Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 8. АТФ

Життя енергозалежне

Життя — це рух. Цей вислів повністю підтверджують повсякденні спостереження. Птахи летять, здійснюючи махові рухи крилами, відштовхуючись від повітряних мас. Муха створює рухами своїх крил завихрення повітря, формуючи над собою розріджений простір, куди її затягує. Ваше серце в стані спокою б’ється з частотою 60-80 ударів на хвилину, перекачуючи кров по організму. Рослини менш рухомі, проте й вони обертають листки та квітки залежно від положення Сонця.

Усередині клітина сповнена руху. Щосекунди сотні крихітних пухирців переміщуються цитоплазмою, зливаються та розділяються, транспортуються на далекі відстані від місць утворення до місць роботи. Для здійснення всього цього різноманіття рухів необхідне джерело енергії, як паливо необхідне для руху автомобіля.

Енергія потрібна також для здійснення хімічних реакцій. Якщо взяти воду, що містить крохмаль, і додати до цієї суміші фермент амілазу, то крохмаль почне розщеплюватися. Розповідаючи про ферменти, ми вже зазначали, що такі реакції, як розпад біополімеру, відбуваються мимовільно, оскільки продукти реакції мають меншу енергію, ніж субстрати. Проте живі організми здійснюють і зворотні реакції — синтез полімерів із мономерних ланок. Такі реакції для свого здійснення потребують додаткового надходження енергії.

Джерела енергії для живих організмів можуть бути різними

Живі організми можуть поглинати енергію з навколишнього середовища в різні способи. Тварини отримують енергію шляхом окиснення («спалювання») молекул речовин, що містяться в їжі. Так, окиснення глюкози до вуглекислого газу та води супроводжується виділенням енергії, яка може бути використана організмом. У випадку горіння ця енергія виділяється у вигляді тепла та світла, проте живі організми здатні «повільно спалювати» глюкозу, а енергію, що виділяється, використовувати на власні потреби (докладніше про те, як вони це роблять, ітиметься в § 17). Таким чином, тварини використовують хімічну енергію, накопичену в молекулах поживних речовин. Живі організми, що отримують енергію з молекул «їжі», називають хемотрофами (від грец. hemo — хімія та tropho — їжа). До них належать тварини, гриби, багато бактерій і найпростіших. Ще одним способом отримання енергії є уловлювання енергії сонячного світла. Живі організми, що отримують енергію у такий спосіб, називають фототрофами (від грец. photos — світло). Фототрофи мають спеціальні «молекулярні антени» для вловлювання енергії світла, яка потім буде перетворена на енергію хімічних зв’язків (докладніше про це — у § 18).

АТФ — енергетична валюта

Як ми вже згадали, реакції синтезу біомолекул пов’язані зі споживанням енергії. Джерелом цієї енергії можуть бути хімічні реакції розпаду молекул, отриманих під час живлення. Таким чином, в організмі одночасно відбуваються як реакції, що споживають енергію, так і реакції, що виділяють енергію. Щоб забезпечити якусь реакцію біосинтезу енергією, її можна пов’язати з якоюсь мимовільною реакцією, що відбувається з виділенням достатньої кількості енергії.

Рис. 8.1. Схема безпосереднього енергетичного спряження

Енергія для здійснення реакцій біосинезу надходить прямо від реакцій розщеплення.

Такий зв’язок називають енергетичним спряженням. Отримати енергетичне спряження легко. Уявімо, що в нас є реакція біосинтезу:

A + B = C (1)

а також певна реакція, що відбувається мимовільно з виділенням великої кількості енергії:

K = M + L (2)

Реакція (1) не відбуватиметься, якщо не надійде енергія ззовні. Проте ми можемо додати до системи, що містить речовини А, B та K, якийсь фермент, що здійснюватиме реакцію:

А + B + K = C + M + L

Фактично відтепер обидві реакції каталізуються одним ферментом, і енергія, отримана під час реакції (2), використовується для здійснення реакції (1).

Застосовуючи таку стратегію, можна кожній реакції біосинтезу дібрати відповідну реакцію з виділенням енергії. Вийде схема, зображена на рисунку 8.1. Проте така система матиме низку недоліків: за відсутності певних енергетичних субстратів деякі реакції стануть неможливими. Також реакції мають співвідноситися так, щоб енергія, що вивільняється, була не меншою за енергію, потрібну для синтезу. Набагато зручнішою була б система, коли під час реакцій розщеплення молекул, що надійшли з їжею, утворювався б універсальний посередник («енергетична валюта»), який міг би використовуватися як джерело енергії в реакціях біосинтезу.

Рис. 8.2. Схема енергетичного спряження в живих організмах з універсальним посередником — молекулою АТФ

Під час окиснення речовин, отриманих із їжі, виділяється енергія, яка запасається в хімічних зв’язках молекули АТФ. Надалі ця енергія витрачається в процесах синтезу біологічних молекул, потрібних для роботи клітини.

Рис. 8.3. Модель молекули АТФ

Такий посередник мусить мати певні властивості: це повинна бути невелика молекула, стабільна (аби не розпадатися спонтанно), а енергія її розпаду має бути малою (інакше кажучи, «енергетична валюта» мусить бути в «дрібних монетах»). Саме таку схему, як на рисунку 8.2, використовують живі організми, а найважливіша з-поміж молекул енергетичних посередників — це АТФ.

За будовою молекула АТФ є звичайним нуклеотидом

На рисунку 8.3 зображено модель будови молекули АТФ (аденозинтрифосфатної кислоти). Вона є нуклеотидом (рибонуклеотидом — містить вуглевод рибозу), схожим на ті, із яких формуються нуклеїнові кислоти. Молекула АТФ містить нітрогеновмісну основу аденін, прикріплену до рибози, і три залишки ортофосфатної кислоти, що з’єднані між собою. Під дією води за наявності ферменту молекула АТФ може розщепитися на АДФ та ортофосфатну кислоту. Ця реакція супроводжується виділенням енергії1. Саме трифосфат — та частина молекули АТФ, у якій акумулюється енергія, що використовується для здійснення біосинтезу. Інша ж частина молекули слугує для взаємодії з ферментом.

АТФ використовується клітинами не лише для забезпечення реакцій біосинтезу енергією. Вона також використовується для здійснення руху та перенесення речовин крізь мембрану. Моторні білки забезпечують переміщення молекул та органел клітини, биття війок і джгутиків, а також інші життєво важливі процеси, пов’язані зі спрямованим рухом. Вони є ферментами, що розщеплюють АТФ та використовують енергію, що виділяється, для здійснення механічної роботи. Із деякими з них ви вже ознайомилися в § 6. Це, наприклад, згадуваний міозин. Живі клітини багаті на рух, що створюється молекулярними моторами. За допомогою мікроскопа можна спостерігати переміщення органел у живій клітині2. Деякі спеціалізовані клітини здатні здійснювати глобальніші рухові процеси. Такими є клітини м’язової тканини. Вони містять моторний білок міозин, зібраний у складні структури. Численні молекули міозину розщеплюють АТФ, і завдяки їхній скоординованій роботі здійснюється м’язове скорочення. Вивчити цей процес ви можете, переглянувши відео за посиланням.

1 Є й інший спосіб розщеплення АТФ: спочатку вона розщеплюється на АМФ та пірофосфатну кислоту (молекулу, що складається з двох залишків фосфатної кислоти), а потім пірофосфатна кислота розщеплюється на дві молекули ортофосфатної кислоти. Під час такого розщеплення АТФ виділяється майже вдвічі більше енергії, ніж під час розщеплення до АДФ та ортофосфатної кислоти.

2 Ви можете подивитися переміщення хлоропластів у листку водної рослини елодеї на відео за посиланням.

АТФ також є субстратом для значної кількості білків, що беруть участь у перенесенні молекул та йонів крізь біологічні мембрани. Для нормального функціонування живої клітини має бути різниця в концентраціях речовин по різні боки мембрани.

Щоб створювати такі різниці, треба забезпечувати перенесення речовин проти градієнта концентрації: із місця з низькою концентрацією до місця з високою. А такий процес є енерговитратним. Джерелом енергії для нього слугує АТФ. Типовим прикладом мембранного білка, що переносить йони проти градієнта концентрації, є натрій-калієвий насос. Він розташований у плазматичній мембрані тваринної клітини та здійснює перенесення трьох йонів Натрію з клітини та двох йонів Калію всередину клітини за один цикл роботи. На це фермент витрачає одну молекулу АТФ.

Таким чином, фермент створює надлишок йонів Натрію поза клітиною та надлишок йонів Калію в клітині. Виникає також дисбаланс позитивних зарядів по різні боки мембрани, оскільки за один цикл роботи з клітини виноситься катіонів більше, ніж до неї надходить.

Цю асиметрію надалі тваринна клітина використовує для перенесення крізь мембрану інших речовин. Із циклом роботи натрій-калієвого насоса ви можете ознайомитися, переглянувши відео за посиланням.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. Витрат енергії АТФ не вимагає такий природний процес, як

  • А серцебиття
  • Б політ буревісника
  • В політ крилатки клена
  • Г дзижчання джмеля
  • Д обертання суцвіть соняшника за Сонцем

2. Живі організми, які отримують енергію з речовин їжі, називають (1). На відміну від фототрофів, що використовують як джерело енергії (2).

  • А 1 — автотрофами, 2 — хімічні реакції
  • Б 1 — гетеротрофами, 2 — окиснення поживних речовин
  • В 1 — міксотрофами, 2 — поглинання речовин із повітря
  • Г 1 — хемотрофами, 2 — уловлювання сонячного світла
  • Д 1 — сапротрофами, 2 — відновлення мінеральних сполук

3. Виберіть пару реакцій, у якій перша реакція може безпосередньо енергетично спрягатися з другою, зумовлюючи її проходження.

  • А С + О2 = CO2 + 393 кДж та С + 2Н2 = СН4 + 72 кДж
  • Б 2Н2 + О2 = 2Н2О + 572 кДж та N2 + O2 = 2NO - 180 кДж
  • В 3О2 = 2О3 - 284 кДж та 2N2 + O2 = 2N2O - 164 кДж
  • Г CaCO3 = CaO + CO2 - 178 кДж та S + O2 = SO2 + 297 кДж
  • Д N2 + 3H2 = 2NH3 + 92 кДж та CO2 + C = 2CO - 132 кДж

4. Молекула АТФ містить залишки

  • А аденіну, дезоксирибози, трьох ортофосфатів
  • Б тиміну, рибози, двох ортофосфатів
  • В аденіну, рибози, трьох ортофосфатів
  • Г гуаніну, дезоксирибози, одного ортофосфату
  • Д аскорбінової кислоти, трьох ортофосфатів

5. Рівняння реакції розщеплення АТФ — це

  • А АТФ + Н2О = АДФ + Н3РО4
  • Б АТФ + Н2О = АДФ + Н4Р2О7
  • В АТФ + Н2О = АМФ + Р3РО4
  • Г АТФ + Н2О = АДФ + Р3РО4
  • Д АТФ + Н2О = АМФ + Р3РО4

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Чому, на вашу думку, життя є енерговитратним процесом?

7. Які джерела енергії використовують організми? На які групи можна розподілити організми за цією ознакою? До якої групи належимо ми, люди?

8. Що таке енергетичне спряження? Як воно виникає в живій природі?

9. Чому АТФ називають «розмінною монетою» енергетичного обміну?

10. Як АТФ у живій природі виконує функцію посередника між реакціями з виділенням енергії та реакціями з витратою енергії?

11. Як працює натрій-калієвий насос? Чому для його роботи потрібна енергія АТФ?

12. Схарактеризуйте клітинні процеси, що потребують енергії АТФ.

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

13. Чому майже всі живі організми використовують однакову речовину як переносник та акумулятор енергії? Про що це свідчить?

14. Більшість енергозалежних процесів у природі відбувається завдяки енергії АТФ. Чому ж тоді рослини і тварини накопичують вуглеводи та жири, а не АТФ?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

15. Які ще речовини є переносниками й акумуляторами енергії в живій природі? Де вони використовуються організмами й чому?

16. Крім АТФ, носіями енергії є гуанозинтрифосфатна кислота (ГТФ), тимідинтрифосфатна кислота (ТТФ) та цитидинтрифосфатна кислота (ЦТФ). Які причини домінування АТФ над іншими трифосфатами?

17. Хемотрофи й фототрофи бувають гетеротрофами й автотрофами. У чому відмінність між цими чотирма поняттями та чому їх часто плутають?

18. Чому в живих організмах як реакції з виділенням енергії найчастіше використовують реакції окиснення?