Что такое молекула АТФ и как она работает

Молекула АТФ — главный переносчик энергии в любой живой клетке: без неё не сокращается мышца, не работает мозг и не идёт ни один биосинтез. В этой статье объясняем, что такое аденозинтрифосфорная кислота, как она высвобождает энергию и как организм постоянно её восстанавливает.

Что такое молекула АТФ?

АТФ, или аденозинтрифосфорная кислота, по химической природе — нуклеотид. В её состав входят азотистое основание (аденин), углевод (рибоза) и три остатка фосфорной кислоты — именно в них и скрыта вся её сила. Обычные нуклеотиды несут один остаток фосфорной кислоты, у АТФ их три.

Внутренняя среда клетки близка к нейтральной. В такой среде АТФ существует не в виде кислоты, а в виде соли: вместо OH-групп остатков фосфорной кислоты у неё отрицательно заряженные атомы кислорода (–O²). Одноимённые заряды, расположенные рядом, отталкиваются друг от друга, из-за чего молекулярная структура АТФ становится неустойчивой. Эта неустойчивость на самом деле — полезное свойство: именно она делает АТФ идеальным переносчиком энергии.

Как молекула АТФ высвобождает энергию?

Под действием специфических ферментов АТФ распадается путём гидролиза:

АТФ + вода → АДФ + фосфорная кислота

Последний остаток фосфорной кислоты отщепляется, и АТФ превращается в АДФ, то есть аденозиндифосфорную кислоту. В ходе этой реакции высвобождается примерно 40 кДж энергии на один моль отщеплённой фосфорной кислоты — энергии, которую клетка сразу же использует.

В обмене веществ клетки АТФ занимает абсолютно центральное место. Движение, биосинтез, транспорт веществ через мембраны, выработка электрической энергии — всё это происходит за счёт энергии, высвобождающейся при гидролизе АТФ. Что же на самом деле происходит в мышце? Запасов АТФ в мышце хватает всего на 20–30 сокращений. Но за часы работы мышца совершает тысячи сокращений, а значит, организм должен восстанавливать АТФ постоянно и непрерывно.

При напряжённой, но кратковременной работе мышцы функционируют почти исключительно за счёт имеющейся АТФ. Именно поэтому после усилия мы тяжело дышим: в этот период идёт расщепление углеводов и других веществ и восстановление запасов АТФ. Таким образом, АТФ — единый и универсальный источник энергии клетки.

Синтез АТФ: гликолиз и аэробное расщепление

Для пополнения запасов АТФ используется энергия, получаемая при расщеплении углеводов, липидов и других веществ. Синтез АТФ происходит преимущественно в митохондриях. В клетках человека основной источник энергии — глюкоза, и её расщепление проходит в два последовательных этапа.

Гликолиз (анаэробный этап) не требует кислорода, но в нём участвуют АДФ и фосфорная кислота, небольшой запас которых в клетке есть всегда. Глюкоза распадается в многоступенчатом процессе: из шестиуглеродной молекулы глюкозы образуются две трёхуглеродные молекулы органической кислоты и синтезируются 2 молекулы АТФ. Суммарное количество энергии на этом этапе — 200 кДж на моль: 60 % рассеивается в виде тепла, а 40 % накапливается в АТФ.

Аэробное расщепление происходит в митохондриях и требует неповреждённых мембран. Конечный продукт гликолиза — органическая кислота — проникает в митохондрии, где ферменты расщепляют её до воды и углекислого газа. Атомы водорода окисляются на мембранах: электроны направляются к внутренней стороне мембраны и связываются с кислородом, а протоны (катионы водорода) перемещаются к наружной стороне. Возникает разность потенциалов.

В определённых участках мембраны расположены молекулы фермента, синтезирующего АТФ. Когда разность потенциалов превышает критическое значение, протоны проходят через канал в ферменте к внутренней стороне мембраны, где, реагируя с кислородом, образуют воду. При таком перемещении высвобождается значительное количество энергии: 45 % рассеивается в виде тепла, а 55 % накапливается как энергия химических связей АТФ.

Подведём итог: полное расщепление одной молекулы глюкозы до углекислого газа и воды даёт 38 молекул АТФ — 2 на анаэробном этапе и 36 на аэробном. Аэробный процесс, таким образом, в 18 раз эффективнее. Расщепление органических веществ в клетке часто сравнивают с горением, ведь в обоих случаях поглощается кислород и выделяются продукты окисления. При горении вся высвобождающаяся энергия превращается в тепло; при внутриклеточном окислении глюкозы в тепло превращается около 45 %, а в АТФ накапливается около 55 % высвобождающейся энергии.

Частые вопросы

Чем отличаются АТФ и АДФ?

У АТФ три остатка фосфорной кислоты, у АДФ — два. Когда АТФ в ходе гидролиза распадается, отщепляется один остаток фосфорной кислоты и высвобождается энергия — остаётся АДФ. Внутри клетки идёт постоянный цикл: АТФ → АДФ + энергия, затем АДФ снова «заряжается» до АТФ с помощью новой энергии.

Почему АТФ важна для спортсмена?

Мышца может сокращаться только за счёт АТФ. При интенсивной тренировке запасы АТФ расходуются быстро — их хватает лишь на 20–30 сокращений. Затем организму приходится вырабатывать новую АТФ через гликолиз, что приводит к накоплению лактата. При тренировке на выносливость тело переключается на аэробный обмен веществ, который в 18 раз эффективнее анаэробного этапа.

Где именно синтезируется АТФ?

В основном в митохондриях в ходе аэробного расщепления (36 молекул АТФ на молекулу глюкозы). Меньшее количество синтезируется во время гликолиза в цитоплазме клетки без кислорода (2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы) — это особенно важно при коротких и очень интенсивных усилиях.

Что помогает синтезировать АТФ — выбирай здесь!

Автор: Mikk-Alvar Olle

Источник: ВОЗ — физическая активность.

Приходи на тренировку! ArtGym