У тілі людини близько 70 трлн клітин. Для здорового зростання кожної їх необхідні помічники - вітаміни. Молекули вітамінів малі, та їх недолік завжди помітний. Якщо важко адаптуватися до темряви, вам потрібні вітаміни А і В2, з'явилася лупа - не вистачає B12, B6, P, довго не гояться синці - дефіцит вітаміну С. На цьому уроці ви дізнаєтеся про те, як і де в клітці зберігається і обробляється стратегічний запас вітамінів, як вітаміни активізують роботу організму, а також дізнаєтеся про АТФ - головне джерело енергії в клітині.
Тема: Основи цитології
Урок: Будова та функції АТФ
Як ви пам'ятаєте, нуклеїнові кислотискладаються з нуклеотидів. Виявилося, що в клітині нуклеотиди можуть бути у зв'язаному стані або у вільному стані. У вільному стані вони виконують низку важливих для життєдіяльності організму функцій.
До таких вільних нуклеотидамвідноситься молекула АТФабо аденозинтрифосфорна кислота(Аденозінтрифосфат). Як і всі нуклеотиди, АТФ складається з п'ятивуглецевого цукру. рибози, азотистої основи - аденіна, і, на відміну від нуклеотидів ДНК та РНК, трьох залишків фосфорної кислоти(Рис. 1).
Мал. 1. Три схематичні зображення АТФ
Найважливіша функція АТФполягає в тому, що вона є універсальним зберігачем та переносником енергіїв клітці.
Всі біохімічні реакції в клітині, які вимагають витрат енергії, як її джерело використовують АТФ.
При відокремленні одного залишку фосфорної кислоти, АТФпереходить у АДФ (аденозиндіфосфат). Якщо відокремлюється ще один залишок фосфорної кислоти (що трапляється в особливих випадках), АДФпереходить у АМФ(Аденозинмонофосфат) (рис. 2).
Мал. 2. Гідролізу АТФ та перетворення її на АДФ
При відділенні другого та третього залишків фосфорної кислоти звільняється велика кількість енергії до 40 кДж. Саме тому зв'язок між цими залишками фосфорної кислоти називають макроергічною та позначають відповідним символом.
При гідролізі звичайного зв'язку виділяється (або поглинається) невелика кількість енергії, а при гідролізі макроергічного зв'язку виділяється набагато більше енергії (40 кДж). Зв'язок між рибозою та першим залишком фосфорної кислоти не є макроергічною, при її гідролізі виділяється всього 14 кДж енергії.
Макроергічні сполуки можуть утворюватись і на основі інших нуклеотидів, наприклад ГТФ(гуанозинтрифосфат) використовується як джерело енергії в біосинтезі білка, бере участь у реакціях передачі сигналу, є субстратом для синтезу РНК у процесі транскрипції, але саме АТФ є найпоширенішим та універсальним джерелом енергії у клітині.
АТФміститься як у цитоплазмі, так і в ядрі, мітохондріях та хлоропластах.
Таким чином, ми згадали, що таке АТФ, як її функції, і що таке макроергічний зв'язок.
Вітаміни - біологічно активні органічні сполуки, які у малих кількостях необхідні утримання процесів життєдіяльності у клітині.
Вони не є структурними компонентами живої матерії, і не використовуються як джерело енергії.
Більшість вітамінів не синтезуються в організмі людини і тварин, а надходять до нього з їжею, деякі синтезуються у невеликих кількостях мікрофлорою кишечнику та тканинами (вітамін D синтезується шкірою).
Потреба людини і тварин у вітамінах не однакова і залежить від таких факторів як стать, вік, фізіологічний стан та умови довкілля. Деякі вітаміни потрібні не всім тваринам.
Наприклад, аскорбінова кислота, або вітамін С, необхідний людині та іншим приматам. Разом з тим він синтезується в організмі рептилій (моряки брали в плавання черепах, для боротьби з цингою - авітамінозом вітаміну С).
Вітаміни були відкриті наприкінці XIX століття завдяки роботам російських учених Н. І. Лунінаі В. Пашутіна,які показали, що з повноцінного харчування необхідно як наявність білків, жирів і вуглеводів, а й ще якихось інших, на той час невідомих, речовин.
1912 року польський вчений К. Функ(Рис. 3), вивчаючи компоненти лушпиння рису, що оберігає від хвороби Бері-Бері (авітаміноз вітаміну В), припустив, що до цих речовин обов'язково повинні входити амінні угруповання. Саме він запропонував назвати ці речовини вітамінами, тобто амінами життя.
Надалі було встановлено, що багато з цих речовин аміногруп не містять, але термін вітаміни добре прижився у мові науки та практики.
У міру відкриття окремих вітамінів їх позначали латинськими літерами і називали залежно від виконуваних функцій. Наприклад, вітамін Е назвали токоферол (від грец. τόκος - «дітонародження», і φέρειν - «приносити»).
Сьогодні вітаміни ділять за їх здатністю розчинятися у воді чи жирах.
До водорозчинних вітамініввідносять вітаміни H, C, P, В.
До жиророзчинних вітамініввідносять A, D, E, K(можна запам'ятати, як слово: кеда) .
Як вже було зазначено, потреба у вітамінах залежить від віку, статі, фізіологічного стану організму та довкілля. У молодому віці відзначено явну потребу у вітамінах. Ослаблений організм також потребує великих доз цих речовин. З віком здатність засвоювати вітаміни падає.
Потреба вітамінах також визначається здатністю організму їх утилізувати.
1912 року польський вчений Казимір Функотримав з лушпиння рису частково очищений вітамін B1 - тіамін. Ще 15 років знадобилося отримання цієї речовини в кристалічному стані.
Кристалічний вітамін B1 безбарвний, має гіркуватий смак і добре розчинний у воді. Тіамін знайдений як у рослинних, так і мікробних клітинах. Особливо багато його в зернових культурах та дріжджах (рис. 4).
Мал. 4. Тіамін у вигляді таблеток та в продуктах харчування
Термічна обробка харчових продуктів та різні добавки руйнують тіамін. При авітамінозі спостерігаються патології нервової, серцево-судинної та травної систем. Авітаміноз призводить до порушення водного обміну та функції кровотворення. Один із яскравих прикладів авітамінозу тіаміну – це розвиток хвороби Бері-Бері (рис. 5).
Мал. 5. Людина, яка страждає від авітамінозу тіаміну - хвороби бері-бері
Вітамін В1 широко застосовується у медичній практиці на лікування різних нервових захворювань, серцево-судинних розладів.
У хлібопеченні тіамін разом з іншим вітамінами – рибофлавіном та нікотиновою кислотою використовується для вітамінізації хлібобулочних виробів.
У 1922 році Г. Евансі А. Бішовідкрили жиророзчинний вітамін, названий ними токоферолом або вітаміном Е (дослівно: «що сприяє родам»).
Вітамін Е в чистому вигляді – масляниста рідина. Він широко поширений у злакових культурах, наприклад, у пшениці. Його багато у рослинних, тваринних жирах (рис. 6).
Мал. 6. Токоферол та продукти, які його містять
Багато вітаміну E в моркві, яйцях і молоці. Вітамін E є антиоксидантом, тобто захищає клітини від патологічного окислення, що призводить їх до старіння та загибелі. Він є вітаміном молодості. Величезне значення вітаміну для статевої системи, тому його часто називають вітаміном розмноження.
Внаслідок цього, дефіцит вітаміну Е, насамперед, призводить до порушення ембріогенезу та роботи репродуктивних органів.
Виробництво вітаміну Е засноване на виділенні його із зародків пшениці - методом спиртової екстракції та відгону розчинників при низьких температурах.
У медичній практиці використовують як природні, так і синтетичні препарати – токоферолаацетат у олії, укладений у капсулу (знаменитий «риб'ячий жир»).
Препарати вітаміну Е використовуються як антиоксиданти при опроміненнях та інших патологічних станах, пов'язаних із підвищеним вмістом в організмі іонізованих частинок та активних форм кисню.
Крім того, вітамін Е призначають вагітним жінкам, а також використовують у комплексній терапії лікування безпліддя, при м'язовій дистрофії та деяких захворюваннях печінки.
Вітамін А (рис. 7) було відкрито Н. Друммондом 1916 року.
Цьому відкриттю передували спостереження за наявністю жиророзчинного фактора їжі, необхідного для повноцінного розвитку сільськогосподарських тварин.
Вітамін А недарма посідає перше місце у вітамінному алфавіті. Він бере участь практично у всіх процесах життєдіяльності. Цей вітамін необхідний відновлення і збереження гарного зору.
Він також допомагає виробляти імунітет до багатьох захворювань, у тому числі простудних.
Без вітаміну А неможливий здоровий стан епітелію шкіри. Якщо у вас «гусяча шкіра», яка найчастіше з'являється на ліктях, стегнах, колінах, гомілках, якщо з'явилася сухість шкіри на руках або виникають інші подібні явища, це означає, що вам бракує вітаміну А.
Вітамін А, як і вітамін Е, необхідний нормального функціонування статевих залоз (гонад). При гіповітаміноз вітаміну А відмічено пошкодження репродуктивної системи та органів дихання.
Одним із специфічних наслідків нестачі вітаміну А є порушення процесу зору, зокрема зниження здатності очей до темнової адаптації. куряча сліпота. Авітаміноз призводить до виникнення ксерофтальмії та руйнування рогівки. Останній процес незворотній, і характеризується повною втратою зору. Гіпервітаміноз призводить до запалення очей та порушення волосяного покриву, втрати апетиту та повного виснаження організму.
Мал. 7. Вітамін А та продукти, які його містять
Вітаміни групи А, насамперед, містяться у продуктах тваринного походження: у печінці, у риб'ячому жирі, в олії, у яйцях (рис. 8).
Мал. 8. Вміст вітаміну А в продуктах рослинного та тваринного походження
У продуктах рослинного походження містяться каротиноїди, які в організмі людини під дією ферменту каротинази переходять у вітамін А.
Таким чином, Ви познайомилися сьогодні зі структурою та функціями АТФ, а також згадали про значення вітамінів та з'ясували, як деякі з них беруть участь у процесах життєдіяльності.
При недостатньому надходженні вітамінів у організм розвивається первинний авітаміноз. Різні продукти містять різну кількість вітамінів.
Наприклад, морква містить багато провітаміну А (каротину), капуста містить вітамін С і т. д. Звідси виникає необхідність збалансованої дієти, що включає різноманітні продукти рослинного і тваринного походження.
Авітамінозза нормальних умов харчування зустрічається дуже рідко, набагато частіше зустрічаються гіповітамінози, які пов'язані з недостатнім надходженням з їжею вітамінів
Гіповітамінозможе виникати не тільки в результаті незбалансованого харчування, але і як наслідок різних патологій з боку шлунково-кишкового тракту або печінки, або внаслідок різних ендокринних або інфекційних захворювань, що призводять до порушення всмоктування вітамінів в організмі.
Деякі вітаміни виробляються кишковою мікрофлорою (мікробіотою кишківника). Пригнічення біосинтетичних процесів внаслідок дії антибіотиківможе також призвести до розвитку гіповітамінозяк наслідки дисбактеріозу.
Надмірне вживання харчових вітамінних добавок, а також лікарських засобів, що містять вітаміни, призводить до виникнення патологічного стану. гіпервітаміноз. Особливо це характерно для жиророзчинних вітамінів, таких як A, D, E, K.
Домашнє завдання
1. Які речовини називають біологічно активними?
2. Що таке АТФ? У чому особливість будови молекули АТФ? Які типи хімічного зв'язку існують у цій комплексній молекулі?
3. Які функції АТФ у клітинах живих організмів?
4. Де відбувається синтез АТФ? Де здійснюється гідроліз АТФ?
5. Що таке вітаміни? Які їхні функції в організмі?
6. Чим вітаміни відрізняються від гормонів?
7. Які класифікації вітамінів вам відомі?
8. Що таке авітаміноз, гіповітаміноз та гіпервітаміноз? Наведіть приклади цих явищ.
9. Які захворювання можуть бути наслідком недостатнього чи надлишкового надходження вітамінів до організму?
10. Обговоріть із друзями та родичами своє меню, підрахуйте, користуючись додатковою інформацією про вміст вітамінів у різних продуктах харчування, чи достатньо вітамінів ви отримуєте.
1. Єдина колекція Цифрових Освітніх Ресурсів ().
2. Єдина колекція Цифрових Освітніх Ресурсів ().
3. Єдина колекція Цифрових Освітніх Ресурсів ().
Список літератури
1. Кам'янський А. А., Криксунов Є. А., Пасічник В. В. Загальна біологія 10-11 клас Дрофа, 2005.
2. Бєляєв Д. К. Біологія 10-11 клас. Загальна біологія. Базовий рівень. - 11-те вид., стереотип. – К.: Просвітництво, 2012. – 304 с.
3. Агафонова І. Б., Захарова Є. Т., Сивоглазов В. І. Біологія 10-11 клас. Загальна біологія. Базовий рівень. - 6-те вид., Дод. – Дрофа, 2010. – 384 с.
Циклічний аденозинмонофосфат (ЦАМФ)- похідне АТФ, що виконує в організмі роль вторинного посередника, що використовується для внутрішньоклітинного поширення сигналів деяких гормонів (наприклад, глюкагону або адреналіну), які не можуть проходити через клітинну мембрану. Перетворює ряд інертних білків на ферменти (ЦАМФ-залежні протеїнкінази), під дією яких відбувається ряд біохім. реакцій (проведення нервового імпульсу).
Освіта ЦАМФ стимулюється адреналіном.
Циклічний гуанозинмонофосфат (цГМФ) – це циклічна форма нуклеотиду, що утворюється з гуанозинтрифосфату (GTP) ферментом гуанілатциклазою. Освіта стимулюється ацетилхолін.
· ЦГМФ залучений у регуляцію біохімічних процесів у живих клітинах як вторинний посередник (вторинний месенджер). Характерно, що багато ефектів цГМФ прямо протилежні цАМФ.
· цГМФ активує G-кіназу та фосфодіестеразу, що гідролізує цАМФ.
· ЦГМФ бере участь у регуляції клітинного циклу. Від співвідношення цАМФ/цГМФ залежить вибір клітини: припинити поділ (зупинитися у фазі G0) або продовжити, перейшовши у фазу G1.
· ЦГМФ стимулює проліферацію клітин (розподіл), а цАМФ пригнічує
Аденозинтрифосфат (АТФ)- нуклеотид, утворений азотистою основою аденіном, п'ятивуглецевим цукром рибозою та трьома залишками фосфорної кислоти.Фосфатні групи у 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. Внаслідок гідролітичного відщеплення від АТФ фосфатної групи утворюється аденозиндифосфорна кислота (АДФ) та вивільняється порція енергії.
· Разом з іншими нуклеозидтрифосфатами АТФ є вихідним продуктом при синтезі нуклеїнових кислот.
· АТФ відводиться важливе місце у регуляції безлічі біохімічних процесів. Як алостеричний ефектор ряду ферментів, АТФ, приєднуючись до їх регуляторних центрів, посилює або пригнічує їх активність.
· АТФ є також безпосереднім попередником синтезу циклічного аденозинмонофосфату – вторинного посередника передачі в клітину гормонального сигналу.
· Також відома роль АТФ як медіатора в синапсах та сигнальної речовини в інших міжклітинних взаємодіях
Аденозиндіфосфат (АДФ)- Нуклеотид, що складається з аденіну, рибози та двох залишків фосфорної кислоти.АДФ бере участь в енергетичному обміні у всіх живих організмах, з нього утворюється АТФ шляхом фосфорилювання:
АДФ+H3PO4+енергія → АТФ+H2O.
Циклічне фосфорилювання АДФ і подальше використання АТФ як джерело енергії утворюють процес, що становить суть енергетичного обміну (катаболізму).
ФАД - флавінаденіндінуклеотид- кофермент, що бере участь у багатьох окисно-відновних біохімічних процесах. ФАД існує у двох формах - окисленої та відновленої, його біохімічна функція, як правило, полягає у переході між цими формами.
Нікотинамідаденіндінуклеотид (НАД) -динуклеотид складається з двох нуклеотидів, з'єднаних своїми фосфатними групами. Один з нуклеотидів як азотистий основи містить аденін, інший - нікотинамід. Нікотинамідаденіндінуклеотид існує у двох формах: окисленої (NAD) та відновленої (NADH).
· У метаболізмі NAD задіяний в окислювально-відновних реакціях, переносячи електрони з однієї реакції до іншої. Таким чином, у клітинах NAD знаходиться у двох функціональних станах: його окислена форма, NAD+, є окислювачем і забирає електрони від іншої молекули, відновлюючись у NADH, який далі служить відновником та віддає електрони.
· 1. Метаболізм білків, жирів та вуглеводів. Оскільки НАД і НАДФ є коферментами більшості дегідрогеназ, то вони беруть участь у реакціях
· При синтезі та окисленні жирних кислот,
· При синтезі холестеролу,
· обміну глутамінової кислоти та інших амінокислот,
· обміну вуглеводів: пентозофосфатний шлях, гліколіз,
· Окислювального декарбоксилювання піровиноградної кислоти,
· Цикл трикарбонових кислот.
2. НАДН виконує регулюючу функцію, оскільки є інгібітором деяких реакцій окислення, наприклад, у циклі трикарбонових кислот.
· 3. Захист спадкової інформації – НАД є субстратом полі-АДФ-рибозилювання в процесі зшивання хромосомних розривів та репарації ДНК, що уповільнює некробіоз та апоптоз клітин.
· 4. Захист від вільних радикалів – НАДФН є важливим компонентом антиоксидантної системи клітини.
В основі всіх живих процесів лежить атомно-молекулярний рух. Як дихальний процес, і клітинний розвиток, розподіл неможливі без енергії. Джерелом енергетичного постачання є АТФ, що це таке і як утворюється розглянемо далі.
Перед вивченням поняття АТФ необхідне його розшифрування. Даний термін означає нуклеозидтрифосфат, який суттєво значимий для енергетичного та речового обміну у складі організму.
Це унікальне енергетичне джерело, яке лежить в основі біохімічних процесів.Ця сполука є основним для ферментативної освіти.
АТФ було відкрито у Гарварді 1929 року. Засновниками стали вчені Гарвардської медичної школи. До них увійшли Карл Ломан, Сайрус Фіске та Йеллапрагада Суббарао. Вони виявили сполуку, яка за будовою нагадувала аденіловий нуклеотид рибонуклеїнових кислот.
Відмінною особливістю сполуки було вміст трьох залишків фосфорної кислоти замість одного. У 1941 році вчений Фріц Ліпман довів, що АТФ має енергетичний потенціал у межах клітини. Згодом було виявлено ключовий фермент, який отримав назву АТФ-синтазу. Його завдання – освіта в мітохондріях кислотних молекул.
АТФ – це енергетичний акумулятор у клітинній біології, є обов'язковим успішного здійснення біохімічних реакцій.
Біологія аденозинтрифосфорної кислоти передбачає її утворення внаслідок енергетичного обміну. Процес складається із створення 2 молекул на другій стадії. Інші 36 молекул з'являються третьому етапі.
Скупчення енергії у структурі кислоти відбувається у сполучній частині між залишками фосфору. У разі від'єднання 1 фосфорного залишку відбувається енергетичне виділення 40 кДж.
В результаті кислота перетворюється на аденозиндифосфат (АДФ). Наступне фосфатне від'єднання сприяє появі аденозинмонофосфату (АМФ).
Слід зазначити цикл рослин передбачає повторне використання АМФ і АДФ, в результаті якого відбувається відновлення цих сполук до стану кислоти. Це забезпечується процесом.
Будова
Розкриття сутності сполуки можливе після вивчення того, які сполуки входять до складу молекули АТФ.
Які сполуки входять до складу кислоти:
- 3 залишки фосфорної кислоти. Кислотні залишки поєднуються один з одним за допомогою енергетичних зв'язків нестійкого характеру. Зустрічається також за назвою ортофосфорної кислоти;
- аденін: Є азотистою основою;
- Рибоза: Являє собою пентозний вуглевод.
Входження до складу АТФ даних елементів надає їй нуклеотидну будову. Це дозволяє відносити молекулу до категорії нуклеїнових кислот.
Важливо!Внаслідок відщеплення кислотних молекул відбувається вивільнення енергії. Молекула АТФ містить 40 кДж енергії.
Освіта
Формування молекули відбувається в мітохондріях та хлоропластах. Основний момент у молекулярному синтезі кислоти – дисиміляційний процес. Дисиміляція – процес переходу складного з'єднання відносно відносно простого за рахунок руйнування.
В рамках синтезу кислоти прийнято виділяти кілька стадій:
- Підготовча. Основа розщеплення – травний процес, що забезпечується за рахунок ферментативної дії. Розпаду піддається їжа, що потрапила до організму. Відбувається жирове розкладання до жирних кислот та гліцерину. Білки розпадаються до амінокислот, крохмаль – до утворення глюкози. Етап супроводжується виділенням енергії теплового характеру.
- Безкиснева, або гліколіз. В основі лежить процес розпаду. Відбувається глюкозне розщеплення за участю ферментів, при цьому 60% енергії, що виділяється, перетворюється на тепло, решта залишається в складі молекули.
- Киснева, або гідроліз; Здійснюється усередині мітохондрій. Відбувається за допомогою кисню та ферментів. Бере участь кисень, що видихається організмом. Завершується повною. Має на увазі енергетичне виділення для формування молекули.
Існують такі шляхи молекулярної освіти:
- Фосфорилювання субстратного характеру. Засноване на енергії речовин у результаті окиснення. Превалююча частина молекули формується в мітохондріях на мембранах. Здійснюється без участі ферментів мембрани. Здійснюється в цитоплазматичній частині за допомогою гліколізу. Допускається варіант освіти з допомогою транспортування фосфатної групи з інших макроергічних сполук.
- Фосфорилювання окисного характеру. Відбувається за рахунок окисної реакції.
- Фотофосфорилювання у рослин під час фотосинтезу.
Значення
Основне значення молекули для організму розкривається через те, яку функцію виконує АТФ.
Функціонал АТФ включає такі категорії:
- Енергетичну. Забезпечує організм енергією, є енергетичною основою фізіологічних біохімічних процесів та реакцій. Відбувається за рахунок двох високоенергетичних зв'язків. Має на увазі м'язове скорочення, формування трансмембранного потенціалу, забезпечення молекулярного перенесення крізь мембрани.
- Основу синтезу. Вважається вихідною сполукою для подальшого утворення нуклеїнових кислот.
- Регулятивну. Лежить основу регуляції більшості процесів біохімічного характеру. Забезпечується за рахунок приналежності до алостеричного ефектора ферментативного ряду. Впливає на активність регуляторних центрів шляхом їхнього посилення чи придушення.
- Посередницьку. Вважається вторинною ланкою передачі гормонального сигналу в клітину. Є попередником утворення циклічного АДФ.
- Медіаторну. Є сигнальною речовиною у синапсах та інших взаємодіях клітинного характеру. Забезпечується пуринергічна сигнальна передача.
Серед перерахованих моментів чільне місце відводиться енергетичної функції АТФ.
Енергетичним обміном, або дисиміляцією, або катаболізмом, називається сукупність реакцій ферментативного розщеплення органічних сполук (білків, жирів, вуглеводів) та утворення сполук, багатих на енергію (аденозинтрифосфат та ін.) .АТФ та подібні до нього сполуки (вони називаються макроергічними) забезпечують різноманітні процеси життєдіяльності: біологічний синтез, підтримання відмінностей концентрації речовин (градієнтів) та перенесення речовин через мембрани, проведення електричних імпульсів, м'язову роботу, виділення різних секретів тощо.
Хімічна енергія поживних речовин, що надходять в організм, полягає в ковалентних зв'язках між атомами в молекулах органічних сполук. Наприклад, при розриві такого хімічного зв'язку, як пептидна, звільняється близько 12 кДж на 1 моль. У глюкозі кількість потенційної енергії, укладеної у зв'язках між атомами С, Н та О, становить 2800 кДж на 1 моль (тобто на 180 г глюкози). При розщепленні глюкози утворюються діоксид вуглецю та вода, при цьому виділяється енергія згідно з підсумковим рівнянням:
СбН 1 гОб + 6О2-ІЗН2О + 6С02 + 2800 кДж.
Частина енергії, звільненої з поживних речовин, розсіюється у формі теплоти, а частина акумулюється, тобто накопичується в багатих на енергію фосфатних зв'язках АТФ. У молекулах АТФ запасається більше половини енергії, яку можна витягти з органічних молекул при окисленні їх до Н20 і С02. Завдяки утворенню АТФ енергія перетворюється на більш зручну концентровану форму, з якої вона може легко вивільнятися. У клітині в середньому знаходиться близько 1 млрд. молекул АТФ, розпад яких (гідроліз) цо АДФ та фосфату забезпечує енергією безліч біологічних та хімічних процесів, що протікають з поглинанням енергії.
Молекула АТФ складається з азотистої основи аденіну, цукру рибози та трьох залишків фосфорної кислоти (14). Аденін, рибоза та перший фосфат утворюють аденозинмонофосфат (АМФ). Якщо до першого фосфату приєднується другий, виходить аденозиндіфосфат (АДФ). Молекула з трьома залишками фосфорної кислоти (АТФ) є найбільш енергоємною. Відщеплення кінцевого фосфату від молекули АТФ супроводжується виділенням 40 кДж енергії замість 12 кДж, що звільняються при розриві звичайних хімічних зв'язків. Завдяки багатим енергією зв'язкам в молекулі АТФ клітина може накопичувати велику кількість енергії в невеликому просторі і витрачати її при необхідності. Синтез АТФ здійснюється у спеціальних органоїдах клітини – мітохондріях.
Етапи енергетичного обміну
Енергетичний обмін зазвичай поділяють на три етапи. Перший етап – підготовчий, званий також травленням. Здійснюється він переважно поза клітин під впливом ферментів, секретируемых в порожнину травного тракту. На цьому етапі великі молекули полімерів розпадаються на мономери: білки – на амінокислоти, полісахариди – на прості цукру, жири – на жирні кислоти та гліцерин. При цьому виділяється невелика кількість енергії, що розсіюється як теплоти.
На другому етапі невеликі молекули, що утворилися в процесі травлення, надходять у клітини і піддаються подальшому розщепленню. Найбільш важливою частиною другого етапу енергетичного обміну є гліколіз – розщеплення глюкози. Гліколіз може відбуватися без кисню.
В результаті ряду послідовних ферментативних реакцій одна молекула глюкози, що містить шість атомів вуглецю, перетворюється на дві молекули піровиноградної кислоти (С3Н403), що включають по три атоми вуглецю кожна. У реакціях розщеплення глюкози беруть участь фосфорна кислота та АДФ. Пировиноградна кислота відновлюється потім до молочної кислоти (у м'язах), і сумарне рівняння виглядає так:
СбН120б+2НзР04+2АДФ-^-*2СзН6ОЗ+2АТФ+2Н20
Таким чином, розпад однієї мчелекули глюкози супроводжується утворенням двох молекул АТФ.
Анаеробне розщеплення глюкози (гліколіз) може бути основним джерелом АТФ у клітині в організмів, які не використовують молекулярного кисню або живуть за його відсутності, а також у тканинах багатоклітинних організмів, здатних працювати в анаеробних умовах (наприклад, у м'язах) під час сильних навантажень. У цих умовах молекули піровиноградної кислоти перетворюються або на молочну кислоту, як було описано вище, або на інші сполуки (в етанол і С02 в клітинах дріжджових грибів, ацетон, масляну і бурштинову кислоти у різних мікроорганізмів і т. л.).
Утворення АТФ у реакціях гліколізу відносно неефективне, оскільки його кінцеві продукти - відносно великі молекули, що містять у собі велику кількість хімічної енергії. Тому другий етап енергетичного обміну називають неповним. Цей етап носить ще назву бродіння. Вилучення енергії з органічних сполук без кисню - бродіння - поширене у природі. Більшість природних сполук, що складаються з вуглецю, водню, кисню та (або) азоту, в анаеробних умовах піддається зброджуванню. До таких сполук відносяться полісахариди, гексози, пентози, тріози, багатоатомні спирти, органічні кислоти, амінокислоти, пурини та піримідини. Продуктами зброджування вуглеводів є олійна кислота, ацетон, бутанол, пропанол та ін. Бактерії, що живуть у рубці жуйних тварин (10 9- 10 10 бактеріальних клітин в 1 мл рубцевої рідини;, розщеплюють целюлозу, що міститься в рослинних кормах, до легкозасвоюваних простих сполук - органічних кислот і спиртів.
Є речовини, які не здатні зброджуватися в анаеробних умовах. До них відносяться насичені аліфатичні та ароматичні вуглеводні, рослинні пігменти – каротиноїди та деякі інші сполуки. В аеробних умовах всі ці речовини повністю окислюються, але за відсутності кисню вони дуже стабільні. Завдяки цій стабільності вуглеводні довго зберігаються в нафтових родовищах.
Третій етап катаболізму потребує присутності молекулярного кисню і називається диханням. Розвиток клітинного дихання у аеробних мікроорганізмів і клітинах еукаріот стало можливим лише після того, як у результаті фотосинтезу в атмосфері Землі з'явився молекулярний кисень. Додавання до катаболічного процесу стадії, що здійснюється у присутності кисню, забезпечує клітини потужним та ефективним шляхом вилучення з молекул поживних речовин та енергії.
Реакції кисневого розщеплення, чи окислювального катаболізму, протікають у спеціальних органоїдах клітини - мітохондріях, куди надходять молекули піровиноградної кислоти. Після цілого ряду перетворень утворюються кінцеві продукти - С02 і Н0, які потім дифундують з клітини. Сумарне рівняння аеробного дихання виглядає так:
2СзН60г+602+36НзР04+36АДФ-^
V6CO2+6H2O+36AT0+36H2O"
Таким чином, при окисненні двох молекул молочної кислоти утворюються 36 молекул АТФ. Усього під час другого та третього етапів енергетичного обміну при розщепленні однієї молекули глюкози утворюються 38 молекул АТФ. Отже, основну роль забезпеченні клітини енергією грає аеробне дихання.
Не тільки піровиноградна кислота, а й жирні кислоти, і деякі амінокислоти надходять у мітохондрії, де перетворюються на один із проміжних продуктів окисного катаболізму. Мітохондрії – це центр, у якому витягується енергія хімічних зв'язків жирів, білків та вуглеводів. Тому мітохондрії називають енергетичними станціями клітини.
У тілі людини близько 70 трлн клітин. Для здорового зростання кожної їх необхідні помічники - вітаміни. Молекули вітамінів малі, та їх недолік завжди помітний. Якщо важко адаптуватися до темряви, вам потрібні вітаміни А і В2, з'явилася лупа - не вистачає B12, B6, P, довго не гояться синці - дефіцит вітаміну С. На цьому уроці ви дізнаєтеся про те, як і де в клітці зберігається і обробляється стратегічний запас вітамінів, як вітаміни активізують роботу організму, а також дізнаєтеся про АТФ - головне джерело енергії в клітині.
Тема: Основи цитології
Урок: Будова та функції АТФ
Як ви пам'ятаєте, нуклеїнові кислотискладаються з нуклеотидів. Виявилося, що в клітині нуклеотиди можуть бути у зв'язаному стані або у вільному стані. У вільному стані вони виконують низку важливих для життєдіяльності організму функцій.
До таких вільних нуклеотидамвідноситься молекула АТФабо аденозинтрифосфорна кислота(Аденозінтрифосфат). Як і всі нуклеотиди, АТФ складається з п'ятивуглецевого цукру. рибози, азотистої основи - аденіна, і, на відміну від нуклеотидів ДНК та РНК, трьох залишків фосфорної кислоти(Рис. 1).
Мал. 1. Три схематичні зображення АТФ
Найважливіша функція АТФполягає в тому, що вона є універсальним зберігачем та переносником енергіїв клітці.
Всі біохімічні реакції в клітині, які вимагають витрат енергії, як її джерело використовують АТФ.
При відокремленні одного залишку фосфорної кислоти, АТФпереходить у АДФ (аденозиндіфосфат). Якщо відокремлюється ще один залишок фосфорної кислоти (що трапляється в особливих випадках), АДФпереходить у АМФ(Аденозинмонофосфат) (рис. 2).
Мал. 2. Гідролізу АТФ та перетворення її на АДФ
При відділенні другого та третього залишків фосфорної кислоти звільняється велика кількість енергії до 40 кДж. Саме тому зв'язок між цими залишками фосфорної кислоти називають макроергічною та позначають відповідним символом.
При гідролізі звичайного зв'язку виділяється (або поглинається) невелика кількість енергії, а при гідролізі макроергічного зв'язку виділяється набагато більше енергії (40 кДж). Зв'язок між рибозою та першим залишком фосфорної кислоти не є макроергічною, при її гідролізі виділяється всього 14 кДж енергії.
Макроергічні сполуки можуть утворюватись і на основі інших нуклеотидів, наприклад ГТФ(гуанозинтрифосфат) використовується як джерело енергії в біосинтезі білка, бере участь у реакціях передачі сигналу, є субстратом для синтезу РНК у процесі транскрипції, але саме АТФ є найпоширенішим та універсальним джерелом енергії у клітині.
АТФміститься як у цитоплазмі, так і в ядрі, мітохондріях та хлоропластах.
Таким чином, ми згадали, що таке АТФ, як її функції, і що таке макроергічний зв'язок.
Вітаміни - біологічно активні органічні сполуки, які у малих кількостях необхідні утримання процесів життєдіяльності у клітині.
Вони не є структурними компонентами живої матерії, і не використовуються як джерело енергії.
Більшість вітамінів не синтезуються в організмі людини і тварин, а надходять до нього з їжею, деякі синтезуються у невеликих кількостях мікрофлорою кишечнику та тканинами (вітамін D синтезується шкірою).
Потреба людини і тварин у вітамінах не однакова і залежить від таких факторів як стать, вік, фізіологічний стан та умови довкілля. Деякі вітаміни потрібні не всім тваринам.
Наприклад, аскорбінова кислота, або вітамін С, необхідний людині та іншим приматам. Разом з тим він синтезується в організмі рептилій (моряки брали в плавання черепах, для боротьби з цингою - авітамінозом вітаміну С).
Вітаміни були відкриті наприкінці XIX століття завдяки роботам російських учених Н. І. Лунінаі В. Пашутіна,які показали, що з повноцінного харчування необхідно як наявність білків, жирів і вуглеводів, а й ще якихось інших, на той час невідомих, речовин.
1912 року польський вчений К. Функ(Рис. 3), вивчаючи компоненти лушпиння рису, що оберігає від хвороби Бері-Бері (авітаміноз вітаміну В), припустив, що до цих речовин обов'язково повинні входити амінні угруповання. Саме він запропонував назвати ці речовини вітамінами, тобто амінами життя.
Надалі було встановлено, що багато з цих речовин аміногруп не містять, але термін вітаміни добре прижився у мові науки та практики.
У міру відкриття окремих вітамінів їх позначали латинськими літерами і називали залежно від виконуваних функцій. Наприклад, вітамін Е назвали токоферол (від грец. τόκος - «дітонародження», і φέρειν - «приносити»).
Сьогодні вітаміни ділять за їх здатністю розчинятися у воді чи жирах.
До водорозчинних вітамініввідносять вітаміни H, C, P, В.
До жиророзчинних вітамініввідносять A, D, E, K(можна запам'ятати, як слово: кеда) .
Як вже було зазначено, потреба у вітамінах залежить від віку, статі, фізіологічного стану організму та довкілля. У молодому віці відзначено явну потребу у вітамінах. Ослаблений організм також потребує великих доз цих речовин. З віком здатність засвоювати вітаміни падає.
Потреба вітамінах також визначається здатністю організму їх утилізувати.
1912 року польський вчений Казимір Функотримав з лушпиння рису частково очищений вітамін B1 - тіамін. Ще 15 років знадобилося отримання цієї речовини в кристалічному стані.
Кристалічний вітамін B1 безбарвний, має гіркуватий смак і добре розчинний у воді. Тіамін знайдений як у рослинних, так і мікробних клітинах. Особливо багато його в зернових культурах та дріжджах (рис. 4).
Мал. 4. Тіамін у вигляді таблеток та в продуктах харчування
Термічна обробка харчових продуктів та різні добавки руйнують тіамін. При авітамінозі спостерігаються патології нервової, серцево-судинної та травної систем. Авітаміноз призводить до порушення водного обміну та функції кровотворення. Один із яскравих прикладів авітамінозу тіаміну – це розвиток хвороби Бері-Бері (рис. 5).
Мал. 5. Людина, яка страждає від авітамінозу тіаміну - хвороби бері-бері
Вітамін В1 широко застосовується у медичній практиці на лікування різних нервових захворювань, серцево-судинних розладів.
У хлібопеченні тіамін разом з іншим вітамінами – рибофлавіном та нікотиновою кислотою використовується для вітамінізації хлібобулочних виробів.
У 1922 році Г. Евансі А. Бішовідкрили жиророзчинний вітамін, названий ними токоферолом або вітаміном Е (дослівно: «що сприяє родам»).
Вітамін Е в чистому вигляді – масляниста рідина. Він широко поширений у злакових культурах, наприклад, у пшениці. Його багато у рослинних, тваринних жирах (рис. 6).
Мал. 6. Токоферол та продукти, які його містять
Багато вітаміну E в моркві, яйцях і молоці. Вітамін E є антиоксидантом, тобто захищає клітини від патологічного окислення, що призводить їх до старіння та загибелі. Він є вітаміном молодості. Величезне значення вітаміну для статевої системи, тому його часто називають вітаміном розмноження.
Внаслідок цього, дефіцит вітаміну Е, насамперед, призводить до порушення ембріогенезу та роботи репродуктивних органів.
Виробництво вітаміну Е засноване на виділенні його із зародків пшениці - методом спиртової екстракції та відгону розчинників при низьких температурах.
У медичній практиці використовують як природні, так і синтетичні препарати – токоферолаацетат у олії, укладений у капсулу (знаменитий «риб'ячий жир»).
Препарати вітаміну Е використовуються як антиоксиданти при опроміненнях та інших патологічних станах, пов'язаних із підвищеним вмістом в організмі іонізованих частинок та активних форм кисню.
Крім того, вітамін Е призначають вагітним жінкам, а також використовують у комплексній терапії лікування безпліддя, при м'язовій дистрофії та деяких захворюваннях печінки.
Вітамін А (рис. 7) було відкрито Н. Друммондом 1916 року.
Цьому відкриттю передували спостереження за наявністю жиророзчинного фактора їжі, необхідного для повноцінного розвитку сільськогосподарських тварин.
Вітамін А недарма посідає перше місце у вітамінному алфавіті. Він бере участь практично у всіх процесах життєдіяльності. Цей вітамін необхідний відновлення і збереження гарного зору.
Він також допомагає виробляти імунітет до багатьох захворювань, у тому числі простудних.
Без вітаміну А неможливий здоровий стан епітелію шкіри. Якщо у вас «гусяча шкіра», яка найчастіше з'являється на ліктях, стегнах, колінах, гомілках, якщо з'явилася сухість шкіри на руках або виникають інші подібні явища, це означає, що вам бракує вітаміну А.
Вітамін А, як і вітамін Е, необхідний нормального функціонування статевих залоз (гонад). При гіповітаміноз вітаміну А відмічено пошкодження репродуктивної системи та органів дихання.
Одним із специфічних наслідків нестачі вітаміну А є порушення процесу зору, зокрема зниження здатності очей до темнової адаптації. куряча сліпота. Авітаміноз призводить до виникнення ксерофтальмії та руйнування рогівки. Останній процес незворотній, і характеризується повною втратою зору. Гіпервітаміноз призводить до запалення очей та порушення волосяного покриву, втрати апетиту та повного виснаження організму.
Мал. 7. Вітамін А та продукти, які його містять
Вітаміни групи А, насамперед, містяться у продуктах тваринного походження: у печінці, у риб'ячому жирі, в олії, у яйцях (рис. 8).
Мал. 8. Вміст вітаміну А в продуктах рослинного та тваринного походження
У продуктах рослинного походження містяться каротиноїди, які в організмі людини під дією ферменту каротинази переходять у вітамін А.
Таким чином, Ви познайомилися сьогодні зі структурою та функціями АТФ, а також згадали про значення вітамінів та з'ясували, як деякі з них беруть участь у процесах життєдіяльності.
При недостатньому надходженні вітамінів у організм розвивається первинний авітаміноз. Різні продукти містять різну кількість вітамінів.
Наприклад, морква містить багато провітаміну А (каротину), капуста містить вітамін С і т. д. Звідси виникає необхідність збалансованої дієти, що включає різноманітні продукти рослинного і тваринного походження.
Авітамінозза нормальних умов харчування зустрічається дуже рідко, набагато частіше зустрічаються гіповітамінози, які пов'язані з недостатнім надходженням з їжею вітамінів
Гіповітамінозможе виникати не тільки в результаті незбалансованого харчування, але і як наслідок різних патологій з боку шлунково-кишкового тракту або печінки, або внаслідок різних ендокринних або інфекційних захворювань, що призводять до порушення всмоктування вітамінів в організмі.
Деякі вітаміни виробляються кишковою мікрофлорою (мікробіотою кишківника). Пригнічення біосинтетичних процесів внаслідок дії антибіотиківможе також призвести до розвитку гіповітамінозяк наслідки дисбактеріозу.
Надмірне вживання харчових вітамінних добавок, а також лікарських засобів, що містять вітаміни, призводить до виникнення патологічного стану. гіпервітаміноз. Особливо це характерно для жиророзчинних вітамінів, таких як A, D, E, K.
Домашнє завдання
1. Які речовини називають біологічно активними?
2. Що таке АТФ? У чому особливість будови молекули АТФ? Які типи хімічного зв'язку існують у цій комплексній молекулі?
3. Які функції АТФ у клітинах живих організмів?
4. Де відбувається синтез АТФ? Де здійснюється гідроліз АТФ?
5. Що таке вітаміни? Які їхні функції в організмі?
6. Чим вітаміни відрізняються від гормонів?
7. Які класифікації вітамінів вам відомі?
8. Що таке авітаміноз, гіповітаміноз та гіпервітаміноз? Наведіть приклади цих явищ.
9. Які захворювання можуть бути наслідком недостатнього чи надлишкового надходження вітамінів до організму?
10. Обговоріть із друзями та родичами своє меню, підрахуйте, користуючись додатковою інформацією про вміст вітамінів у різних продуктах харчування, чи достатньо вітамінів ви отримуєте.
1. Єдина колекція Цифрових Освітніх Ресурсів ().
2. Єдина колекція Цифрових Освітніх Ресурсів ().
3. Єдина колекція Цифрових Освітніх Ресурсів ().
Список літератури
1. Кам'янський А. А., Криксунов Є. А., Пасічник В. В. Загальна біологія 10-11 клас Дрофа, 2005.
2. Бєляєв Д. К. Біологія 10-11 клас. Загальна біологія. Базовий рівень. - 11-те вид., стереотип. – К.: Просвітництво, 2012. – 304 с.
3. Агафонова І. Б., Захарова Є. Т., Сивоглазов В. І. Біологія 10-11 клас. Загальна біологія. Базовий рівень. - 6-те вид., Дод. – Дрофа, 2010. – 384 с.
