В теле человека около 70 триллионов клеток. Для здорового роста каждой из них необходимы помощники - витамины. Молекулы витаминов малы, но их недостаток всегда заметен. Если тяжело адаптироваться к темноте, вам нужны витамины А и В2, появилась перхоть - не хватает B12, B6, P, долго не заживают синяки - дефицит витамина С. На этом уроке вы узнаете о том, как и где в клетке хранится и обрабатывается стратегический запас витаминов, как витамины активизируют работу организма, а также узнаете об АТФ - главном источнике энергии в клетке.
Тема: Основы цитологии
Урок: Строение и функции АТФ
Как вы помните, нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидов . Оказалось, что в клетке нуклеотиды могут находиться в связанном состоянии или в свободном состоянии. В свободном состоянии они выполняют ряд важных для жизнедеятельности организма функций.
К таким свободным нуклеотидам относится молекула АТФ или аденозинтрифосфорная кислота (аденозинтрифосфат). Как и все нуклеотиды, АТФ состоит из пятиуглеродного сахара - рибозы , азотистого основания - аденина , и, в отличие от нуклеотидов ДНК и РНК, трех остатков фосфорной кислоты (рис. 1).
Рис. 1. Три схематических изображения АТФ
Важнейшая функция АТФ состоит в том, что она является универсальным хранителем и переносчиком энергии в клетке.
Все биохимические реакции в клетке, которые требуют затрат энергии, в качестве ее источника используют АТФ.
При отделении одного остатка фосфорной кислоты, АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфат ). Если отделяется ещё один остаток фосфорной кислоты (что случается в особых случаях), АДФ переходит в АМФ (аденозинмонофосфат) (рис. 2).
Рис. 2. Гидролиза АТФ и превращение её в АДФ
При отделении второго и третьего остатков фосфорной кислоты освобождается большое количество энергии, до 40 кДж. Именно поэтому связь между этими остатками фосфорной кислоты называют макроэргической и обозначают соответственным символом.
При гидролизе обычной связи выделяется (или поглощается) небольшое количество энергии, а при гидролизе макроэргической связи выделяется намного больше энергии (40 кДж). Связь между рибозой и первым остатком фосфорной кислоты не является макроэргической, при её гидролизе выделяется всего 14 кДж энергии.
Макроэргические соединения могут образовываться и на основе других нуклеотидов, например ГТФ (гуанозинтрифосфат) используется как источник энергии в биосинтезе белка, принимает участие в реакциях передачи сигнала, является субстратом для синтеза РНК в процессе транскрипции, но именно АТФ является наиболее распространенным и универсальным источником энергии в клетке.
АТФ содержится как в цитоплазме , так и в ядре, митохондриях и хлоропластах .
Таким образом, мы вспомнили, что такое АТФ, каковы её функции, и что такое макроэргическая связь.
Витамины - биологически активные органические соединения, которые в малых количествах необходимы для подержания процессов жизнедеятельности в клетке.
Они не являются структурными компонентами живой материи, и не используются в качестве источника энергии.
Большинство витаминов не синтезируются в организме человека и животных, а поступают в него с пищей, некоторые синтезируются в небольших количествах микрофлорой кишечника и тканями (витамин D синтезируется кожей).
Потребность человека и животных в витаминах не одинакова и зависит от таких факторов как пол, возраст, физиологическое состояние и условия среды обитания. Некоторые витамины нужны не всем животным.
Например, аскорбиновая кислота, или витамин С, необходим человеку и другим приматам. Вместе с тем, он синтезируется в организме рептилий (моряки брали в плавания черепах, для борьбы с цингой - авитаминозом витамина С).
Витамины были открыты в конце XIX века благодаря работам русских ученых Н. И. Лунина и В. Пашутина, которые показали, что для полноценного питания необходимо не только наличие белков, жиров и углеводов, но и ещё каких-то других, на тот момент неизвестных, веществ.
В 1912 году польский ученый К. Функ (Рис. 3), изучая компоненты шелухи риса, предохраняющей от болезни Бери-Бери (авитаминоз витамина В), предположил, что в состав этих веществ обязательно должны входить аминные группировки. Именно он предложили назвать эти вещества витаминами, то есть аминами жизни.
В дальнейшем было установлено, что многие из этих веществ аминогрупп не содержат, но термин витамины хорошо прижился в языке науки и практики.
По мере открытия отдельных витаминов, их обозначали латинскими буквами и называли в зависимости от выполняемых функций. Например, витамин Е назвали токоферол (от др.-греч. τόκος - «деторождение», и φέρειν - «приносить»).
Сегодня витамины делят по их способности растворяться в воде или в жирах.
К водорастворимым витаминам относят витамины H , C , P , В .
К жирорастворимым витаминам относят A , D , E , K (можно запомнить, как слово: кеда ) .
Как уже было отмечено, потребность в витаминах зависит от возраста, пола, физиологического состояния организма и среды обитания. В молодом возрасте отмечена явная нужда в витаминах. Ослабленный организм тоже требует больших доз этих веществ. С возрастом способность усваивать витамины падает.
Потребность в витаминах также определяется способностью организма их утилизировать.
В 1912 году польский ученый Казимир Функ получил из шелухи риса частично очищенный витамин B1 - тиамин. Ещё 15 лет понадобилось для получения этого вещества в кристаллическом состоянии.
Кристаллический витамин B1 бесцветен, обладает горьковатым вкусом и хорошо растворим в воде. Тиамин найден как в растительных, так и микробных клетках. Особенно много его в зерновых культурах и дрожжах (рис. 4).
Рис. 4. Тиамин в виде таблеток и в продуктах питания
Термическая обработка пищевых продуктов и различные добавки разрушают тиамин. При авитаминозе наблюдаются патологии нервной, сердечно-сосудистой и пищеварительной систем. Авитаминоз приводит к нарушению водного обмена и функции кроветворения. Один из ярких примеров авитаминоза тиамина - это развитие болезни Бери-Бери (рис. 5).
Рис. 5. Человек, страдающий от авитаминоза тиамина - болезни бери-бери
Витамин В1 широко применяется в медицинской практике для лечения различных нервных заболеваний, сердечно-сосудистых расстройств.
В хлебопечении тиамин вместе с другим витаминами - рибофлавином и никотиновой кислотой используется для витаминизации хлебобулочных изделий.
В 1922 году Г. Эванс и А. Бишо открыли жирорастворимый витамин, названный ими токоферолом или витамином Е (дословно: «способствующий родам»).
Витамин Е в чистом виде - маслянистая жидкость. Он широко распространен в злаковых культурах, например в пшенице. Его много в растительных, животных жирах (рис. 6).
Рис. 6. Токоферол и продукты, которые его содержат
Много витамина E в моркови, в яйцах и молоке. Витамин E является антиоксидантом , то есть защищает клетки от патологического окисления, которое приводит их к старению и гибели. Он является «витамином молодости». Огромно значение витамина для половой системы, поэтому его часто называют витамином размножения.
Вследствие этого, дефицит витамина Е, в первую очередь, приводит к нарушению эмбриогенеза и работы репродуктивных органов.
Производство витамина Е основано на выделении его из зародышей пшеницы - методом спиртовой экстракции и отгонки растворителей при низких температурах.
В медицинской практике используют как природные, так и синтетические препараты - токоферолаацетат в растительном масле, заключенный в капсулу (знаменитый «рыбий жир»).
Препараты витамина Е используются как антиоксиданты при облучениях и других патологических состояниях, связанных с повышенным содержанием в организме ионизированных частиц и активных форм кислорода.
Кроме того, витамин Е назначают беременным женщинам, а также используют в комплексной терапии лечения бесплодия, при мышечной дистрофии и некоторых заболеваниях печени.
Витамин А (рис. 7) был открыт Н. Друммондом в 1916 году.
Этому открытию предшествовали наблюдения за наличием жирорастворимого фактора в пище, необходимого для полноценного развития сельскохозяйственных животных.
Витамин А недаром занимает первое место в витамином алфавите. Он участвует практически во всех процессах жизнедеятельности. Этот витамин необходим для восстановления и сохранения хорошего зрения.
Он также помогает вырабатывать иммунитет ко многим заболеваниям, в том числе и простудным.
Без витамина А невозможно здоровое состояние эпителия кожи. Если у вас «гусиная кожа», которая чаще всего появляется на локтях, бедрах, коленях, голенях, если появилась сухость кожи на руках или возникают другие подобные явления, это означает, что вам недостает витамина А.
Витамин А, как и витамин Е, необходим для нормального функционирования половых желез (гонад). При гиповитаминозе витамина А отмечено повреждение репродуктивной системы и органов дыхания.
Одним из специфических последствий недостатка витамина А является нарушение процесса зрения, в частности снижение способности глаз к темновой адаптации - куриная слепота . Авитаминоз приводит к возникновению ксерофтальмии и разрушению роговицы. Последний процесс необратим, и характеризуется полной потерей зрения. Гипервитаминоз приводит к воспалению глаз и нарушению волосяного покрова, потери аппетита и полному истощению организма.
Рис. 7. Витамин А и продукты, которые его содержат
Витамины группы А, в первую очередь, содержатся в продуктах животного происхождения: в печени, в рыбьем жире, в масле, в яйцах (рис. 8).
Рис. 8. Содержание витамина А в продуктах растительного и животного происхождения
В продуктах растительного происхождения содержатся каротиноиды, которые в организме человека под действием фермента каротиназы переходят в витамин А.
Таким образом, Вы познакомились сегодня со структурой и функциями АТФ, а также вспомнили о значении витаминов и выяснили, как некоторые из них участвуют в процессах жизнедеятельности.
При недостаточном поступлении витаминов в организм развивается первичный авитаминоз. Разные продукты содержат разное количество витаминов.
Например, морковь содержит много провитамина А (каротина), капуста содержит витамин С и т. д. Отсюда проистекает необходимость сбалансированной диеты, включающей в себя разнообразные продукты растительного и животного происхождения.
Авитаминоз при нормальных условиях питания встречается очень редко, гораздо чаще встречаются гиповитаминозы , которые связаны с недостаточным поступлением с пищей витаминов.
Гиповитаминоз может возникать не только в результате несбалансированного питания, но и как следствие различных патологий со стороны желудочно-кишечного тракта или печени, или в результате различных эндокринных или инфекционных заболеваний, которые приводят к нарушению всасывания витаминов в организме.
Некоторые витамины вырабатываются кишечной микрофлорой (микробиотой кишечника). Подавление биосинтетических процессов в результате действия антибиотиков может также привести к развитию гиповитаминоза , как следствия дисбактериоза .
Чрезмерное употребление пищевых витаминных добавок, а также лекарственных средств, содержащих витамины, приводит к возникновению патологического состояния - гипервитаминоза . Особенно это характерно для жирорастворимых витаминов, таких как A , D , E , K .
Домашнее задание
1. Какие вещества называют биологически активными?
2. Что такое АТФ? В чем особенность строения молекулы АТФ? Какие типы химической связи существуют в этой комплексной молекуле?
3. Каковы функции АТФ в клетках живых организмов?
4. Где происходит синтез АТФ? Где осуществляется гидролиз АТФ?
5. Что такое витамины? Каковы их функции в организме?
6. Чем витамины отличаются от гормонов?
7. Какие классификации витаминов вам известны?
8. Что такое авитаминоз, гиповитаминоз и гипервитаминоз? Приведите примеры этих явлений.
9. Какие заболевания могут быть следствием недостаточного или избыточного поступления витаминов в организм?
10. Обсудите с друзьями и родственниками свое меню, подсчитайте, пользуясь дополнительной информацией о содержании витаминов в разных продуктах питания, достаточно ли витаминов вы получаете.
1. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов ().
2. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов ().
3. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов ().
Список литературы
1. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.
2. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 11-е изд., стереотип. - М.: Просвещение, 2012. - 304 с.
3. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 6-е изд., доп. - Дрофа, 2010. - 384 с.
Циклический аденозинмонофосфат (цамф) - производное АТФ, выполняющее в организме роль вторичного посредника, использующегося для внутриклеточного распространения сигналов некоторых гормонов (например, глюкагона или адреналина), которые не могут проходить через клеточную мембрану. Превращает ряд инертных белков в ферменты (цамф-зависимые протеинкиназы), под действием которых происходит ряд биохим. реакций (проведение нервного импульса).
Образование цАМФ стимулируется адреналином.
Циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ ) - это циклическая форма нуклеотида, образующаяся из гуанозинтрифосфата (GTP) ферментом гуанилатциклазой. Образование стимулируется ацетилхолином.
· цГМФ вовлечен в регуляцию биохимических процессов в живых клетках в качестве вторичного посредника (вторичного мессенджера). Характерно, что многие эффекты цГМФ прямо противоположны цАМФ.
· цГМФ активирует G-киназу и фосфодиэстеразу, гидролизующую цАМФ.
· цГМФ принимает участизе в регуляции клеточного цикла. От соотношения цАМФ/цГМФ зависит выбор клетки: прекратить деление (остановиться в G0 фазе) или продолжить, перейдя в фазу G1.
· цГМФ стимулирует пролиферацию клеток (деление), а цАМФ подавляет
Аденозинтрифосфат (АТФ) - нуклеотид, образованный азотистым основанием аденином, пятиуглеродным сахаром рибозой и тремя остатками фосфорной кислоты. Фосфатные группы в молекуле АТФ соединены между собой высокоэнергетическими (макроэргическими) связями. Связи между фосфатными группами не очень прочные, и при их разрыве выделяется большое количество энергии. В результате гидролитического отщепления от АТФ фосфатной группы образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и высвобождается порция энергии.
· Вместе с другими нуклеозидтрифосфатами АТФ является исходным продуктом при синтезе нуклеиновых кислот.
· АТФ отводится важное место в регуляции множества биохимических процессов. Являясь аллостерическим эффектором ряда ферментов, АТФ, присоединяясь к их регуляторным центрам, усиливает или подавляет их активность.
· АТФ является также непосредственным предшественником синтеза циклического аденозинмонофосфата - вторичного посредника передачи в клетку гормонального сигнала.
· Также известна роль АТФ в качестве медиатора в синапсах и сигнального вещества в других межклеточных взаимодействиях
Аденозиндифосфат (АДФ) - нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и двух остатков фосфорной кислоты. АДФ участвует в энергетическом обмене во всех живых организмах, из него образуется АТФ путём фосфорилирования:
АДФ + H3PO4 + энергия → АТФ + H2O.
Циклическое фосфорилирование АДФ и последующее использование АТФ в качестве источника энергии образуют процесс, составляющий суть энергетического обмена (катаболизма).
ФАД - флавинадениндинуклеотид - кофермент, принимающий участие во многих окислительно-восстановительных биохимических процессах. ФАД существует в двух формах - окисленной и восстановленной, его биохимическая функция, как правило, заключается в переходе между этими формами.
Никотинамидадениндинуклеотид (НАД) - динуклеотид, состоит из двух нуклеотидов, соединённых своими фосфатными группами. Один из нуклеотидов в качестве азотистого основания содержит аденин, другой - никотинамид. Никотинамидадениндинуклеотид существует в двух формах: окисленной (NAD) и восстановленной (NADH).
· В метаболизме NAD задействован в окислительно-восстановительных реакциях, перенося электроны из одной реакции в другую. Таким образом, в клетках NAD находится в двух функциональных состояниях: его окисленная форма, NAD+, является окислителем и забирает электроны от другой молекулы, восстанавливаясь в NADH, который далее служит восстановителем и отдаёт электроны.
· 1. Метаболизм белков, жиров и углеводов. Так как НАД и НАДФ служат коферментами большинства дегидрогеназ, то они участвуют в реакциях
· при синтезе и окислении жирных кислот,
· при синтезе холестерола,
· обмена глутаминовой кислоты и других аминокислот,
· обмена углеводов: пентозофосфатный путь, гликолиз,
· окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты,
· цикла трикарбоновых кислот.
· 2. НАДН выполняет регулирующую функцию, поскольку является ингибитором некоторых реакций окисления, например, в цикле трикарбоновых кислот.
· 3. Защита наследственной информации – НАД является субстратом поли-АДФ-рибозилирования в процессе сшивки хромосомных разрывов и репарации ДНК, что замедляет некробиоз и апоптоз клеток.
· 4. Защита от свободных радикалов – НАДФН является необходимым компонентом антиоксидантной системы клетки.
В основе всех живых процессов лежит атомно-молекулярное движение. Как дыхательный процесс, так и клеточное развитие, деление невозможны без энергии. Источником энергетического снабжения является АТФ, что это такое и как образуется рассмотрим далее.
Перед изучением понятия АТФ необходима его расшифровка. Данный термин означает нуклеозидтрифосфат, который существенно значим для энергетического и вещественного обмена в составе организма.
Это уникальный энергетический источник, лежащий в основе биохимических процессов. Данное соединение является основополагающим для ферментативного образования.
АТФ был открыт в Гарварде в 1929 году. Основоположниками стали ученые Гарвардской медицинской школы. В их число вошли Карл Ломан, Сайрус Фиске и Йеллапрагада Суббарао. Они выявили соединение, которое по строению напоминало адениловый нуклеотид рибонуклеиновых кислот.
Отличительной особенностью соединения было содержание трех остатков фосфорной кислоты вместо одного. В 1941 году ученый Фриц Липман доказал, что АТФ имеет энергетический потенциал в пределах клетки. Впоследствии был обнаружен ключевой фермент, который получил название АТФ-синтаза. Его задача – образование в митохондриях кислотных молекул.
АТФ – это энергетический аккумулятор в клеточной биологии, является обязательным для успешного осуществления биохимических реакций.
Биология аденозинтрифосфорной кислоты предполагает ее образование в результате энергетического обмена. Процесс состоит из создания 2 молекул на второй стадии. Остальные 36 молекул появляются на третьем этапе.
Скопление энергии в структуре кислоты происходит в связующей части между остатками фосфора. В случае отсоединения 1 фосфорного остатка происходит энергетическое выделение 40 кДж.
В результате кислота превращается в аденозиндифосфат (АДФ). Последующее фосфатное отсоединение способствует появлению аденозинмонофосфата (АМФ).
Следует отметить, цикл растений предусматривает повторное использование АМФ и АДФ, в результате которого происходит восстановление этих соединений до состояния кислоты. Это обеспечивается процессом .
Строение
Раскрытие сущности соединения возможно после изучения того, какие соединения входят в состав молекулы АТФ.
Какие соединения входят в состав кислоты:
- 3 остатка фосфорной кислоты. Кислотные остатки объединяются друг с другом посредством энергетических связей неустойчивого характера. Встречается также под названием ортофосфорной кислоты;
- аденин: Является азотистым основанием;
- рибоза: Представляет собой пентозный углевод.
Вхождение в состав АТФ данных элементов присваивает ей нуклеотидное строение. Это позволяет относить молекулу к категории нуклеиновых кислот.
Важно! В результате отщепления кислотных молекул происходит высвобождение энергии. Молекула АТФ содержит 40 кДж энергии.
Образование
Формирование молекулы происходит в митохондриях и хлоропластах. Основополагающий момент в молекулярном синтезе кислоты – диссимиляционный процесс. Диссимиляция – процесс перехода сложного соединения до относительно простого за счет разрушения.
В рамках синтеза кислоты принято выделять несколько стадий:
- Подготовительная. Основа расщепления – пищеварительный процесс, обеспечивается за счет ферментативного действия. Распаду подвергается пища, попавшая в организм. Происходит жировое разложение до жирных кислот и глицерина. Белки распадаются до аминокислот, крахмал – до образования глюкозы. Этап сопровождается выделением энергии теплового характера.
- Бескислородная, или гликолиз. В основе лежит процесс распада. Происходит глюкозное расщепление с участием ферментов, при этом 60% выделяемой энергии превращается в тепло, остальная часть остается в составе молекулы.
- Кислородная, или гидролиз; Осуществляется внутри митохондрий. Происходит с помощью кислорода и ферментов. Участвует выдыхаемый организмом кислород. Завершается полной . Подразумевает энергетическое выделение для формирования молекулы.
Существуют следующие пути молекулярного образования:
- Фосфорилирование субстратного характера. Основано на энергии веществ в результате окисления. Превалирующая часть молекулы формируется в митохондриях на мембранах. Осуществляется без участия ферментов мембраны. Совершается в цитоплазматической части посредством гликолиза. Допускается вариант образования за счет транспортировки фосфатной группы с иных макроэргических соединений.
- Фосфорилирование окислительного характера. Происходит за счет окислительной реакции.
- Фотофосфорилирование у растений в ходе фотосинтеза.
Значение
Основополагающее значение молекулы для организма раскрывается через то, какую функцию выполняет АТФ.
Функционал АТФ включает следующие категории:
- Энергетическую. Обеспечивает организм энергией, является энергетической основой физиологических биохимических процессов и реакций. Происходит за счет 2 высокоэнергетических связей. Подразумевает мышечное сокращение, формирование трансмембранного потенциала, обеспечение молекулярного переноса сквозь мембраны.
- Основу синтеза. Считается исходным соединением для последующего образования нуклеиновых кислот.
- Регулятивную. Лежит в основе регуляции большинства процессов биохимического характера. Обеспечивается за счет принадлежности к аллостерическому эффектору ферментативного ряда. Воздействует на активность регуляторных центров путем их усиления или подавления.
- Посредническую. Считается вторичным звеном в передаче гормонального сигнала в клетку. Является предшественником образования циклического АДФ.
- Медиаторную. Является сигнальным веществом в синапсах и иных взаимодействиях клеточного характера. Обеспечивается пуринергическая сигнальная передача.
Среди вышеперечисленных моментов главенствующее место отводится энергетической функции АТФ.
Энергетическим обменом, или диссимиляцией, или катаболизмом, называется совокупность реакций ферментативного расщепления органических соединений (белков, жиров, углеводов) и образования соединений, богатых энергией (аденозинтри- фосфат и др.) .АТФ и подобные ему соединения (они называются макроэргическими) обеспечивают разнообразные процессы жизнедеятельности: биологический синтез, поддержание различий концентрации веществ (градиентов) и перенос веществ через мембраны, проведение электрических импульсов, мышечную работу, выделение различных секретов и т. д.
Химическая энергия питательных веществ, поступающих в организм, заключена в ковалентных связях между атомами в молекулах органических соединений. Например, при разрыве такой химической связи, как пептидная, освобождается около 12 кДж на 1 моль. В глюкозе количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О, составляет 2800 кДж на 1 моль (т. е. на 180 г глюкозы). При расщеплении глюкозы образуются диоксид углерода и вода, при этом выделяется энергия согласно итоговому уравнению:
СбН 1 гОб + 6О2-ИЗН2О + 6С02 + 2800 кДж.
Часть энергии, освобожденной из питательных веществ, рассеивается в форме теплоты, а часть аккумулируется, т. е. накапливается в богатых энергией фосфатных связях АТФ. В молекулах АТФ запасается больше половины той энергии, которую можно извлечь из органических молекул при окислении их до Н20 и С02. Благодаря образованию АТФ энергия преобразуется в более удобную концентрированную форму, из которой она может легко высвобождаться. В клетке в среднем находится около 1 млрд. молекул АТФ, распад которых (гидролиз) цо АДФ и фосфата обеспечивает энергией множество биологических и химических процессов, протекающих с поглощением энергии.
Молекула АТФ состоит из азотистого основания аде- нина, сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты (14). Аденин, рибоза и первый фосфат образуют аденозинмонофосфат (АМФ). Если к первому фосфату присоединяется второй, получается аденозиндифосфат (АДФ). Молекула с тремя остатками фосфорной кислоты (АТФ) наиболее энергоемка. Отщепление концевого фосфата от молекулы АТФ сопровождается выделением 40 кДж энергии вместо 12 кДж, освобождаемых при разрыве обычных химических связей. Благодаря богатым энергией связям в молекуле АТФ клетка может накапливать большое количество энергии в маленьком пространстве и расходовать ее по мере надобности. Синтез АТФ осуществляется в специальных органоидах клетки - митохондриях.
Этапы энергетического обмена
Энергетический обмен обычно подразделяют на три этапа. Первый этап - подготовительный, называемый также пищеварением. Осуществляется он главным образом вне клеток под действием ферментов, секретируемых в полость пищеварительного тракта. На этом этапе крупные молекулы полимеров распадаются на мономеры: белки - на аминокислоты, полисахариды - на простые сахара, жиры - на жирные кислоты и глицерин. При этом выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты.
На втором этапе образовавшиеся в процессе пищеварения небольшие молекулы поступают в клетки и подвергаются дальнейшему расщеплению. Наиболее важной частью второго этапа энергетического обмена является гликолиз - расщепление глюкозы. Гликолиз может происходить в отсутствие кислорода.
В результате ряда последовательных ферментативных реакций одна молекула глюкозы, содержащая шесть атомов углерода, превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (С3Н403), включающие по три атома углерода каждая. В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ. Пировиноградная кислота восстанавливается затем до молочной кислоты (в мышцах), и суммарное уравнение выглядит так:
СбН120б+2НзР04+2АДФ-^ -*2СзН6ОЗ+2АТФ+2Н20
Таким образом, распад одной мчэлекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ.
Анаэробное расщепление глюкозы (гликолиз) может быть основным источником АТФ в клетке у организмов, не использующих молекулярного кислорода или живущих в его отсутствие, а также в тканях многоклеточных организмов, способных работать в анаэробных условиях (например, в мышцах) во время сильных нагрузок. В этих условиях молекулы пировиноградной кислоты превращаются либо в молочную кислоту, как было описано выше, либо в другие соединения (в этанол и С02 в клетках дрожжевых грибов, в ацетон, масляную и янтарную кислоты у разных микроорганизмов и т. л.).
Образование АТФ в реакциях гликолиза относительно неэффективно, так как его конечные продукты - относительно крупные молекулы, заключающие в себе большое количество химической энергии. Поэтому второй этап энергетического обмена называют неполным. Этот этап носит еще название брожения. Извлечение энергии из органических соединений в отсутствие кислорода - брожение - широко распространено в природе. Большинство природных соединений, состоящих из углерода, водорода, кислорода и (или) азота, в анаэробных условиях поддается сбраживанию. К таким соединениям относятся полисахариды, гексозы, пентозы, триозы, многоатомные спирты, органические кислоты, аминокислоты, пурины и пиримидины. Продуктами сбраживания углеводов являются масляная кислота, ацетон, бутанол, пропанол и др. Полисахарид целлюлоза в результате обработки микроорганизмами превращается в этиловый спирт, уксусную, муравьиную и молочную кислоты, молекулярный водород и С02. Бактерии, обитающие в рубце жвачных животных (10 9- 10 10 бактериальных клеток в 1 мл рубцовой жидкости;, расщепляют целлюлозу, содержащуюся в растительных кормах, до легкоусвояемых простых соединений - органических кислот и спиртов.
Есть вещества, не способные сбраживаться в анаэробных условиях. К ним относятся насыщенные алифатические и ароматические углеводороды, растительные пигменты - каротиноиды и некоторые другие соединения. В аэробных условиях все эти вещества полностью окисляются, но в отсутствие кислорода они очень стабильны. Благодаря этой стабильности углеводороды долго сохраняются в нефтяных.месторождениях.
Третий этап катаболизма нуждается в присутствии молекулярного кислорода и называется дыханием. Развитие клеточного дыхания у аэробных микроорганизмов и в клетках эукариот стало возможным лишь после того, как в результате фотосинтеза в атмосфере Земли появился молекулярный кислород. Добавление к катаболи- ческому процессу стадии, осуществляющейся в присутствии кислорода, обеспечивает клетки мощным и эффективным путем извлечения из молекул питательных веществ и энергии.
Реакции кислородного расщепления, или окислительного катаболизма, протекают в специальных органоидах клетки - митохондриях, куда поступают молекулы пировиноградной кислоты. После целого ряда превращений образуются конечные продукты - С02 и Н,0, которые затем диффундируют из клетки. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так:
2СзН60г+602+36НзР04+36АДФ-^
V6CO2+6H2O+36AT0+36H2O "
Таким образом, при окислении двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Всего в ходе второго и третьего этапов энергетического обмена при расщеплении одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание.
Не только пировиноградная кислота, но и жирные кислоты, и некоторые аминокислоты поступают в митохондрии, где превращаются в один из промежуточных продуктов окислительного катаболизма. Митохондрии - это центр, в котором извлекается энергия химических связей жиров, белков и углеводов. Поэтому митохондрии называют энергетическими станциями клетки.
В теле человека около 70 триллионов клеток. Для здорового роста каждой из них необходимы помощники - витамины. Молекулы витаминов малы, но их недостаток всегда заметен. Если тяжело адаптироваться к темноте, вам нужны витамины А и В2, появилась перхоть - не хватает B12, B6, P, долго не заживают синяки - дефицит витамина С. На этом уроке вы узнаете о том, как и где в клетке хранится и обрабатывается стратегический запас витаминов, как витамины активизируют работу организма, а также узнаете об АТФ - главном источнике энергии в клетке.
Тема: Основы цитологии
Урок: Строение и функции АТФ
Как вы помните, нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидов . Оказалось, что в клетке нуклеотиды могут находиться в связанном состоянии или в свободном состоянии. В свободном состоянии они выполняют ряд важных для жизнедеятельности организма функций.
К таким свободным нуклеотидам относится молекула АТФ или аденозинтрифосфорная кислота (аденозинтрифосфат). Как и все нуклеотиды, АТФ состоит из пятиуглеродного сахара - рибозы , азотистого основания - аденина , и, в отличие от нуклеотидов ДНК и РНК, трех остатков фосфорной кислоты (рис. 1).
Рис. 1. Три схематических изображения АТФ
Важнейшая функция АТФ состоит в том, что она является универсальным хранителем и переносчиком энергии в клетке.
Все биохимические реакции в клетке, которые требуют затрат энергии, в качестве ее источника используют АТФ.
При отделении одного остатка фосфорной кислоты, АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфат ). Если отделяется ещё один остаток фосфорной кислоты (что случается в особых случаях), АДФ переходит в АМФ (аденозинмонофосфат) (рис. 2).
Рис. 2. Гидролиза АТФ и превращение её в АДФ
При отделении второго и третьего остатков фосфорной кислоты освобождается большое количество энергии, до 40 кДж. Именно поэтому связь между этими остатками фосфорной кислоты называют макроэргической и обозначают соответственным символом.
При гидролизе обычной связи выделяется (или поглощается) небольшое количество энергии, а при гидролизе макроэргической связи выделяется намного больше энергии (40 кДж). Связь между рибозой и первым остатком фосфорной кислоты не является макроэргической, при её гидролизе выделяется всего 14 кДж энергии.
Макроэргические соединения могут образовываться и на основе других нуклеотидов, например ГТФ (гуанозинтрифосфат) используется как источник энергии в биосинтезе белка, принимает участие в реакциях передачи сигнала, является субстратом для синтеза РНК в процессе транскрипции, но именно АТФ является наиболее распространенным и универсальным источником энергии в клетке.
АТФ содержится как в цитоплазме , так и в ядре, митохондриях и хлоропластах .
Таким образом, мы вспомнили, что такое АТФ, каковы её функции, и что такое макроэргическая связь.
Витамины - биологически активные органические соединения, которые в малых количествах необходимы для подержания процессов жизнедеятельности в клетке.
Они не являются структурными компонентами живой материи, и не используются в качестве источника энергии.
Большинство витаминов не синтезируются в организме человека и животных, а поступают в него с пищей, некоторые синтезируются в небольших количествах микрофлорой кишечника и тканями (витамин D синтезируется кожей).
Потребность человека и животных в витаминах не одинакова и зависит от таких факторов как пол, возраст, физиологическое состояние и условия среды обитания. Некоторые витамины нужны не всем животным.
Например, аскорбиновая кислота, или витамин С, необходим человеку и другим приматам. Вместе с тем, он синтезируется в организме рептилий (моряки брали в плавания черепах, для борьбы с цингой - авитаминозом витамина С).
Витамины были открыты в конце XIX века благодаря работам русских ученых Н. И. Лунина и В. Пашутина, которые показали, что для полноценного питания необходимо не только наличие белков, жиров и углеводов, но и ещё каких-то других, на тот момент неизвестных, веществ.
В 1912 году польский ученый К. Функ (Рис. 3), изучая компоненты шелухи риса, предохраняющей от болезни Бери-Бери (авитаминоз витамина В), предположил, что в состав этих веществ обязательно должны входить аминные группировки. Именно он предложили назвать эти вещества витаминами, то есть аминами жизни.
В дальнейшем было установлено, что многие из этих веществ аминогрупп не содержат, но термин витамины хорошо прижился в языке науки и практики.
По мере открытия отдельных витаминов, их обозначали латинскими буквами и называли в зависимости от выполняемых функций. Например, витамин Е назвали токоферол (от др.-греч. τόκος - «деторождение», и φέρειν - «приносить»).
Сегодня витамины делят по их способности растворяться в воде или в жирах.
К водорастворимым витаминам относят витамины H , C , P , В .
К жирорастворимым витаминам относят A , D , E , K (можно запомнить, как слово: кеда ) .
Как уже было отмечено, потребность в витаминах зависит от возраста, пола, физиологического состояния организма и среды обитания. В молодом возрасте отмечена явная нужда в витаминах. Ослабленный организм тоже требует больших доз этих веществ. С возрастом способность усваивать витамины падает.
Потребность в витаминах также определяется способностью организма их утилизировать.
В 1912 году польский ученый Казимир Функ получил из шелухи риса частично очищенный витамин B1 - тиамин. Ещё 15 лет понадобилось для получения этого вещества в кристаллическом состоянии.
Кристаллический витамин B1 бесцветен, обладает горьковатым вкусом и хорошо растворим в воде. Тиамин найден как в растительных, так и микробных клетках. Особенно много его в зерновых культурах и дрожжах (рис. 4).
Рис. 4. Тиамин в виде таблеток и в продуктах питания
Термическая обработка пищевых продуктов и различные добавки разрушают тиамин. При авитаминозе наблюдаются патологии нервной, сердечно-сосудистой и пищеварительной систем. Авитаминоз приводит к нарушению водного обмена и функции кроветворения. Один из ярких примеров авитаминоза тиамина - это развитие болезни Бери-Бери (рис. 5).
Рис. 5. Человек, страдающий от авитаминоза тиамина - болезни бери-бери
Витамин В1 широко применяется в медицинской практике для лечения различных нервных заболеваний, сердечно-сосудистых расстройств.
В хлебопечении тиамин вместе с другим витаминами - рибофлавином и никотиновой кислотой используется для витаминизации хлебобулочных изделий.
В 1922 году Г. Эванс и А. Бишо открыли жирорастворимый витамин, названный ими токоферолом или витамином Е (дословно: «способствующий родам»).
Витамин Е в чистом виде - маслянистая жидкость. Он широко распространен в злаковых культурах, например в пшенице. Его много в растительных, животных жирах (рис. 6).
Рис. 6. Токоферол и продукты, которые его содержат
Много витамина E в моркови, в яйцах и молоке. Витамин E является антиоксидантом , то есть защищает клетки от патологического окисления, которое приводит их к старению и гибели. Он является «витамином молодости». Огромно значение витамина для половой системы, поэтому его часто называют витамином размножения.
Вследствие этого, дефицит витамина Е, в первую очередь, приводит к нарушению эмбриогенеза и работы репродуктивных органов.
Производство витамина Е основано на выделении его из зародышей пшеницы - методом спиртовой экстракции и отгонки растворителей при низких температурах.
В медицинской практике используют как природные, так и синтетические препараты - токоферолаацетат в растительном масле, заключенный в капсулу (знаменитый «рыбий жир»).
Препараты витамина Е используются как антиоксиданты при облучениях и других патологических состояниях, связанных с повышенным содержанием в организме ионизированных частиц и активных форм кислорода.
Кроме того, витамин Е назначают беременным женщинам, а также используют в комплексной терапии лечения бесплодия, при мышечной дистрофии и некоторых заболеваниях печени.
Витамин А (рис. 7) был открыт Н. Друммондом в 1916 году.
Этому открытию предшествовали наблюдения за наличием жирорастворимого фактора в пище, необходимого для полноценного развития сельскохозяйственных животных.
Витамин А недаром занимает первое место в витамином алфавите. Он участвует практически во всех процессах жизнедеятельности. Этот витамин необходим для восстановления и сохранения хорошего зрения.
Он также помогает вырабатывать иммунитет ко многим заболеваниям, в том числе и простудным.
Без витамина А невозможно здоровое состояние эпителия кожи. Если у вас «гусиная кожа», которая чаще всего появляется на локтях, бедрах, коленях, голенях, если появилась сухость кожи на руках или возникают другие подобные явления, это означает, что вам недостает витамина А.
Витамин А, как и витамин Е, необходим для нормального функционирования половых желез (гонад). При гиповитаминозе витамина А отмечено повреждение репродуктивной системы и органов дыхания.
Одним из специфических последствий недостатка витамина А является нарушение процесса зрения, в частности снижение способности глаз к темновой адаптации - куриная слепота . Авитаминоз приводит к возникновению ксерофтальмии и разрушению роговицы. Последний процесс необратим, и характеризуется полной потерей зрения. Гипервитаминоз приводит к воспалению глаз и нарушению волосяного покрова, потери аппетита и полному истощению организма.
Рис. 7. Витамин А и продукты, которые его содержат
Витамины группы А, в первую очередь, содержатся в продуктах животного происхождения: в печени, в рыбьем жире, в масле, в яйцах (рис. 8).
Рис. 8. Содержание витамина А в продуктах растительного и животного происхождения
В продуктах растительного происхождения содержатся каротиноиды, которые в организме человека под действием фермента каротиназы переходят в витамин А.
Таким образом, Вы познакомились сегодня со структурой и функциями АТФ, а также вспомнили о значении витаминов и выяснили, как некоторые из них участвуют в процессах жизнедеятельности.
При недостаточном поступлении витаминов в организм развивается первичный авитаминоз. Разные продукты содержат разное количество витаминов.
Например, морковь содержит много провитамина А (каротина), капуста содержит витамин С и т. д. Отсюда проистекает необходимость сбалансированной диеты, включающей в себя разнообразные продукты растительного и животного происхождения.
Авитаминоз при нормальных условиях питания встречается очень редко, гораздо чаще встречаются гиповитаминозы , которые связаны с недостаточным поступлением с пищей витаминов.
Гиповитаминоз может возникать не только в результате несбалансированного питания, но и как следствие различных патологий со стороны желудочно-кишечного тракта или печени, или в результате различных эндокринных или инфекционных заболеваний, которые приводят к нарушению всасывания витаминов в организме.
Некоторые витамины вырабатываются кишечной микрофлорой (микробиотой кишечника). Подавление биосинтетических процессов в результате действия антибиотиков может также привести к развитию гиповитаминоза , как следствия дисбактериоза .
Чрезмерное употребление пищевых витаминных добавок, а также лекарственных средств, содержащих витамины, приводит к возникновению патологического состояния - гипервитаминоза . Особенно это характерно для жирорастворимых витаминов, таких как A , D , E , K .
Домашнее задание
1. Какие вещества называют биологически активными?
2. Что такое АТФ? В чем особенность строения молекулы АТФ? Какие типы химической связи существуют в этой комплексной молекуле?
3. Каковы функции АТФ в клетках живых организмов?
4. Где происходит синтез АТФ? Где осуществляется гидролиз АТФ?
5. Что такое витамины? Каковы их функции в организме?
6. Чем витамины отличаются от гормонов?
7. Какие классификации витаминов вам известны?
8. Что такое авитаминоз, гиповитаминоз и гипервитаминоз? Приведите примеры этих явлений.
9. Какие заболевания могут быть следствием недостаточного или избыточного поступления витаминов в организм?
10. Обсудите с друзьями и родственниками свое меню, подсчитайте, пользуясь дополнительной информацией о содержании витаминов в разных продуктах питания, достаточно ли витаминов вы получаете.
1. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов ().
2. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов ().
3. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов ().
Список литературы
1. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.
2. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 11-е изд., стереотип. - М.: Просвещение, 2012. - 304 с.
3. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 6-е изд., доп. - Дрофа, 2010. - 384 с.
