Biology for Non-Majors I

What you ’ ll learn to do: Describe how cells storage and transfer free energy using ATP

All living olions needs energy to function. Vaikka eri eliöt hankkivat tätä energiaa eri tavoin, ne varastoivat (ja käyttävät sitä) samalla tavalla. Tässä osiossa opimme ATP-elämän energiasta. ATP: n avulla solut varastoivat energiaa. Näitä varastomolekyylejä syntyy mitokondrioissa, pikkuruisissa organelleissa, joita eukaryoottisoluissa joskus kutsutaan solun ”voimanpesäksi”.

Mitokondriosairauksien lääkäri

Mitä tapahtuu, kun soluhengityksen kriittiset reaktiot eivät etene oikein? Mitokondriosairaudet ovat geneettisiä aineenvaihdunnan häiriöitä. Mitokondriohäiriöt voivat johtua mutaatioista ydin-tai mitokondrio-DNA: ssa, ja ne johtavat vähemmän energiaa kuin on normaalia kehon soluissa.

esimerkiksi tyypin 2 diabeteksessa NADH: n hapettumistehokkuus heikkenee, mikä vaikuttaa oksidatiiviseen fosforylaatioon, mutta ei hengityksen muihin vaiheisiin. Mitokondriosairauksien oireita voivat olla lihasheikkous, koordinaatiokyvyn puute, aivoinfarktin kaltaiset kohtaukset sekä näön ja kuulon menetys. Suurin osa sairastuneista diagnosoidaan lapsuudessa, vaikka on joitakin aikuisiän sairauksia.

mitokondrioiden häiriöiden tunnistaminen ja hoitaminen on lääketieteen erikoisala. Tämän ammatin koulutusvalmistelu edellyttää yliopistokoulutusta, jonka jälkeen lääketieteellinen koulu erikoistuu lääketieteelliseen genetiikkaan. Lääketieteen geneetikot voidaan hallituksen sertifioitu American Board of Medical Genetics ja mennä liittyy ammatillisten järjestöjen omistettu tutkimuksen mitokondriosairauksien, kuten mitokondrion Medicine Society ja Society for perinnöllinen metabolinen sairaus.

oppimistulokset

kuvaavat, miten solut varastoivat ja siirtävät vapaata energiaa ATP: n avulla

elävä solu ei voi varastoida merkittäviä määriä vapaata energiaa. Ylimääräinen vapaa energia lisäisi kennon lämpöä, mikä johtaisi liialliseen lämpöliikkeeseen, joka voisi vaurioittaa ja sitten tuhota kennon. Sen sijaan solun täytyy kyetä käsittelemään tuota energiaa niin, että se pystyy varastoimaan energiaa turvallisesti ja vapauttamaan sitä käytettäväksi vain tarpeen mukaan. Elävät solut suorittavat tämän käyttämällä yhdistettä Adenosiinitrifosfaatti (ATP). ATP: tä kutsutaan usein solun ”energiavaluutaksi”, ja valuutan tavoin tätä monipuolista yhdistettä voidaan käyttää mihin tahansa solun energiantarpeeseen. Miten? Se toimii samalla tavalla kuin ladattava akku.

kun ATP hajoaa, yleensä poistamalla sen terminaalisen fosfaattiryhmän, vapautuu energiaa. Energia kuluu solun työhön, yleensä vapautuvan fosfaatin sitoutuessa toiseen molekyyliin, jolloin se aktivoituu. Esimerkiksi lihasten supistumisen mekaanisessa työssä ATP antaa energiaa supistuvien lihasproteiinien liikuttamiseen. Muistuta natrium-kalium-pumpun aktiivinen kuljetustyö solukalvoissa. ATP muuttaa pumppuna toimivan integraaliproteiinin rakennetta muuttaen sen affiniteettia natriumia ja kaliumia kohtaan. Tällä tavoin solu suorittaa työtä pumppaamalla ioneja niiden sähkökemiallisia kaltevuuksia vastaan.

ATP: n rakenne ja funktio

tässä kuvassa näkyy ATP: n molekyylirakenne. Tämä molekyyli on adeniininukleotidi, johon on kiinnittynyt kolmen fosfaattiryhmän jono. Fosfaattiryhmät nimetään alfa -, beeta-ja gamma-järjestyksessä kasvavassa määrin riboosisokerista, johon ne ovat kiinnittyneet.

kuva 1. ATP: ssä (adenosiinitrifosfaatissa) on kolme fosfaattiryhmää, jotka voidaan poistaa hydrolyysillä muodostaen ADP: n (adenosiinidifosfaatti) tai AMP: n (adenosiinimonofosfaatti).Fosfaattiryhmän negatiiviset varaukset luonnollisesti hylkivät toisiaan, jolloin niiden yhteen Sitominen vaatii energiaa ja vapauttaa energiaa näiden sidosten katketessa.

ATP: n ytimessä on adenosiinimonofosfaattimolekyyli (AMP), joka koostuu riboosimolekyyliin ja yhteen fosfaattiryhmään sitoutuneesta adeniinimolekyylistä (Kuva 1). Riboosi on RNA: ssa oleva viiden hiilen sokeri, ja AMP on yksi RNA: n nukleotideista. Toisen fosfaattiryhmän lisääminen tähän ydinmolekyyliin johtaa adenosiinidifosfaatin (ADP) muodostumiseen; kolmannen fosfaattiryhmän lisääminen muodostaa adenosiinitrifosfaatin (ATP).

fosfaattiryhmän lisääminen molekyyliin vaatii energiaa. Fosfaattiryhmät ovat negatiivisesti varautuneita ja siten hylkivät toisiaan järjestyessään sarjoiksi, kuten ne ovat ADP: ssä ja ATP: ssä. Tämä repulsio tekee ADP-ja ATP-molekyyleistä luonnostaan epävakaita. Yhden tai kahden fosfaattiryhmän vapautuminen ATP: stä eli defosforylaatioksi kutsuttu prosessi vapauttaa energiaa.

ATP: n energia

hydrolyysi on prosessi, jossa kompleksiset makromolekyylit hajoavat erilleen. Hydrolyysin aikana vesi pilkkoutuu eli lysoituu ja syntyvä vetyatomi (H+) ja hydroksyyliryhmä (OH–) lisätään suurempaan molekyyliin. ATP: n hydrolyysi tuottaa ADP: tä yhdessä epäorgaanisen fosfaatti-ionin (Pi) kanssa ja vapauttaa vapaata energiaa. Elämän prosessien suorittamiseksi ATP hajoaa jatkuvasti ADP: ksi, ja ladattavan akun tavoin ADP regeneroituu jatkuvasti ATP: ksi kiinnittämällä kolmannen fosfaattiryhmän uudelleen. ATP: n hydrolyysin aikana vetyatomikseen ja hydroksyyliryhmäkseen hajonnut vesi regeneroituu, kun ADP-molekyyliin lisätään kolmas fosfaatti, jolloin ATP reformoituu.

on selvää, että ATP: n regeneroimiseksi systeemiin täytyy syöttää energiaa. Mistä tämä energia tulee? Lähes jokaisen elollisen energia tulee glukoosin aineenvaihdunnasta. Tällä tavoin ATP on suora yhteys glukoosikatabolian rajallisten eksergonisten reittien ja eläviä soluja valtaavien endergonisten reittien välillä.

fosforylaatio

muistuttaa, että eräissä kemiallisissa reaktioissa entsyymit voivat Sitoutua useisiin substraatteihin, jotka reagoivat keskenään entsyymiin muodostaen välikompleksin. Välikompleksi on väliaikainen rakenne, ja sen avulla yksi substraateista (kuten ATP) ja reaktantit reagoivat helpommin keskenään; ATP: tä sisältävissä reaktioissa ATP on yksi substraateista ja ADP on tuote. Endergonisessa kemiallisessa reaktiossa ATP muodostaa välikompleksin substraatin ja entsyymin kanssa reaktiossa. Tämän välikompleksin avulla ATP siirtää energiallaan kolmannen fosfaattiryhmänsä substraatille, jota kutsutaan fosforylaatioksi. Fosforylaatiolla tarkoitetaan fosfaatin (~p) lisäämistä. Tätä havainnollistaa seuraava yleinen reaktio:

a + entsyymi + ATP → → B + entsyymi + ADP + fosfaatti-ioni

kun välikompleksi hajoaa, energiaa käytetään substraatin muokkaamiseen ja sen muuttamiseen reaktion tuotteeksi. ADP-molekyyli ja vapaa fosfaatti-ioni vapautuvat väliaineeseen ja ovat kierrätettävissä solun aineenvaihdunnan kautta.

tässä kuvassa näkyy substraattitason fosforylaatioreaktio, jossa ATP: n gammafosfaatti kiinnittyy proteiiniin.

kuva 2. Fosforylaatioreaktioissa ATP: n gammafosfaatti kiinnittyy proteiiniin.

substraatin fosforylaatio

ATP: tä syntyy glukoosin hajotessa kahdella mekanismilla. Muutamia ATP-molekyylejä syntyy (eli regeneroituu ADP: stä) suoraan katabolisissa väylissä esiintyvien kemiallisten reaktioiden seurauksena. Reaktiossa välireaktantista poistetaan fosfaattiryhmä ja reaktion vapaa energia käytetään kolmannen fosfaatin lisäämiseen käytettävissä olevaan ADP-molekyyliin, jolloin muodostuu ATP: tä (kuva 2). Tätä hyvin suoraa fosforylointimenetelmää kutsutaan substraattitason fosforylaatioksi.

oksidatiivinen fosforylaatio

suurin osa glukoosikatabolian aikana syntyneestä ATP: stä on kuitenkin peräisin paljon monimutkaisemmasta prosessista, kemiosmoosista, joka tapahtuu mitokondrioissa (kuva 3) eukaryoottisen solun sisällä tai prokaryoottisen solun plasmakalvossa.

tässä kuvassa näkyy mitokondrion rakenne, jossa on ulko-ja sisäkalvo. Sisäkalvossa on monia poimuja, joita kutsutaan nimellä cristae. Ulko-ja sisäkalvon välistä tilaa kutsutaan intermembraaniavaruudeksi ja mitokondrion keskusavaruutta matriisiksi. ATP-syntaasientsyymit ja elektroninsiirtoketju sijaitsevat sisäkalvossa

Kuvassa 3. Mitokondriot (Mariana Ruiz Villarealin työn modifikaatio)

Kemiosmoosi, solujen aineenvaihdunnassa tapahtuva ATP: n tuotantoprosessi, tuottaa 90 prosenttia glukoosikatabolian aikana tehdystä ATP: stä ja on myös fotosynteesin valoreaktioissa käytetty menetelmä auringonvalon energian valjastamiseksi. ATP: n tuottamista kemiosmoosiprosessin avulla kutsutaan oksidatiiviseksi fosforylaatioksi, koska happi osallistuu prosessiin.

Yhteenvetona: ATP elävissä järjestelmissä

ATP toimii solujen energiavaluuttana. Sen avulla solu voi varastoida energiaa lyhyesti ja kuljettaa sitä solun sisällä endergonisten kemiallisten reaktioiden tukemiseksi. Rakenteeltaan ATP on RNA-nukleotidi, johon on kiinnittynyt kolme fosfaattia. Kun ATP: tä käytetään energiana, fosfaattiryhmä tai kaksi irtoaa ja syntyy joko ADP tai AMP. Glukoosikataboliasta johdettua energiaa käytetään ADP: n muuttamiseen ATP: ksi. Kun reaktiossa käytetään ATP: tä, kolmas fosfaatti kiinnittyy väliaikaisesti substraattiin fosforylaatioksi kutsutussa prosessissa. Kaksi ATP: n regenerointiprosessia, joita käytetään yhdessä glukoosikatabolian kanssa, ovat substraattitason fosforylaatio ja oksidatiivinen fosforylaatio kemiosmoosin prosessin kautta.

Tarkista ymmärryksesi

vastaa alla oleviin kysymyksiin nähdäksesi, kuinka hyvin ymmärrät edellisessä jaksossa käsitellyt aiheet. Tätä lyhyttä tietokilpailua ei lasketa luokan arvosanaan, ja voit ottaa sen uusintana rajattoman määrän kertoja.

käytä tätä tietokilpailua tarkistaaksesi ymmärryksesi ja päättääksesi, tutkitaanko (1) edellistä osiota tarkemmin vai (2) siirrytäänkö seuraavaan osioon.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.