АТФ. Будова та функції

До складу молекули аденозинтрифосфату (АТФ, аденозинтрифосфорної кислоти) входять:

• аденін (ставиться до пуринових основ),
• рибоза (п'ятивуглецевий цукор, відноситься до пентоз);
• три фосфатні групи (залишки фосфорної кислоти).

На відміну від полімерних молекул нуклеїнових кислот (ДНК і РНК) молекула АТФ є мономером, подібним до одного нуклеотиду, що входить до складу РНК. При цьому АТФ - органічна речовина, оскільки характерно для живих організмів і синтезується в них.

АТФ схильний гідролізу (реакція приєднання води), при якому відбувається відщеплення кінцевих фосфатних груп, та виділяється енергія, що йде різні клітинні процеси (синтез інших органічних речовин, їх транспорт, рух органоїдів і клітини, терморегуляцію та інших.).

Зазвичай відщеплюється лише кінцевий фосфат, рідше другий. В обох випадках кількість енергії досить велика (близько 40 кДж/моль, за різними джерелами кількість енергії, що виділяється, становить від 30 до 60 кДж/моль). Якщо відбувається відщеплення третьої групи, виділяється лише близько 13 кДж. Тому кажуть, що в молекулі АТФ два останні фосфати пов'язані. макроергічної (високоенергетичним) зв'язком, який позначають знаком «~». Таким чином, будову АТФ можна виразити формулою:

Аденін - Рибоза - Ф ~ Ф ~ Ф

При відщепленні від АТФ (аденозинтрифосфату) одного залишку фосфорної кислоти утворюється АДФ (аденозиндифосфат).

АДФ - це аденозиндифосфат, який містить вже два залишки фосфорної кислоти. Найчастіше до нього потім знову приєднується фосфат із утворенням АТФ:

Ця реакція йде з поглинанням енергії, накопичення якої відбувається в результаті рада ферментативних реакцій та процесів перенесення іонів (в основному в матриксі та на внутрішній мембрані мітохондрій). Зрештою енергія акумулюється в фосфатній групі, що приєднується до АДФ.

Однак від АДФ може відщепитися ще один фосфат, пов'язаний макроергічної зв'язком, при цьому утворюється АМФ (аденозинмонофосфату). АМФ входить до складу РНК. Звідси ще одна функція аденозинтрифосфорної кислоти - вона є джерелом сировини для синтезу ряду органічних сполук.

Головна функція аденозинтрифосфату в клітині полягають у тому, що він є для неї універсальною формою для запасу енергії, що вивільняється при диханні, коли АДФ шляхом фосфорилювання перетворюється на АТФ. Така універсальність дозволяє всім процесам, що у клітині з поглинанням енергії, мати однаковий «хімічний механізм» прийому енергії від АТФ. Мобільність АТФ дозволяє доставляти енергію до будь-якої ділянки клітини.

Більшість молекул АТФ утворюється в мітохондріях у реакціях клітинного дихання. У клітинах постійно йде синтез та розпад великої кількості молекул аденозинтрифосфорної кислоти.

АТФ утворюється у процесі клітинного дихання. Також він синтезується у хлоропластах рослин, у м'язових клітинах за допомогою креатинфосфату.

Крім енергетичної ролі, аденозинтрифосфат виконує ряд інших функцій. Він використовується поряд з іншими нуклеозидтрифосфатами (гуанозідтріфосфатом) як сировина при синтезі нуклеїнових кислот, входить до складу ряду ферментів та ін.

Синтез та розпад АТФ у клітині відбувається постійно і у великих кількостях.

Фосфорна біохімія

Фосфор необхідний всім живим істотам, і всі вони набувають його у формі ортофосфорної кислоти Н₃РВ₄ чи її похідних. Більшість фосфору в живих клітинах вбудована в різні органічні сполуки. Якщо говорити про рослини, частка органічного фосфору в них становить 85—95%, частка, що залишилася, припадає на фосфати — мінеральні солі ортофосфорної кислоти. Загальна кількість фосфору в живих організмах невелика, у рослинах – лише 1% сухої ваги. Але досить одного погляду на ті молекули, до складу яких він входить, щоб зрозуміти, що без фосфору життя просто неможливе.

Наприклад, фосфор потрібен для синтезу ДНК та РНК, дезоксирибонуклеїнової та рибонуклеїнової кислот. І та, й інша – полімери, зібрані з нуклеотидів. У свою чергу, нуклеотиди являють собою тричастинні молекули, що складаються з азотистої основи, вуглеводу та залишків фосфорної кислоти. Азотисті основи — це самі літери, у тому числі складається генетичний код. Їх лише чотири - аденін (А), тимін (Т), гуанін (Г), цитозин (Ц); в РНК замість тиміну використовується урацил (У). Вуглевод у нуклеотидах - це рибоза в РНК або дезоксирибозу в ДНК. Між собою нуклеотиди ДНК і РНК з'єднуються через залишок фосфорної кислоти: кожен залишок фосфорної кислоти з'єднаний з двома вуглеводами, від попереднього нуклеотиду і наступного. Іншими словами, дезоксирибози (або рибози) разом з фосфорною кислотою утворюють сахарофосфатний кістяк нуклеїнової кислоти.

Продовження статті читайте у номері журналу

Синтез АТФ

АТФ - скорочена назва аденозинтрифосфорної кислоти. У хімічних зв'язках цієї речовини запасається енергія.Молекули АТФ транспортуються у ті частини клітини та органи цілісного організму, де посилено витрачаються енергетичні запаси. Постійний синтез АТФ забезпечує потреби у енергії, яка потрібна на зростання, розвитку та інших процесів життєдіяльності.

Склад та значення

Що таке АТФ? Речовина містить аденозин - азотисту основу аденін (А), пов'язану з моносахаридом рибозою. Аденозин в АТФ утримує 3 залишки фосфорної кислоти (Ф) - Н₃РВ₄. Аденозинмонофосфорна кислота (АМФ) містить 1 залишок фосфорної кислоти_, аденозиндифосфорна кислота (АДФ) 2 залишки Н₃РВ₄.

В результаті реакцій, що відбуваються в клітині, запасається багато енергії (Е) між залишками фосфорної кислоти.

Зв'язки між киснем та фосфором у АТФ називають макроергічними. В одній молекулі АТФ два такі зв'язки. АТФ у реакціях віддає лише одну молекулу Н₃РВ₄ і перетворюється на АДФ. При відщепленні залишку фосфорної кислоти вивільняється близько 30 кДж/моль енергії.

Синтез у хлоропластах

Органели рослинної клітини, де відбувається синтез АТФ, – хлоропласти. Світло наводить електрон у складі реакційного центру хлорофілу у збуджений стан, а потім він переміщається ланцюжком переносників електронів. Далі здійснюється перенесення електрона за допомогою ферменту редуктази на НАДФ + відновлення цієї речовини до НАДФ Н (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат).

Мал. 1. Схема світлової фази фотосинтезу.

Окислену форму НАДФ позначають знаком "+", у відновленій додають Н (водень). НАДФ є акумулятором енергії синтезу АТФ. Енергія збудженого електрона потрібна для фосфорилювання АДФ та утворення АТФ за участю АТФ-синтетази.Приєднується залишок фосфорної кислоти та утворюється макроергічний зв'язок. Частина електронів використовують для відновлення окисленої форми НАДФ.

Гліколіз

АТФ у цитоплазмі прокаріотів та еукаріотів утворюється в процесі гліколізу – ферментативного окислення глюкози. Акцепторами електронів у реакціях є молекули НАД + (НАДФ без залишку фосфорної кислоти). Дві молекули НАД + відновлюються до НАД. Н, запасена у яких енергія використовується для синтезу 6 молекул АТФ.

Загалом у процесі безкисневого розщеплення глюкози (гліколізу) виникає 8 молекул АТФ.

АТФ утворюється в бактеріальних клітинах, які містять хлорофіл. Початковим джерелом енергії є хімічні реакції окислення неорганічних речовин: сірководню, аміаку, діоксиду заліза.

Синтез у мітохондріях

Місцем, де синтезується АТФ, є також мітохондрії. Основна функція «енергетичних станцій» клітини – здійснення ферментативних реакцій циклу Кребса та окисне фосфорилювання. Коротко цикл Кребса можна описати так: вихідний матеріал - піровиноградна кислота та молекули ацетилкоферменту А, що виникають при окисленні глюкози, жирних кислот та амінокислот. Енергію запасають молекули НАД Н та ФАД Н₂ (Флавінаденіндінуклеотид).

Мал. 3. Схема циклу Кребса.

Наступний етап - окисне фосфорилювання (реакції за участю кисню). Енергія, запасена в молекулах НАД Н та ФАД Н₂ в процесі гліколізу та циклу Кребса, використовується для синтезу АТФ з АДФ. Усього при окисленні однієї молекули глюкози у присутності кисню виділяється енергія, яку запасають 38 молекул АТФ.

Що ми дізналися?

У світлову фазу фотосинтезу утворюються молекули АТФ та НАДФ. Н необхідні для біосинтезу органічних сполук. АТФ у хлоропластах рослин запасають енергію, яку використовують самі рослини, тварини та людина. У мітохондріях клітин всіх організмів протікають реакції відновлення та окислення, в результаті яких з однієї молекули глюкози синтезуються 38 молекул АТФ. Отримані знання про синтез АТФ допоможуть краще вивчити біологію у 9–10 класах та підготуватися до ЄДІ.