АТФ: источник энергии клетки и механизм действия

В этой статье мы попытаемся объяснить понятие и механизм действия молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Материал для статьи собран из нескольких источников, в том числе из зарубежной литературы. Автор этих строк надеется, что текст получился не слишком запутанным.

Что такое АТФ?

В каждой клетке содержится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). По химическому строению АТФ — нуклеотид. Как и в любом нуклеотиде, в её состав входят азотистое основание (аденин), углевод (рибоза) и остаток фосфорной кислоты. Однако молекула АТФ существенно отличается от обычных нуклеотидов: в её состав входят не один, а три остатка фосфорной кислоты.

Гидролиз АТФ и выделение энергии

Внутренняя среда клетки обычно имеет реакцию, близкую к нейтральной. АТФ находится в клетке не в виде кислоты, а в виде соли. Следовательно, в этих условиях вместо группы OH остатка фосфорной кислоты присутствуют отрицательно заряженные атомы кислорода (–O²). Одноимённые заряды, расположенные рядом, отталкиваются друг от друга. В таком виде молекулярная структура АТФ неустойчива. Под действием специфических ферментов она подвергается гидролизу, т. е. соединяется с молекулой воды и расщепляется:

АТФ + вода = АДФ + фосфорная кислота

При этом последний остаток фосфорной кислоты отщепляется в виде фосфорной кислоты, а АТФ превращается в АДФ, т. е. в аденозиндифосфорную кислоту. Эта реакция сопровождается выделением энергии (примерно 40 кДж на моль отщеплённой фосфорной кислоты).

АТФ занимает центральное место в обмене веществ клетки. Она служит непосредственным источником энергии для любой функции клетки. Движение, биосинтез, проникновение веществ через мембраны, выработка электрической энергии, свечение — любое проявление активности клетки происходит за счёт энергии, которая выделяется при описанном выше гидролизе АТФ.

Запасы АТФ в клетке ограничены. Например, в мышце АТФ хватает всего на 20–30 сокращений. Но мы знаем, что мышцы могут работать часами, совершая тысячи сокращений. Следовательно, в клетке наряду с расходованием АТФ должно идти и её восстановление. Для пополнения запасов АТФ используется энергия, получаемая при расщеплении углеводов, липидов и других веществ. При напряжённой, но кратковременной работе мышцы работают почти исключительно за счёт содержащейся в них АТФ. После нагрузки мы тяжело дышим — в этот период происходит расщепление углеводов и других веществ и восстановление запасов АТФ в клетках. Итак, АТФ — единый и универсальный источник энергии клетки.

Гликолиз — анаэробное расщепление

Синтез АТФ происходит преимущественно в митохондриях. В клетках человека источником энергии для синтеза АТФ служит глюкоза. Её расщепление проходит в две последовательные стадии. Первая называется гликолизом, или анаэробным расщеплением, вторая — аэробным расщеплением.

Кислород в гликолизе не участвует, поэтому эту стадию называют анаэробной. Зато важно участие АДФ и фосфорной кислоты. Небольшой запас этих веществ в клетке есть всегда, потому что они постоянно образуются в ходе жизнедеятельности клетки. Результатом гликолиза становится распад глюкозы и синтез двух молекул АТФ.
Гликолиз — сложный многоступенчатый процесс, в котором много следующих друг за другом реакций. Каждую реакцию катализирует свой фермент, результатом каждой реакции становится небольшое изменение состава вещества, но в итоге разница велика: из шестиуглеродной молекулы глюкозы образуются две трёхуглеродные молекулы органической кислоты. В ходе каждой реакции выделяется ничтожное количество энергии, но в сумме она составляет внушительную величину — 200 кДж на моль. 60 % её рассеивается в виде тепла, 40 % аккумулируется в АТФ.

Аэробное расщепление в митохондриях

За гликолизом следует вторая стадия — аэробное расщепление. В нём участвуют ферменты, вода, окислители, переносчики электронов и молекулярный кислород. Главное условие нормального протекания аэробного расщепления — неповреждённые мембраны митохондрий.

Конечный продукт гликолиза — органическая кислота — проникает в митохондрии, где под действием ферментов реагирует с водой и распадается. Образующийся диоксид углерода проникает через мембрану митохондрии и рассеивается в окружающей среде. Атомы водорода окисляются под действием ферментов в мембранах (отдают электрон).
Электроны и катионы водорода (протоны) связываются специальными молекулами-переносчиками и движутся в противоположных направлениях. Электроны направляются к внутренней стороне мембраны, где связываются с кислородом.
Катионы движутся к наружной стороне мембраны. В результате внутри митохондрии растёт концентрация анионов, а снаружи накапливаются положительно заряженные частицы, поскольку для них мембрана непроницаема. По мере увеличения концентрации разноимённо заряженных частиц на противоположных сторонах мембраны растёт разность потенциалов.
Известно, что в некоторых участках мембраны расположены молекулы фермента, синтезирующего АТФ. В молекуле фермента есть канал, по которому могут двигаться катионы водорода. Это происходит, когда разность потенциалов превышает определённый критический предел. В этом случае катионы водорода под действием электрического поля проходят через канал в ферменте к внутренней стороне мембраны, где, реагируя с кислородом, образуют воду.

При движении электронов от атома водорода к кислороду и катионов через канал фермента, обеспечивающего синтез АТФ, выделяется довольно значительное количество энергии, из которой 45 % рассеивается в виде тепла, а 55 % аккумулируется как энергия химических связей АТФ.

Итоги

Расщепление одной молекулы глюкозы до диоксида углерода и воды обеспечивает синтез 38 молекул АТФ: из них 2 — на анаэробной стадии и 36 — на аэробной. Таким образом, аэробный процесс в 18 раз эффективнее.
Расщепление органических веществ в клетке часто сравнивают с горением, потому что в обоих случаях поглощается кислород и выделяются продукты окисления. При горении вся выделяющаяся энергия превращается в тепло, а при внутриклеточном окислении глюкозы в тепло превращается около 45 %, а в АТФ аккумулируется около 55 % выделяющейся энергии.

Автор: Микк-Альвар Олле

Читай также: рибоза.

Источник: ВОЗ — физическая активность.

Приходи на тренировку! ArtGym