Що таке АТФ?

Безперечно, найважливішою молекулою в нашому організмі з точки зору виробництва енергії являється АТФ (аденозинтрифосфат: аденіловий нуклеотид, що містить три залишки фосфорної кислоти і утворюється в мітохондріях).

Насправді, кожна клітина нашого організму зберігає і використовує енергію для біохімічних реакцій за допомогою АТФ, таким чином, АТФ може вважатися універсальною валютою біологічної енергії. Усі живі істоти потребують безперервного енергопостачання для підтримки синтезу білку і ДНК, метаболізму і транспорту різних іонів і молекул, підтримки життєдіяльності організму. М’язові волокна в ході силових тренувань також вимагають легкодоступної енергії. Як уже згадувалося, енергію для усіх цих процесів поставляє АТФ. Проте для того, щоб сформувати АТФ, нашим клітинам потрібно сировину. Люди отримують цю сировину через калорії за допомогою окислення споживаної їжі. Для отримання енергії, ця їжа спочатку має бути перероблена в легко використовувану молекулу – АТФ.

Перед використанням молекула АТФ повинна пройти через декілька фаз.

Спочатку за допомогою спеціального коензиму відділяється один з трьох фосфатів (кожен з яких містить десять калорій енергії), завдяки чому вивільняється велика кількість енергії і формується продукт реакції аденозиндифосфат (АДФ). Якщо потрібно більше енергії, то відділяється наступна фосфатна група, формуючи аденозинмонофосфат (АМФ).

АТФ + H2O —> АДФ + H3PO4 + енергія
АТФ + H2O –> АМФ + H4P2O7 + енергія

Коли швидке виробництво енергії не потрібно, відбувається зворотна реакція – за допомогою АДФ, фосфагену і глікогену фосфатна група знову приєднується до молекули, завдяки чому формується АТФ. Цей процес включає перенесення вільних фосфатів до інших речовин, що містяться в м’язах, до яких відносяться глюкоза і креатин. При цьому із запасів глікогену береться і розщеплюється глюкоза.

Отримана з цієї глюкози енергія допомагає знову перетворювати глюкозу в її первинну форму, після чого вільні фосфати знову можуть бути приєднані до АДФ для формування нового АТФ. Після завершення циклу знову створений АТФ готовий до наступного використання.

По суті АТФ працює, як молекулярна батарея, зберігаючи енергію, коли вона не потрібна, і вивільняючи у разі потреби. Дійсно, АТФ схожий на батарею, що повністю перезаряджається.

Структура АТФ

Молекула АТФ складається з трьох компонентів:

Рибоза (той же самий п’ятивуглецевий цукор, що формує основу ДНК)
Аденин (сполучені атоми вуглецю і азоту)
Трифосфат

Молекула рибози розташовується в центрі молекули АТФ, край якої служить базою для аденозину.
Ланцюжок з трьох фосфатів розташовується з іншого боку молекули рибози. АТФ насичує довгі, тонкі волокна, що містять білок міозин, який формує основу наших м’язових клітин.

Збереження АТФ

У організмі середньої дорослої людини щодня використовується близько 200-300 молі АТФ (моль – це хімічний термін, що означає кількість речовини в системі, в якій міститься стільки елементарних часток, скільки атомів вуглецю міститься в 0,012 кг ізотопу вуглецю-12). Загальна кількість АТФ в організмі в кожен окремо взятий момент складає 0,1 молі. Це означає, що АТФ повинен повторно використовуватися 2000-3000 разів впродовж дня. АТФ не може бути збережений, тому рівень його синтезу майже відповідає рівню споживання.

Системи АТФ

Зважаючи на важливість АТФ з енергетичної точки зору, а також із-за його широкого використання у організму є різні способи виробництва АТФ. Це три різні біохімічні системи.

Розглянемо їх по порядку:

Фосфагенна система
Система глікогену і молочної кислоти
Аеробне дихання

Фосфагенна система

Коли м’яз чекає короткий, але інтенсивний період активності (близько 8-10 секунд), використовується фосфагенна система – АТФ з’єднується з креатинфосфатом. Фосфагенна система забезпечує постійну циркуляцію невеликої кількості АТФ в наших м’язових клітинах.
М’язові клітини також містять високоенергетичний фосфат – фосфат креатину, який використовується для відновлення рівня АТФ після короткочасної, високо інтенсивної активності. Ензим креатинкіназа віднімає фосфатну групу у креатину фосфату і швидко передає її АДФ для формування АТФ. Отже, м’язова клітина перетворює АТФ на АДФ, а фосфаген швидко відновлює АДФ до АТФ. Рівень креатину фосфату починає знижуватися вже через 10 секунд високо інтенсивної активності, і рівень енергії падає. Прикладом роботи фосфагенної системи є, наприклад, спринт на 100 метрів.

Система глікогену і молочної кислоти

Система глікогену і молочної кислоти забезпечує організм енергією в повільнішому темпі, ніж фосфагенна система, хоча і працює відносно швидко і надає досить АТФ приблизно для 90 секунд високо інтенсивної активності. У цій системі молочна кислота утворюється з глюкози в м’язових клітинах в результаті анаеробного метаболізму.

Враховуючи той факт, що в анаеробному стані організм не використовує кисень, ця система дає короткочасну енергію без активації кардіо-респіраторної системи точно так, як і аеробна система, але із заощадженням часу. Більше того, коли в анаеробному режимі м’язи працюють швидко, могутньо скорочуються, вони перекривають вступ кисню, оскільки судини виявляються стислими.

Цю систему ще іноді називають анаеробним диханням, і хорошим прикладом в даному випадку послужить 400-метровий спринт.

Аеробне дихання

Якщо фізична активність триває більше двох хвилин, в роботу включається аеробна система, і м’язи отримують АТФ спочатку з вуглеводів, потім з жирів і нарешті з амінокислот (білків). Білок використовується для отримання енергії в основному в умовах голоду (дієти в деяких випадках).
При аеробному диханні виробництво АТФ проходить найповільніше, але енергії виходить досить, щоб підтримувати фізичну активність упродовж декількох годин. Це відбувається тому, що при аеробному диханні глюкоза розпадається на діоксид вуглецю і воду, не випробовуючи протидії з боку молочної кислоти в системі глікогену і молочної кислоти. Глікоген (накопичувана форма глюкози) при аеробному диханні поставляється з трьох джерел:

Всмоктування глюкози з їжі в шлунково-кишковому тракті, яка через систему кровообігу потрапляє в м’язи.

Залишки глюкози в м’язах

Розщеплювання глікогену печінки до глюкози, яка через систему кровообігу потрапляє в м’язи.

Висновок

Якщо ви коли-небудь замислювалися над тим, звідки у нас береться енергія для виконання різноманітних видів активності за різних умов, то відповіддю буде – в основному за рахунок АТФ. Ця складна молекула надає допомогу в перетворенні різних харчових компонентів в легко використовувану енергію.

Без АТФ наш організм просто не зміг би функціонувати. Таким чином, роль АТФ у виробництві енергії багатогранна, але в той же час проста.

Інші статті по темі :

Аденозинтрифосфат (atp): визначення, структура та функція

АТФ (аденозинтрифосфат) – це органічна молекула, яка знаходиться в живих клітинах. Організми повинні бути здатні рухатися, відтворюватися і знаходити харчування.

Ці дії забирають енергію і ґрунтуються на хімічних реакціях всередині клітин, що складають організм. Енергія для цих клітинних реакцій надходить від молекули АТФ.

Це переважне джерело палива для більшості живих істот і його часто називають “молекулярною одиницею валюти”.

Структура АТФ

Молекула АТФ складається з трьох частин:

1. Модуль аденозину являє собою азотисту основу, що складається з чотирьох атомів азоту та групи NH2 на магістралі вуглецевих сполук.
2. Група рибози – це п’ятивуглецевий цукор в центрі молекули.
3. Фосфатні групи вишикуються і зв’язані атомами кисню на далекій стороні молекули, подалі від аденозинової групи.

Енергія зберігається у зв’язках між фосфатними групами. Ферменти можуть відокремлювати одну або дві групи фосфатів, вивільняючи накопичену енергію та паливні дії, такі як скорочення м’язів. Коли АТФ втрачає одну фосфатну групу, вона перетворюється на АДФ або аденозиндифосфат. Коли АТФ втрачає дві фосфатні групи, він змінюється на АМФ або аденозинмонофосфат.

Як клітинна респірація виробляє АТФ

Процес дихання на клітинному рівні має три фази.

На перших двох фазах молекули глюкози розщеплюються і утворюється CO2. У цей момент синтезується невелика кількість молекул АТФ. Більша частина АТФ створюється під час третьої фази дихання через білковий комплекс, який називається АТФ-синтазою.

Кінцева реакція в цій фазі поєднує половину молекули кисню з воднем для отримання води. Детальна реакція кожної фази полягає в наступному:

Гліколіз

Шість-вуглецева молекула глюкози отримує дві фосфатні групи з двох молекул АТФ, перетворюючи їх на АДФ. Шести вуглецевий фосфат глюкози розпадається на дві три вуглецеві молекули цукру, у кожній з яких приєднана фосфатна група.

Під дією коферменту НАД + молекули цукрового фосфату перетворюються на тривуглецеві піруватні молекули. Молекула NAD + перетворюється на NADH, а молекули АТФ синтезуються з АДФ.

Цикл Кребса

Цикл Кребса також називають циклом лимонної кислоти, і він завершує розпад молекули глюкози при одночасному генеруванні більшої кількості молекул АТФ. Для кожної групи піруватів одна молекула НАД + окислюється до НАДН, а коензим А доставляє ацетильну групу до циклу Кребса, вивільняючи молекулу вуглекислого газу.

За кожен поворот циклу через лимонну кислоту та її похідні цикл виробляє чотири молекули НАДГ на кожен вхід пірувату. При цьому молекула FAD приймає два водню та два електрони, щоб стати FADH2, і вивільняються ще дві молекули вуглекислого газу.

Нарешті, одна молекула АТФ виробляється за один виток циклу.

Оскільки кожна молекула глюкози виробляє дві вхідні групи пірувату, для метаболізації однієї молекули глюкози потрібні два витки циклу Кребса. Ці два обороти утворюють вісім молекул НАДГ, дві молекули FADH2 та шість молекул вуглекислого газу.

Електронна транспортна ланцюг

Заключною фазою клітинного дихання є ланцюг транспорту електронів або ETC. Ця фаза використовує кисень та ферменти, вироблені циклом Кребса, для синтезу великої кількості молекул АТФ у процесі, який називається оксидативним фосфорилюванням. NADH та FADH2 спочатку дарують електрони ланцюгу, і ряд реакцій накопичує потенційну енергію для створення молекул АТФ.

По-перше, молекули NADH стають НАД +, оскільки вони дарують електрони для першого білкового комплексу ланцюга. Молекули FADH2 передають електрони та водень до другого білкового комплексу ланцюга і стають FAD. Молекули NAD + і FAD повертаються в цикл Кребса як вхідні дані.

Коли електрони рухаються вниз по ланцюгу в серії відновлення і окислення, або окислювально-відновлювальних реакцій, звільнена енергія використовується для перекачування білків через мембрану, або клітинну мембрану прокаріотів, або мітохондрії для еукаріотів.

Коли протони дифундують назад по мембрані через білковий комплекс, який називається АТФ-синтазою, енергія протона використовується для приєднання додаткової фосфатної групи до АДФ, створюючи молекули АТФ.

Скільки АТФ виробляється на кожній фазі клітинного дихання?

АТФ виробляється на кожному етапі клітинного дихання, але перші два етапи зосереджені на синтезі речовин для використання третьої стадії, де відбувається основна маса вироблення АТФ.

Гліколіз спочатку використовує дві молекули АТФ для розщеплення молекули глюкози, але потім створює чотири молекули АТФ для чистого збільшення двох. Цикл Кребса дав ще дві молекули АТФ для кожної використовуваної молекули глюкози. Нарешті, ETC використовує донори електронів з попередніх стадій для отримання 34 молекул АТФ.

Таким чином, хімічні реакції клітинного дихання дають 38 молекул АТФ для кожної молекули глюкози, яка вступає в гліколіз.

У деяких організмах дві молекули АТФ використовуються для перенесення НАДГ з реакції гліколізу в клітині в мітохондрії. Загальна продукція АТФ для цих клітин становить 36 молекул АТФ.

Чому клітинам потрібен АТФ?

Як правило, клітинам необхідний АТФ для отримання енергії, але існує кілька способів використання потенційної енергії з фосфатних зв’язків молекули АТФ. Найважливіші особливості ATP:

• Його можна створити в одній клітині і використовувати в іншій.
• Це може допомогти розбитись і створити складні молекули.
• Його можна додавати в органічні молекули, щоб змінити свою форму. Всі ці особливості впливають на те, як клітина може вживати різні речовини.

Зв’язок третьої фосфатної групи є найбільш енергійним, але залежно від процесу фермент може розірвати одну або дві фосфатні зв’язки. Це означає, що фосфатні групи тимчасово приєднуються до молекул ферменту, і утворюється або АДФ, або АМФ. Молекули АДФ і АМФ пізніше повертаються до АТФ під час клітинного дихання.

Молекули ферменту переносять фосфатні групи в інші органічні молекули.

Які процеси використовують АТФ?

АТФ знаходиться в живих тканинах, і він може перетинати клітинні мембрани, щоб доставити енергію там, де організми цього потребують. Три приклади використання АТФ – синтез органічних молекул, що містять фосфатні групи, реакції, полегшені АТФ, та активний транспорт молекул по мембранах. У кожному випадку АТФ вивільняє одну або дві його фосфатні групи, щоб дозволити процес.

Наприклад, молекули ДНК та РНК складаються з нуклеотидів, які можуть містити фосфатні групи. Ферменти можуть відокремлювати фосфатні групи від АТФ і додавати їх до нуклеотидів у міру необхідності.

Для процесів, що включають білки, амінокислоти або хімічні речовини, використовувані для скорочення м’язів, АТФ може приєднувати фосфатну групу до органічної молекули. Фосфатна група може видалити частини або допомогти внести доповнення до молекули, а потім вивільнити її після зміни. У м’язових клітинах така дія здійснюється при кожному скороченні м’язової клітини.

При активному транспорті АТФ може перетинати мембрани клітин і приносити з собою інші речовини. Він також може приєднувати фосфатні групи до молекул, щоб змінити свою форму і дозволити їм проходити через клітинні мембрани. Без АТФ ці процеси припиняться, і клітини вже не зможуть функціонувати.

Клітинна мембрана: визначення, функція, структура та факти

Клітинна мембрана (її також називають цитоплазматичною або плазматичною мембраною) є охоронцем вмісту біологічної клітини і захисником молекул, що входять і виходять з неї. Він чудово складається з ліпідного шару. Рух по мембрані передбачає активний і пасивний транспорт.

Клітинна стінка: визначення, структура та функція (із діаграмою)

Клітинна стінка забезпечує додатковий шар захисту поверх клітинної мембрани. Він міститься в рослинах, водоростях, грибах, прокаріот і еукаріот. Клітинна стінка робить рослини жорсткими і менш гнучкими. Він складається насамперед з вуглеводів, таких як пектин, целюлоза та геміцелюлоза.

Центросома: визначення, структура та функція (із діаграмою)

Центросома – це частина майже всіх рослинних і тваринних клітин, що включає пару центріол, що представляють собою структури, що складаються з масиву з дев’яти мікротрубочок триплетів. Ці мікротрубочки відіграють ключову роль як у цілісності клітин (цитоскелет), так і у поділі та розмноженні клітин.