Pokračovanie. Pozri č. 11, 12, 13, 14, 15, 16/2005
Hodiny biológie na hodinách prírodovedy
Pokročilé plánovanie, 10. ročník
Lekcia 19
Vybavenie: tabuľky zo všeobecnej biológie, diagram štruktúry molekuly ATP, diagram vzťahu medzi plastickou a energetickou výmenou.
I. Test vedomostí
Vedenie biologického diktátu „Organické zlúčeniny živej hmoty“
Učiteľ prečíta tézy pod číslami, žiaci si zapíšu do zošita čísla tých téz, ktoré sa obsahovo hodia k ich verzii.
Možnosť 1 - proteíny.
Možnosť 2 - sacharidy.
Možnosť 3 - lipidy.
Možnosť 4 - nukleové kyseliny.
1. V čistej forme pozostávajú iba z atómov C, H, O.
2. Okrem atómov C, H, O obsahujú atómy N a zvyčajne S.
3. Okrem atómov C, H, O obsahujú atómy N a P.
4. Majú relatívne malú molekulovú hmotnosť.
5. Molekulová hmotnosť môže byť od tisícok do niekoľkých desiatok a stoviek tisíc daltonov.
6. Najväčšie organické zlúčeniny s molekulovou hmotnosťou až niekoľko desiatok a stoviek miliónov daltonov.
7. Majú rôzne molekulové hmotnosti – od veľmi malých po veľmi vysoké, v závislosti od toho, či ide o látku monomér alebo polymér.
8. Pozostávajú z monosacharidov.
9. Pozostávajú z aminokyselín.
10. Pozostávajú z nukleotidov.
11. Sú to estery vyšších mastných kyselín.
12. Základná štruktúrna jednotka: "dusíkatá zásada - pentóza - zvyšok kyseliny fosforečnej".
13. Základná štruktúrna jednotka: „aminokyseliny“.
14. Základná štruktúrna jednotka: "monosacharid".
15. Základná štruktúrna jednotka: "glycerol-mastná kyselina".
16. Molekuly polymérov sú postavené z rovnakých monomérov.
17. Molekuly polymérov sú vytvorené z podobných, ale nie úplne identických monomérov.
18. Nie sú polyméry.
19. Vykonávajú takmer výlučne energetické, stavebné a skladovacie funkcie, v niektorých prípadoch - ochranné.
20. Okrem energie a konštrukcie plnia katalytické, signálne, transportné, motorické a ochranné funkcie;
21. Ukladajú a prenášajú dedičné vlastnosti bunky a tela.
možnosť 1 – 2; 5; 9; 13; 17; 20.
Možnosť 2 – 1; 7; 8; 14; 16; 19.
Možnosť 3 – 1; 4; 11; 15; 18; 19.
Možnosť 4– 3; 6; 10; 12; 17; 21.
II. Učenie sa nového materiálu
1. Štruktúra kyseliny adenozíntrifosforečnej
Okrem bielkovín, nukleových kyselín, tukov a sacharidov sa v živej hmote syntetizuje veľké množstvo ďalších organických zlúčenín. Medzi nimi hrá dôležitú úlohu v bioenergetike bunky adenozíntrifosfát (ATP). ATP sa nachádza vo všetkých rastlinných a živočíšnych bunkách. V bunkách je kyselina adenozíntrifosforečná najčastejšie prítomná vo forme solí tzv adenozíntrifosfáty. Množstvo ATP kolíše a dosahuje v priemere 0,04 % (v bunke je v priemere asi 1 miliarda molekúl ATP). Najväčšie množstvo ATP sa nachádza v kostrových svaloch (0,2–0,5 %).
Molekula ATP pozostáva z dusíkatej bázy – adenínu, pentózy – ribózy a troch zvyškov kyseliny fosforečnej, t.j. ATP je špeciálny adenylnukleotid. Na rozdiel od iných nukleotidov ATP neobsahuje jeden, ale tri zvyšky kyseliny fosforečnej. ATP označuje makroergické látky - látky obsahujúce vo svojich väzbách veľké množstvo energie.
Priestorový model (A) a štruktúrny vzorec (B) molekuly ATP
Zo zloženia ATP pôsobením enzýmov ATPázy sa odštiepi zvyšok kyseliny fosforečnej. ATP má silnú tendenciu oddeľovať svoju terminálnu fosfátovú skupinu:
ATP 4– + H20 ––> ADP 3– + 30,5 kJ + Fn,
pretože to vedie k zániku energeticky nepriaznivého elektrostatického odpudzovania medzi susednými zápornými nábojmi. Vzniknutý fosforečnan sa stabilizuje tvorbou energeticky výhodných vodíkových väzieb s vodou. Rozloženie náboja v systéme ADP + Fn sa stáva stabilnejším ako v ATP. V dôsledku tejto reakcie sa uvoľní 30,5 kJ (pri prerušení konvenčnej kovalentnej väzby sa uvoľní 12 kJ).
Aby sa zdôraznili vysoké energetické „náklady“ väzby fosfor-kyslík v ATP, je zvykom označovať ju znakom ~ a nazývať ju makroenergetická väzba. Keď sa odštiepi jedna molekula kyseliny fosforečnej, ATP sa premení na ADP (kyselina adenozíndifosforečná) a ak sa odštiepia dve molekuly kyseliny fosforečnej, potom sa ATP premení na AMP (kyselina adenozínmonofosforečná). Štiepenie tretieho fosfátu je sprevádzané uvoľnením len 13,8 kJ, takže v molekule ATP sú len dve makroergické väzby.
2. Tvorba ATP v bunke
Zásoba ATP v bunke je malá. Napríklad vo svale stačia zásoby ATP na 20–30 kontrakcií. Ale sval môže pracovať celé hodiny a produkovať tisíce kontrakcií. Preto spolu s rozkladom ATP na ADP musí v bunke nepretržite prebiehať reverzná syntéza. Existuje niekoľko ciest pre syntézu ATP v bunkách. Poďme sa s nimi zoznámiť.
1. anaeróbna fosforylácia. Fosforylácia je proces syntézy ATP z ADP a fosfátu s nízkou molekulovou hmotnosťou (Pn). V tomto prípade hovoríme o bezkyslíkových procesoch oxidácie organických látok (napríklad glykolýza je proces bezkyslíkatej oxidácie glukózy na kyselinu pyrohroznovú). Približne 40% energie uvoľnenej počas týchto procesov (asi 200 kJ / mol glukózy) sa spotrebuje na syntézu ATP a zvyšok sa rozptýli vo forme tepla:
C6H1206 + 2ADP + 2Fn -> 2C3H403 + 2ATP + 4H.
2. Oxidačná fosforylácia- ide o proces syntézy ATP v dôsledku energie oxidácie organických látok kyslíkom. Tento proces bol objavený začiatkom 30. rokov 20. storočia. 20. storočie V.A. Engelhardt. V mitochondriách prebiehajú kyslíkové procesy oxidácie organických látok. Približne 55 % uvoľnenej energie (asi 2600 kJ/mol glukózy) sa v tomto prípade premení na energiu chemických väzieb ATP a 45 % sa rozptýli vo forme tepla.
Oxidačná fosforylácia je oveľa účinnejšia ako anaeróbne syntézy: ak sa počas glykolýzy počas rozpadu molekuly glukózy syntetizujú iba 2 molekuly ATP, potom sa počas oxidatívnej fosforylácie vytvorí 36 molekúl ATP.
3. Fotofosforylácia- proces syntézy ATP vďaka energii slnečného žiarenia. Táto cesta syntézy ATP je charakteristická len pre bunky schopné fotosyntézy (zelené rastliny, sinice). Energiu slnečných kvantov využíva fotosyntetika v svetelná fáza fotosyntéza na syntézu ATP.
3. Biologický význam ATP
ATP je v centre metabolických procesov v bunke a je spojovacím článkom medzi reakciami biologickej syntézy a rozpadu. Úlohu ATP v bunke možno porovnať s úlohou batérie, keďže pri hydrolýze ATP sa uvoľňuje energia potrebná pre rôzne životné procesy ("vybíjanie") a v procese fosforylácie ("nabíjanie") , ATP v sebe opäť akumuluje energiu.
V dôsledku energie uvoľnenej počas hydrolýzy ATP prebiehajú takmer všetky životne dôležité procesy v bunke a tele: prenos nervových impulzov, biosyntéza látok, svalové kontrakcie, transport látok atď.
III. Upevnenie vedomostí
Riešenie biologických problémov
Úloha 1. Pri rýchlom behu často dýchame, dochádza k zvýšenému poteniu. Vysvetlite tieto javy.
Úloha 2. Prečo mrznúci ľudia začínajú v mrazoch dupať a skákať?
Úloha 3. V známom diele I. Ilfa a E. Petrova „Dvanásť stoličiek“ medzi mnohými užitočné tipy nájdete aj toto: "Zhlboka dýchaj, si vzrušený." Skúste túto radu zdôvodniť z pohľadu energetických procesov prebiehajúcich v tele.
IV. Domáca úloha
Začnite sa pripravovať na test a testujte (nadiktujte testové otázky – pozri lekciu 21).
Lekcia 20
Vybavenie: tabuľky zo všeobecnej biológie.
I. Zovšeobecnenie poznatkov sekcie
Práca žiakov s otázkami (individuálne) s následným overením a diskusiou
1. Uveďte príklady organických zlúčenín, ktoré zahŕňajú uhlík, síru, fosfor, dusík, železo, mangán.
2. Ako možno podľa iónového zloženia rozlíšiť živú bunku od mŕtvej?
3. Aké látky sú v bunke v nerozpustenej forme? Aké orgány a tkanivá zahŕňajú?
4. Uveďte príklady makroživín obsiahnutých v aktívnych centrách enzýmov.
5. Aké hormóny obsahujú stopové prvky?
6. Aká je úloha halogénov v ľudskom organizme?
7. Čím sa líšia proteíny od umelých polymérov?
8. Aký je rozdiel medzi peptidmi a proteínmi?
9. Ako sa nazýva bielkovina, ktorá je súčasťou hemoglobínu? Z koľkých podjednotiek sa skladá?
10. Čo je ribonukleáza? Koľko aminokyselín je v ňom? Kedy bol umelo syntetizovaný?
11. Prečo je rýchlosť chemických reakcií bez enzýmov nízka?
12. Aké látky transportujú bielkoviny cez bunkovú membránu?
13. Ako sa líšia protilátky od antigénov? Obsahujú vakcíny protilátky?
14. Aké látky rozkladajú bielkoviny v tele? Koľko energie sa v tomto prípade uvoľní? Kde a ako sa neutralizuje amoniak?
15. Uveďte príklad peptidových hormónov: ako sa podieľajú na regulácii bunkového metabolizmu?
16. Aká je štruktúra cukru, s ktorým pijeme čaj? Aké ďalšie tri synonymá pre túto látku poznáte?
17. Prečo sa tuk v mlieku nezhromažďuje na povrchu, ale je v suspenzii?
18. Aká je hmotnosť DNA v jadre somatických a zárodočných buniek?
19. Koľko ATP spotrebuje človek denne?
20. Z akých bielkovín si ľudia vyrábajú oblečenie?
Primárna štruktúra pankreatickej ribonukleázy (124 aminokyselín)
II. Domáca úloha.
Pokračujte v príprave na test a test v časti „Chemická organizácia života“.
Lekcia 21
I. Vykonanie ústneho testu z otázok
1. Elementárne zloženie bunky.
2. Charakteristika organogénnych prvkov.
3. Štruktúra molekuly vody. Vodíková väzba a jej význam v „chémii“ života.
4. Vlastnosti a biologické funkcie vody.
5. Hydrofilné a hydrofóbne látky.
6. Katióny a ich biologický význam.
7. Anióny a ich biologický význam.
8. Polyméry. biologické polyméry. Rozdiely medzi periodickými a neperiodickými polymérmi.
9. Vlastnosti lipidov, ich biologické funkcie.
10. Skupiny uhľohydrátov vyznačujúce sa štruktúrnymi znakmi.
11. Biologické funkcie sacharidov.
12. Elementárne zloženie bielkovín. Aminokyseliny. Tvorba peptidov.
13. Primárne, sekundárne, terciárne a kvartérne štruktúry bielkovín.
14. Biologická funkcia bielkoviny.
15. Rozdiely medzi enzýmami a nebiologickými katalyzátormi.
16. Štruktúra enzýmov. Koenzýmy.
17. Mechanizmus účinku enzýmov.
18. Nukleové kyseliny. Nukleotidy a ich štruktúra. Tvorba polynukleotidov.
19. Pravidlá E.Chargaffa. Princíp komplementarity.
20. Vznik molekuly dvojvláknovej DNA a jej špirálovitosť.
21. Triedy bunkovej RNA a ich funkcie.
22. Rozdiely medzi DNA a RNA.
23. replikácia DNA. Prepis.
24. Štruktúra a biologická úloha ATP.
25. Tvorba ATP v bunke.
II. Domáca úloha
Pokračujte v príprave na test v časti „Chemická organizácia života“.
Lekcia 22
I. Vykonanie písomného testu
možnosť 1
1. Existujú tri typy aminokyselín - A, B, C. Koľko variantov polypeptidových reťazcov pozostávajúcich z piatich aminokyselín možno postaviť. Zadajte tieto možnosti. Budú mať tieto polypeptidy rovnaké vlastnosti? prečo?
2. Všetko živé sa skladá hlavne zo zlúčenín uhlíka a kremík, analóg uhlíka, ktorého obsah v zemskej kôre je 300-krát väčší ako uhlík, sa nachádza len v niekoľkých organizmoch. Vysvetlite túto skutočnosť z hľadiska štruktúry a vlastností atómov týchto prvkov.
3. Molekuly ATP označené rádioaktívnym 32P na poslednom, treťom zvyšku kyseliny fosforečnej sa zaviedli do jednej bunky a molekuly ATP označené 32P na prvom zvyšku najbližšie k ribóze sa zaviedli do inej bunky. Po 5 minútach sa v oboch bunkách zmeral obsah anorganického fosfátového iónu označeného32P. Kde bude výrazne vyššia?
4. Štúdie ukázali, že 34 % z celkového počtu nukleotidov tejto mRNA tvorí guanín, 18 % uracil, 28 % cytozín a 20 % adenín. Určte percentuálne zloženie dusíkatých báz dvojvláknovej DNA, z ktorej je odliatok špecifikovaná mRNA.
Možnosť 2
1. Tuky tvoria "prvú rezervu" v energetickom metabolizme a využívajú sa pri vyčerpaní zásob sacharidov. V kostrových svaloch sa však v prítomnosti glukózy a mastných kyselín vo väčšej miere využívajú práve tie druhé. Proteíny ako zdroj energie sa využívajú vždy len ako posledná možnosť, keď telo hladuje. Vysvetlite tieto skutočnosti.
2. Ióny ťažkých kovov (ortuť, olovo atď.) a arzénu sa ľahko viažu sulfidovými skupinami bielkovín. Keď poznáte vlastnosti sulfidov týchto kovov, vysvetlite, čo sa stane s proteínom, keď sa skombinuje s týmito kovmi. Prečo sú ťažké kovy pre telo jedovaté?
3. Pri oxidačnej reakcii látky A na látku B sa uvoľní 60 kJ energie. Koľko molekúl ATP môže byť v tejto reakcii maximálne syntetizované? Ako sa využije zvyšok energie?
4. Štúdie ukázali, že 27 % celkový počet nukleotidov tejto mRNA je guanín, 15 % je uracil, 18 % je cytozín a 40 % je adenín. Určte percentuálne zloženie dusíkatých báz dvojvláknovej DNA, z ktorých je uvedená mRNA plesňou.
Pokračovanie nabudúce
Mechanizmus syntézy ATP počas glykolýzy je pomerne jednoduchý a dá sa ľahko reprodukovať v skúmavke. Nikdy však nebolo možné simulovať respiračnú syntézu ATP v laboratóriu. V roku 1961 anglický biochemik Peter Mitchell navrhol, aby enzýmy – susedia v dýchacom reťazci – dodržiavali nielen prísny sled reakcií, ale aj jasný poriadok v priestore bunky. Dýchací reťazec je bez zmeny svojho poradia upevnený vo vnútornej škrupine (membráne) mitochondrií a niekoľkokrát ho „zašije“ ako stehy. Pokusy o reprodukciu respiračnej syntézy ATP zlyhali, pretože výskumníci podcenili úlohu membrány. Ale reakcia zahŕňa aj enzýmy koncentrované v hubovitých výrastkoch na vnútornej strane membrány. Ak sú tieto výrastky odstránené, potom sa ATP nebude syntetizovať.
Oxidačná fosforylácia, syntéza ATP z adenozíndifosfátu a anorganického fosfátu, uskutočňovaná v živých bunkách, vďaka energii uvoľnenej pri oxidácii org. látok počas bunkového dýchania. Vo všeobecnosti možno oxidačnú fosforyláciu a jej miesto v metabolizme znázorniť schémou:
AN2 - organické látky oxidované na dýchacie reťazce (tzv. substráty oxidácie, resp. dýchania), ADP-adenozíndifosfát, P-anorganický fosfát.
Keďže ATP je nevyhnutný na realizáciu mnohých procesov, ktoré si vyžadujú energiu (biosyntéza, mechanická práca, transport látok atď.), zohráva oxidatívna fosforylácia v živote aeróbnych organizmov kľúčovú úlohu. K tvorbe ATP v bunke dochádza aj v dôsledku iných procesov, napríklad v priebehu glykolýzy a rôznych typov fermentácie. prebieha bez účasti kyslíka. Ich príspevok k syntéze ATP v podmienkach aeróbneho dýchania je nevýznamnou časťou príspevku oxidatívnej fosforylácie (asi 5 %).
U zvierat, rastlín a húb dochádza k oxidatívnej fosforylácii v špecializovaných subcelulárnych štruktúrach – mitochondriách (obr. 1); v baktériách sú enzýmové systémy, ktoré vykonávajú tento proces, umiestnené v bunkovej membráne.
Mitochondrie sú obklopené proteínovo-fosfolipidovou membránou. Vo vnútri mitochondrií (v tzv. matrici) prebieha séria metabolických procesov rozkladu živín, ktoré dodávajú substráty pre oxidáciu AH2 pre oxidačnú fosforyláciu Naib. dôležitým z týchto procesov je cyklus trikarboxylových kyselín a tzv. -oxidácia mastných kyselín (oxidačné štiepenie mastnej kyseliny za vzniku acetylkoenzýmu A a kyseliny obsahujúcej o 2 atómy C menej ako pôvodná; novovzniknutá mastná kyselina môže tiež podliehať -oxidácii). Medziprodukty týchto procesov podliehajú dehydrogenácii (oxidácii) za účasti enzýmov dehydrogenázy; elektróny sa potom prenesú do mitochondriálneho dýchacieho reťazca, súboru redoxných enzýmov uložených vo vnútornej mitochondriálnej membráne. Dýchací reťazec uskutočňuje viacstupňový exergonický prenos elektrónov (sprevádzaný poklesom voľnej energie) zo substrátov na kyslík a uvoľnenú energiu využíva enzým ATP syntetáza umiestnený v tej istej membráne na fosforyláciu ADP na ATP. V intaktnej (intaktnej) mitochondriálnej membráne sú prenos elektrónov v dýchacom reťazci a fosforylácia úzko spojené. Takže napríklad zastavenie fosforylácie po vyčerpaní ADP alebo anorganického fosfátu je sprevádzané inhibíciou dýchania (účinok kontroly dýchania). Veľký počet účinkov poškodzujúcich mitochondriálne membrány narúša spojenie medzi oxidáciou a fosforyláciou, čo umožňuje prenos elektrónov pokračovať aj v neprítomnosti syntézy ATP (účinok rozpojenia).
Mechanizmus oxidatívnej fosforylácie možno znázorniť schémou: Prenos elektrónov (dýchanie) A ~ B ATP A ~ B je vysokoenergetický medziprodukt. Predpokladalo sa, že A ~ B je chemická zlúčenina s makroergickou väzbou, napríklad fosforylovaný enzým dýchacieho reťazca (hypotéza chemickej konjugácie) alebo napnutá konformácia nejakého proteínu podieľajúceho sa na oxidatívnej fosforylácii (hypotéza konformačnej konjugácie). Tieto hypotézy však neboli experimentálne potvrdené. Najväčšiemu uznaniu sa teší chemiosmotický koncept konjugácie, ktorý v roku 1961 navrhol P. Mitchell (za vypracovanie tohto konceptu bol v roku 1979 ocenený nobelová cena). Podľa tejto teórie sa voľná energia transportu elektrónov v dýchacom reťazci vynakladá na prenos iónov H+ z mitochondrií cez mitochondriálnu membránu na jej vonkajšiu stranu (obr. 2, proces 1). V dôsledku toho vzniká na membráne elektrický rozdiel. potenciály a chemické rozdiely. aktivity H+ iónov (vo vnútri mitochondrií je pH vyššie ako vonku). V súhrne tieto zložky poskytujú transmembránový rozdiel v elektrochemických potenciáloch vodíkových iónov medzi mitochondriálnou matricou a vonkajšou vodnou fázou oddelenou membránou:
kde R je univerzálna plynová konštanta, T je absolútna teplota, F je Faradayovo číslo. Hodnota je zvyčajne asi 0,25 V, pričom hlavnou časťou (0,15-0,20 V) je elektrická súčiastka. Energiu uvoľnenú pri pohybe protónov vo vnútri mitochondrií pozdĺž elektrického poľa smerom k ich nižšej koncentrácii (obr. 2, proces 2) využíva ATP syntetáza na syntézu ATP. Schéma oxidatívnej fosforylácie podľa tohto konceptu teda môže byť znázornená takto:
Transport elektrónov (dýchanie) ATP
Konjugácia oxidácie a fosforylácie prostredníctvom umožňuje vysvetliť, prečo je oxidačná fosforylácia na rozdiel od glykolytickej („substrátovej“) fosforylácie v roztoku možná len v uzavretých membránových štruktúrach, a tiež prečo všetky vplyvy, ktoré znižujú elektrický odpor a zvyšujú protónová vodivosť membrány potláča (odpája) oxidačnú fosforyláciu Energiu okrem syntézy ATP môže bunka priamo využiť na iné účely – transport metabolitov, pohyb (v baktériách), redukcia nikotínamidových koenzýmov a pod.
V dýchacom reťazci je niekoľko úsekov, ktoré sa vyznačujú výrazným poklesom oxidačno-redukčného potenciálu a sú spojené so skladovaním (generáciou) energie. Zvyčajne existujú tri takéto miesta, nazývané body alebo konjugačné body: NADH: jednotka ubichinónreduktázy (0,35-0,4 V), ubichinol: jednotka cytochróm-c-reduktázy (~ ~ 0,25 V) a komplex cytochróm-c-oxidázy (~0,6 V ) - konjugačné body 1, 2 a 3 resp. (obr. 3). Každý z bodov konjugácie dýchacieho reťazca môže byť izolovaný z membrány vo forme individuálneho enzýmového komplexu s redoxnou aktivitou. Takýto komplex, uložený vo fosfolipidovej membráne, je schopný fungovať ako protónová pumpa.
Na charakterizáciu účinnosti oxidačnej fosforylácie sa zvyčajne používajú hodnoty H + / 2e alebo q / 2e, ktoré naznačujú, koľko protónov (alebo elektrických nábojov) sa prenesie cez membránu počas transportu páru elektrónov. cez daný úsek dýchacieho reťazca, ako aj pomer H + / ATP, ktorý ukazuje, koľko protónov sa musí preniesť zvonku do vnútra mitochondrií prostredníctvom ATP syntetázy na syntézu 1 molekuly ATP. Hodnota q/2e je pre spojovacie body 1, 2 a 3, v tomto poradí. 3-4, 2 a 4. Hodnota H+/ATP počas syntézy ATP vo vnútri mitochondrií je 2; avšak ešte jeden H+ sa môže minúť na odstránenie syntetizovaného ATP4- z matrice do cytoplazmy nosičom adenínových nukleotidov výmenou za ADP-3. Zdanlivá hodnota H + / ATP smerom von je preto 3.
Oxidatívnu fosforyláciu v organizme potláčajú mnohé toxické látky, ktoré možno podľa miesta účinku rozdeliť do troch skupín: 1) inhibítory dýchacieho reťazca, čiže takzvané dýchacie jedy. 2) Inhibítory ATP syntetázy. Najbežnejšie inhibítory tejto triedy, používané v laboratórny výskum, - antibiotikum oligomycín a proteínový modifikátor karboxylových skupín dicyklohexylkarbodiimid. 3) takzvané uncouplery oxidatívnej fosforylácie.Nepotláčajú prenos elektrónov ani vlastnú fosforyláciu ADP, ale majú schopnosť znižovať hodnotu na membráne, čím je narušená energetická konjugácia medzi dýchaním a syntézou ATP. Odpájací efekt sa prejavuje veľkým počtom zlúčenín najrozmanitejšej chemickej štruktúry. Klasické odpojovače sú látky, ktoré majú slabo kyslé vlastnosti a sú schopné prenikať membránou v ionizovanej (deprotonovanej) aj neutrálnej (protónovanej) forme. Takéto látky zahŕňajú napríklad 1-(2-dikyanometylén)hydrazino-4-trifluórmetoxybenzén alebo karbonylkyanid-p-trifluórmetoxyfenylhydrazón a 2,4-dinitrofenol (vzorec I a II; sú znázornené protónované a deprotonizované formy).
Pohybom cez membránu v elektrickom poli v ionizovanej forme sa odpojovač znižuje; pri návrate späť do protonizovaného stavu sa odpojovač spustí (obr. 4). Takže arr., takýto "kyvadlový" typ činnosti odpojovača vedie k zníženiu
Odpájací účinok majú aj ionofóry (napríklad gramicidín), ktoré zvyšujú elektrickú vodivosť membrány v dôsledku tvorby iónových kanálov alebo látky, ktoré membránu ničia (napríklad detergenty).
Oxidatívnu fosforyláciu objavil V. A. Engelgardt v roku 1930 pri práci s vtáčími erytrocytmi. V roku 1939 V. A. Belitser a E. T. Tsybakova ukázali, že oxidačná fosforylácia je spojená s prenosom elektrónov počas dýchania; GM Kalkar prišiel k rovnakému záveru o niečo neskôr.
Mechanizmus syntézy ATP. Difúzia protónov späť cez vnútornú mitochondriálnu membránu je spojená so syntézou ATP komplexom ATPázy, nazývaným kopulačný faktor F. Na snímkach z elektrónového mikroskopu tieto faktory vyzerajú ako guľovité hubovité útvary na vnútornej membráne mitochondrií a ich „hlavy“ vyčnievajú do matrice. F1 je vo vode rozpustný proteín zložený z 9 podjednotiek piatich rôznych typov. Proteín je ATPáza a je naviazaný na membránu prostredníctvom iného proteínového komplexu F0, ktorý membránu liguje. F0 nevykazuje katalytickú aktivitu, ale slúži ako kanál na transport iónov H+ cez membránu do Fx.
Mechanizmus syntézy ATP v komplexe Fi ~ F0 nebol úplne objasnený. V tejto súvislosti existuje množstvo hypotéz.
Jednu z hypotéz vysvetľujúcich tvorbu ATP prostredníctvom takzvaného priameho mechanizmu navrhol Mitchell.
Podľa tejto schémy sa v prvom štádiu fosforylácie fosfátový ión a ADP viažu na zložku r enzýmového komplexu (A). Protóny prechádzajú kanálom v zložke FO a spájajú sa vo fosfáte s jedným z atómov kyslíka, ktorý sa odstráni ako molekula vody (B). Atóm kyslíka ADP sa spája s atómom fosforu a vytvára ATP, po čom sa molekula ATP oddelí od enzýmu (B).
Pre nepriamy mechanizmus sú možné rôzne možnosti. ADP a anorganický fosfát sú pripojené k aktívnemu miestu enzýmu bez prílivu voľnej energie. Ióny H+, pohybujúce sa pozdĺž protónového kanála pozdĺž gradientu ich elektrochemického potenciálu, sa viažu v určitých oblastiach Fb a spôsobujú konformáciu. zmeny v enzýme (P. Boyer), v dôsledku ktorých sa ATP syntetizuje z ADP a Pi. Uvoľňovanie protónov do matrice je sprevádzané návratom komplexu ATP-syntetáza do pôvodného konformačného stavu a uvoľňovaním ATP.
Keď je F1 pod napätím, funguje ako ATP syntetáza. V neprítomnosti konjugácie medzi elektrochemickým potenciálom iónov H+ a syntézou ATP sa energia uvoľnená v dôsledku spätného transportu iónov H+ v matrici môže premeniť na teplo. Niekedy je to prospešné, keďže zvýšenie teploty v bunkách aktivuje prácu enzýmov.
V biológii je ATP zdrojom energie a základom života. ATP - adenozíntrifosfát - sa podieľa na metabolických procesoch a reguluje biochemické reakcie v tele.
Čo je toto?
Aby sme pochopili, čo je ATP, pomôže chémia. Chemický vzorec Molekuly ATP - C10H16N5O13P3. Zapamätať si celé meno je jednoduché, ak ho rozložíte na jednotlivé časti. Adenozíntrifosfát alebo kyselina adenozíntrifosforečná je nukleotid pozostávajúci z troch častí:
- adenín - purínová dusíkatá zásada;
- ribóza - monosacharid súvisiaci s pentózami;
- tri zvyšky kyseliny fosforečnej.
Ryža. 1. Štruktúra molekuly ATP.
Podrobnejšie rozdelenie ATP je uvedené v tabuľke.
ATP prvýkrát objavili biochemici z Harvardu Subbarao, Loman a Fiske v roku 1929. V roku 1941 nemecký biochemik Fritz Lipmann zistil, že ATP je zdrojom energie živého organizmu.
Výroba energie
Fosfátové skupiny sú vzájomne prepojené vysokoenergetickými väzbami, ktoré sa ľahko zničia. Pri hydrolýze (interakcii s vodou) sa väzby fosfátovej skupiny rozpadajú, pričom sa uvoľňuje veľké množstvo energie a ATP sa mení na ADP (kyselinu adenozíndifosforečnú).
Chemická reakcia zvyčajne vyzerá takto:
TOP 4 článkyktorí čítajú spolu s týmto
ATP + H2O → ADP + H3PO4 + energia
Ryža. 2. Hydrolýza ATP.
Časť uvoľnenej energie (asi 40 kJ / mol) sa podieľa na anabolizme (asimilácia, metabolizmus plastov), časť sa odvádza vo forme tepla na udržanie telesnej teploty. Pri ďalšej hydrolýze ADP dochádza k odštiepeniu ďalšej fosfátovej skupiny za uvoľnenia energie a vzniku AMP (adenozínmonofosfát). AMP nepodlieha hydrolýze.
Syntéza ATP
ATP sa nachádza v cytoplazme, jadre, chloroplastoch a mitochondriách. Syntéza ATP v živočíšnej bunke sa vyskytuje v mitochondriách a v rastlinnej bunke - v mitochondriách a chloroplastoch.
ATP sa tvorí z ADP a fosfátu s výdajom energie. Tento proces sa nazýva fosforylácia:
ADP + H3PO4 + energia → ATP + H2O
Ryža. 3. Tvorba ATP z ADP.
V rastlinných bunkách dochádza k fosforylácii počas fotosyntézy a nazýva sa fotofosforylácia. U zvierat tento proces prebieha počas dýchania a nazýva sa oxidatívna fosforylácia.
V živočíšnych bunkách dochádza k syntéze ATP v procese katabolizmu (disimilácia, energetický metabolizmus) pri rozklade bielkovín, tukov, sacharidov.
Funkcie
Z definície ATP je zrejmé, že táto molekula je schopná poskytnúť energiu. Okrem energie pôsobí kyselina adenozíntrifosforečná ďalšie vlastnosti:
- je materiálom na syntézu nukleových kyselín;
- je súčasťou enzýmov a reguluje chemické procesy, urýchľuje alebo spomaľuje ich priebeh;
- je mediátor – prenáša signál do synapsií (bodov kontaktu dvoch bunkových membrán).
Čo sme sa naučili?
Na hodine biológie v 10. ročníku sme sa učili o štruktúre a funkciách ATP – kyseliny adenozíntrifosforečnej. ATP sa skladá z adenínu, ribózy a troch zvyškov kyseliny fosforečnej. Pri hydrolýze sa ničia fosfátové väzby, čím sa uvoľňuje energia potrebná pre život organizmov.
Tématický kvíz
Hodnotenie správy
Priemerné hodnotenie: 4.6. Celkový počet získaných hodnotení: 522.
Spôsoby, ako dostať energiu do bunky
V bunke prebiehajú štyri hlavné procesy, ktoré zabezpečujú uvoľňovanie energie z chemických väzieb pri oxidácii látok a jej skladovaní:
1. Glykolýza (2. stupeň biologickej oxidácie) - oxidácia molekuly glukózy na dve molekuly kyseliny pyrohroznovej, za vzniku 2 molekúl ATP a NADH. Ďalej sa kyselina pyrohroznová premieňa na acetyl-SCoA za aeróbnych podmienok a na kyselinu mliečnu za anaeróbnych podmienok.
2. β-oxidácia mastných kyselín(2. stupeň biologickej oxidácie) - oxidácia mastných kyselín na acetyl-SCoA, tu vznikajú molekuly NADH a FADN 2. Molekuly ATP "v čistej forme" sa neobjavujú.
3. Cyklus trikarboxylovej kyseliny(TsTK, stupeň 3 biologickej oxidácie) - oxidácia acetylovej skupiny (ako súčasť acetyl-SCoA) alebo iných ketokyselín na oxid uhličitý. Reakcie plného cyklu sú sprevádzané tvorbou 1 molekuly GTP(čo je ekvivalent jedného ATP), 3 molekuly NADH a 1 molekula FADN 2.
4. Oxidačná fosforylácia(štádium 3 biologickej oxidácie) - NADH a FADH 2 sú oxidované, získané pri reakciách katabolizmu glukózy, aminokyselín a mastných kyselín. Tvorbu zároveň zabezpečujú enzýmy dýchacieho reťazca na vnútornej membráne mitochondrií väčšíčasti bunky ATP.
Dva spôsoby syntézy ATP
Všetky nukleozidy sa v bunke neustále využívajú tri fosfáty (ATP, GTP, CTP, UTP, TTP) ako donor energie. Zároveň je ATP univerzálny makroerg, podieľajúci sa takmer na všetkých aspektoch metabolizmu a bunkovej aktivity. A práve vďaka ATP je zabezpečená fosforylácia nukleotidov GMF a GDP, CDP, UMF a UDP, TMF a TDP na nukleozid. tri fosfáty.
1. Hlavným spôsobom získania ATP v bunke je oxidačná fosforylácia vyskytujúca sa v štruktúrach vnútornej membrány mitochondrií. Zároveň sa energia vodíkových atómov molekúl NADH a FADH 2 vznikajúcich pri glykolýze a TCA pri oxidácii mastných kyselín a aminokyselín premieňa na energiu ATP väzieb.
2. Existuje však aj iný spôsob fosforylácie ADP na ATP – substrátová fosforylácia. Táto metóda je spojená s prenosom makroergického fosfátu alebo energie makroergickej väzby látky (substrátu) na ADP. Tieto látky zahŕňajú metabolity glykolýzy ( kyselina 1,3-difosfoglycerová, fosfoenolpyruvát), cyklus trikarboxylových kyselín ( sukcinyl-SCoA) a rezervný makroerg kreatínfosfát. Energia hydrolýzy ich makroergickej väzby je v ATP vyššia ako 7,3 kcal/mol a úloha týchto látok sa redukuje na využitie tejto energie na fosforyláciu molekuly ADP na ATP.
Klasifikácia makroergov
Makroergické zlúčeniny sú klasifikované podľa typ pripojenia, nesúci dodatočnú energiu:
1. Fosfoanhydrid spojenie. Takúto väzbu majú všetky nukleotidy: nukleozidtrifosfáty (ATP, GTP, CTP, UTP, TTP) a nukleoziddifosfáty (ADP, GDP, CDP, UDP, TDP).
Hlavné zdroj energie pre bunku sú živiny: sacharidy, tuky a bielkoviny, ktoré sa oxidujú pomocou kyslíka. Takmer všetky uhľohydráty sa pred dosiahnutím buniek tela premieňajú na glukózu v dôsledku práce gastrointestinálneho traktu a pečene. Spolu so sacharidmi sa štiepia aj bielkoviny - na aminokyseliny a lipidy - na mastné kyseliny.V bunke dochádza k oxidácii živín pôsobením kyslíka a za účasti enzýmov, ktoré riadia reakcie uvoľňovania energie a jej využitia.
Skoro všetky oxidačné reakcie sa vyskytujú v mitochondriách a uvoľnená energia sa ukladá vo forme makroergickej zlúčeniny – ATP. V budúcnosti je to ATP, a nie živiny, čo sa používa na poskytovanie energie pre intracelulárne metabolické procesy.
molekula ATP obsahuje: (1) dusíkatú bázu adenín; (2) pentóza sacharidov ribóza, (3) tri zvyšky kyseliny fosforečnej. Posledné dva fosfáty sú spojené navzájom a so zvyškom molekuly makroergickými fosfátovými väzbami, ktoré sú vo vzorci ATP označené symbolom ~. S výhradou fyzickej a chemické podmienky energia každej takejto väzby je 12 000 kalórií na 1 mol ATP, čo je mnohonásobne viac ako energia bežnej chemickej väzby, preto sa fosfátové väzby nazývajú makroergické. Okrem toho sa tieto väzby ľahko zničia a poskytujú intracelulárnym procesom energiu, len čo to bude potrebné.
Pri uvoľnení Energia ATP daruje fosfátovú skupinu a premieňa sa na adenozíndifosfát. Uvoľnená energia sa využíva takmer na všetky bunkové procesy, napríklad pri biosyntéznych reakciách a pri svalovej kontrakcii.
Schéma tvorby adenozíntrifosfátu v bunke, ukazujúca kľúčovú úlohu mitochondrií v tomto procese.GI - glukóza; FA- mastné kyseliny; AA je aminokyselina.
Doplnenie rezerv ATP vzniká rekombináciou ADP so zvyškom kyseliny fosforečnej na úkor energie živín. Tento proces sa opakuje znova a znova. ATP sa neustále spotrebúva a hromadí, preto sa nazýva energetická mena bunky. Doba obratu ATP je len niekoľko minút.
Úloha mitochondrií v chemické reakcie Tvorba ATP. Keď glukóza vstúpi do bunky, pôsobením cytoplazmatických enzýmov sa zmení na kyselinu pyrohroznovú (tento proces sa nazýva glykolýza). Energia uvoľnená v tomto procese sa používa na premenu malého množstva ADP na ATP, menej ako 5% celkových energetických zásob.
95 % prebieha v mitochondriách. Kyselina pyrohroznová, mastné kyseliny a aminokyseliny, vytvorené zo sacharidov, tukov a bielkovín, sa nakoniec v mitochondriálnej matrici premenia na zlúčeninu nazývanú acetyl-CoA. Táto zlúčenina zase vstupuje do série enzymatických reakcií, ktoré sú súhrnne známe ako cyklus trikarboxylových kyselín alebo Krebsov cyklus, aby sa vzdala svojej energie.
V cykle trikarboxylové kyseliny acetyl-CoAštiepi sa na atómy vodíka a molekuly oxidu uhličitého. Oxid uhličitý sa odstraňuje z mitochondrií, potom z bunky difúziou a vylučuje sa z tela cez pľúca.
atómy vodíka sú chemicky veľmi aktívne, a preto okamžite reagujú s kyslíkom difundujúcim do mitochondrií. Veľké množstvo energie uvoľnenej pri tejto reakcii sa využíva na premenu mnohých molekúl ADP na ATP. Tieto reakcie sú pomerne zložité a vyžadujú si účasť obrovského množstva enzýmov, ktoré tvoria mitochondriálne cristae. V počiatočnom štádiu sa elektrón odštiepi od atómu vodíka a atóm sa zmení na vodíkový ión. Proces končí pridaním vodíkových iónov ku kyslíku. V dôsledku tejto reakcie vzniká voda a veľké množstvo energie, ktoré sú nevyhnutné pre činnosť ATP syntetázy, veľkého guľovitého proteínu, ktorý pôsobí ako tuberkulózy na povrchu mitochondriálnych krís. Pôsobením tohto enzýmu, ktorý využíva energiu vodíkových iónov, sa ADP premieňa na ATP. Nové molekuly ATP sa posielajú z mitochondrií do všetkých častí bunky, vrátane jadra, kde sa energia tejto zlúčeniny využíva na zabezpečenie rôznych funkcií.
Tento proces Syntéza ATP všeobecne nazývaný chemiosmotický mechanizmus tvorby ATP.
Použitie mitochondriálneho adenozíntrifosfátu na realizáciu troch dôležitých funkcií bunky: membránový transport, syntéza bielkovín a svalová kontrakcia.
