химията ще ви помогне. Химична формулаАТФ молекули - C10H16N5O13P3. Запомнянето на пълното име е лесно, ако го разделите на съставните му части. Аденозин трифосфатът или аденозинтрифосфорната киселина е нуклеотид, състоящ се от три части:

• аденин - пуринова азотна основа;
• рибоза - монозахарид, свързан с пентози;
• три остатъка от фосфорна киселина.

Ориз. 1. Структурата на молекулата на АТФ.

По-подробна разбивка на ATP е представена в таблицата.

ATP е открит за първи път от биохимиците от Харвард Subbarao, Loman и Fiske през 1929 г. През 1941 г. немският биохимик Фриц Липман установява, че АТФ е енергийният източник на живия организъм.

Генериране на енергия

Фосфатните групи са свързани помежду си чрез високоенергийни връзки, които лесно се разрушават. По време на хидролиза (взаимодействие с вода) връзките на фосфатната група се разпадат, освобождавайки голямо количество енергия и АТФ се превръща в АДФ (аденозин дифосфорна киселина).

Обикновено химическата реакция изглежда така:

ТОП 4 статиикоито четат заедно с това

ATP + H2O → ADP + H3PO4 + енергия

Ориз. 2. Хидролиза на АТФ.

Част от освободената енергия (около 40 kJ / mol) участва в анаболизма (асимилация, пластичен метаболизъм), част се разсейва под формата на топлина за поддържане на телесната температура. При по-нататъшна хидролиза на ADP друга фосфатна група се отцепва с освобождаване на енергия и образуване на AMP (аденозин монофосфат). AMP не се подлага на хидролиза.

Синтез на АТФ

АТФ се намира в цитоплазмата, ядрото, хлоропластите и митохондриите. Синтезът на АТФ в животинска клетка се извършва в митохондриите, а в растителната клетка - в митохондриите и хлоропластите.

АТФ се образува от АДФ и фосфат с изразходването на енергия. Този процес се нарича фосфорилиране:

ADP + H3PO4 + енергия → ATP + H2O

Ориз. 3. Образуване на АТФ от АДФ.

В растителните клетки фосфорилирането става по време на фотосинтезата и се нарича фотофосфорилиране. При животните процесът протича по време на дишането и се нарича окислително фосфорилиране.

В животинските клетки синтезът на АТФ възниква в процеса на катаболизъм (дисимилация, енергиен метаболизъм) по време на разграждането на протеини, мазнини, въглехидрати.

Функции

От дефиницията на АТФ става ясно, че тази молекула е способна да осигурява енергия. В допълнение към енергията, аденозинтрифосфорната киселина изпълнява други функции:

• е материал за синтеза на нуклеинови киселини;
• е част от ензимите и регулира химичните процеси, като ускорява или забавя тяхното протичане;
• е медиатор – предава сигнал към синапсите (допирни точки на две клетъчни мембрани).

Какво научихме?

От урока по биология в 10 клас научихме за устройството и функциите на АТФ - аденозинтрифосфорната киселина. АТФ се състои от аденин, рибоза и три остатъка от фосфорна киселина. По време на хидролизата фосфатните връзки се разрушават, което освобождава енергията, необходима за живота на организмите.

Тематическа викторина

Доклад за оценка

Среден рейтинг: 4.6. Общо получени оценки: 522.

Начини за получаване на енергия в клетката

В клетката има четири основни процеса, които осигуряват освобождаването на енергия от химичните връзки по време на окисляването на веществата и нейното съхранение:

1. Гликолиза (етап 2 на биологично окисление) - окисление на молекула глюкоза до две молекули пирогроздена киселина, с образуването на 2 молекули АТФи NADH. Освен това пирогроздената киселина се превръща в ацетил-SCoA при аеробни условия и в млечна киселина при анаеробни условия.

2. β-окисление на мастни киселини(етап 2 на биологично окисление) - окисление на мастни киселини до ацетил-SCoA, тук се образуват молекули NADHи FADN 2. Молекулите на АТФ "в чист вид" не се появяват.

3. Цикъл на трикарбоксилната киселина(TsTK, етап 3 на биологично окисление) - окисление на ацетиловата група (като част от ацетил-SCoA) или други кето киселини до въглероден диоксид. Реакциите на пълен цикъл са придружени от образуването на 1 молекула GTP(което е еквивалентно на един АТФ), 3 молекули NADHи 1 молекула FADN 2.

4. Окислително фосфорилиране(етап 3 на биологичното окисление) - NADH и FADH 2 се окисляват, получени в реакциите на катаболизъм на глюкоза, аминокиселини и мастни киселини. В същото време ензимите на дихателната верига на вътрешната мембрана на митохондриите осигуряват образуването по-голямачасти от клетката АТФ.

Два начина за синтез на АТФ

Всички нуклеозиди се използват постоянно в клетката трифосфати (ATP, GTP, CTP, UTP, TTP) като енергиен донор. В същото време АТФ е универсаленмакроерг, участващ в почти всички аспекти на метаболизма и клетъчната активност. И именно благодарение на ATP се осигурява фосфорилирането на нуклеотидите на GMF и GDP, CDP, UMF и UDP, TMF и TDP до нуклеозид. трифосфати.

1. Основният начин за получаване на АТФ в клетката е окислителното фосфорилиране, което се случва в структурите на вътрешната мембрана на митохондриите. В същото време енергията на водородните атоми на молекулите NADH и FADH 2, образувани при гликолиза и TCA, по време на окисляването на мастни киселини и аминокиселини, се преобразува в енергията на ATP връзките.

2. Съществува обаче и друг начин за фосфорилиране на ADP до ATP - субстратно фосфорилиране. Този метод е свързан с прехвърлянето на макроергичен фосфат или енергия на макроергична връзка на вещество (субстрат) към ADP. Тези вещества включват метаболити на гликолизата ( 1,3-дифосфоглицеринова киселина, фосфоенолпируват), цикъл на трикарбоксилна киселина ( сукцинил-SCoA) и резервен макроерг креатин фосфат. Енергията на хидролиза на тяхната макроергична връзка е по-висока от 7,3 kcal/mol в АТФ и ролята на тези вещества се свежда до използването на тази енергия за фосфорилиране на молекулата на АДФ до АТФ.

Класификация на макроергите

Макроергичните съединения се класифицират според тип връзка, носещи допълнителна енергия:

1. ФосфоанхидридВръзка. Всички нуклеотиди имат такава връзка: нуклеозид трифосфати (ATP, GTP, CTP, UTP, TTP) и нуклеозид дифосфати (ADP, GDP, CDP, UDP, TDP).

Основен източник на енергия за клеткатаса хранителни вещества: въглехидрати, мазнини и протеини, които се окисляват с помощта на кислород. Почти всички въглехидрати, преди да достигнат клетките на тялото, се превръщат в глюкоза поради работата на стомашно-чревния тракт и черния дроб. Заедно с въглехидратите се разграждат и белтъчините - до аминокиселини и липидите - до мастни киселини.В клетката хранителните вещества се окисляват под действието на кислород и с участието на ензими, контролиращи реакциите на освобождаване на енергия и нейното използване.

почти всички окислителни реакциивъзникват в митохондриите, а освободената енергия се складира под формата на макроергично съединение – АТФ. В бъдеще АТФ, а не хранителни вещества, ще се използва за осигуряване на енергия за вътреклетъчните метаболитни процеси.

АТФ молекуласъдържа: (1) азотната база аденин; (2) пентоза въглехидрат рибоза, (3) три остатъка от фосфорна киселина. Последните два фосфата са свързани един с друг и с останалата част от молекулата чрез макроергични фосфатни връзки, обозначени със символа ~ във формулата на АТФ. При спазване на физическите и химически условияенергията на всяка такава връзка е 12 000 калории на 1 mol АТФ, което е многократно повече от енергията на обикновена химична връзка, поради което фосфатните връзки се наричат ​​макроергични. Освен това тези връзки лесно се разрушават, осигурявайки вътреклетъчните процеси с енергия веднага щом възникне необходимост.

При освобождаване ATP енергияотдава фосфатна група и се превръща в аденозин дифосфат. Освободената енергия се използва за почти всички клетъчни процеси, например при реакции на биосинтеза и по време на мускулна контракция.

Схема на образуване на аденозинтрифосфат в клетката, показваща ключовата роля на митохондриите в този процес.
GI - глюкоза; FA- мастна киселина; АА е аминокиселина.

Попълване на резервите на АТФвъзниква чрез рекомбиниране на ADP с остатък от фосфорна киселина за сметка на енергията на хранителните вещества. Този процес се повтаря отново и отново. АТФ непрекъснато се консумира и натрупва, поради което се нарича енергийна валута на клетката. Времето за оборот на ATP е само няколко минути.

Ролята на митохондриите в химична реакцияОбразуване на АТФ. Когато глюкозата навлезе в клетката, под действието на цитоплазмените ензими тя се превръща в пирогроздена киселина (този процес се нарича гликолиза). Енергията, освободена в този процес, се използва за превръщане на малко количество ADP в ATP, по-малко от 5% от общите енергийни резерви.

95% се осъществява в митохондриите. Пирогроздена киселина, мастни киселини и аминокиселини, образувани съответно от въглехидрати, мазнини и протеини, в крайна сметка се превръщат в митохондриалната матрица в съединение, наречено ацетил-КоА. Това съединение, от своя страна, влиза в серия от ензимни реакции, известни като цикъл на трикарбоксилната киселина или цикъл на Кребс, за да отдаде своята енергия.

В цикъл трикарбоксилни киселини ацетил-КоАсе разделя на водородни атоми и молекули въглероден диоксид. Въглеродният диоксид се отстранява от митохондриите, след това от клетката чрез дифузия и се отделя от тялото през белите дробове.

водородни атомиса химически много активни и следователно веднага реагират с кислорода, дифундиращ в митохондриите. Голямото количество енергия, освободено при тази реакция, се използва за превръщането на много ADP молекули в ATP. Тези реакции са доста сложни и изискват участието на огромен брой ензими, които изграждат митохондриалните кристи. В началния етап един електрон се отделя от водородния атом и атомът се превръща във водороден йон. Процесът завършва с добавяне на водородни йони към кислорода. В резултат на тази реакция се образуват вода и голямо количество енергия, които са необходими за работата на АТФ синтетазата, голям глобуларен протеин, който действа като туберкули на повърхността на митохондриалните кристи. Под действието на този ензим, който използва енергията на водородните йони, АДФ се превръща в АТФ. Нови ATP молекули се изпращат от митохондриите до всички части на клетката, включително ядрото, където енергията на това съединение се използва за осигуряване на различни функции.
Този процес Синтез на АТФобикновено се нарича хемиосмотичен механизъм на образуване на АТФ.

Използването на митохондриален аденозин трифосфат за изпълнението на три важни функции на клетката:
мембранен транспорт, протеинов синтез и мускулна контракция.