Adenozīna trifosforskābe - ATP
Nukleotīdi ir strukturālais pamats vairākām dzīvībai svarīgām organiskām vielām, piemēram, augstas enerģijas savienojumiem.
ATP ir universāls enerģijas avots visās šūnās. adenozīna trifosforskābe vai adenozīna trifosfāts.
ATP ir atrodams citoplazmā, mitohondrijās, plastidos un šūnu kodolos, un tas ir visizplatītākais un universālākais enerģijas avots lielākajai daļai bioķīmisko reakciju, kas notiek šūnā.
ATP nodrošina enerģiju visām šūnu funkcijām: mehāniskajam darbam, vielu biosintēzei, dalīšanai utt. Vidēji ATP saturs šūnā ir aptuveni 0,05% no tās masas, bet tajās šūnās, kur ATP izmaksas ir augstas (piemēram, aknu šūnās, šķērssvītrotajos muskuļos), tā saturs var sasniegt pat 0,5%.
ATP struktūra
ATP ir nukleotīds, kas sastāv no slāpekļa bāzes - adenīna, ogļhidrātu ribozes un trīs fosforskābes atlikumiem, no kuriem divi uzglabā lielu enerģijas daudzumu.
Saikni starp fosforskābes atlikumiem sauc makroerģisks(to apzīmē ar simbolu ~), jo, kad tas pārtrūkst, izdalās gandrīz 4 reizes vairāk enerģijas nekā tad, kad tiek sadalītas citas ķīmiskās saites.
ATP ir nestabila struktūra, un, atdalot vienu fosforskābes atlikumu, ATP pārvēršas par adenozīna difosfātu (ADP), atbrīvojot 40 kJ enerģijas.
Citi nukleotīdu atvasinājumi
Īpaša nukleotīdu atvasinājumu grupa ir ūdeņraža nesēji. Molekulārais un atomu ūdeņradis ir ļoti ķīmiski aktīvs un tiek atbrīvots vai absorbēts dažādu bioķīmisko procesu laikā. Viens no visizplatītākajiem ūdeņraža nesējiem ir nikotīnamīda dinukleotīda fosfāts(NADP).
NADP molekula spēj piesaistīt divus atomus vai vienu brīvā ūdeņraža molekulu, pārvēršoties reducētā formā NADP H2
. Šajā formā ūdeņradi var izmantot dažādās bioķīmiskās reakcijās.
Nukleotīdi var piedalīties arī oksidatīvo procesu regulēšanā šūnā.
Vitamīni
Vitamīni (no lat. vita- dzīvība) - sarežģīti bioorganiskie savienojumi, kas nelielos daudzumos ir absolūti nepieciešami dzīvo organismu normālai darbībai. Vitamīni atšķiras no citām organiskām vielām ar to, ka tos neizmanto kā enerģijas avotu vai būvmateriālu. Organismi dažus vitamīnus var sintezēt paši (piemēram, baktērijas spēj sintezēt gandrīz visus vitamīnus), citi vitamīni nonāk organismā ar pārtiku.
Vitamīnus parasti apzīmē ar latīņu alfabēta burtiem. Mūsdienu vitamīnu klasifikācija balstās uz to spēju šķīst ūdenī un taukos (tos iedala divās grupās: ūdenī šķīstošs(B 1, B 2, B 5, B 6, B 12, PP, C) un taukos šķīstošs(A, D, E, K)).
Vitamīni ir iesaistīti gandrīz visos bioķīmiskajos un fizioloģiskos procesos, kas kopā veido vielmaiņu. Gan vitamīnu trūkums, gan pārpalikums var izraisīt nopietnus daudzu ķermeņa fizioloģisko funkciju traucējumus.
Adenozīna trifosforskābe-ATP- jebkuras dzīvas šūnas būtiska enerģijas sastāvdaļa. ATP ir arī nukleotīds, kas sastāv no slāpekļa bāzes adenīna, cukura ribozes un trīs fosforskābes molekulu atlikumiem. Šī ir nestabila struktūra. Vielmaiņas procesos fosforskābes atlikumi tiek secīgi atdalīti no tā, pārtraucot enerģiju bagāto, bet trauslo saiti starp otro un trešo fosforskābes atlikumu. Vienas fosforskābes molekulas atslāņošanos pavada aptuveni 40 kJ enerģijas izdalīšanās. Šajā gadījumā ATP tiek pārveidots par adenozīna difosforskābi (ADP), un, tālāk šķeļot fosforskābes atlikumu no ADP, veidojas adenozīna monofosforskābe (AMP).
ATP struktūras shēma un tā pārvēršana par ADP ( T.A. Kozlova, V.S. Kučmenko. Bioloģija tabulās. M., 2000. gads )
Līdz ar to ATP ir sava veida enerģijas akumulators šūnā, kas tiek “izlādēts”, kad tas tiek sadalīts. ATP sadalīšanās notiek olbaltumvielu, tauku, ogļhidrātu un citu šūnu dzīvībai svarīgu funkciju sintēzes reakciju laikā. Šīs reakcijas notiek, absorbējot enerģiju, kas tiek iegūta vielu sadalīšanās laikā.
ATP tiek sintezēts mitohondrijās vairākos posmos. Pirmais ir sagatavošanās - notiek posmos, katrā posmā iesaistot īpašus fermentus. Šajā gadījumā sarežģīti organiskie savienojumi tiek sadalīti monomēros: olbaltumvielas aminoskābēs, ogļhidrāti glikozē, nukleīnskābes nukleotīdos utt. Saišu pārtraukšanu šajās vielās pavada neliela enerģijas daudzuma izdalīšanās. Iegūtie monomēri citu enzīmu ietekmē var tālāk sadalīties, veidojot vienkāršākas vielas, līdz pat oglekļa dioksīdam un ūdenim.
Shēma ATP sintēze šūnu mtohondrijās
VIELU UN ENERĢIJAS TRANSFORMĀCIJAS DIAGRAMMAS SKAIDROJUMI DISIMILĀCIJAS PROCESS
I posms - sagatavošanās: sarežģītas organiskās vielas gremošanas enzīmu ietekmē sadalās vienkāršās, un izdalās tikai siltumenerģija.
Olbaltumvielas -> aminoskābes
Tauki - >
glicerīns un taukskābes
Ciete -> glikoze
II posms - glikolīze (bez skābekļa): tiek veikta hialoplazmā, nav saistīta ar membrānām; tas ietver fermentus; Glikoze tiek sadalīta:
Rauga sēnēs glikozes molekula bez skābekļa līdzdalības tiek pārvērsta etilspirtā un oglekļa dioksīdā (alkoholiskā fermentācija):
Citos mikroorganismos glikolīzes rezultātā var veidoties acetons, etiķskābe utt. Visos gadījumos vienas glikozes molekulas sadalīšanās notiek kopā ar divu ATP molekulu veidošanos. Glikozes bezskābekļa sadalīšanās laikā ķīmiskās saites veidā ATP molekulā tiek saglabāti 40% anerģijas, bet pārējā daļa tiek izkliedēta siltuma veidā.
III stadija - hidrolīze (skābeklis): tiek veikta mitohondrijās, saistīta ar mitohondriju matricu un iekšējo membrānu, tajā piedalās fermenti, pienskābe sadalās: C3H6O3 + 3H20 --> 3CO2+ 12H. CO2 (oglekļa dioksīds) izdalās no mitohondrijiem vidē. Ūdeņraža atoms ir iekļauts reakciju ķēdē, kuras gala rezultāts ir ATP sintēze. Šīs reakcijas notiek šādā secībā:
1. Ūdeņraža atoms H ar nesējenzīmu palīdzību iekļūst mitohondriju iekšējā membrānā, veidojot kristas, kur oksidējas: H-e--> H+
2. Ūdeņraža protons H+(katjonu) nesēji tiek nogādāti uz cristae membrānas ārējo virsmu. Šī membrāna ir protonu necaurlaidīga, tāpēc tie uzkrājas starpmembrānu telpā, veidojot protonu rezervuāru.
3. Ūdeņraža elektroni e tiek pārnesti uz cristae membrānas iekšējo virsmu un, izmantojot enzīmu oksidāzi, nekavējoties pievienojas skābeklim, veidojot negatīvi lādētu aktīvo skābekli (anjonu): O2 + e--> O2-
4. Katjoni un anjoni abās membrānas pusēs rada pretēji lādētu elektrisko lauku, un, kad potenciālu starpība sasniedz 200 mV, sāk darboties protonu kanāls. Tas notiek ATP sintetāzes enzīmu molekulās, kas ir iestrādātas iekšējā membrānā, kas veido kristālu.
5. Ūdeņraža protoni iziet cauri protonu kanālam H+ steidzas iekšā mitohondrijās, radot augstu enerģijas līmeni, no kura lielākā daļa nonāk ATP sintēzē no ADP un P (ADP+P-->ATP) un protoniem H+ mijiedarbojas ar aktīvo skābekli, veidojot ūdeni un molekulāro 02:
(4Н++202- -->2Н20+02)
Tādējādi O2, kas nonāk mitohondrijās ķermeņa elpošanas procesa laikā, ir nepieciešams ūdeņraža protonu H pievienošanai. Ja tā nav, viss process mitohondrijās apstājas, jo elektronu transportēšanas ķēde pārstāj funkcionēt. III posma vispārējā reakcija:
(2C3NbOz + 6Oz + 36ADP + 36F ---> 6C02 + 36ATP + +42H20)
Vienas glikozes molekulas sadalīšanās rezultātā veidojas 38 ATP molekulas: II stadijā - 2 ATP un III stadijā - 36 ATP. Iegūtās ATP molekulas pārsniedz mitohondrijus un piedalās visos šūnu procesos, kur nepieciešama enerģija. Sadaloties, ATP atbrīvo enerģiju (viena fosfāta saite satur 40 kJ) un atgriežas mitohondrijās ADP un P (fosfāta) veidā.
ATP galvenā loma organismā ir saistīta ar enerģijas nodrošināšanu daudzām bioķīmiskām reakcijām. Kā divu augstas enerģijas saišu nesējs ATP kalpo kā tiešs enerģijas avots daudziem enerģiju patērējošiem bioķīmiskiem un fizioloģiskiem procesiem. Tās visas ir sarežģītu vielu sintēzes reakcijas organismā: molekulu aktīvas pārvietošanas īstenošana caur bioloģiskajām membrānām, tostarp transmembrāna elektriskā potenciāla radīšana; muskuļu kontrakcijas īstenošana.
Papildus enerģijai ATP organismā veic vairākas citas vienlīdz svarīgas funkcijas:
§ Kopā ar citiem nukleozīdu trifosfātiem ATP ir nukleīnskābju sintēzes sākumprodukts.
§ Turklāt ATP ir svarīga loma daudzu bioķīmisko procesu regulēšanā. Būdams vairāku enzīmu allosteriskais efektors, ATP, pievienojoties to regulējošajiem centriem, uzlabo vai nomāc to darbību.
§ ATP ir arī tiešais priekštecis cikliskā adenozīna monofosfāta sintēzei, kas ir sekundārais hormonālo signālu pārraides vēstnesis šūnā.
Ribosoma ir dzīvas šūnas svarīgākā nemembrānas organelle, sfēriska vai nedaudz elipsoidāla forma, kuras diametrs ir 100-200 angstremi, kas sastāv no lielām un mazām apakšvienībām. Ribosomas kalpo proteīna biosintēzei no aminoskābēm iepriekš noteiktā veidnē, pamatojoties uz ģenētisko informāciju, ko nodrošina messenger RNS vai mRNS. Šo procesu sauc par tulkošanu.
Šūnas ķīmiskais sastāvs. DNS struktūra, īpašības, nozīme.
Skatīt 1.
Dezoksiribonukleīnskābe (DNS) ir makromolekula, kas nodrošina uzglabāšanu, nodošanu no paaudzes paaudzē un ģenētiskās programmas īstenošanu dzīvo organismu attīstībai un funkcionēšanai. DNS galvenā loma šūnās ir ilgstoša informācijas glabāšana par RNS un olbaltumvielu struktūru.
No ķīmiskā viedokļa DNS ir gara polimēra molekula, kas sastāv no atkārtotiem blokiem - nukleotīdiem. Katrs nukleotīds sastāv no slāpekļa bāzes, cukura (dezoksiribozes) un fosfātu grupas. Saites starp nukleotīdiem ķēdē veido dezoksiriboze un fosfātu grupa. Lielākajā daļā gadījumu (izņemot dažus vīrusus, kas satur vienpavedienu DNS) DNS makromolekula sastāv no divām ķēdēm, kas orientētas ar slāpekļa bāzēm viena pret otru. Šī divpavedienu molekula ir spirālveida. DNS molekulas kopējo struktūru sauc par “dubulto spirāli”.
Cikliskais adenozīna monofosfāts (CAMP)- ATP atvasinājums, kas organismā darbojas kā otrs vēstnesis, ko izmanto noteiktu hormonu (piemēram, glikagona vai adrenalīna) signālu intracelulārai izplatīšanai, kas nevar iziet cauri šūnu membrānai. Pārvērš virkni inertu proteīnu fermentos (no nometnes atkarīgās proteīnkināzes), kuru ietekmē notiek vairākas bioķīmiskas reakcijas. reakcijas (nervu impulsu vadīšana).
Tiek stimulēta cAMP ražošana adrenalīns.
Cikliskais guanozīna monofosfāts (cGMP) ir cikliska nukleotīda forma, ko no guanozīna trifosfāta (GTP) veido enzīms guanilāta ciklāze. Izglītība tiek stimulēta acetilholīns.
· cGMP ir iesaistīts bioķīmisko procesu regulēšanā dzīvās šūnās kā sekundārais sūtnis (otrais sūtnis). Ir raksturīgi, ka daudzas cGMP iedarbības ir tieši pretējas cAMP.
· cGMP aktivizē G-kināzi un fosfodiesterāzi, kas hidrolizē cAMP.
· cGMP ir iesaistīts šūnu cikla regulēšanā. Šūnas izvēle ir atkarīga no cAMP/cGMP attiecības: pārtraukt dalīšanu (pārtraukt G0 fāzē) vai turpināt, pārejot uz G1 fāzi.
· cGMP stimulē šūnu proliferāciju (dalīšanās), un cAMP nomāc
Adenozīna trifosfāts (ATP)- nukleotīds, ko veido slāpekļa bāze adenīns, piecu oglekļa cukura riboze un trīs fosforskābes atlikumi. Fosfātu grupas ATP molekulā ir savienotas viena ar otru augstas enerģijas (makroerģiska) savienojumiem. Saites starp fosfātu grupām nav ļoti spēcīgas, un, tām pārtrūkstot, izdalās liels enerģijas daudzums. Fosfātu grupas hidrolītiskās šķelšanās rezultātā no ATP veidojas adenozīna difosforskābe (ADP) un atbrīvojas daļa enerģijas.
· Kopā ar citiem nukleozīdu trifosfātiem ATP ir nukleīnskābju sintēzes sākumprodukts.
· ATP ir svarīga loma daudzu bioķīmisko procesu regulēšanā. Būdams vairāku enzīmu allosteriskais efektors, ATP, pievienojoties to regulējošajiem centriem, uzlabo vai nomāc to darbību.
· ATP ir arī tiešs priekštecis cikliskā adenozīna monofosfāta sintēzei, kas ir sekundārais hormonālo signālu pārraides vēstnesis šūnā.
· Zināma arī ATP kā mediatora loma sinapsēs un signālvielas loma citās starpšūnu mijiedarbībās.
Adenozīna difosfāts (ADP)- nukleotīds, kas sastāv no adenīna, ribozes un diviem fosforskābes atlikumiem. ADP ir iesaistīts enerģijas metabolismā visos dzīvajos organismos, no tā veidojas ATP, fosforilējoties:
ADP + H3PO4 + enerģija → ATP + H2O.
ADP cikliskā fosforilēšanās un sekojošā ATP kā enerģijas avota izmantošana veido procesu, kas ir enerģijas metabolisma (katabolisma) būtība.
FAD - flavīna adenīna dinukleotīds- koenzīms, kas piedalās daudzos redoks bioķīmiskos procesos. FAD pastāv divās formās - oksidētā un reducētā, tās bioķīmiskā funkcija, kā likums, ir pāreja starp šīm formām.
Nikotinamīda adenīna dinukleotīds (NAD) - dinukleotīds sastāv no diviem nukleotīdiem, kas savienoti ar to fosfātu grupām. Viens no nukleotīdiem satur adenīnu kā slāpekļa bāzi, otrs satur nikotīnamīdu. Nikotinamīda adenīna dinukleotīds pastāv divos veidos: oksidēts (NAD) un reducēts (NADH).
· Vielmaiņā NAD piedalās redoksreakcijās, pārnesot elektronus no vienas reakcijas uz otru. Tādējādi šūnās NAD pastāv divos funkcionālos stāvokļos: tā oksidētā forma NAD+ ir oksidētājs un ņem elektronus no citas molekulas, tiek reducēts līdz NADH, kas pēc tam kalpo kā reducētājs un nodod elektronus.
· 1. Olbaltumvielu, tauku un ogļhidrātu vielmaiņa. Tā kā NAD un NADP kalpo kā vairuma dehidrogenāžu koenzīmi, tie piedalās reakcijās
taukskābju sintēzes un oksidācijas laikā,
holesterīna sintēzes laikā,
glutamīnskābes un citu aminoskābju apmaiņa,
ogļhidrātu metabolisms: pentozes fosfāta ceļš, glikolīze,
pirovīnskābes oksidatīvā dekarboksilēšana,
trikarbonskābes cikls.
· 2. NADH veic regulējošu funkciju, jo ir noteiktu oksidācijas reakciju inhibitors, piemēram, trikarbonskābes ciklā.
· 3. Iedzimtas informācijas aizsardzība - NAD ir poli-ADP-ribosilācijas substrāts hromosomu pārrāvuma un DNS remonta procesā, kas palēnina nekrobiozi un šūnu apoptozi.
· 4. Aizsardzība pret brīvajiem radikāļiem – NADPH ir būtiska šūnas antioksidantu sistēmas sastāvdaļa.
1. Kādi vārdi teikumā trūkst un ir aizstāti ar burtiem (a-d)?
"ATP molekula sastāv no slāpekļa bāzes (a), piecu oglekļa monosaharīda (b) un (c) skābes atlikuma (d)."
Šos vārdus aizstāj ar burtiem: a – adenīns, b – riboze, c – trīs, d – fosforskābe.
2. Salīdziniet ATP un nukleotīda uzbūvi. Nosakiet līdzības un atšķirības.
Faktiski ATP ir RNS adenilnukleotīda (adenozīna monofosfāta jeb AMP) atvasinājums. Abu vielu molekulas ietver slāpekļa bāzes adenīnu un piecu ogļu cukura ribozi. Atšķirības ir saistītas ar faktu, ka RNS adenilnukleotīds (tāpat kā jebkurā citā nukleotīdā) satur tikai vienu fosforskābes atlikumu, un tajā nav augstas enerģijas (augstas enerģijas) saišu. ATP molekula satur trīs fosforskābes atlikumus, starp kuriem ir divas augstas enerģijas saites, tāpēc ATP var darboties kā akumulators un enerģijas nesējs.
3. Kāds ir ATP hidrolīzes process? ATP sintēze? Kāda ir ATP bioloģiskā loma?
Hidrolīzes procesā no ATP molekulas tiek noņemts viens fosforskābes atlikums (defosforilēšana). Šajā gadījumā tiek pārtraukta augstas enerģijas saite, tiek atbrīvots 40 kJ/mol enerģijas un ATP tiek pārveidots par ADP (adenozīndifosforskābi):
ATP + H 2 O → ADP + H 3 PO 4 + 40 kJ
ADP var iziet tālāku hidrolīzi (kas notiek reti), likvidējot citu fosfātu grupu un izdalot otru enerģijas “daļiņu”. Šajā gadījumā ADP tiek pārveidots par AMP (adenozīna monofosforskābi):
ADP + H 2 O → AMP + H 3 PO 4 + 40 kJ
ATP sintēze notiek fosforskābes atlikuma pievienošanas rezultātā ADP molekulai (fosforilēšana). Šis process notiek galvenokārt mitohondrijās un hloroplastos, daļēji šūnu hialoplazmā. Lai no ADP izveidotu 1 molu ATP, ir jāiztērē vismaz 40 kJ enerģijas:
ADP + H 3 PO 4 + 40 kJ → ATP + H 2 O
ATP ir universāla noliktava (akumulators) un enerģijas nesējs dzīvo organismu šūnās. Gandrīz visos bioķīmiskajos procesos, kas notiek šūnās, kurām nepieciešama enerģija, ATP tiek izmantots kā enerģijas piegādātājs. Pateicoties ATP enerģijai, tiek sintezētas jaunas olbaltumvielu, ogļhidrātu, lipīdu molekulas, tiek veikta aktīva vielu transportēšana, notiek flagellas un skropstu kustība, notiek šūnu dalīšanās, darbojas muskuļi, tiek uzturēta nemainīga ķermeņa temperatūra siltajā. asiņaini dzīvnieki utt.
4. Kādus savienojumus sauc par makroerģiskiem? Kādas funkcijas var veikt vielas, kas satur augstas enerģijas saites?
Makroerģiskās saites ir tās, kuru pārrāvums izdala lielu enerģijas daudzumu (piemēram, katras makroerģiskās ATP saites pārrāvumu pavada 40 kJ/mol enerģijas izdalīšanās). Vielas, kas satur augstas enerģijas saites, var kalpot kā baterijas, nesēji un enerģijas piegādātāji dažādiem dzīvības procesiem.
5. ATP vispārīgā formula ir C 10 H 16 N 5 O 13 P 3. Kad 1 mols ATP tiek hidrolizēts par ADP, atbrīvojas 40 kJ enerģijas. Cik daudz enerģijas izdalīsies 1 kg ATP hidrolīzes laikā?
● Aprēķiniet ATP molāro masu:
M (C10H16N5O13P3) = 12 × 10 + 1 × 16 + 14 × 5 + 16 × 13 + 31 × 3 = 507 g/mol.
● Hidrolizējot 507 g ATP (1 mol), atbrīvojas 40 kJ enerģijas.
Tas nozīmē, ka pēc 1000 g ATP hidrolīzes izdalīsies: 1000 g × 40 kJ: 507 g ≈ 78,9 kJ.
Atbilde: Kad 1 kg ATP tiek hidrolizēts līdz ADP, tiks atbrīvots aptuveni 78,9 kJ enerģijas.
6. ATP molekulas, kas marķētas ar radioaktīvo fosforu 32 R pēdējā (trešajā) fosforskābes atlikumā, tika ievadītas vienā šūnā, bet ATP molekulas, kas marķētas ar 32 R pirmajā (vistuvākajā ribozei) atlikumā, tika ievadītas otrā šūnā. Pēc 5 minūtēm abās šūnās tika izmērīts neorganiskā fosfāta jona saturs, kas iezīmēts ar 32 R. Kur tas bija lielāks un kāpēc?
Pēdējais (trešais) fosforskābes atlikums ir viegli atdalāms ATP hidrolīzes laikā, un pirmais (vistuvāk ribozei) netiek atdalīts pat divpakāpju ATP hidrolīzes laikā par AMP. Tāpēc radioaktīvā neorganiskā fosfāta saturs būs lielāks šūnā, kurā tika ievadīts ATP, kas iezīmēts pēdējā (trešā) fosforskābes atlikumā.