Аденозинтрифосфат (АТФ) – основне джерело енергії у клітині, що у всіх важливих процесах життєдіяльності організму. Структура АТФ складається з аденіну, рибози та трьох фосфатних груп.
АДФ (аденозиндифосфат) – це молекула, отримана в результаті гідролізу АТФ, коли одна з фосфатних груп відщеплюється. Гідроліз АТФ здійснюється при скороченні м'язів, переносі енергії через клітинні мембрани та інші біологічні процеси.
Функції АТФ у клітині:
- Постачання енергії. АТФ переносить енергію, отриману від їжі, на місце її використання у клітині. Це можливо завдяки здатності АТФ до фосфорилювання на АДФ.
- Синтез та руйнування біологічних молекул. АТФ відіграє ключову роль у синтезі та руйнуванні білків, нуклеїнових кислот, ліпідів та інших органічних молекул
- Регулювання клітинних процесів. АТФ бере участь у безлічі клітинних реакцій, регулюючи активність різних ферментів та процесів зв'язку між клітинами.
АТФ знаходиться у різних частинах клітини залежно від її функцій та потреб. В основному АТФ синтезується в мітохондріях, де відбувається окислення харчових речовин з утворенням енергії. Рівень АТФ у клітині регулюється різними процесами, такими як фосфорилювання, гідроліз, перенесення енергії та окислення харчових речовин.
АТФ – енергетична молекула
АТФ складається з трьох компонентів: аденіну (азотовмісна органічна база), рибози (п'ятивуглецевий цукор) та трьох фосфатних груп.Енергія, яка отримується при гідролізі останньої фосфатної групи, укладеної між двома іншими, використовується клітиною для різних процесів, таких як активний транспорт, синтез макромолекул, моторна активність та інші енерговитратні реакції.
- Постачання енергії для клітинних процесів
- Активний транспорт
- Синтез макромолекул
- Моторна активність
- Міжклітинний зв'язок
АТФ синтезується усередині клітини внаслідок клітинного дихання. У процесі окислення харчових речовин у мітохондріях утворюється енергія у вигляді молекул АТФ. Після використання її для виконання клітинних функцій АТФ може бути регенерована в процесі фосфорилювання, коли фосфатна група знову приєднується до молекули АТФ.
АТФ відіграє важливу роль обміні енергії між клітинами організму. Вона виконує функцію універсального переносника енергії, яка передається від місця її утворення в одній клітині до місця використання в іншій. Завдяки цьому АТФ забезпечує ефективну роботу організму в цілому.
Структура АТФ
АТФ є молекулою, що складається з трьох компонентів: аденіну, рибози і трьох залишків фосфорної кислоти.
Аденін є азотистою основою, яка є одним із складових нуклеотидів ДНК та РНК.
Рибоза – п'ятивуглецевий безбарвний кристал, що входить до складу нуклеотидів і відіграє важливу роль в обміні речовин клітини.
Три залишки фосфорної кислоти утворюють динуклеотид нуклеотид і трифосфат. Вони пов'язані між собою у вигляді бондів енергетичної природи, які можуть розщеплюватися за необхідності.
Структура АТФ є дві нуклеотидні частини – аденін і рибозу, пов'язані за допомогою бонда φ-озидической. Таким чином, АТФ є нуклеотидною сполукою.
Важливо, що АТФ є основним джерелом енергії у клітині і використовується всім енерговитратних процесів.
Нуклеотиди у складі АТФ
Аденін – це азотна основа, яка є частиною структури АТФ. Аденін є одним з п'яти основ, які зустрічаються в ДНК та РНК.
Рибоза – це п'ятивуглецевий цукор, який зв'язується з аденіном та фосфатними групами. Рибоза є ключовим компонентом РНК, генетичного матеріалу, що передає інформацію від ДНК до рибосом, де відбувається синтез білка.
Фосфатні групи – це групи, що складаються з атомів фосфору та кисню. АТФ містить три фосфатні групи, пов'язані між собою високоенергетичними зв'язками. При гідролізі АТФ перша фосфатна група відщеплюється, звільняючи енергію, яка може бути використана клітиною для виконання різноманітних біологічних процесів.
АТФ є основним джерелом енергії для більшості біохімічних реакцій у клітині. Він бере участь у процесах синтезу та деградації біомолекул, передачі нервових імпульсів, скорочення м'язів, активного транспорту та багатьох інших процесах, що підтримують життєдіяльність клітини.
1. Berg, JM, Tymoczko, JL, & Gatto, GJ. (2015). Stryer's biochemistry (8th ed.). W.H. Freeman та Company.
2. Nelson, D.L., Cox, M.M. (2017). Lehninger principles of biochemistry (7th ed.). W.H. Freeman та Company.
Фосфатні групи у молекулі АТФ
Молекула аденозинтрифосфату (АТФ) складається із трьох фосфатних груп, що робить її трифосфатною молекулою. Фосфатні групи у молекулі АТФ пов'язані між собою енергетичними зв'язками високої енергії, які можуть бути легко зруйновані, звільняючи велику кількість енергії.
Фосфатні групи відіграють важливу роль у клітинному обміні енергії.Коли молекула АТФ аденілаткіназою втрачає одну з фосфатних груп, виходить фосфоангідрид аденілової кислоти, який може бути використаний для синтезу всіх необхідних клітин молекул і процесів, що вимагають енергії.
Занадто багато фосфатних груп у клітині може бути проблематично, тому клітини часто видаляють одну з фосфатних груп молекул АТФ і отримують дифосфати (ADP) або монофосфати (AMP). Потім ці молекули можуть бути перезаряджені новими групами фосфатними, щоб утворити АТФ знову.
Таким чином, фосфатні групи в молекулі АТФ є не тільки сховищем енергії, а й потрібні для синтезу інших важливих клітинних молекул та процесів, які потребують енергії.
Функції АТФ
1. Енергетична функція: АТФ є зберігачем та переносником енергії, необхідної для всіх клітинних процесів. В результаті гідролізу молекули АТФ утворюється основна енергетична одиниця, аденозиндифосфат (АДФ), і звільняється енергія, яку клітина використовує для виконання багатьох біохімічних реакцій.
2. Синтез молекул: АТФ бере участь у синтезі біологічних молекул, таких як білки, нуклеїнові кислоти та ліпіди. АТФ надає необхідну енергію для зв'язування та перенесення атомів та груп речовин між молекулами, що дозволяє клітинам зростати, розмножуватися та виконувати свої функції.
3. Моторні функції: АТФ є джерелом енергії для механічних рухів у клітині. Він активує моторні білки-мотори, такі як міозин і кінезин, які беруть участь у скороченні м'язів, перевезенні молекул і органел усередині клітини, а також у русі мікротрубочок і мікрофібрил клітинного цитоскелета.
4. Регуляторні функції: АТФ служить ключовим регулятором багатьох біохімічних шляхів та ферментативних реакцій у клітині.Він бере участь в активації та інгібуванні ферментів, контролює фосфорилювання білків, регулює обмін речовин та рівень концентрації іонів у клітині.
5. Інформаційні функції: АТФ діє як носій та передавач інформації у клітині. Він бере участь у сигнальних каскадах та обміні сигналами між клітинами. АТФ також є кофактором деяких ферментів, що дозволяє їм виконувати свою функцію та передавати сигнали всередині клітини.
Постачальник енергії у клітці
ATP має високий енергетичний потенціал, який полягає у зв'язках між фосфатними групами. Гідроліз АТФ призводить до звільнення енергії, необхідної для роботи різних ферментів та білків у клітині.
У клітині ATP зазвичай синтезується в мітохондріях під час процесу, званого окисним фосфорилуванням. Інші джерела ATP включають гліколіз та ферментативний каталіз. ATP також може бути відновлений за допомогою хімічної енергії, такої як світлова енергія у фотосинтезі.
ATP зберігається в клітині в малих кількостях з метою мінімізувати можливість гідролізу та втрати енергії. Клітина витрачає ATP практично миттєво і тому його концентрація завжди повинна бути підтримується на певному рівні.
ATP є ключовим компонентом обміну енергії у клітині і відіграє важливу роль у підтримці життєдіяльності всіх організмів, починаючи від найпростіших мікроорганізмів до складних багатоклітинних організмів, включаючи людину.
Роль у біохімічних реакціях
АТФ переносить енергію, необхідну реакцій, з місць, де вона виробляється, у місця, де вона потрібна. Наприклад, у процесі скорочення м'язів енергія, що зберігається в молекулах АТФ, використовується для стиснення клітин м'язів.Також АТФ бере участь у регуляції роботи ендергонічних реакцій, які потребують витрат енергії для ініціації та перебігу.
Однією з основних функцій АТФ є передача енергії між різними хімічними реакціями. Молекула АТФ містить хімічні зв'язки, які можуть бути легко розірвані, звільняючи енергію. Коли ці зв'язки розриваються, особливо зв'язки між фосфатними групами, звільнена енергія може бути використана іншими молекулами, щоб зробити роботу. Після того, як АТФ віддає енергію, вона утворює ADP та незалежну фосфатну групу.
Також АТФ відіграє у транспорті речовин через мембрани. Прикладом може бути транспорт складних цукрів через мембрану клітини. В даному випадку енергія, отримана з АТФ, використовується для того, щоб проштовхнути цукор через мембрану і перемістити його всередину клітини.
Розташування АТФ у клітині
Розташування АТФ усередині клітини може бути різним. Основні місця концентрації АТФ у клітині включають:
- Мітохондрії: головне місце синтезу та накопичення АТФ. Мітохондрії знаходяться у всіх клітинах організму, крім еритроцитів, і є "енергетичними заводами" клітини.
- Цитоплазма: гліколіз, процес синтезу АТФ, відбувається у цитоплазмі клітини.
- Пластиди: у рослинних клітин пластиди, особливо хлоропласти, також здатні синтезувати АТФ при фотосинтезі.
- Ядра: кілька АТФ перебуває усередині клітинних ядер.
- Мембрани: АТФ пов'язані з мембранами різних клітинних органел і грає значної ролі у багатьох клітинних процесах, як-от транспорт і синтез білка.
Загальна концентрація АТФ у клітині варіює залежно від типу клітини та її функціональної активності. Сумарна кількість АТФ у клітині становить близько 5 грамів.
Розташування АТФ у клітині є критичним чинником для правильного функціонування клітинних процесів та забезпечення енергетичних потреб організму.
Матрікс мітохондрій
Матрикс мітохондрій містить безліч молекул, включаючи транспортні білки, ферменти, аденозинтрифосфат (АТФ), молекули НАД та НАДФ, які відіграють важливу роль у процесі енергетичного обміну клітин.
У матриксі мітохондрій відбувається цикл Кребса, де піруват окислюється до вуглекислого газу з утворенням НАДН, яке потім перетворюється на АТФ в ході окислювального фосфорилювання. Крім того, матрикс мітохондрій є важливою областю обміну іонами кальцію, регулятора багатьох метаболічних процесів у клітині.
Також у матриксі мітохондрій знаходиться ДНК мітохондрій і рибосоми, що свідчить про те, що вони мають власний генетичний апарат і можуть незалежно від клітинного ядра виробляти свої власні білки.
Завдання. Сформувати знання про РНК: будову окремого нуклеотиду, з'єднання нуклеотидів в один ланцюг, види та функції РНК. Дати поняття про проміжні та кінцеві органічні молекули, дати характеристику АТФ, коротко згадати значення вітамінів і гормонів як кінцевих продуктів біосинтезу. Налаштувати на підготовку до заліку у цьому розділі. Повторити матеріал та проконтролювати знання учнів на тему «Будова та функції ДНК».
Устаткування. Демонстраційний матеріал: таблиці загальної біології, модель молекули ДНК, кодограма (додаток 1).
Повторення. Письмова робота з картками на 10 хв.
1. У молекулі ДНК Т-нуклеотидів 20%. Визначте відсотковий вміст інших видів нуклеотидів.
2. У чому подібність та відмінність між білками та ДНК?
3.Як нуклеотиди ДНК з'єднуються в один ланцюг, як два ланцюги нуклеотидів з'єднуються в одну молекулу?
Робота з карткою біля дошки: додаток 2.
Комп'ютерне тестування: Додаток 3.
Вивчення нового матеріалу. Пояснення за допомогою таблиць, кодограм (додаток 1).
Характеристика РНК. Молекули РНК є полімерами, мономерами яких є рибонуклеотиди, утворені залишками трьох речовин: п'ятивуглецевого цукру – рибози; однією з азотистих основ – з пуринових – аденіном або гуаніном, з піримідинових – урацилом або цитозином; залишком фосфорної кислоти.
Молекула РНК є нерозгалуженим полінуклеотидом, що має третинну структуру. На відміну від ДНК, вона утворена не двома, а одним полінуклеотидним ланцюжком. Однак її нуклеотиди також здатні утворювати водневі зв'язки між собою, але це всередині, а не міжланцюгові сполуки комплементарних нуклеотидів. Ланцюги РНК значно коротші за ланцюги ДНК.
Інформація про структуру молекули РНК закладена у молекулах ДНК. Послідовність нуклеотидів в РНК комплементарна кодуючого ланцюга ДНК і ідентична, за винятком заміни тиміну на урацил, що не кодує ланцюга. Якщо вміст ДНК у клітині щодо постійно, то вміст РНК сильно коливається. Найбільше РНК у клітинах спостерігається під час синтезу білка.
Існує три основні класи нуклеїнових кислот: інформаційна (матрична) РНК – іРНК (мРНК), транспортна РНК – тРНК, рибосомальна РНК – рРНК.
Інформаційна РНК. Найбільш різноманітний за розмірами та стабільністю клас. Усі вони є переносниками генетичної інформації з ядра до цитоплазми. Вони є матрицею для синтезу молекули білка, тому що визначають амінокислотну послідовність первинної структури білкової молекули.Перед іРНК припадає до 5% від загального вмісту РНК у клітині.
Транспортні РНК. Молекули транспортних РНК містять зазвичай 75-86 нуклеотидів. Молекулярна маса молекул тРНК ≈ 25 000. Молекули тРНК грають роль посередників у біосинтезі білка — вони доставляють амінокислоти до місця синтезу білка, рибосоми. У клітині міститься понад 30 видів тРНК. Кожен вид тРНК має характерну лише йому послідовність нуклеотидів. Однак у всіх молекул є кілька внутрішньомолекулярних комплементарних ділянок, завдяки наявності всіх тРНК мають третинну структуру, що нагадує формою лист конюшини.
Рибосомні РНК. Перед рибосомальних РНК (рРНК) припадає 80—85% від загального вмісту РНК у клітині. Рибосомна РНК складається з 3-5 тис. Нуклеотидів. У комплексі з рибосомними білками рРНК утворює рибосоми – органели, у яких відбувається синтез білка. Основне значення рРНК полягає в тому, що вона забезпечує початкове зв'язування іРНК та рибосоми та формує активний центр рибосоми, в якому відбувається утворення пептидних зв'язків між амінокислотами у процесі синтезу поліпептидного ланцюга.
Характеристика АТФ. Крім білків, жирів та вуглеводів у клітині синтезується велика кількість інших органічних сполук, які умовно можна розділити на проміжні та кінцеві. Найчастіше отримання певної речовини пов'язане з роботою каталітичного конвеєра (великого числа ферментів) та з утворенням проміжних продуктів реакції, на які діє наступний фермент. Кінцеві органічні сполуки виконують у клітині самостійні функції. До кінцевих речовин можна віднести амінокислоти, глюкозу, нуклеотиди, АТФ, гормони, вітаміни.
Аденозинтрифосфорна кислота (АТФ) – універсальний переносник та основний акумулятор енергії у живих клітинах. АТФ міститься у всіх клітинах рослин та тварин. Кількість АТФ коливається та в середньому становить 0,04% (на сиру масу клітини). Найбільша кількість АТФ (02-05%) міститься в скелетних м'язах.
АТФ являє собою нуклеотид, утворений залишками азотистої основи (аденіну), цукру (рибози) та фосфорної кислоти. На відміну від інших нуклеотидів АТФ містить не один, а три залишки фосфорної кислоти. АТФ відноситься до макроеергічних речовин – речовин, що містять у своїх зв'язках велика кількість енергії.
АТФ – нестабільна молекула: при відщепленні кінцевого залишку фосфорної кислоти АТФ перетворюється на АДФ (аденозиндифосфорную кислоту). Розпад може піддаватися і АДФ з утворенням АМФ (аденозинмонофосфорна кислота). Оскільки гідролітичне відщеплення кінцевих залишків потребує витрат енергії, вихід вільної енергії при відщепленні кожного кінцевого залишку становить близько 30,5 кДж. Відщеплення третьої фосфатної групи супроводжується виділенням лише 13,8 кДж. Таким чином, АТФ має два макроергічні зв'язки.
Разом з тим, за наявності в клітині вільної енергії здійснюється утворення АТФ. Синтез АТФ відбувається в основному в мітохондріях. Для утворення кожного макроергічного зв'язку потрібно 40 кДж.
Велику роль життєдіяльності багатоклітинних організмів грають вітаміни. Вітамінами вважають такі органічні сполуки, які цей організм синтезувати не може (або синтезує у недостатній кількості) і повинен отримувати їх разом із їжею. Вітаміни, поєднуючись з білками, утворюють комплекси, ферменти.При нестачі в їжі якогось вітаміну, через відсутність ферменту, порушується нормальний обмін речовин, розвивається той чи інший авітаміноз. Наприклад, нестача вітаміну С призводить до цинги, нестача вітаміну В)2 – до анемії, порушується нормальне утворення еритроцитів.
Гормони є регуляторами, які впливають роботу окремих органів прокуратури та всього організму загалом. Вони можуть мати білкову природу (гормони гіпофіза, підшлункової залози) і можуть належати до ліпідів (статеві гормони), можуть бути похідними амінокислот (тироксин). Гормони утворюються як тваринами, і рослинами.
Закріплення. Розмова. Робота учнів із зошитом та кодограмою
Завдання додому. Вивчити текст параграфа, відповісти на запитання.
Додаток 1. Кодограма до уроку
Тема: РНК, АТФ. Д. З. § 1-5
Характеристика РНК, АТФ
Будова: полімер, один полінуклеотидний ланцюг. Нуклеотид РНК складається із залишків трьох речовин:
Замість тиміна – урацил. Уридиловий нуклеотид.
p align="justify"> Між комплементарними нуклеотидами утворюються водневі зв'язки, формуються специфічні конформації молекул РНК.
Функції, що у синтезі білка.
Види: мРНК (ІРНК), тРНК, рРНК.
Матричні РНК (близько 5%). Переносять інформацію про білку з ядра до цитоплазми. Довжина до 30000 нуклеотидів.
Рибосомні РНК (близько 85%) синтезуються в ядрі в області ядерця, входять до складу рибосом. 3000 – 5000 нуклеотидів.
Транспортні РНК (близько 10%). Транспортують амінокислоти до рибосом. Понад 30 видів, 76-85 нуклеотидів.
2 . Картка для роботи біля дошки
Запишіть номери запитань, проти них правильні відповіді.
1. Де в клітинах еукаріотів міститься ДНК?
2. Які розміри ДНК?
3. Які пуринові основи входять до складу молекули ДНК?
4.Фрагмент ДНК містить 30 ТОВ нуклеотидів. Чи відбувається подвоєння ДНК, скільки вільних нуклеотидів для цього потрібно?
5. Як нуклеотиди ДНК з'єднані в один ланцюг?
6. Фрагмент ДНК містить 30 ТОВ А-нуклеотидів. Чи відбувається подвоєння ДНК, скільки А- і Т-нуклеотидів для цього потрібно?
7. Фрагмент ДНК містить 30 ТОВ А-нуклеотидів та 40 000 Ц-нуклеотидів. Скільки Т- та Г-нуклеотидів у даному фрагменті?
8. Які вчені 1953 року запропонували модель будови молекули ДНК?
9. Які функції ДНК у клітині?
10. Як розташовуються ланцюги нуклеотидів у молекулі ДНК?
Записавши відповіді, сідайте на місце.
Додаток 3. Комп'ютерне тестування
Завдання 5. «Нуклеїнові кислоти. ДНК»
**Тест 1. Де в клітинах еукаріотів міститься ДНК?
6. У комплексі Гольджі.
Тест 2. Які розміри ДНК?
1. Ширина 20 мкм, довжина до 8 див.
2. Ширина 2 мкм, довжина до 8 див.
3. Ширина 20 нм, довжина до 8 див.
4. Ширина 2 нм, довжина до 8 див.
**Тест 3. Які пуринові основи входять до складу молекули ДНК?
Тест 4. Фрагмент ДНК містить 30000 нуклеотидів. Чи відбувається подвоєння ДНК, скільки вільних нуклеотидів для цього потрібно?
Тест 5. Як нуклеотиди ДНК з'єднані до одного ланцюга?
1. Через залишок фосфорної кислоти одного нуклеотиду та 3'-атом дезоксирибози іншого.
2. Через залишок фосфорної кислоти одного нуклеотиду та азотисту основу іншого.
3. Через залишки фосфорної кислоти сусідніх нуклеотидів.
4. Через дезоксирибози сусідніх нуклеотидів.
Тест 6. Фрагмент ДНК містить 30000 А-нуклеотидів. Чи відбувається подвоєння ДНК, скільки А- і Т-нуклеотидів для цього потрібно?
1. А – 60 000, Т – 60 000.
2. А – 30 000, Т – 30 000.
3. А – 15 000, Т – 15 000.
4. Даних відповіді недостатньо.
Тест 7.Фрагмент ДНК містить 30 000 А-нуклеотидів та 40 000 Ц-нуклеотидів. Скільки Т- та Г-нуклеотидів у даному фрагменті?
1. Т – 40 000, Г – 30 000.
2. Т – 30 000, Г – 40 000.
3. Т – 60 000, Г – 80 000.
4. Даних відповіді недостатньо.
**Тест 8. Які вчені 1953 року запропонували модель будови молекули ДНК?
Тест 9. Які функції ДНК у клітині?
1. Одне з основних джерел енергії.
2. Бере участь у синтезі білків.
3. Забезпечує синтез вуглеводів та ліпідів у клітині.
4. Бере участь у зберіганні та передачі спадкової інформації.
**Тест 10. Які судження вірні?
1. Ланцюги нуклеотидів у молекулі ДНК антипаралельні.
2. Між А- і Т-нуклеотидами 2 водневі зв'язки, між Г- і Ц-нуклеотидами 3 водневі зв'язки.
3. А- та Т-нуклеотиди відносяться до піримідинових нуклеотидів.
4. До складу нуклеотидів ДНК входить цукор рибозу.
У цитоплазмі кожної клітини, а також у мітохондріях, хлоропластах та ядрах міститься аденозинтрифосфорна кислота (АТФ). Вона постачає енергію для більшості реакцій, що відбуваються у клітині. За допомогою АТФ клітина синтезує нові молекули білків, вуглеводів, жирів, позбавляється відходів, здійснює активний транспорт речовин, биття джгутиків та вій тощо.
Молекула АТФ являє собою нуклеотид, утворений азотистою основою аденіном, п'ятивуглецевим цукром рибозою та трьома залишками фосфорної кислоти. Фосфатні групи в молекулі АТФ з'єднані між собою високоенергетичними (макроергічними) зв'язками:
Зв'язки між фосфатними групами не дуже міцні, і при розриві виділяється велика кількість енергії. В результаті гідролітичного відщеплення від АТФ фосфатної групи утворюється аденозиндифосфорна кислота (АДФ) н вивільняється порція енергії:
АДФ також може піддаватися подальшому гідролізу з відщепленням ще однієї фосфатної групи та виділенням другої порції енергії; при цьому АДФ перетворюється на аденозин-монофосфат (АМФ), який далі не гідролізується:
АТФ утворюється з АДФ та неорганічного фосфату за рахунок енергії, що звільняється при окисленні органічних речовин та у процесі фотосинтезу. Цей процес називається фосфорилювання. При цьому має бути витрачено не менше 40 кДж/моль енергії, що акумулюється в макроергічних зв'язках:
Отже, основне значення процесів дихання та фотосинтезу визначається тим, що вони постачають енергію для синтезу АТФ, за участю якої у клітині виконується більша частина роботи.
Таким чином, АТФ – це головний універсальний постачальник енергії у клітинах усіх живих організмів.
АТФ надзвичайно швидко оновлюється. У людини, наприклад, кожна молекула АТФ розщеплюється і знову відновлюється 2400 разів на добу, так що її середня тривалість життя менше 1 хв. Синтез АТФ здійснюється головним чином у мітохондріях та хлоропластах (частково в цитоплазмі). АТФ, що утворилася тут, спрямовується в ті ділянки клітини, де виникає потреба в енергії.
Джерело : Н.А. Лемеза Л.В.Камлюк Н.Д. Лісов "Посібник з біології для вступників до ВНЗ"