В биологии АТФ - это источник энергии и основа жизни. АТФ - аденозинтрифосфат - участвует в процессах метаболизма и регулирует биохимические реакции в организме.

Что это?

Понять, что такое АТФ, поможет химия. Химическая формула молекулы АТФ - C10H16N5O13P3. Запомнить полное название несложно, если разбить его на составные части. Аденозинтрифосфат или аденозинтрифосфорная кислота - нуклеотид, состоящий из трёх частей:

• аденина - пуринового азотистого основания;
• рибозы - моносахарида, относящегося к пентозам;
• трёх остатков фосфорной кислоты.

Рис. 1. Строение молекулы АТФ.

Более подробная расшифровка АТФ представлена в таблице.

АТФ впервые обнаружили гарвардские биохимики Суббарао, Ломан, Фиске в 1929 году. В 1941 году немецкий биохимик Фриц Липман установил, что АТФ является источником энергии живого организма.

Образование энергии

Фосфатные группы соединены между собой высокоэнергетическими связями, которые легко разрушаются. При гидролизе (взаимодействии с водой) связи фосфатной группы распадаются, высвобождая большое количество энергии, а АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту).

Условно химическая реакция выглядит следующим образом:

ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой

АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4 + энергия

Рис. 2. Гидролиз АТФ.

Часть высвободившейся энергии (около 40 кДж/моль) участвует в анаболизме (ассимиляции, пластическом обмене), часть - рассеивается в виде тепла для поддержания температуры тела. При дальнейшем гидролизе АДФ отщепляется ещё одна фосфатная группа с высвобождением энергии и образованием АМФ (аденозин-монофосфата). АМФ гидролизу не подвергается.

Синтез АТФ

АТФ располагается в цитоплазме, ядре, хлоропластах, в митохондриях. Синтез АТФ в животной клетке происходит в митохондриях, а в растительной - в митохондриях и хлоропластах.

АТФ образуется из АДФ и фосфата с затратой энергии. Такой процесс называется фосфорилированием:

АДФ + Н3РО4 + энергия → АТФ + Н2О

Рис. 3. Образование АТФ из АДФ.

В растительных клетках фосфорилирование происходит при фотосинтезе и называется фотофосфорилированием. У животных процесс протекает при дыхании и называется окислительным фосфорилированием.

В животных клетках синтез АТФ происходит в процессе катаболизма (диссимиляции, энергетического обмена) при расщеплении белков, жиров, углеводов.

Функции

Из определения АТФ понятно, что эта молекула способна давать энергию. Помимо энергетической аденозинтрифосфорная кислота выполняет другие функции:

• является материалом для синтеза нуклеиновых кислот;
• является частью ферментов и регулирует химические процессы, ускоряя или замедляя их протекание;
• является медиатором - передаёт сигнал синапсам (местам контакта двух клеточных мембран).

Молекула АТФ(аденозин трифосфат) является универсальным источником энергии, обеспечивая не только работу мышц, но и протекание многих других биологических процессов, включая и рост мышечной массы (анаболизм) .

Молекула АТФ состоит из аденина, рибозы и трех фосфатов. Энергия высвобождается при отделении от молекулы одного из трех фосфатов и превращением АТФ в АДФ (аденозин дифосфат). При необходимости может отделяться еще один фосфорный остаток с получением АМФ (аденозин монофосфат) и повторным выбросом энергии.

Наиболее важным качеством является то, что АДФ может быстро восстанавливаться до полностью заряженной АТФ, что объясняется невысокой стабильностью связей - например, жизнь молекулы АТФ составляет в среднем менее одной минуты, а за сутки с этой молекулой может происходить до 3000 циклов перезарядок.

Выделяемая АТФ энергия имеет большую величину, потому относится к МАКРОЭРГИЧЕСКИМ соединениям. Естественно, при восстановлении ее организм вынужден будет затратить такое же количество энергии.

Общий объем АТФ стабилен и обычно не превышает 0.5 % от массы мышц. Сам по себе объем увеличить не удастся, но можно улучшить скорость восстановления молекулы, что напрямую скажется на выносливости и силе спортсмена.

Восстановление АТФ происходит несколькими способами – вначале физической активности для перезарядки расходуется большое количество ресурсов, но и скорость восстановления АТФ очень высока, за тем организм переходит на все более экономичные способы ресинтеза, в конечном итоге мышечная система имеет возможность функционировать длительное время при умеренном синтезе АТФ.

Синтез АТФ

Прежде всего следует сказать, что качественный и быстрый синтез АТФ возможен только при поддержании высокого уровня тестостерона, поскольку мужские гормоны являются главными стимуляторами биологических процессов направленных на повышение силы и выносливости. Как повысить тестостерон читайте в

этой статье.

Подробнее о синтезе АТФ

Когда запасы фосфата креатина падают, включается так называемая АНАЭРОБНАЯ выносливость. Для синтеза АТФ используется много энергии, которую организм получает из запасов гликогена, восстановление АТФ происходит медленнее, но процесс активно продолжается более 2 минут. Положительная сторона – не требуется участия кислорода, отрицательная – вырабатывается много молочной кислоты.
Анаэробный метаболизм – основа силовой выносливости.

Когда заметно истощаются запасы гликогена усиливается АЭРОБНЫЙ метаболизм, который обеспечивает медленное, но достаточно длительное производство АТФ при очень экономном расходе глюкозы.Этот процесс полностью запускается уже через три минуты интенсивной нагрузки. Обеспечение энергией в этом случае требует участия кислорода. Для производства АТФ используются сначала углеводы, за тем жиры. Жиры могут применяться и ранее вместе с углеводами - в стрессовых состояниях - см. кортизол . Когда естественные запасы энергии подходят к концу организм берет в оборот и белки мышц (в первую очередь те, что возможно быстро восстановить) .
Наибольший выход молекул АТФ происходит при расщеплении жирных кислот.

АТФ в БОДИБИЛДИНГЕ

Организм обычно бережно расходует АТФ, потому спортсмен не может потратить весь запас энергии в одном интенсивном подходе. Если тело получит небольшой перерыв, запасы АТФ частично восстановятся и можно будет снова расходовать энергию, многократно повторяя подходы можно добиться значительной нагрузки на мышцы, но и заметно исчерпать АТФ.

Для полного восстановления АТФ требуется длительное время, потому в процессе занятия от одного упражнения к другому общий уровень энергии постоянно снижается. Согласно современным исследованиям сильное утомление приходит уже через час интенсивного тренинга, что вызывает быстрое повышение кортизола (гормон усталости) в крови и занятия с этого момента приносят скорее вред, чем пользу.

После тренировки тело продолжает расходовать АТФ для восстановления химического баланса и прочих процессов, включая затраты на рост мышц. Только после завершения всех восстановительных процессов организм сможет восполнить достаточный уровень АТФ. В зависимости от интенсивности тренировки, питания, уровня тестостерона, психологического состояния и генетических особенностей полное восстановление уровня АТФ может занять от 1 до 4 суток, потому стандартные 3 тренировки в неделю это скорее усредненный расчет. Индивидуально же частоту занятий нужно подбирать по общему самочувствию (с ленью не путать).

Постоянное недостаточное восстановление уровня АТФ со временем однозначно приводит к состоянию перетренированности, требующему длительного и серьезного лечения. Как удержать на высоте уровень АТФ читайте

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.

Чтобы жить, надо работать. Эта житейская истина вполне приложима к любым живым существам. Все организмы: от одноклеточных микробов до высших животных и человека - непрерывно совершают различные типы работы. Таковы движение, то есть механическая работа при сокращении мышц животного или вращении жгутика бактерии; синтезы сложных химических соединений в клетках, то есть химическая работа; создание разности потенциалов между протоплазмой и внешней средой, то есть электрическая работа; перенос веществ из внешней среды, где их мало, внутрь клетки, где тех же веществ больше, то есть осмотическая работа. Помимо перечисленных четырех основных типов работы, можно упомянуть образование тепла теплокровными животными в ответ на понижение температуры окружающей среды, а также образование света светящимися организмами.

Все это требует затрат энергии, которая черпается из тех или иных внешних энергетических ресурсов. Первичным источником энергии для биосферы служит солнечный свет, усваиваемый фотосинтезирующими живыми существами: зелеными растениями и некоторыми бактериями. Создаваемые этими организмами биополимеры (углеводы, жиры и белки) могут затем использоваться в качестве "топлива" всеми остальными - гетеротрофными - формами жизни, к которым относятся животные, грибы и большинство видов бактерий.

Биополимеры пищи могут быть весьма разнообразны: это сотни различных белков, жиров и полисахаридов. В организме происходит распад этого "топлива". Прежде всего полимерные молекулы распадаются на составляющие их мономеры: белки расщепляются на аминокислоты, жиры - на жирные кислоты и глицерин, полисахариды - на моносахариды. Общее количество различных типов мономеров измеряется уже не сотнями, а десятками.

В дальнейшем мономеры превращаются в небольшие по величине моно-, ди- и трикарбоновые кислоты с числом углеродных атомов от 2 до 6. Этих кислот всего десять. Их превращение замкнуто в цикл, названный циклом Кребса в честь его первооткрывателя.

В цикле Кребса происходит окисление карбоновых кислот кислородом до углекислого газа и воды. Именно образование воды в результате реакции молекулярного кислорода с водородом, отщепленным от карбоновых кислот, сопровождается наибольшим выделением энергии, в то время как предшествующие процессы служат главным образом лишь подготовкой "топлива". Окисление водорода кислородом, то есть реакция гремучего газа (O 2 +2Н 2 = 2Н 2 O), в клетке разбито на несколько стадий, так что освобождающаяся при этом энергия выделяется не сразу, а порциями.

Так же порциями происходит; освобождение энергии, поступающей в виде кванта света, в клетках организмов-фотосинтетиков.

Итак, в одной и той же клетке существует, во-первых, несколько реакций освобождения энергии и, во-вторых, множество процессов, идущих с поглощением энергии. Посредником этих двух систем, совокупность которых называется энергетическим обменом, служит особое вещество - аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Для энергетического обмена клетки очень важны так называемые сопряженные химические реакции. В каждой такой реакции связываются воедино два различных процесса: один, сопровождающийся выделением энергии, и другой, требующий ее затрат. В результате оказывается, что первый (энергодающий) процесс становится движущей силой для второго процесса, потребляющего энергию.

В начале 40-х годов известный биохимик Ф. Липман высказал гипотезу, что различные реакции освобождения энергии в клетке всегда сопряжены с одной и той же реакцией, а именно синтезом АТФ из ее предшественников - аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) и неорганической ортофосфорной кислоты (Н 3 РО 4). С другой стороны, реакции расщепления (гидролиза) АТФ до АДФ и Н 3 РО 4 сопряжены, по Липману, с совершением различных типов полезной работы. Другими словами, образование АТФ служит универсальным накопителем энергии, а расщепление АТФ - универсальным поставщиком энергии.

Еще до публикации гипотезы Липмана советские ученые В. Энгельгардт и В. Белицер установили, что внутриклеточное дыхание, то есть окисление водорода карбоновых кислот кислородом, сопряжено с синтезом АТФ. Образование АТФ было показано также при гликолизе (расщепление углеводов до молочной кислоты в отсутствие кислорода). В 50-е годы американский биохимик Д. Арнон продемонстрировал синтез АТФ у растений за счет энергии света.

В то же время были описаны многочисленные случаи энергообеспечения работы клетки за счет гидролиза АТФ. Выяснилось, что синтез белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот из соответствующих мономеров "оплачивается" энергией АТФ. В. Энгельгардт и М. Любимова обнаружили расщепление АТФ сократительным мышечным белком. Это открытие позволило понять, каким образом обеспечивается энергией работа мышцы. К настоящему времени несомненна причастность АТФ также и ко многим другим процессам, потребляющим энергию.

Итак, клетка использует энергетические ресурсы, чтобы получить АТФ, а затем тратит этот АТФ, чтобы оплатить различные виды работы.

Где и как образуется АТФ

Первой системой, для которой выяснили механизм образования АТФ, оказался гликолиз - вспомогательный тип энергообеспечения, включающийся в условиях нехватки кислорода. При гликолизе молекула глюкозы расщепляется пополам и полученные обломки окисляются до молочной кислоты.

Такое окисление сопряжено с присоединением фосфорной кислоты к каждому из фрагментов молекулы глюкозы, то есть с их фосфорилированием. Последующий перенос фосфатных остатков с фрагментов глюкозы на АДФ дает АТФ.

Механизм образования АТФ при внутриклеточном дыхании и фотосинтезе долгое время оставался совершенно неясным. Было известно только, что ферменты, катализирующие эти процессы, встроены в биологические мембраны - тончайшие пленки (толщиной около одной миллионной доли сантиметра), состоящие из белков и фосфорилированных жироподобных веществ - фосфолипидов.

Мембраны - важнейший структурный компонент любой живой клетки. Внешняя мембрана клетки отделяет протоплазму от окружающей клетку среды. Клеточное ядро окружено двумя мембранами, которые образуют ядерную оболочку - преграду между внутренним содержимым ядра (нуклеоплазмой) и остальной частью клетки (цитоплазмой). Кроме ядра, в клетках животных и растений находят еще несколько структур, окруженных мембранами. Это эндоплазматическая сеть - система мельчайших трубочек и плоских цистерн, стенки которых образованы мембранами. Это, наконец, митохондрии - шарообразные или вытянутые пузырьки размером мельче ядра, но крупнее компонентов эндоплазматической сети. Диаметр митохондрии обычно около микрона, хотя иногда митохондрии образуют ветвящиеся и сетчатые структуры протяженностью в десятки микрон.

В клетках зеленых растений, помимо ядра, эндоплазматической сети и митохондрий, находят еще и хлоропласты - мембранные пузырьки более крупные, чем митохондрии.

Каждая из этих структур выполняет свою, специфическую биологическую функцию. Так, ядро - вместилище ДНК. Здесь происходят процессы, лежащие в основе генетической функции клетки, и начинается сложная цепь процессов, приводящая в конечном итоге к синтезу белка. Этот синтез завершается в мельчайших гранулах - рибосомах, большая часть которых связана с эндоплазматической сетью. В митохондриях происходят окислительные реакции, совокупность которых называется внутриклеточным дыханием. Хлоропласты отвечают за фотосинтез.

Клетки бактерий устроены проще. Обычно они имеют только две мембраны - внешнюю и внутреннюю. Бактерия - это как бы мешок в мешке, а точнее, очень мелкий пузырек с двойной стенкой. Здесь нет ни ядра, ни митохондрий, ни хлоропластов.

Существует гипотеза, что митохондрии и хлоропласты произошли из бактерий, захваченных клеткой более крупного и высокоорганизованного существа. Действительно, биохимия митохондрий и хлоропластов во многом напоминает бактериальную. Морфологически митохондрии и хлоропласта тоже в известном смысле подобны бактериям: они окружены двумя мембранами.

Во всех трех случаях: в бактериях, митохондриях и хлоропластах - синтез АТФ происходит во внутренней мембране.

Долгое время считалось, что образование АТФ при дыхании и фотосинтезе протекает аналогично уже известному превращению энергии при гликолизе (фосфорилирование расщепляемого вещества, его окисление и перенос остатка фосфорной кислоты на АДФ). Однако все попытки экспериментально доказать эту схему оканчивались неудачей.

Рассказы о биоэнергетике ИСТОРИЯ НОВОЙ НАУКИ Глава 1. ЧЕМ ЗАНИМАЮТСЯ БИОЭНЕРГЕТИКИ? Рождение биоэнергетики Глава 2. ЧТО ТАКОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН? Как клетка получает и использует энергию АТФ - разменная валюта клетки Где и как образуется АТФ? Глава 3. ОТ МИРМИКОЛОГИИ К БИОЭНЕРГЕТИКЕ Муравьиный язык Митохондрии производят АТФ в пробирке Глава 4. ДВА ПУТИ Факт или артефакт? Стриженые голуби Бурый жир Глава 5. КРЕПКИЙ ОРЕШЕК Жертва "закона Паркинсона" Ложная аналогия Парадокс веществ-разобщителей Глава 6. МИТЧЕЛ И ЕГО ДОГАДКА Начало пути Чисто умозрительное построение Хемиосмотическая гипотеза

АТФ (аденозинтрифосфат) – органическое соединение из группы нуклеозидтрифосфатов, играющее главную роль в целом ряде биохимических процессов, прежде всего в обеспечении клеток энергией.

Навигация по статье

Строение и синтез АТФ

Аденозинтрифосфат представляет собой аденин, к которому присоединены три молекулы ортофосфорной кислоты. Аденин входит в состав многих других соединений, широко распространенных в живой природе, в том числе нуклеиновых кислот.

Выделение энергии, которая используется организмом в самых разных целях, происходит в процессе гидролиза АТФ, приводящего к появлению одной или двух свободных молекул фосфорной кислоты. В первом случае Аденозинтрифосфат превращается в аденозиндифосфат (АДФ), во втором – в аденозинмонофосфат (АМФ).

Синтез АТФ, в живом организме происходит за счет соединения аденозиндифосфата с фосфорной кислотой, может протекать несколькими путями:

1. Основной: окислительное фосфорилирование, которое происходит во внутриклеточных органеллах – митохондриях, в процессе окисления органических веществ.
2. Второй путь: субстратное фосфорилирование, протекающее в цитоплазме и играющее центральную роль в анаэробных процессах.

Функции АТФ

Аденозинтрифосфат не играет сколько-нибудь заметной роли в хранении энергии, исполняя скорее транспортные функции в клеточном энергетическом обмене. Аденозинтрифосфат синтезируется из АДФ и вскоре вновь превращается в АДФ с выделением полезной энергии.

Применительно к позвоночным животным и человеку основной функцией АТФ является обеспечение двигательной активности мышечных волокон.

В зависимости от продолжительности усилия, краткосрочная это работа или длительная (циклическая) нагрузка, энергетические процессы достаточно сильно отличаются. Но во всех них важнейшую роль играет аденозинтрифосфат.

Структурная формула АТФ:

Помимо энергетической функции Аденозинтрифосфат играет существенную роль в передаче сигнала между нервными клетками и других межклеточных взаимодействиях, в регуляции действия ферментов и гормонов. Является одним из исходных продуктов для синтеза протеинов.

Сколько образуется молекул АТФ при гликолизе и окислении?

Время жизни одной молекулы обычно составляет не более минуты, так что в отдельный момент содержание этого вещества в организме взрослого человека – порядка 250 грамм. При том, что суммарное количество Аденозинтрифосфата, синтезируемое за сутки, как правило сравнимо с собственным весом организма.

Процесс гликолиза проходит в 3 этапа:

1. Подготовительный.
   Входе это этапа молекул Аденозинтрифосфата не образуется
2. Анаэробный.
   Образуется 2 молекулы АТФ.
3. Аэробный.
   Во время него происходит окисление ПВК, пировиноградной кислоты. Образуется 36 молекул АТФ из 1 молекулы глюкозы.

Всего в процессе гликолиза 1 молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ: 2 во время анаэробного этапа гликолиза, 36 при окислении пировиноградной кислоты.