§ 8. Макроергічні сполуки. Молекулярні мотори
У життєдіяльності клітини активну участь беруть не лише РНК і ДНК, але й окремі нуклеотиди. Особливо важливими для життєдіяльності клітин є сполуки нуклеотидів із залишками ортофосфатної кислоти. Таких залишків до нуклеотиду може приєднуватися від одного до трьох. Відповідно, й називають їх за кількістю цих залишків. Наприклад: АТФ — аденозинтрифосфат (аденозинтрифосфатна кислота), ГТФ — гуаназинтрифосфат, АДФ — аденозиндифосфат, АМФ — аденозинмонофосфат. Усі нуклеотиди, які входять до складу нуклеїнових кислот, є монофосфатами. Три- і дифосфати також відіграють важливу роль у біохімічних процесах клітин.
Велика кількість молекул АТФ утворюється в процесах клітинного дихання та фотосинтезу. Ця молекула відіграє роль універсального джерела енергії для біохімічних реакцій.
Найбільш поширеним у клітинах живих організмів є АТФ (мал. 8.1). Він бере участь у процесах росту, руху й розмноження клітин.
Мал. 8.1. Будова молекули АТФ та макроергічні зв’язки в ній
Перетворення енергії та реакції синтезу в біологічних системах
Визначна роль молекули АТФ в обміні речовин полягає в тому, що вона забезпечує енергією переважну більшість процесів, які відбуваються в клітинах. Синтез і розщеплення органічних речовин, транспорт речовин через клітинну мембрану, перенесення молекул і органел у клітині, передачі сигналу, реалізації спадкової інформації, скорочення м’язів тощо. Будь-яка хімічна реакція за участю ферменту, що потребує затрат енергії, пов’язана з відщепленням одного залишку ортофосфатної кислоти від молекули АТФ, утворенням АДФ і вивільненням енергії:
А чому саме АТФ? Тому що зв’язок залишків ортофосфатної кислоти в цій молекулі є не звичайним, а макроергічним (багатим на енергію). Для утворення цього зв’язку потрібно багато енергії, але під час його руйнування енергія виділяється у великій кількості.
Коли молекули вуглеводів, білків, ліпідів у клітинах розщеплюються, то відбувається виділення енергії. Цю енергію клітина запасає. Для цього до нуклеотидів монофосфатів (наприклад, АМФ) приєднується один або два залишки ортофосфатної кислоти, й утворюється молекула ди- або трифосфатів (відповідно, АДФ або АТФ).
Утворені зв’язки є макроергічними. Таким чином, АДФ містить один макроергічний зв’язок, а АТФ — два. Під час синтезу нових органічних сполук макроергічні зв’язки руйнуються й забезпечують відповідні процеси енергією.
Макроергічні сполуки живих організмів
АТФ належить до групи нуклеозидфосфатних макроергічних сполук. Окрім неї, до цієї групи входять такі сполуки, як ГТФ, УТФ, АДФ, циклічний АМФ (цАМФ) тощо. Для цих сполук характерна наявність як мінімум одного хімічного зв’язку, за умов утворення або розриву якого енергетичні витрати перевищують 20 кДж/моль. У хімічних формулах такі зв’язки позначають особливим знаком «~». Здебільшого макроергічні сполуки живих клітин містять фосфатну групу, яка після розриву макроергічного зв’язку може переноситися на іншу сполуку. Інші групи макроергічних сполук у клітинах представляють такі речовини, як ацетилфосфат, креатинфосфат, ацетилкоензим А (ацетил-КоА) (мал. 8.2), фосфоенолпіровиноградна кислота тощо, які виконують зазаначені функції.
Мал. 8.2. Структура молекули ацетилкоензиму А
Усі ці сполуки (АТФ, ГТФ, УТФ та інші) можуть виконувати роль посередників у передачі енергії від немакроергічних сполук до АТФ, а також бути резервом енергії в клітині.
Дізнайтеся більше
У разі пересадки кісткового мозку ДНК клітин крові буде зовсім іншим, ніж, приміром, у слині чи волоссі. Саме тому виникають труднощі в ідентифікуванні злочинців та розкритті окремих злочинів.
Ключова ідея
Макроергічними називають сполуки, які мають хімічний зв’язок, за умов утворення або розриву якого енергетичні витрати перевищують 20 кДж/ моль. До таких сполук у клітинах належать АТФ, ГТФ, креатинфосфат, ацетилКоА тощо. Найчастіше в біохімічних процесах клітин використовується АТФ, який відіграє роль універсального джерела енергії для біохімічних реакцій.
Перевірте свої знання
1. Які хімічні сполуки називають макроергічними? 2. Які функції виконує в клітинах АТФ? 3*. Чому макроергічні зв’язки є такими зручними для використання в біохімічних процесах клітини?
Мінідовідник
Відомості про органічні речовини
Структура органічної молекули на прикладі аланіну
Форми органічних молекул
Групи органічних сполук
Основні функціональні групи
Типи зв’язків у молекулі білка
Деякі зв’язки виникають між атомами елементів у молекулі речовини за рахунок спільних електронних пар. У молекулах білків наявні пептидний і дисульфідний зв’язки. Забезпечують міцні хімічні зв’язки.
Макроергічні з’єднання
Будь-який організм постійно здійснює роботу: синтез молекул, які входять до складу його клітин, поглинання ззовні необхідних йому речовин і викид різних шлаків.
Більшість організми здатні до переміщення в просторі, активного сприйняття зовнішнього світу і впливу на нього.
Для здійснення будь-якої роботи потрібна енергія. Спосіб отримання енергії пов’язаний з типом харчування, за яким групи організмів ділять на:
При всіх типах енергетичного обміну енергія запасається в живій клітині у вигляді макроергічних сполук. Це органічні сполуки, які містять багаті енергією (макроергічні) хімічні зв’язки. До них належать, наприклад, речовини, при гідролізі яких вивільняється енергії в 2-4 рази більше, ніж при гідролізі інших речовин.
До макроергічних сполук відносяться:
- аденозинтрифосфорна кислота (АТФ);
- аденозиндифосфорна кислота (АДФ);
- пірофосфат (H4P2O7);
- поліфосфати (полімери метафосфорной кислоти – (НРО3)n * Н2О)
- ряд інших з’єднань.
Найважливіше макроергічні з’єднання – АТФ.
Використовуючи енергію, укладену в макроергічних зв’язках АТФ, при дії ферментів, які переносять фосфатні групи, можна отримати інші макроергічні сполуки, наприклад:
Утворюється АТФ у процесах біологічного окислення і при фотосинтезі.
Енергія макроергічних зв’язків використовується для вчинення будь-якої роботи:
- активації сполук (наприклад, глюкози, щоб міг початися ланцюг її окисних перетворень);
- синтезу біополімерів (нуклеїнових кислот, білків, полісахаридів);
- виборчого поглинання речовин з навколишнього середовища клітини і викиду з клітини непотрібних продуктів;
- м’язового скорочення;
- відновлення активного стану організму і т. д.
Запас цих сполук дозволяє організму швидко реагувати на зміну зовнішніх умов і здійснювати фізичну роботу. При спортивному тренуванні вміст макроергічних сполук у м’язах і швидкість їх утворення зростають.
Є й інші форми запасання енергії.
- По-перше – це різниця електричних потенціалів на біологічних мембранах, яка може бути використана для синтезу макроергічних сполук і на підтримку клітини, якій доводиться витрачати енергію.
- По-друге, оскільки будь-який організм здатний окислювати вуглеводи і жири з утворенням макроергічних сполук, то можна вважати, що жирові краплі, зерна крохмалю, частки глікогену – це не тільки запаси пластичного («будівельного») матеріалу, а й запаси енергії, тільки в більш інертній і менш доступній для швидкого використання формі, ніж макроергічні сполуки.
Енергетичний обмін в організмі вивчає розділ біохімії – біоенергетика.
АТФ, поняття про макроергічний зв’язок
АТФ — універсальна макроергічна сполука, що складається із залишку аденіну, рибози та трьох залишків фосфатної кислоти. Містить два макроергічні зв’язки, є універсальним переносником енергії від місць фосфорилювання (окиснювального фосфорилювання чи фотофосфорилювання) до органел клітини, де енергія потрібна (наприклад, до рибосом для синтезу білків). АТФ АДФ АМФ. Під час перетворення 1 моль АТФ на 1 моль АДФ виділяється 40 кДж енергії та відщеплюється молекула фосфатної кислоти, а під час утворення АТФ з АДФ, навпаки, поглинається 40 кДж/моль енергії. Аналогічні процеси відбуваються під час перетворення АДФ у АМФ.
АТФ відіграє важливу роль у процесах акумуляції і перетворення енергії в біологічних системах.
Молекула АТФ
Подібно до аденіну решта азотистих основ (гуанін, тимін, цитозин, урацил) наявні в клітині у формі сполук, аналогічних до АТФ (ГТФ, ТТФ, ЦТФ, УТФ). Усі ці сполуки отримали назву нуклеозидтрифосфатів (скорочено НТФ).