Главный аккумулятор энергии в живой клетке. Тест по биологии на тему "Молекулярный уровень" (9 класс). Аккумуляторы энергии в организме

За счет энергии света в фотосинтезирующих клетках образуются АТФ и некоторые другие молекулы, играющие роль своеобразных аккумуляторов энергии. Возбужденный светом электрон отдает энергию для фосфорилирования АДФ, при этом образуется АТФ. Аккумулятором энергии, помимо АТФ, является сложное органическое соединение - никотинамидадениндинуклеотидфосфат, сокращенно НАДФ+ (так обозначают его окисленную форму). Это соединение захватывает возбужденные светом электроны и ион водорода (протон) и восстанавливается в результате этого в НАДФН. (Эти сокращения: НАДФ+ и НАДФ-Н - читаются соответственно как НАДЭФ и НАДЭФ-АШ, последняя буква здесь - символ атома водорода.) На рис. 35 показано никотинамидное кольцо, несущее богатый энергией водородный атом и электроны. За счет энергии АТФ и при участии НАДФН происходит восстановление углекислого газа до глюкозы. Все эти сложные процессы происходят в клетках растений в специализированных клеточных органеллах

АТФ - универсальная энергетическая «валюта» клетки. Одно из наиболее удивительных «изобретений» природы - это молекулы так называемых «макроэргических» веществ, в химической структуре которых имеется одна или несколько связей, которые выполняют функцию накопителей энергии. В живой природе найдено несколько подобных молекул, но в организме человека встречается только одна из них - аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Это довольно сложная органическая молекула, к которой присоединены 3 отрицательно заряженных остатка неорганической фосфорной кислоты PO. Именно эти фосфорные остатки связаны с органической частью молекулы «макроэргическими» связями, легко разрушающимися при разнообразных внутриклеточных реакциях. Однако энергия этих связей не рассеивается в пространстве в виде тепла, а используется на движение или химическое взаимодействие других молекул. Именно благодаря этому свойству АТФ выполняет в клетке функцию универсального накопителя (аккумулятора) энергии, а также универсальной «валюты». Ведь почти каждое химическое превращение, происходящее в клетке, либо поглощает, либо высвобождает энергию. Согласно закону сохранения энергии, общее количество энергии, образованное в результате окислительных реакций и запасенное в виде АТФ, равно количеству энергии, которое может использовать клетка на свои синтетические процессы и выполнение любых функций. В качестве «оплаты» за возможность произвести то или иное действие клетка вынуждена расходовать свой запас АТФ. При этом следует особо подчеркнуть: молекула АТФ столь крупна, что она не способна проходить через клеточную мембрану. Поэтому АТФ, образованная в одной клетке, не может быть использована Другой клеткой. Каждая клетка тела вынуждена синтезировать АТФ Для своих нужд самостоятельно в тех количествах, в которых она необходима для выполнения ее функций.

Три источника ресинтеза АТФ в клетках организма человека. По-видимому, далекие предки клеток человеческого организма существовали много миллионов лет назад в окружении растительных клеток, которые в избытке снабжали их углеводами, причем кислорода было недостаточно или не было еще вовсе. Именно углеводы - наиболее употребимая для производства энергии в организме составная часть питательных веществ. И хотя большинство клеток человеческого тела приобрело способность использовать в качестве энергетического сырья также белки и жиры, некоторые (например, нервные, красные кровяные, мужские половые) клетки способны производить энергию только за счет окисления углеводов.

Процессы первичного окисления углеводов - вернее, глюкозы, которая и составляет, собственно, основной субстрат окисления в клетках, - происходят непосредственно в цитоплазме: именно там расположены ферментные комплексы, благодаря которым молекула глюкозы частично разрушается, а освободившаяся энергия запасается в виде АТФ. Этот процесс называется гликолиз, он может проходить во всех без исключения клетках организма человека. В результате этой реакции из одной 6-углеродной молекулы глюкозы образуется две 3-углеродные молекулы пировиноградной кислоты и две молекулы АТФ.

Гликолиз - весьма быстрый, но сравнительно малоэффективный процесс. Образовавшаяся в клетке после завершения реакций гликолиза пировиноградная кислота почти тут же превращается в молочную кислоту и порой (например, во время тяжелой мышечной работы) в весьма больших количествах выходит в кровь, так как это небольшая молекула, способная свободно проходить через клеточную мембрану. Такой массированный выход кислых продуктов обмена в кровь нарушает гомеостаз, и организму приходится включать специальные гомеостатические механизмы, чтобы справиться с последствиями мышечной работы или другого активного действия.

Образовавшаяся в результате гликолиза пировиноградная кислота содержит в себе еще много потенциальной химической энергии и может служить субстратом для дальнейшего окисления, но для этого нужны специальные ферменты и кислород. Этот процесс происходит во многих клетках, в которых содержатся специальные органеллы - митохондрии. Внутренняя поверхность мембран митохондрий сложена из крупных липидных и белковых молекул, среди которых большое количество окислительных ферментов. Внутрь митохондрии проникают образовавшиеся в цитоплазме 3-углеродные молекулы - обычно это бывает уксусная кислота (ацетат). Там они включаются в непрерывно идущий цикл реакций, в процессе которых от этих органических молекул поочередно отщепляются атомы углерода и водорода, которые, соединяясь с кислородом, превращаются в углекислый газ и воду. В этих реакциях выделяется большое количество энергии, которая запасается в виде АТФ. Каждая молекула пировиноградной кислоты, пройдя полный цикл окисления в митохондрии, позволяет клетке получить 17 молекул АТФ. Таким образом, полное окисление 1 молекулы глюкозы обеспечивает клетку 2+17x2 = 36 молекулами АТФ. Не менее важно, что в процесс митохондриального окисления могут включаться также жирные кислоты и аминокислоты, т. е. составляющие жиров и белков. Благодаря этой способности митохондрии делают клетку сравнительно независимой от того, какими продуктами питается организм: в любом случае необходимое количество энергии будет добыто.

Некоторая часть энергии запасается в клетке в виде более мелкой и подвижной, чем АТФ, молекулы креатинфосфата (КрФ). Именно эта маленькая молекула может быстро переместиться из одного конца клетки в другой - туда, где в данный момент более всего нужна энергия. КрФ не может сам отдавать энергию на процессы синтеза, мышечного сокращения или проведение нервного импульса: для этого требуется АТФ. Но зато КрФ легко и практически без потерь способен отдать всю заключенную в нем энергию молекуле аденазиндифосфата (АДФ), которая сразу же превращается в АТФ и готова к дальнейшим биохимическим превращениям.

Таким образом, затраченная в ходе функционирования клетки энергия, т.е. АТФ, может возобновляться за счет трех основных процессов: анаэробного (бескислородного) гликолиза, аэробного (с участием кислорода) митохондриального окисления, а также благодаря передаче фосфатной группы от КрФ к АДФ.

Креатинфосфатный источник - самый мощный, поскольку реакция КрФ с АДФ протекает очень быстро. Однако запас КрФ в клетке обычно невелик - например, мышцы могут с максимальным усилием работать за счет КрФ не более 6-7 с. Этого обычно достаточно, чтобы запустить второй по мощности - гликолитический - источник энергии. В этом случае ресурс питательных веществ во много раз больше, но по мере работы происходит все большее напряжение гомеостаза из-за образования молочной кислоты, и если такую работу выполняют крупные мышцы, она не может продолжаться более 1,5-2 мин. Зато за это время почти полностью активируются митохондрии, которые способны сжигать не только глюкозу, но также жирные кислоты, запас которых в организме почти неисчерпаем. Поэтому аэробный митохондриальный источник может работать очень долго, правда, мощность его сравнительно невелика - в 2-3 раза меньше, чем гликолитического источника, и в 5 раз меньше мощности креатинфосфатного.

Особенности организации энергопродукции в различных тканях организма. Разные ткани обладают различной насыщенностью митохондриями. Меньше всего их в костях и белом жире, больше всего - в буром жире, печени и почках. Довольно много митохондрий в нервных клетках. Мышцы не обладают высокой концентрацией митохондрий, но ввиду того, что скелетные мышцы - самая массивная ткань организма (около 40 % от массы тела взрослого человека), именно потребности мышечных клеток во многом определяют интенсивность и направленность всех процессов энергетического обмена. И.А.Аршавский называл это «энергетическим правилом скелетных мышц».

С возрастом происходит изменение сразу двух важных составляющих энергетического обмена: изменяется соотношение масс тканей, обладающих разной метаболической активностью, а также содержание в этих тканях важнейших окислительных ферментов. В результате энергетический обмен претерпевает достаточно сложные изменения, но в целом его интенсивность с возрастом снижается, причем весьма существенно.

Современное представление о процессе окислительного фосфорилирования ведет свое начало от пионерских работ Белицера и Калькара. Калькар установил, что аэробное фосфорилирование сопряжено с дыханием. Белицер подробно изучил стехиометрические отношения между сопряженным связыванием фосфата и поглощением кислорода и показал, что отношение числа молекул неорганического фосфата к числу атомов поглощенного кислорода

при дыхании равно не менее чем двум. Он же указал, что перепое электронов от субстрата к кислороду является возможным источником энергии для образования двух и более молекул АТФ на один атом поглощенного кислорода.

Донором электронов служит молекула НАД Н, и реакция фосфорилирования имеет вид

Кратко эту реакцию записывают в виде

Синтез трех молекул АТФ в реакции (15.11) происходит за счет переноса двух электронов молекулы НАД Н по цепи электронного транспорта к молекуле кислорода. При этом энергия каждого электрона понижается на 1,14 эВ.

В водной среде при участии специальных ферментов происходит гидролиз молекул АТФ

Структурные формулы молекул, входящих в реакции (15.12) и (15.13), приведены на рис. 31.

При физиологических условиях входящие в реакции (15.12) и (15.13) молекулы находятся в разных стадиях ионизации (АТФ, ). Поэтому химические символы в этих формулах следует понимать как условную запись реакций между молекулами, находящимися в разных стадиях ионизации. В связи с йтим увеличение свободной энергии AG в реакции (15.12) и ее уменьшение в реакции (15.13) зависит от температуры, концентрации ионов и от значения pH среды. При стандартных условиях эВ ккал/моль). Если ввести соответствующие поправки с учетом физиологических значений pH и концентрации ионов внутри клеток, а также обычные значения концентраций молекул АТФ и АДФ и неорганического фосфата в цитоплазме клеток, то для свободной энергии гидролиза молекул АТФ получим значение -0,54 эВ (-12,5 ккал/моль). Свободная энергия гидролиза молекул АТФ не является величиной постоянной. Она может быть неодинаковой даже в разных местах одной клетки, если эти места различаются по концентрации

Со времени появления пионерской работы Липмана (1941 г.) известно, что молекулы АТФ в клетке выполняют роль универсального кратковременного хранителя и переносчика химической энергии, используемой в большинстве процессов жизнедеятельности.

Выделение энергии в процессе гидролиза молекулы АТФ сопровождается преобразованием молекул

При этом разрыв связи, обозначенной символом приводит к отщеплению остатка фосфорной кислоты. По предложению Липмана такую связь стали называть «фосфатной связью, богатой энергией» или «макроэргической связью». Это название крайне неудачно. Оно совершенно не отражает энергетики процессов, происходящих при гидролизе. Выделение свободной энергии обусловлено не разрывом одной связи (такой разрыв всегда требует затраты энергии), а перестройкой всех молекул, участвующих в реакциях, образованием новых связей и перестройкой сольватных оболочек при реакции.

При растворении молекулы NaCl в воде образуются гидратированные ионы Выигрыш энергии при гидратации перекрывает затрату энергии при разрыве связи в молекуле NaCl. Было бы странным приписывать этот выигрыш энергии «высоко-эргичности связи» в молекуле NaCl.

Как известно, при делении тяжелых атомных ядер выделяется большая энергия, что не связано с разрывом каких-либо высоко-эргических связей, а обусловлено перестройкой осколков деления и уменьшением энергии кулоповского отталкивания между нуклонами в каждом осколке.

Справедливая критика представления о «макроэргических связях» высказывалась неоднократно . Тем не менее это представление широко внедрилось в научную литературу. Большой

Таблица 8

Структурные формулы фосфорилированных соединений: а - фосфоэноллируват; б - 1,3-дифосфоглицерат; в - креатинфосфат; - глюкозо-I-фосфат; - глюкозо-6-фосфат.

беды в этом нет, если выражение «высокоэргическая фосфатная связь» испольаовать условно, как краткое описание всего цикла преобразований, происходящих в водном растворе при соответствующем наличии других ионов, pH и т. д.

Итак, понятие энергия фосфатной связи, испольауемое биохимиками, условно характеризует разность между свободной энергией исходных веществ и свободной энергией продуктов реакций гидролиза, при которых отщепляются фосфатные группы. Это понятие нельзя путать с понятием энергии химической связи между двумя группами атомов в свободной молекуле. Последняя характеризует энергию, необходимую для разрыва свяэи.

В клетках содержится ряд фосфорилированных соединений, гидролиз которых в цитоплазме связан с выделением свободной анергии. Значения стандартных свободных энергий гидролиза некоторых из этих соединений приведены в табл. 8. Структурные формулы этих соединений изображены на рис. 31 и 35.

Большие отрицательные величины стандартных свободных анергий гидролиза обусловлены энергией гидратации отрицательно заряженных продуктов гидролиза и перестройкой их электронных оболочек. Из табл. 8 следует, что значение стандартной свободной энергии гидролиза молекулы АТФ занимает промежуточное положение между «высокоэнергетическими» (фосфоэнолпиру-нат) и «низкоэнергетическими» (глюкозо-6-фосфат) соединениями. Это одна из причин того, что молекула АТФ является удобным универсальным переносчиком фосфатных групп.

С помощью специальных ферментов молекулы АТФ и АДФ осуществляют связь между высоко- и низкоэнергетическими

фосфатными соединениями. Например, фермент пируваткиназа переносит фосфат с фосфоэнолпирувата на АДФ. В результате реакции образуется пируват и молекула АТФ. Далее с помощью фермента гексокиназа молекула АТФ может передать фосфатную группу D-глюкозе, превратив ее в глюкозо-6-фосфат. Суммарный продукт этих двух реакций сведется к преобразованию

Весьма важно, что реакции этого типа могут проходить только через промежуточный этап, в котором обязательно участвуют молекулы АТФ и АДФ.

Тест. Молекулярный уровень. 1 вариант. 9 класс.

А1.Какой из химических элементов содержится в клетках в наибольшем количестве:
1.азот
2.кислород
3.углегод
4.водород
А2.Назовите химический элемент, который входит в состав АТФ, всех мономеров белков и нуклеиновых кислот.
1)N 2)P 3)S 4)Fe
А3.Укажите химическое соединение, которое углеводом НЕ является.
1)лактоза 2)хитин 3)кератин 4)крахмал
А4.Как называется структура белка, которая представляет собой спираль из цепочки аминокислот, свернутую в пространстве клубком?

А5.В клетках животных запасным углеводом является:
1.крахмал
2.целлюлоза
3.глюкоза
4.гликоген
А6.Основным источником энергии для новорожденных млекопитающих является:
1.глюкоза
2.крахмал
3.гликоген
4.лактоза
А7.Что является мономером РНК?
1)азотистое основание 2)нуклеотид 3)рибоза 4)урацил
А8.Сколько видов азотистых оснований входит в состав молекулы РНК?
1)5 2)2 3)3 4)4
А9.Какое азотистое основание ДНК комплиментарно цитозину?
1)аденин 2)гуанин 3)урацил 4)тимин
А10. Универсальным биологическим аккумулятором энергии являются молекулы
1).белков 2).липидов 3).ДНК 4).АТФ
А11. В молекуле ДНК количество нуклеотидов с гуанином составляет 5% от общего числа. Сколько нуклеотидов с тимином содержится в этой молекуле
1).40% 2).45% 3).90% 4).95%
А12.Какова роль молекул АТФ в клетке?

1-обеспечивают транспортную функцию 2-передают наследственную информацию

3-обеспечивают процессы жизнедеятельности энергией 4-ускоряют биохимические

реакции

В1. Какие функции в клетке выполняют углеводы?

Каталитическую 4) структурную

Энергетическую 5) запасающую

Двигательную 6) сократительную

В2. Какие структурные компоненты входят в состав нуклеотидов молекулы ДНК?

Разнообразные кислоты

Липопротеины

Углевод дезоксирибоза

Азотная кислота

Фосфорная кислота

В3. Установите соответствие между строением и функцией органического вещества и его видом:

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ВЕЩЕСТВА

А. состоят из остатков молекул глицерина и жирных кислот 1. липиды

Б. состоят из остатков молекул аминокислот 2. Белки

В. Участвуют в терморегуляции

Г. Защищают организм от чужеродных веществ

Д. образуются за счет пептидных связей.

Е. Являются наиболее энергоемкими.

С1. Решите задачу.

В молекуле ДНК находится 1250 нуклеотидов с аденином (А), что составляет 20% от их общего числа. Определите, сколько нуклеотидов с тимином (Т), цитозином (Ц) и гуанином (Г) содержится в отдельности в молекуле ДНК. Ответ поясните.

Итого: 21 балл

Критерии оценивания:

19 -21 балл – «5»

13 – 18 баллов – «4»

9 – 12 баллов – «3»

1 – 8 баллов – «2»

Тест. Молекулярный уровень. 2 вариант. 9 класс

А1.На долю четырех химических элементов приходится 98%всего содержимого клетки. Укажите химический элемент, НЕ относящийся к ним.
1)О 2)Р 3)С 4)N

А2.У детей развивается рахит при недостатке:
1.марганца и железа
2.кальция и фосфора
3.меди и цинка
4.серы и азота
А3.Назовите дисахарид.
1)лактоза 2)фруктоза 3)крахмал 4)гликоген
А4. Как называется структура белка, представляющая собой спираль, которую свернута цепочка из аминокислот?
1)первичная 2)вторичная 3)третичная 4)четвертичная
А5.В клетках растений запасным углеводом является:
1.крахмал
2.целлюлоза
3.глюкоза
4.гликоген
А6.Наибольшее количество энергии выделяется при разложении 1 грамма:
1.жира
2.белка
3.глюкоза
4.углеводов
А7.Что является мономером ДНК?
1)азотистое основание 2)нуклеотид 3)дезоксирибоза 4)урацил
А8.Сколько полинуклеотидных нитей входит в состав одной молекулы ДНК?
1)1 2)2 3)3 4)4
А9.Назовите химическое соединение, которое имеется в РНК, но отсутствует в ДНК.
1)тимин 2)дезоксмирибоза 3)рибоза 4)гуанин
А10. Источником энергии клетки являются молекулы
1).белков 2).липидов 3).ДНК 4).АТФ

А11. В молекуле ДНК количество нуклеотидов с цитозином составляет 5% от общего числа. Сколько нуклеотидов с тимином содержится в этой молекуле
1).40% 2).45% 3).90% 4).95%

А12.Какие соединения входят в состав АТФ?

1-азотистое основание аденин,углевод рибоза,3 молекулы фосфорной кислоты

2-азотистое основание гуанин, сахар фруктоза, остаток фосфорной кислоты.

3-рибоза,глицерин и какая-либо аминокислота

Часть В (выберите три верных ответа из шести предложенных)

В1. Липиды выполняют функции:

Ферментативную 4) транспортную

Энергетическую 5) запасающую

Гормональную 6) передача наследственной информации

В2. Какие структурные компоненты входят в состав нуклеотидов молекулы РНК?

Азотистые основания: А,У,Г,Ц.

Разнообразные кислоты

Азотистые основания: А,Т,Г,Ц.

Углевод рибоза

Азотная кислота

Фосфорная кислота

В3. Установите соответствие между особенностями и молекулами для которых они характерны.

ОСОБЕННОСТИ МОЛЕКУЛЫ

А) хорошо растворяются в воде 1) моносахариды

Б) имеют сладкий вкус 2) полисахариды

В) сладкий вкус отсутствуют

Г) глюкоза, рибоза, фруктоза

Д) в воде нерастворимы

Е) крахмал, гликоген, хитин.

С1. В молекуле ДНК находится 1100 нуклеотидов с цитозином (Ц) что составляет 20% от их общего числа. Определите, сколько нуклеотидов с тимином (Т), гуанином(Г), аденином (А) содержится в отдельности в молекуле ДНК, объясните полученный результат.

Часть А – 1 балл (максимальное количество 12 баллов)

Часть В – 2 балла (максимальное количество 6 баллов)

Часть С – 3 балла (максимальное количество 3 балла)

Итого: 21 балл

Критерии оценивания:

19 - 21 балл – «5»

13 – 18 баллов – «4»

9 – 12 баллов – «3»

1 – 8 баллов – «2»

В процессе биохимических превращений веществ происходит разрыв химических связей, сопровождающийся выделением энергии. Это свободная, потенциальная энергия, которая не может непосредственно использоваться живыми организмами. Она должна быть преобразована. Существует две универсальной формы энергии,которые могут быть использованы в клетке для выполнения разного рода работ:

1) Химическая энергия, энергия макроэргических связей химических соединений. Химические связи называют макроэргическими в том случае, если при их разрыве высвобождается большое количество свободной энергии. Соединения имеющие такие связи-макроэргические. Молекула АТФ имеет макроэргические связи.Обладает определенными свойствами, которые обуславливают ее важную роль в энергетическом метаболизме клеток:

· Термодинамическая нестабильность;

· Высокая химическая стабильность. Обеспечивает эффективное сохранении энергии, т.к препятствует рассеиванию энергии в виде тепла;

· Малые размеры молекулы АТФ позволяют легко диффундировать в различные участки клетки, где необходим подвод энергии извне для выполнения химической, осмотической или химической работы;

· Изменение свободной энергии при гидролизе АТФ имеет среднее значение, что и позволяет ему наилучшим образом выполнять энергетические функции, т.е переносить энергию от высокоэнергетических к низкоэнергетическим соединениям.

АТФ является универсальным аккумулятором энергии для всех живых организмов, в молекулах АТФ энергия хранится очень не долго (продолжительность жизни АТФ-1/3 часть секунды). Тут же расходуется на обеспечение энергии всех протекающих в данный момент процессов.Энергия, заключенная в молекуле АТФ, может использоваться в реакциях, протекающих в цитоплазме (вбольшинстве биосинтезов, а так же в некоторых мембранозависимых процессах).

2) Электрохимическая энергия (энергия трансмембранного потенциала водорода)Δ . При переносе электронов по окислительно-восстановительной цепи, в локализованных мембранах определенного типа, называемых энергообразующимиили сопрягающими, происходит неравномерное распределение протонов в пространстве по обе стороны мембраны, т.е на мембране возникает ориентированный поперек, или трансмембранный градиент водорода Δ , измеряемый в вольтах.Разрядка образующегося Δ приводит к синтезу молекул АТФ. Энергия в форме Δ может использоваться в различных энергозависимых процессах, локализованных на мембране:

· Для поглощения ДНК в процессе генетической трансформации;

· Для переноса белков через мембрану;

· Для обеспечения движения многих прокариот;

· Для обеспечения активного транспорта молекул и ионов через цитоплазматическую мембрану.

Не вся свободная энергия, полученная при окислении веществ, переводится в доступную для клетки форму и аккумулируется в АТФ. Часть образовавшейся свободной энергии рассеивается в виде тепловой, реже световой и электрической энергии. Если клетка запасает энергию больше, чем может истратить на все энергопотребляющие процессы, она синтезирует большое количество высокомолекулярных запасных веществ (липиды). При необходимости эти вещества подвергаются биохимическим превращениям и снабжают клетку энергией.