АТФ и другие органические соединения клетки

Не так давно компания APPLE подала заявку на новый патент. Документ описывает некую технологию, позволяющую устройству сохранять определённый процент заряда, необходимого для краткосрочного соединения с серверами компании с целью передачи информации о своей дислокации.

При утрате телефона, в первую очередь, мы теряем ценную информацию. Для её восстановления и существует функция «найти iPhone». Но работает она только тогда, когда в аккумуляторе телефона остаётся хотя бы немного заряда. Без обеспечения энергией информация не может быть ни передана, ни реализована. Всё в точности так, как в живой природе.

Информация о составе белков клетки зашифрована в последовательности нуклеотидов ДНК. Но для того чтобы этой информацией воспользоваться, клетке необходим источник энергии. И этот источник – АТФ. Аденозинтрифосфорная кислота. Это вещество является универсальным хранителем и переносчиком энергии в клетках всех живых организмов.

Для осуществления практически всех процессов, идущих в клетках с затратами энергии, используется АТФ. Синтез белков, углеводов, липидов, активный транспорт веществ через мембрану, движение ресничек и жгутиков, мышечные сокращения, деление клеток, поддержание постоянной температуры тела теплокровных животных… всё это требует обязательной энергетической подпитки.

Аденозинтрифосфорная кислота была открыта в 1929 году группой учёных Гарвардской медицинской школы. Но только в 1941 году Фриц Липман показал, что АТФ является основным переносчиком энергии в клетке.

Молекула АТФ представляет собой знакомое вам с прошлого урока вещество – нуклеотид. В состав нуклеотида, как вы помните, входят остатки трёх веществ: фосфорной кислоты, пятиуглеродного сахара и азотистого основания. Особенность же строения АТФ в том, что она содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты. Сахар – рибозу. А также только одно азотистое основание – аденин.

Почему же именно аденозинтрифосфорная кислота выбрана в качестве универсального источника энергии? Весь секрет кроется в строении. А именно в остатках фосфорной кислоты. Дело в том, что фосфатные группы соединены между собой двумя так называемыми макроэргическими связями. Макроэргические – значит высокоэнергетические. При гидролизе АТФ, когда такие связи разрываются, выделяется в четыре раза больше энергии, чем при разрыве обычных химических связей.

В результате отщеплении одного остатка фосфорной кислоты образуется АДФ (аденозиндифосфорная кислота) и высвобождается 40 кДж энергии.

В редких случаях АДФ может подвергаться дальнейшему гидролизу с отщеплением остатка фосфорной кислоты, образованием аденозинмонофосфорной кислоты и высвобождением всё тех же 40 кДж энергии.

Для обратного процесса – синтеза АТФ необходимо затратить энергию. Её источником служит процесс окисления органических веществ. Подробнее вы узнаете об этом на следующих уроках.

Итак, для присоединения остатка фосфорной кислоты к молекуле АДФ (реакция фосфорилирования) нужно затратить 40 кДж энергии.

Аденозинтрифосфорная кислота – очень неустойчивое соединение и быстро обновляется. Средняя продолжительность её жизни, если можно так сказать – менее одной минуты. А одна молекула АТФ расщепляется и вновь синтезируется около 2400 раз в сутки. В основном это происходит в митохондриях, а также в хлоропластах клеток растений.

Биологические процессы, обеспечивающие существование жизни очень сложны. Поэтому для их протекания недостаточно только веществ, несущих информацию и энергию. Необходимы вещества, которые осуществляют и регулируют обменные процессы организма, его рост и развитие. Оказывают влияние на особей своего и других видов. К таким веществам относятся витамины, гормоны, феромоны, алкалоиды, антибиотики и другие.

Витамины получили своё название от латинского слова vita, что в буквальном переводе означает «жизнь». Человечество долгое время не могло понять причину развития некоторых заболеваний, например, цинги. И когда витамины были открыты, оказалось, что они являются неотъемлемым компонентом жизни, но для выполнения своих функций достаточно очень малого их количества. Именно это и затрудняло их обнаружение.
Как выяснилось, витамины – низкомолекулярные соединения. Они играют исключительную роль в обмене веществ, но не самостоятельно, а преимущественно как компоненты ферментов.

Вы знаете, что витамины обозначаются буквами латинского алфавита: A, B, C, D и так далее. Кроме того, у каждого витамина есть своё название. Например, витамин B1 – тиамин, витамин С – аскорбиновая кислота.

По химическому строению и свойствам витамины достаточно разнообразны. Но по растворимости все их можно разделить на две группы: жирорастворимые (A, D, E, K) и водорастворимые (витамины группы B, C, H, P).

В организм человека и животных витамины должны поступать с пищей.

Но некоторые из них могут синтезироваться в организме. Например, под воздействием ультрафиолета в коже образуется витамин D. А благодаря симбиотическим микроорганизмам в кишечнике синтезируются витамины B6 и К.

Как мы уже сказали, витамины регулируют обмен веществ. Для нормальной жизнедеятельности их количество должно поддерживаться на определённом уровне. Как недостаток (гиповитаминоз), так и избыток витаминов (гипервитаминоз) может привести к серьёзным нарушениям многих физиологических функций в организме.

Важную роль в регуляции обмена веществ принимают и гормоны. Это слово в переводе с греческого означает – «побуждаю». Гормоны являются биологически активными веществами и вырабатываются специализированными образованиями. В выработке гормонов принимают участие клетки, ткани и органы (железы внутренней секреции).

Гормоны – вещества с различной химической природой. Это могут быть белки (инсулин, глюкагон, соматотропин), стероиды (кортизол, половые гормоны), производные аминокислот (тироксин, адреналин).

Все этапы индивидуального развития человека и животных происходят под контролем гормонов. Они регулируют наше дыхание, сердцебиение, давление…, то есть влияют на все процессы жизнедеятельности. Кроме того, приспособление к изменениям внешней и внутренней среды, активация работы ферментов также происходит под влиянием гормонов.

Как и в случае с витаминами, уровень гормонов в организме должен находиться на определённом уровне.

Известны и гормоны растений. Они называются фитогормонами. Как и гормоны животных, они регулируют процессы роста и развития, но уже растительного организма: деление и рост клеток, развитие почек, прорастание семян и другие.

Интересной группой веществ являются феромоны. К ним относятся биологически активные вещества, выделяемые во внешнюю среду и оказывающие влияние на поведение и физиологическое состояние особей того же вида. Если гормоны регулируют процессы жизнедеятельности внутри организма, то феромоны выступают в роли химических сигналов, которые передаются другим организмам. Коммуникация с помощью феромонов наблюдается, например, у членистоногих животных, а также у бактерий и протистов.

Такие известные вам вещества, как кофеин и морфин относятся к алкалоидам. Алкалоиды – биологически активные вещества, чаще растительного происхождения. Большинство из них ядовиты для человека и животных. Считается, что эти вещества помогают растениям защищаться от поедания их животными.

Некоторые алкалоиды человек использует в медицине. Первым, в очищенном виде, был получен морфин. Используемый в качестве обезболивающего средства.

Кофеин применяется в составе средств от головной боли, при мигрени, а также как стимулятор дыхания и сердечной деятельности при простудных заболеваниях.

Алкалоид хинин применяют для лечения малярии.

И последняя группа органических веществ на сегодня – антибиотики. Название этих веществ говорит само за себя. Оно произошло от греческого ἀντί – против и βίος – жизнь. Природные антибиотики вырабатываются различными микроорганизмами. Они угнетают или убивают клетки других микроорганизмов.

Первым антибиотиком, применённым для лечения бактериальных инфекций, был пенициллин. В 1945 году группе учёных была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине «за открытие пенициллина и его целебного воздействия при различных инфекционных болезнях».

Антибиотики спасли миллионы человеческих жизней и после их открытия считались буквально панацеей. Однако принимать их стоит только по назначению врача, так как самолечение может привести к ослаблению собственной защиты организма и гибели микрофлоры кишечника.