У будь-якій клітині нашого організму протікають мільйони біохімічних реакцій. Вони каталізуються безліччю ферментів, які часто вимагають витрат енергії. Де ж клітина її бере? На це питання можна відповісти, якщо розглянути будову молекули АТФ – одного з основних джерел енергії.
АТФ – універсальне джерело енергії
АТФ розшифровується як аденозинтрифосфат, або аденозинтрифосфорная кислота. Речовина є одним з двох найбільш важливих джерел енергії в будь-якій клітині. Будова АТФ і біологічна роль тісно пов’язані. Більшість біохімічних реакцій може протікати лише за участю молекул речовини, особливо це стосується пластичного обміну. Однак АТФ рідко безпосередньо бере участь у реакції: для протікання будь-якого процесу потрібна енергія, ув’язнена саме в хімічних зв’язках аденозинтрифосфату.
Будова молекул речовини такий, що утворюються зв’язки між фосфатними групами несуть величезну кількість енергії. Тому такі зв’язки називаються макроэргическими, або макроэнергетическими (макро=багато, велика кількість). Термін макроергічні зв’язки вперше ввів вчений Ф. Ліпман, і він же запропонував використовувати піктограму для їх позначення.
Дуже важливо для клітини підтримувати постійний рівень вмісту аденозинтрифосфату. Особливо це характерно для клітин м’язової тканини і нервових волокон, тому що вони найбільш енергозалежні і для виконання своїх функцій потребують високий вміст аденозинтрифосфату.
Будова молекули АТФ
Аденозинтрифосфат складається з трьох елементів: рибозы, аденіну і залишків фосфорної кислоти.
Рибоза – вуглевод, який відноситься до групи пентоз. Це означає, що в складі рибозы 5 атомів вуглецю, які укладені в цикл. Рибоза з’єднується з аденином ?-N-глікозидного зв’язок на 1-му атомі вуглецю. Також до пентозе приєднуються залишки фосфорної кислоти на 5-му атомі вуглецю.
Аденін – азотисту основу. В залежності від того, яке азотисту основу приєднується до рибозе, виділяють також ГТФ (гуанозинтрифосфат), ТТФ (тимидинтрифосфат), ЦТФ (цитидинтрифосфат) та УТФ (уридинтрифосфат). Всі ці речовини схожі за будовою з аденозин-трифосфат і виконують приблизно такі ж функції, однак вони зустрічаються в клітці набагато рідше.
Залишки фосфорної кислоти. До рибозе може приєднатися максимально три залишку фосфорної кислоти. Якщо їх два або тільки один, то відповідно речовина називається АДФ (дифосфат) або АМФ (монофосфат). Саме між фосфорними залишками укладені макроэнергетические зв’язку, після розриву яких вивільняється від 40 до 60 кДж енергії. Якщо розриваються дві зв’язку, виділяється 80, рідше – 120 кДж енергії. При розриві зв’язку між рибозой і фосфорним залишком виділяється всього лише 13,8 кДж, тому в молекулі трифосфату тільки дві макроергічні зв’язку (Р Р Р), а в молекулі АДФ – одна (Р Р).
Ось які особливості будови АТФ. З причини того, що між залишками фосфорної кислоти утворюється макроэнергетическая зв’язок, будова та функції АТФ пов’язані між собою.
Будова АТФ і біологічна роль молекули. Додаткові функції аденозинтрифосфату
Крім енергетичної, АТФ може виконувати безліч інших функцій в клітці. Поряд з іншими нуклеотидтрифосфатами трифосфат бере участь у побудові нуклеиновый кислот. У цьому випадку АТФ, ГТФ, ТТФ, ЦТФ і УТФ є постачальниками азотистих підстав. Це властивість використовується в процесах реплікації ДНК та транскрипції.
Також АТФ необхідний для роботи іонних каналів. Наприклад, Na-K канал викачує 3 молекули натрію з клітини і вкачують 2 молекули калію в клітину. Такий струм іонів потрібен для підтримання позитивного заряду на зовнішній поверхні мембрани, і лише за допомогою аденозинтрифосфату канал може функціонувати. Те ж стосується протонних і кальцієвих каналів.
АТФ є попередником вторинного мессенжера цАМФ (циклічний аденозинмонофосфат) – цАМФ не тільки передає сигнал, отриманий рецепторами мембрани клітини, але і є аллостерическим ефекторів. Алостеричні ефектори – це речовини, які прискорюють або уповільнюють ферментативні реакції. Так, циклічний аденозинтрифосфат інгібує синтез ферменту, який каталізує розщеплення лактози в клітинах бактерії.
Сама молекула аденозинтрифосфату також може бути аллостерическим ефекторів. Причому в подібних процесах антагоністом АТФ виступає АДФ: якщо трифосфат прискорює реакцію, то дифосфат загальмовує, і навпаки. Такі функції і будова АТФ.
Як утворюється АТФ у клітині
Функції і будова АТФ такі, що молекули речовини швидко використовуються і руйнуються. Тому синтез трифосфату – це важливий процес утворення енергії в клітині.
Виділяють три найбільш важливих способу синтезу аденозинтрифосфату:
1. Субстратне фосфорилювання.
2. Окислювальне фосфорилювання.
3. Фотофосфорилирование.
Субстратне фосфорилювання засноване на численних реакціях, що протікають в цитоплазмі клітини. Ці реакції отримали назву гліколізу – анаеробний етап аеробного дихання. В результаті 1 циклу гліколізу з 1 молекули глюкози синтезується дві молекули піровиноградної кислоти, які далі використовуються для отримання енергії, і також синтезуються два АТФ.
- З6Н12О6 + 2АДФ + 2Фн –> 2С3Н4O3 + 2АТФ + 4Н.
Окислювальне фосфорилювання. Дихання клітини
Окисне фосфорилювання – це утворення аденозинтрифосфату шляхом передачі електронів по електронно-транспортному ланцюзі мембрани. У результаті такої передачі формується градієнт протонів на одній із сторін мембрани і з допомогою білкового інтегрального комплекту АТФ-синтази йде побудова молекул. Процес протікає на мембрані мітохондрій.
Послідовність стадій гліколізу та окисного фосфорилювання в мітохондріях складає загальний процес під назвою дихання. Після повного циклу з 1 молекули глюкози в клітині утворюється 36 молекул АТФ.
Фотофосфорилирование
Процес фотофосфорилирования – це те ж окисне фосфорилювання лише з однією відмінністю: реакції фотофосфорилирования протікають в хлоропластах клітини під дією світла. АТФ утворюється під час світлової стадії фотосинтезу – основного процесу одержання енергії зелених рослин, водоростей і деяких бактерій.
В процесі фотосинтезу все з тієї ж електронно-транспортного ланцюга проходять електрони, внаслідок чого формується протонний градієнт. Концентрація протонів на одній із сторін мембрани є джерелом синтезу АТФ. Збірка молекул здійснюється за допомогою ферменту АТФ-синтази.
Цікаві факти про АТФ
– У середньостатистичної клітці міститься 0,04% аденозинтрифосфату від усієї маси. Проте найбільше значення спостерігається у м’язових клітинах: 0,2-0,5%.
– У клітці близько 1 млрд молекул АТФ.
– Кожна молекула живе не більше 1 хвилини.
– Одна молекула аденозинтрифосфату оновлюється в день 2000-3000 раз.
– В сумі за добу організм людини синтезує 40 кг аденозинтрифосфату, і в кожен момент часу запас АТФ становить 250 р.
Висновок
Будова АТФ і біологічна роль його молекул тісно пов’язані. Речовина відіграє ключову роль у процесах життєдіяльності, адже в макроергічних зв’язках між фосфатними залишками міститься величезна кількість енергії. Аденозинтрифосфат виконує безліч функцій в клітці, і тому важливо підтримувати постійну концентрацію речовини. Розпад і синтез йдуть з великою швидкістю, оскільки енергія зв’язків постійно використовується в біохімічних реакціях. Це незамінний речовина будь-якої клітини організму. Ось, мабуть, і все, що можна сказати про те, яку будову має АТФ.
