معلومة

7.26: ATP في الأنظمة الحية - علم الأحياء

7.26: ATP في الأنظمة الحية - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أهداف التعلم

صف كيف تقوم الخلايا بتخزين ونقل الطاقة المجانية باستخدام ATP

لا تستطيع الخلية الحية تخزين كميات كبيرة من الطاقة الحرة. قد تؤدي الطاقة الحرة الزائدة إلى زيادة الحرارة في الخلية ، مما قد يؤدي إلى حركة حرارية مفرطة يمكن أن تتلف الخلية ثم تدمرها. بدلاً من ذلك ، يجب أن تكون الخلية قادرة على التعامل مع هذه الطاقة بطريقة تمكن الخلية من تخزين الطاقة بأمان وإطلاقها لاستخدامها فقط عند الحاجة. تحقق الخلايا الحية ذلك باستخدام مركب الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP). غالبًا ما يُطلق على ATP اسم "عملة الطاقة" للخلية ، ومثل العملة ، يمكن استخدام هذا المركب متعدد الاستخدامات لسد أي حاجة للطاقة للخلية. كيف؟ تعمل بشكل مشابه لبطارية قابلة لإعادة الشحن.

تم استبعاد عنصر YouTube من هذا الإصدار من النص. يمكنك مشاهدته عبر الإنترنت هنا: pb.libretexts.org/bionm1/؟p=230

عندما يتم تكسير ATP ، عادة عن طريق إزالة مجموعة الفوسفات الطرفية ، يتم إطلاق الطاقة. تُستخدم الطاقة للقيام بعمل من قبل الخلية ، عادةً عن طريق ارتباط الفوسفات المنطلق بجزيء آخر ، مما يؤدي إلى تنشيطه. على سبيل المثال ، في العمل الميكانيكي لتقلص العضلات ، يوفر ATP الطاقة لتحريك بروتينات العضلات المقلصة. تذكر عمل النقل النشط لمضخة الصوديوم والبوتاسيوم في أغشية الخلايا. يغير ATP بنية البروتين المتكامل الذي يعمل كمضخة ، ويغير تقاربها للصوديوم والبوتاسيوم. بهذه الطريقة ، تؤدي الخلية العمل ، وتضخ الأيونات ضد تدرجاتها الكهروكيميائية.

هيكل ووظيفة ATP

يوجد في قلب ATP جزيء من أدينوزين أحادي الفوسفات (AMP) ، والذي يتكون من جزيء أدينين مرتبط بجزيء ريبوز ومجموعة فوسفات واحدة (الشكل 1). الريبوز هو سكر خماسي الكربون موجود في الحمض النووي الريبي ، و AMP هو أحد النيوكليوتيدات في الحمض النووي الريبي. تؤدي إضافة مجموعة فوسفات ثانية إلى هذا الجزيء الأساسي إلى تكوين ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) ؛ تشكل إضافة مجموعة فوسفات ثالثة أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).

تتطلب إضافة مجموعة فوسفات إلى جزيء طاقة. مجموعات الفوسفات مشحونة سالبة وبالتالي تتنافر عندما يتم ترتيبها في سلسلة ، كما هو الحال في ADP و ATP. هذا التنافر يجعل جزيئات ADP و ATP غير مستقرة بطبيعتها. إطلاق مجموعة أو مجموعتين من الفوسفات من ATP ، وهي عملية تسمى نزع الفسفرةتطلق الطاقة.

الطاقة من ATP

التحلل المائي هو عملية تفكيك الجزيئات الكبيرة المعقدة. أثناء التحلل المائي ، ينقسم الماء أو يتحلل ، وتكون ذرة الهيدروجين الناتجة (H+) ومجموعة الهيدروكسيل (OH) إلى الجزيء الأكبر. ينتج عن التحلل المائي لـ ATP ADP ، مع أيون فوسفات غير عضوي (P.أنا) وإطلاق الطاقة الحرة. لتنفيذ عمليات الحياة ، يتم تقسيم ATP باستمرار إلى ADP ، ومثل البطارية القابلة لإعادة الشحن ، يتم تجديد ADP باستمرار إلى ATP عن طريق إعادة ربط مجموعة فوسفات ثالثة. الماء ، الذي تم تقسيمه إلى ذرة الهيدروجين ومجموعة الهيدروكسيل أثناء التحلل المائي لـ ATP ، يتم تجديده عند إضافة فوسفات ثالث إلى جزيء ADP ، مما يؤدي إلى إعادة تكوين ATP.

من الواضح أنه يجب ضخ الطاقة في النظام لتجديد ATP. من اين تاتي هذه الطاقة؟ في كل كائن حي على وجه الأرض تقريبًا ، تأتي الطاقة من استقلاب الجلوكوز. وبهذه الطريقة ، يعد ATP رابطًا مباشرًا بين مجموعة محدودة من المسارات الباهظة للطاقة لتقويض الجلوكوز والعديد من المسارات المندفعة التي تمد الخلايا الحية بالطاقة.

الفسفرة

تذكر أنه في بعض التفاعلات الكيميائية ، قد ترتبط الإنزيمات بعدة ركائز تتفاعل مع بعضها البعض على الإنزيم ، وتشكل مركبًا وسيطًا. المركب الوسيط هو هيكل مؤقت ، ويسمح لإحدى الركائز (مثل ATP) والمواد المتفاعلة بالتفاعل بسهولة أكبر مع بعضها البعض ؛ في التفاعلات التي تتضمن ATP ، يعتبر ATP أحد الركائز و ADP منتج. أثناء تفاعل كيميائي مرن ، يشكل ATP معقدًا وسيطًا مع الركيزة والإنزيم في التفاعل. يسمح هذا المركب الوسيط لـ ATP بنقل مجموعته الفوسفاتية الثالثة ، مع طاقته ، إلى الركيزة ، وهي عملية تسمى الفسفرة. الفسفرة يشير إلى إضافة الفوسفات (~ P). يتضح هذا من خلال التفاعل العام التالي:

إنزيم A + + ATP → [A - إنزيم - ~ P] → B + إنزيم + ADP + أيون الفوسفات

عندما يتفكك المركب الوسيط ، يتم استخدام الطاقة لتعديل الركيزة وتحويلها إلى منتج من التفاعل. يتم إطلاق جزيء ADP وأيون الفوسفات الحر في الوسط ومتاحين لإعادة التدوير من خلال التمثيل الغذائي الخلوي.

الفسفرة الركيزة

يتم إنشاء ATP من خلال آليتين أثناء انهيار الجلوكوز. يتم إنشاء عدد قليل من جزيئات ATP (أي ، يتم تجديدها من ADP) كنتيجة مباشرة للتفاعلات الكيميائية التي تحدث في المسارات التقويضية. تتم إزالة مجموعة الفوسفات من مادة متفاعلة وسيطة في المسار ، وتستخدم الطاقة الحرة للتفاعل لإضافة الفوسفات الثالث إلى جزيء ADP متاح ، مما ينتج عنه ATP (الشكل 2). تسمى هذه الطريقة المباشرة جدًا للفسفرة الفسفرة على مستوى الركيزة.

الفسفرة التأكسدية

ومع ذلك ، فإن معظم ATP الذي تم إنشاؤه أثناء هدم الجلوكوز مشتق من عملية أكثر تعقيدًا ، وهي التناضح الكيميائي ، والتي تحدث في الميتوكوندريا (الشكل 3) داخل خلية حقيقية النواة أو غشاء البلازما لخلية بدائية النواة.

كيميائي، وهي عملية لإنتاج ATP في التمثيل الغذائي الخلوي ، تُستخدم لتوليد 90 بالمائة من ATP المصنوع أثناء هدم الجلوكوز وهي أيضًا الطريقة المستخدمة في تفاعلات الضوء لعملية التمثيل الضوئي لتسخير طاقة ضوء الشمس. يسمى إنتاج ATP باستخدام عملية التناضح الكيميائي الفسفرة التأكسدية بسبب مشاركة الأكسجين في العملية.

أهداف التعلم

يعمل ATP كعملة للطاقة للخلايا. يسمح للخلية بتخزين الطاقة لفترة وجيزة ونقلها داخل الخلية لدعم التفاعلات الكيميائية المندرجة. إن بنية ATP هي بنية نوكليوتيد الحمض النووي الريبي (RNA) مع ثلاثة فوسفات مرفقة. نظرًا لاستخدام ATP للطاقة ، يتم فصل مجموعة فوسفات أو اثنتين ، ويتم إنتاج إما ADP أو AMP. تُستخدم الطاقة المشتقة من هدم الجلوكوز لتحويل ADP إلى ATP. عندما يتم استخدام ATP في التفاعل ، يتم ربط الفوسفات الثالث مؤقتًا بركيزة في عملية تسمى الفسفرة. عمليتا تجديد ATP اللتان تستخدمان بالاقتران مع هدم الجلوكوز هما الفسفرة على مستوى الركيزة والفسفرة المؤكسدة من خلال عملية التناضح الكيميائي.


تفاعلات الأكسدة والاختزال في الكائنات الحية

في الأنظمة البيولوجية ، يتم إطلاق الطاقة بشكل عام من تفاعلات الأكسدة والاختزال للمركبات العضوية المحفزة بواسطة الإنزيمات. لذلك ، من الضروري أن نفهم بوضوح طبيعة تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحدث في الأنظمة الحية. المركب العضوي الأكثر شيوعًا المستخدم كركيزة لإنتاج الطاقة هو الجلوكوز.

عندما يتم حرق مول واحد من الجلوكوز يعادل 180 جرامًا في الهواء في ظل ظروف غير بيولوجية ، يتم تحرير 674 كيلو كالوري من الطاقة على شكل حرارة وتكون المنتجات عبارة عن ثاني أكسيد الكربون2 و ح2O. عند استخدام الجلوكوز كركيزة للتنفس الهوائي بواسطة كائن حي ، يتم تحرير نفس كمية الطاقة وتكون المنتجات عبارة عن ثاني أكسيد الكربون2 و ح2يا (سي6ح12ا6 = 6CO2 + 6 ح2O + 674 سعر حراري). ولكن في التنفس يتم تحويل جزء فقط من الطاقة المحررة إلى طاقة كيميائية (ATP) ويتم فقدان الباقي كحرارة.

قد يطرح السؤال أين يتم إخفاء طاقة جزيء الجلوكوز. يحتوي الجلوكوز أو أي جزيء آخر على الطاقة المخزنة في الإلكترونات التي تشكل الروابط الكيميائية بين الذرات المكونة للجزيء. الطاقة مطلوبة لربط الذرات معًا ويتم تخزينها في الروابط الكيميائية كطاقة محتملة. عندما يتم كسر هذه الروابط ، يتم تحرير الطاقة في شكل قابل للاستخدام.

تُعرف كمية الطاقة التي يمكن تحريرها من الجزيء بالطاقة الحرة ، والمعروفة تقليديًا باسم G. و B وإجمالي الطاقة الحرة لـ C و D تسمى تغير الطاقة الحرة والتي تسمى ∆G.

عندما تنتج المواد المتفاعلة A و B C و D مع تحرير الطاقة ، يتم إعطاء ∆G تقليديًا علامة سالبة (-G) مما يعني أن التفاعل طارد للطاقة. في ظل الظروف القياسية ، أي عند وجود كل من المواد المتفاعلة والمنتجات في تركيز مولاري واحد عند درجة حرارة 25 درجة مئوية تحت 1 ضغط جوي. الضغط ، ∆G يتم تمثيله كـ ∆G 0 وهو تغيير قياسي في الطاقة الحرة.

يجب توضيح أن تفاعلًا كيميائيًا أو كيميائيًا حيويًا لا يمكن أن يعمل تلقائيًا إلا عندما يكون طاردًا للطاقة ، أي أن ∆G سالب. بمعنى آخر ، سوف يعمل التفاعل تلقائيًا حتى يفترض تغيير الطاقة الحرة (G) قيمة الصفر وفي هذه المرحلة سيصل التفاعل إلى التوازن. عند التوازن ، تكون تركيزات المواد المتفاعلة والمنتجات بحيث يكون إجمالي محتويات الطاقة الحرة للمواد المتفاعلة والنواتج متساويًا أي ∆G = 0. في هذه المرحلة ، يكون تركيز المنتجات أعلى من تركيز المواد المتفاعلة.

يمكن حساب التغير القياسي في الطاقة الحرة (∆G °) للتفاعل من المعادلة AG ° = -RT InK حيث R هو ثابت الغاز بقيمة 1.987 ، T هي درجة الحرارة المطلقة (273 + درجة مئوية) والحبر هو اللوغاريتم الطبيعي لثابت التوازن للتفاعل (2.303 لوغاريتم كلفن). في التفاعل الافتراضي A + B ، & lt === & gt C + D ، يتم حساب K من نسبة منتجات تركيزات C + D و A + B أي [C] x [D] / [A] x [B] = K. إذا كانت هذه النسبة أكبر من 1 ، تصبح ∆G ° سالبة. من المعادلة أعلاه ، يمكن حساب AG في ظل الظروف الفسيولوجية من العلاقة AG = AG ° + RT InK.

معلمة أخرى مهمة لتفاعلات الأكسدة والاختزال هي احتمالية الأكسدة التي تعطي مقياسًا كميًا لميل مركب أو عنصر إلى فقد الإلكترونات. في تفاعل الأكسدة والاختزال ، يتم قبول الإلكترونات الممنوحة بواسطة مركب أو عنصر واحد بواسطة مركب أو عنصر آخر. نتيجة لذلك ، يتأكسد المتبرع (فقدان الإلكترونات) ويقل المستقبِل (إضافة الإلكترونات).

لذا ، فإن الأكسدة والاختزال يسيران دائمًا جنبًا إلى جنب. يُعرف هذا الزوج من التفاعلات عمومًا باسم تفاعلات الأكسدة والاختزال. في معظم الأنظمة البيولوجية ، تتضمن تفاعلات الأكسدة والاختزال إزالة أو إضافة ذرات الهيدروجين ، مثل البروتون والإلكترون. يتم تحفيز مثل هذه التفاعلات بواسطة إنزيمات تسمى نازعة الهيدروجين.

يتم التعبير عن ميل المركب لفقدان الإلكترونات فيما يتعلق بميل الهيدروجين الجزيئي لفقدان الإلكترونات ، أي H2 & lt === & gt 2H + 2e & # 8211. بالنسبة للأنظمة البيولوجية ، يتم التعبير عن إمكانات الأكسدة والاختزال على أنها جهد اختزال قياسي أو قوة دافعة كهربائية (emf) بالفولت عندما يكون المتفاعل والمؤكسد موجودًا في تركيز 1.0 متر عند درجة الحموضة 7.0 و 25 درجة مئوية. إمكانات الأكسدة والاختزال القياسية لـ H.2 - & gt 2H + 2e & # 8211 هي -0.42v. كلما كانت احتمالية الأكسدة أكثر إيجابية ، كلما زاد الميل إلى فقدان الإلكترونات ، أي أن القدرة على الأكسدة أكبر.

في الكائنات الحية ، يتم استخدام الطاقة المنبعثة من التفاعلات المطلقة للطاقة لتحريك تفاعلات الطاقة وأيضًا لأغراض أخرى ، مثل الحركة. يتم نقل الطاقة من تفاعل إلى آخر عن طريق بعض المتفاعلات الشائعة التي تشارك في كل من التفاعلات الطاردة للطاقة والتفاعلات الداخلية.

تتميز هذه المواد المتفاعلة الشائعة بإمكانية نقل عالية وتسمى مركبات غنية بالطاقة. أكثر هذه المركبات شيوعًا هو ATP. ترتبط مجموعة الفوسفات الأخيرة من ATP ببقية الجزيء بواسطة رابطة غير مستقرة ويمكن فصلها بسرعة أو نقلها إلى متقبل مع إطلاق كمية كبيرة من الطاقة الحرة.

وبالتالي ، يتمتع ATP بإمكانية نقل عالية ويمكن أن يشارك في العديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية.

تكون جزيئات ATP أكبر نسبيًا في الحجم ، وبالتالي فهي غير مناسبة لتخزين الطاقة. لتخزين الطاقة ، تستخدم الأنظمة الحية جزيئات أصغر مثل الجلوكوز حيث يتم تخزين الطاقة في الروابط الكيميائية. لذلك ، يجب إطلاق الطاقة الكامنة للجلوكوز من خلال تكسير الجزيء بطريقة تدريجية عن طريق تفاعلات تقويضية. في النظم الحية ، يمكن تقويض الجلوكوز من خلال عدة مسارات.


الإلكترونات والطاقة

ينتج عن إزالة الإلكترون من الجزيء ، وأكسدته ، انخفاض في الطاقة الكامنة في المركب المؤكسد. لا يبقى الإلكترون (أحيانًا كجزء من ذرة الهيدروجين) غير مرتبط ، ومع ذلك ، في سيتوبلازم الخلية. بدلا من ذلك ، يتم إزاحة الإلكترون إلى مركب ثان ، مما يقلل من المركب الثاني. يؤدي انتقال الإلكترون من مركب إلى آخر إلى إزالة بعض الطاقة الكامنة من المركب الأول (المركب المؤكسد) وزيادة الطاقة الكامنة للمركب الثاني (المركب المختزل). يعد نقل الإلكترونات بين الجزيئات أمرًا مهمًا لأن معظم الطاقة المخزنة في الذرات والمستخدمة لتغذية وظائف الخلايا تكون في شكل إلكترونات عالية الطاقة. يسمح نقل الطاقة على شكل إلكترونات للخلية بنقل واستخدام الطاقة بطريقة تدريجية - في حزم صغيرة بدلاً من دفعة واحدة مدمرة. يركز هذا الفصل على استخراج الطاقة من الطعام ، وسوف ترى أنه أثناء تتبعك لمسار عمليات النقل ، فإنك تتعقب مسار الإلكترونات التي تتحرك عبر المسارات الأيضية.


7.1 الطاقة في الأنظمة الحية

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • ناقش أهمية الإلكترونات في نقل الطاقة في الأنظمة الحية
  • اشرح كيف تستخدم الخلايا ATP كمصدر للطاقة

يتضمن إنتاج الطاقة داخل الخلية العديد من المسارات الكيميائية المنسقة. معظم هذه المسارات عبارة عن مجموعات من تفاعلات الأكسدة والاختزال ، والتي تحدث في نفس الوقت. يزيل تفاعل الأكسدة إلكترونًا من ذرة في مركب ، وإضافة هذا الإلكترون إلى مركب آخر هو تفاعل اختزال. نظرًا لأن الأكسدة والاختزال يحدثان معًا عادةً ، فإن هذه الأزواج من التفاعلات تسمى تفاعلات تقليل الأكسدة ، أو تفاعلات الأكسدة والاختزال.

الإلكترونات والطاقة

ينتج عن إزالة الإلكترون من الجزيء (مؤكسدته) انخفاض في الطاقة الكامنة في المركب المؤكسد. ومع ذلك ، فإن الإلكترون (أحيانًا كجزء من ذرة الهيدروجين) لا يظل غير مرتبط في سيتوبلازم الخلية. بدلا من ذلك ، يتم إزاحة الإلكترون إلى مركب ثان ، مما يقلل من المركب الثاني. يؤدي انتقال الإلكترون من مركب إلى آخر إلى إزالة بعض الطاقة الكامنة من المركب الأول (المركب المؤكسد) وزيادة الطاقة الكامنة للمركب الثاني (المركب المختزل). يعد نقل الإلكترونات بين الجزيئات أمرًا مهمًا لأن معظم الطاقة المخزنة في الذرات والمستخدمة لتغذية وظائف الخلايا تكون في شكل إلكترونات عالية الطاقة. يسمح نقل الطاقة في شكل إلكترونات عالية الطاقة للخلية بنقل واستخدام الطاقة بطريقة تدريجية - في حزم صغيرة بدلاً من دفعة واحدة مدمرة. يركز هذا الفصل على استخراج الطاقة من الطعام ، وسوف ترى أنه أثناء تتبعك لمسار عمليات النقل ، فإنك تتعقب مسار الإلكترونات التي تتحرك عبر المسارات الأيضية.

ناقلات الإلكترون

في الأنظمة الحية ، تعمل فئة صغيرة من المركبات كمكوكات إلكترونية: فهي تربط وتحمل إلكترونات عالية الطاقة بين المركبات في المسارات البيوكيميائية. ناقلات الإلكترون الرئيسية التي سننظر فيها مشتقة من مجموعة فيتامين ب وهي مشتقات من النيوكليوتيدات. يمكن اختزال هذه المركبات بسهولة (أي أنها تقبل الإلكترونات) أو تتأكسد (تفقد الإلكترونات). مشتق نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD) (الشكل 7.2) من فيتامين ب3النياسين. NAD + هو الشكل المؤكسد للجزيء NADH هو الشكل المختزل للجزيء بعد أن يقبل إلكترونين وبروتون (وهما معًا ما يعادل ذرة هيدروجين مع إلكترون إضافي). لاحظ أنه إذا كان المركب يحتوي على "H" ، فإنه يتم تقليله بشكل عام (على سبيل المثال ، NADH هو الشكل المختزل لـ NAD).

يمكن أن يقبل NAD + الإلكترونات من جزيء عضوي وفقًا للمعادلة العامة:

عندما تضاف الإلكترونات إلى مركب ، يتم تقليله. يسمى المركب الذي يقلل من الآخر عامل الاختزال. في المعادلة أعلاه ، RH هو عامل مختزل ، ويتم تقليل NAD + إلى NADH. عندما تتم إزالة الإلكترونات من مركب ، يتأكسد. يسمى المركب الذي يؤكسد آخر عامل مؤكسد. في المعادلة أعلاه ، NAD + هو عامل مؤكسد ، ويتأكسد RH إلى R.

وبالمثل ، فإن فلافين الأدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD +) مشتق من فيتامين ب2، ويسمى أيضًا الريبوفلافين. شكله المصغر هو FADH2. يحتوي الشكل الثاني من NAD ، NADP ، على مجموعة فوسفات إضافية. يستخدم كل من NAD + و FAD + على نطاق واسع في استخراج الطاقة من السكريات ، ويلعب NADP دورًا مهمًا في التفاعلات الابتنائية والتمثيل الضوئي في النباتات.

ATP في الأنظمة الحية

لا تستطيع الخلية الحية تخزين كميات كبيرة من الطاقة الحرة. قد تؤدي الطاقة الحرة الزائدة إلى زيادة الحرارة في الخلية ، مما قد يؤدي إلى حركة حرارية مفرطة يمكن أن تتلف الخلية ثم تدمرها. بدلاً من ذلك ، يجب أن تكون الخلية قادرة على التعامل مع هذه الطاقة بطريقة تمكّن الخلية من تخزين الطاقة بأمان وإطلاقها لاستخدامها فقط عند الحاجة. تحقق الخلايا الحية ذلك باستخدام مركب الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP). غالبًا ما يُطلق على ATP اسم "عملة الطاقة" للخلية ، ومثل العملة ، يمكن استخدام هذا المركب متعدد الاستخدامات لسد أي حاجة للطاقة للخلية. كيف؟ تعمل بشكل مشابه لبطارية قابلة لإعادة الشحن.

عندما يتم تكسير ATP ، عادةً عن طريق إزالة مجموعة الفوسفات الطرفية ، يتم إطلاق الطاقة. يتم استخدام الطاقة للقيام بعمل من قبل الخلية ، عادة عندما يرتبط الفوسفات المنطلق بجزيء آخر ، وبالتالي يتم تنشيطه. على سبيل المثال ، في العمل الميكانيكي لتقلص العضلات ، يوفر ATP الطاقة لتحريك بروتينات العضلات المقلصة. تذكر عمل النقل النشط لمضخة الصوديوم والبوتاسيوم في أغشية الخلايا. يغير ATP بنية البروتين المتكامل الذي يعمل كمضخة ، ويغير تقاربها للصوديوم والبوتاسيوم. بهذه الطريقة ، تؤدي الخلية العمل ، وتضخ الأيونات ضد تدرجاتها الكهروكيميائية.

هيكل ووظيفة ATP

يوجد في قلب ATP جزيء من أدينوزين أحادي الفوسفات (AMP) ، والذي يتكون من جزيء أدينين مرتبط بجزيء ريبوز ومجموعة فوسفات واحدة (الشكل 7.3). الريبوز هو سكر خماسي الكربون موجود في الحمض النووي الريبي ، و AMP هو أحد النيوكليوتيدات في الحمض النووي الريبي. تؤدي إضافة مجموعة فوسفات ثانية إلى هذا الجزيء الأساسي إلى تكوين الأدينوزين ديالفوسفات (ADP) إضافة مجموعة فوسفات ثالثة تشكل الأدينوزين ثلاثيالفوسفات (ATP).

تتطلب إضافة مجموعة فوسفات إلى جزيء طاقة. مجموعات الفوسفات مشحونة سالبة وبالتالي تتنافر عندما يتم ترتيبها في سلسلة ، كما هو الحال في ADP و ATP. هذا التنافر يجعل جزيئات ADP و ATP غير مستقرة بطبيعتها. يطلق إطلاق مجموعة أو مجموعتين من الفوسفات من ATP ، وهي عملية تسمى نزع الفسفرة ، الطاقة.

الطاقة من ATP

التحلل المائي هو عملية تفكيك الجزيئات الكبيرة المعقدة. أثناء التحلل المائي ، ينقسم الماء ، أو يتحلل ، وتكون ذرة الهيدروجين الناتجة (H +) ومجموعة الهيدروكسيل (OH -) ، أو هيدروكسيد ، تضاف إلى الجزيء الأكبر. ينتج عن التحلل المائي لـ ATP ADP ، مع أيون فوسفات غير عضوي (P.أنا) وإطلاق الطاقة الحرة. لتنفيذ عمليات الحياة ، يتم تقسيم ATP باستمرار إلى ADP ، ومثل البطارية القابلة لإعادة الشحن ، يتم تجديد ADP باستمرار إلى ATP عن طريق إعادة ربط مجموعة فوسفات ثالثة. الماء ، الذي تم تقسيمه إلى ذرة الهيدروجين ومجموعة الهيدروكسيل (هيدروكسيد) أثناء التحلل المائي لـ ATP ، يتم تجديده عند إضافة فوسفات ثالث إلى جزيء ADP ، مع إعادة تكوين ATP.

من الواضح أنه يجب ضخ الطاقة في النظام لتجديد ATP. من اين تاتي هذه الطاقة؟ في كل كائن حي على الأرض تقريبًا ، تأتي الطاقة من استقلاب الجلوكوز أو الفركتوز أو الجالاكتوز ، وجميع الأيزومرات التي لها الصيغة الكيميائية C6ح12ا6 لكن تكوينات جزيئية مختلفة. وبهذه الطريقة ، يعد ATP رابطًا مباشرًا بين مجموعة محدودة من المسارات الباهظة للطاقة لتقويض الجلوكوز والعديد من المسارات المندفعة التي تمد الخلايا الحية بالطاقة.

الفسفرة

تذكر أنه في بعض التفاعلات الكيميائية ، قد ترتبط الإنزيمات بعدة ركائز تتفاعل مع بعضها البعض على الإنزيم ، وتشكل مركبًا وسيطًا. المركب الوسيط هو هيكل مؤقت ، ويسمح لأحد الركائز (مثل ATP) والمتفاعلات بالتفاعل بسهولة أكبر مع بعضها البعض في التفاعلات التي تتضمن ATP ، ATP هو أحد الركائز و ADP منتج. أثناء تفاعل كيميائي مرن ، يشكل ATP معقدًا وسيطًا مع الركيزة والإنزيم في التفاعل. يسمح هذا المركب الوسيط لـ ATP بنقل مجموعته الفوسفاتية الثالثة ، مع طاقته ، إلى الركيزة ، وهي عملية تسمى الفسفرة. تشير الفسفرة إلى إضافة الفوسفات (

ص). يتضح هذا من خلال التفاعل العام التالي ، حيث يمثل A و B ركيزتين مختلفتين:

عندما يتفكك المركب الوسيط ، يتم استخدام الطاقة لتعديل الركيزة وتحويلها إلى منتج من التفاعل. يتم إطلاق جزيء ADP وأيون الفوسفات الحر في الوسط ومتاحين لإعادة التدوير من خلال التمثيل الغذائي الخلوي.

الفسفرة الركيزة

يتم إنشاء ATP من خلال آليتين أثناء انهيار الجلوكوز. يتم إنشاء عدد قليل من جزيئات ATP (أي ، يتم تجديدها من ADP) كنتيجة مباشرة للتفاعلات الكيميائية التي تحدث في المسارات التقويضية. تتم إزالة مجموعة الفوسفات من مادة متفاعلة وسيطة في المسار ، ويتم استخدام الطاقة الحرة للتفاعل لإضافة الفوسفات الثالث إلى جزيء ADP متاح ، مما ينتج عنه ATP (الشكل 7.4). هذه الطريقة المباشرة جدًا للفسفرة تسمى الفسفرة على مستوى الركيزة.

الفسفرة التأكسدية

ومع ذلك ، فإن معظم الـ ATP الذي تم إنشاؤه أثناء هدم الجلوكوز مشتق من عملية أكثر تعقيدًا ، وهي التناضح الكيميائي ، والتي تحدث في الميتوكوندريا (الشكل 7.5) داخل خلية حقيقية النواة أو غشاء البلازما لخلية بدائية النواة. تُستخدم عملية التناضح الكيميائي ، وهي عملية إنتاج ATP في التمثيل الغذائي الخلوي ، لتوليد 90٪ من ATP المصنوع أثناء هدم الجلوكوز ، وهي أيضًا الطريقة المستخدمة في تفاعلات الضوء لعملية التمثيل الضوئي لتسخير طاقة ضوء الشمس. يُطلق على إنتاج الـ ATP باستخدام عملية التناضح الكيميائي الفسفرة المؤكسدة بسبب مشاركة الأكسجين في العملية.

الاتصال الوظيفي

طبيب أمراض الميتوكوندريا

ماذا يحدث عندما لا تسير ردود الفعل الحرجة للتنفس الخلوي بشكل صحيح؟ قد يحدث هذا في أمراض الميتوكوندريا ، وهي اضطرابات وراثية لعملية التمثيل الغذائي. يمكن أن تنشأ اضطرابات الميتوكوندريا من الطفرات في الحمض النووي أو الميتوكوندريا ، وتؤدي إلى إنتاج طاقة أقل مما هو طبيعي في خلايا الجسم. في مرض السكري من النوع 2 ، على سبيل المثال ، يتم تقليل كفاءة أكسدة NADH ، مما يؤثر على الفسفرة المؤكسدة ولكن ليس على خطوات التنفس الأخرى. يمكن أن تشمل أعراض أمراض الميتوكوندريا ضعف العضلات ، وعدم التنسيق ، ونوبات تشبه السكتة الدماغية ، وفقدان البصر والسمع. يتم تشخيص معظم الأشخاص المصابين في مرحلة الطفولة ، على الرغم من وجود بعض الأمراض التي تصيب البالغين. يعد تحديد وعلاج اضطرابات الميتوكوندريا مجالًا طبيًا متخصصًا. يتطلب الإعداد التعليمي لهذه المهنة تعليمًا جامعيًا ، تليها كلية الطب مع تخصص في علم الوراثة الطبية. يمكن لعلماء الوراثة الطبية أن يكونوا حاصلين على شهادة البورد من قبل المجلس الأمريكي لعلم الوراثة الطبية ويستمرون في الارتباط بالمنظمات المهنية المكرسة لدراسة أمراض الميتوكوندريا ، مثل جمعية طب الميتوكوندريا وجمعية الاضطرابات الأيضية الوراثية.


ATP في الأنظمة الحية

لا تستطيع الخلية الحية تخزين كميات كبيرة من الطاقة الحرة. قد تؤدي الطاقة الحرة الزائدة إلى زيادة الحرارة في الخلية ، مما قد يؤدي إلى حركة حرارية مفرطة يمكن أن تتلف الخلية ثم تدمرها. بدلاً من ذلك ، يجب أن تكون الخلية قادرة على التعامل مع هذه الطاقة بطريقة تمكّن الخلية من تخزين الطاقة بأمان وإطلاقها لاستخدامها فقط عند الحاجة. تحقق الخلايا الحية ذلك باستخدام مركب الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP). غالبًا ما يُطلق على ATP اسم "عملة الطاقة" للخلية ، ومثل العملة ، يمكن استخدام هذا المركب متعدد الاستخدامات لسد أي حاجة للطاقة للخلية. كيف؟ تعمل بشكل مشابه لبطارية قابلة لإعادة الشحن.

عندما يتم تكسير ATP ، عادة عن طريق إزالة مجموعة الفوسفات الطرفية ، يتم إطلاق الطاقة. يتم استخدام الطاقة للقيام بعمل من قبل الخلية ، عادةً عن طريق ارتباط الفوسفات المنطلق بجزيء آخر ، مما يؤدي إلى تنشيطه. على سبيل المثال ، في العمل الميكانيكي لتقلص العضلات ، يوفر ATP الطاقة لتحريك بروتينات العضلات المقلصة. تذكر عمل النقل النشط لمضخة الصوديوم والبوتاسيوم في أغشية الخلايا. يغير ATP بنية البروتين المتكامل الذي يعمل كمضخة ، ويغير تقاربها للصوديوم والبوتاسيوم. بهذه الطريقة ، تؤدي الخلية العمل ، وتضخ الأيونات ضد تدرجاتها الكهروكيميائية.


33 الطاقة في الأنظمة الحية

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • ناقش أهمية الإلكترونات في نقل الطاقة في الأنظمة الحية
  • اشرح كيف تستخدم الخلايا ATP كمصدر للطاقة

يتضمن إنتاج الطاقة داخل الخلية العديد من المسارات الكيميائية المنسقة. معظم هذه المسارات عبارة عن مجموعات من تفاعلات الأكسدة والاختزال ، والتي تحدث في نفس الوقت. يزيل تفاعل الأكسدة إلكترونًا من ذرة في مركب ، وإضافة هذا الإلكترون إلى مركب آخر هو تفاعل اختزال. نظرًا لأن الأكسدة والاختزال يحدثان معًا عادةً ، فإن هذه الأزواج من التفاعلات تسمى تفاعلات تقليل الأكسدة ، أو تفاعلات الأكسدة والاختزال.

الإلكترونات والطاقة

ينتج عن إزالة الإلكترون من الجزيء (مؤكسدته) انخفاض في الطاقة الكامنة في المركب المؤكسد. لا يبقى الإلكترون (أحيانًا كجزء من ذرة الهيدروجين) غير مرتبط ، ومع ذلك ، في سيتوبلازم الخلية. بدلا من ذلك ، يتم إزاحة الإلكترون إلى مركب ثان ، مما يقلل من المركب الثاني. يؤدي انتقال الإلكترون من مركب إلى آخر إلى إزالة بعض الطاقة الكامنة من المركب الأول (المركب المؤكسد) وزيادة الطاقة الكامنة للمركب الثاني (المركب المختزل). يعد نقل الإلكترونات بين الجزيئات أمرًا مهمًا لأن معظم الطاقة المخزنة في الذرات والمستخدمة لتغذية وظائف الخلايا تكون في شكل إلكترونات عالية الطاقة. يسمح نقل الطاقة في شكل إلكترونات عالية الطاقة للخلية بنقل واستخدام الطاقة بطريقة تدريجية - في حزم صغيرة بدلاً من دفعة واحدة مدمرة. يركز هذا الفصل على استخراج الطاقة من الطعام ، وسوف ترى أنه أثناء تتبعك لمسار عمليات النقل ، فإنك تتعقب مسار الإلكترونات التي تتحرك عبر المسارات الأيضية.

ناقلات الإلكترون

في الأنظمة الحية ، تعمل فئة صغيرة من المركبات كمكوكات إلكترونية: فهي تربط وتحمل إلكترونات عالية الطاقة بين المركبات في المسارات البيوكيميائية. ناقلات الإلكترون الرئيسية التي سننظر فيها مشتقة من مجموعة فيتامين ب وهي مشتقات من النيوكليوتيدات. يمكن اختزال هذه المركبات بسهولة (أي أنها تقبل الإلكترونات) أو تتأكسد (تفقد الإلكترونات). مشتق نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD) ((الشكل)) من فيتامين ب3النياسين. NAD + هو الشكل المؤكسد للجزيء NADH هو الشكل المختزل للجزيء بعد أن يقبل إلكترونين وبروتون (وهما معًا ما يعادل ذرة هيدروجين مع إلكترون إضافي). لاحظ أنه إذا كان المركب يحتوي على "H" ، فإنه يتم تقليله بشكل عام (على سبيل المثال ، NADH هو الشكل المختزل لـ NAD).

يمكن أن يقبل NAD + الإلكترونات من جزيء عضوي وفقًا للمعادلة العامة:

عندما تضاف الإلكترونات إلى مركب ، يتم تقليله. يسمى المركب الذي يقلل من الآخر عامل الاختزال. في المعادلة أعلاه ، RH هو عامل مختزل ، ويتم تقليل NAD + إلى NADH. عندما تتم إزالة الإلكترونات من مركب ، يتأكسد. يسمى المركب الذي يؤكسد آخر عامل مؤكسد. في المعادلة أعلاه ، NAD + هو عامل مؤكسد ، ويتأكسد RH إلى R.

وبالمثل ، فإن فلافين الأدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD +) مشتق من فيتامين ب2، ويسمى أيضًا الريبوفلافين. شكله المصغر هو FADH2. يحتوي الشكل الثاني من NAD ، NADP ، على مجموعة فوسفات إضافية. يستخدم كل من NAD + و FAD + على نطاق واسع في استخراج الطاقة من السكريات ، ويلعب NADP دورًا مهمًا في التفاعلات الابتنائية والتمثيل الضوئي في النباتات.

ATP في الأنظمة الحية

لا تستطيع الخلية الحية تخزين كميات كبيرة من الطاقة الحرة. قد تؤدي الطاقة الحرة الزائدة إلى زيادة الحرارة في الخلية ، مما قد يؤدي إلى حركة حرارية مفرطة يمكن أن تتلف الخلية ثم تدمرها. بدلاً من ذلك ، يجب أن تكون الخلية قادرة على التعامل مع هذه الطاقة بطريقة تمكّن الخلية من تخزين الطاقة بأمان وإطلاقها لاستخدامها فقط عند الحاجة. تحقق الخلايا الحية ذلك باستخدام مركب الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP). غالبًا ما يُطلق على ATP اسم "عملة الطاقة" للخلية ، ومثل العملة ، يمكن استخدام هذا المركب متعدد الاستخدامات لسد أي حاجة للطاقة للخلية. كيف؟ تعمل بشكل مشابه لبطارية قابلة لإعادة الشحن.

عندما يتم تكسير ATP ، عادةً عن طريق إزالة مجموعة الفوسفات الطرفية ، يتم إطلاق الطاقة. يتم استخدام الطاقة للقيام بعمل من قبل الخلية ، عادة عندما يرتبط الفوسفات المنطلق بجزيء آخر ، وبالتالي يتم تنشيطه. على سبيل المثال ، في العمل الميكانيكي لتقلص العضلات ، يوفر ATP الطاقة لتحريك بروتينات العضلات المقلصة. تذكر عمل النقل النشط لمضخة الصوديوم والبوتاسيوم في أغشية الخلايا. يغير ATP بنية البروتين المتكامل الذي يعمل كمضخة ، ويغير تقاربها للصوديوم والبوتاسيوم. بهذه الطريقة ، تؤدي الخلية العمل ، وتضخ الأيونات ضد تدرجاتها الكهروكيميائية.

هيكل ووظيفة ATP

يوجد في قلب ATP جزيء من أدينوزين أحادي الفوسفات (AMP) ، والذي يتكون من جزيء أدينين مرتبط بجزيء ريبوز ومجموعة فوسفات واحدة ((الشكل)). الريبوز هو سكر خماسي الكربون موجود في الحمض النووي الريبي ، و AMP هو أحد النيوكليوتيدات في الحمض النووي الريبي. تؤدي إضافة مجموعة فوسفات ثانية إلى هذا الجزيء الأساسي إلى تكوين الأدينوزين ديالفوسفات (ADP) إضافة مجموعة فوسفات ثالثة تشكل الأدينوزين ثلاثيالفوسفات (ATP).

تتطلب إضافة مجموعة فوسفات إلى جزيء طاقة. مجموعات الفوسفات مشحونة سالبة وبالتالي تتنافر عندما يتم ترتيبها في سلسلة ، كما هو الحال في ADP و ATP. هذا التنافر يجعل جزيئات ADP و ATP غير مستقرة بطبيعتها. يطلق إطلاق مجموعة أو مجموعتين من الفوسفات من ATP ، وهي عملية تسمى نزع الفسفرة ، الطاقة.

الطاقة من ATP

التحلل المائي هو عملية تفكيك الجزيئات الكبيرة المعقدة. أثناء التحلل المائي ، ينقسم الماء ، أو يتحلل ، وتكون ذرة الهيدروجين الناتجة (H +) ومجموعة الهيدروكسيل (OH & # 8211) ، أو هيدروكسيد ، تضاف إلى الجزيء الأكبر. ينتج التحلل المائي لـ ATP ADP ، مع أيون فوسفات غير عضوي (P.أنا) وإطلاق الطاقة الحرة. To carry out life processes, ATP is continuously broken down into ADP, and like a rechargeable battery, ADP is continuously regenerated into ATP by the reattachment of a third phosphate group. Water, which was broken down into its hydrogen atom and hydroxyl group (hydroxide) during ATP hydrolysis, is regenerated when a third phosphate is added to the ADP molecule, reforming ATP.

Obviously, energy must be infused into the system to regenerate ATP. Where does this energy come from? In nearly every living thing on Earth, the energy comes from the metabolism of glucose, fructose, or galactose, all isomers with the chemical formula C6ح12ا6 but different molecular configurations. In this way, ATP is a direct link between the limited set of exergonic pathways of glucose catabolism and the multitude of endergonic pathways that power living cells.

Phosphorylation

Recall that, in some chemical reactions, enzymes may bind to several substrates that react with each other on the enzyme, forming an intermediate complex. An intermediate complex is a temporary structure, and it allows one of the substrates (such as ATP) and reactants to more readily react with each other in reactions involving ATP, ATP is one of the substrates and ADP is a product. During an endergonic chemical reaction, ATP forms an intermediate complex with the substrate and enzyme in the reaction. This intermediate complex allows the ATP to transfer its third phosphate group, with its energy, to the substrate, a process called phosphorylation. Phosphorylation refers to the addition of the phosphate (

P). This is illustrated by the following generic reaction, in which A and B represent two different substrates:

When the intermediate complex breaks apart, the energy is used to modify the substrate and convert it into a product of the reaction. The ADP molecule and a free phosphate ion are released into the medium and are available for recycling through cell metabolism.

Substrate Phosphorylation

ATP is generated through two mechanisms during the breakdown of glucose. A few ATP molecules are generated (that is, regenerated from ADP) as a direct result of the chemical reactions that occur in the catabolic pathways. A phosphate group is removed from an intermediate reactant in the pathway, and the free energy of the reaction is used to add the third phosphate to an available ADP molecule, producing ATP ((Figure)). This very direct method of phosphorylation is called substrate-level phosphorylation .

Oxidative Phosphorylation

Most of the ATP generated during glucose catabolism, however, is derived from a much more complex process, chemiosmosis, which takes place in mitochondria ((Figure)) within a eukaryotic cell or the plasma membrane of a prokaryotic cell. Chemiosmosis , a process of ATP production in cellular metabolism, is used to generate 90 percent of the ATP made during glucose catabolism and is also the method used in the light reactions of photosynthesis to harness the energy of sunlight. The production of ATP using the process of chemiosmosis is called oxidative phosphorylation because of the involvement of oxygen in the process.

Mitochondrial Disease Physician What happens when the critical reactions of cellular respiration do not proceed correctly? This may happen in mitochondrial diseases, which are genetic disorders of metabolism. Mitochondrial disorders can arise from mutations in nuclear or mitochondrial DNA, and they result in the production of less energy than is normal in body cells. In type 2 diabetes, for instance, the oxidation efficiency of NADH is reduced, impacting oxidative phosphorylation but not the other steps of respiration. Symptoms of mitochondrial diseases can include muscle weakness, lack of coordination, stroke-like episodes, and loss of vision and hearing. Most affected people are diagnosed in childhood, although there are some adult-onset diseases. Identifying and treating mitochondrial disorders is a specialized medical field. The educational preparation for this profession requires a college education, followed by medical school with a specialization in medical genetics. Medical geneticists can be board certified by the American Board of Medical Genetics and go on to become associated with professional organizations devoted to the study of mitochondrial diseases, such as the Mitochondrial Medicine Society and the Society for Inherited Metabolic Disorders.

ملخص القسم

ATP functions as the energy currency for cells. It allows the cell to store energy briefly and transport it within the cell to support endergonic chemical reactions. The structure of ATP is that of an RNA nucleotide with three phosphates attached. As ATP is used for energy, a phosphate group or two are detached, and either ADP or AMP is produced. Energy derived from glucose catabolism is used to convert ADP into ATP. When ATP is used in a reaction, the third phosphate is temporarily attached to a substrate in a process called phosphorylation. The two processes of ATP regeneration that are used in conjunction with glucose catabolism are substrate-level phosphorylation and oxidative phosphorylation through the process of chemiosmosis.


7.26: ATP in Living Systems - Biology

Living systems can be studied by way of the scientific method which involves which of the following?

Using only deductive reasoning and not inductive reasoning

Using few subjects, but repeating the experiments and using controls

Using few subjects, but repeating the experiments

Using many subjects, but doing no statistical analysis

Using many subjects but having no controls

Which of the following molecules has the least amount of energy that you can use for intense physical exercise?

A chemically specifically designed to signal uncontrolled cell growth

Water since it promotes all chemical reactions

Nicotine produced in plants can be lethal to insects in that it causes a paralysis. Where does nicotine have its effect?

Nicotine receptors located in the nucleus of the cell

Nicotine receptors on the plasma membrane of brain cells

Nicotine receptors in the golgi bodies of neurons

Nicotine receptors on the mitochondria of brain cells

The aqueous (water) space between cells is which of the following?

All of these answers are correct

A hypo-osmotic solution can be defined as which of the following?

A solution separated from another by way of semipermeable membrane in which the hyposmotic solution has less electrolyes and more water than the other solution

A solution separated from another by way of semipermeable membrane in which the hyperosmotic solution has less electrolyes and more water than the other solution

A solution that is equal in concentration compared to another

A solution that is less concentrated relative to another

A solution that is more concentrated relative to another

Lactic acid in your muscles is the byproduct of which metabolic pathway?

Electron Transport System

Which of the following best describes the process of glycolysis?

A series of chemical reactions in the mitochondria that breakdown or catabolize glucose to produce ATP without oxygen

A series of chemical reactions that breakdown or catabolize protein to produce lactic acid in the presence of oxygen

A series of chemical reactions in the muscle cytoplasm that breaksdown or catabolize glucose to produce ATP without oxygen

A series of chemical reactions that produce enzymes

During oxidative phosphorylation, which of the following is phosphorylated with the assistance of ATP synthase?

In all animals who use oxidative phorphorylation to generate ATP, the ultimate electron acceptor is directly transported to all cells by way of which of the following?

After NADH is reduced at the Electron Transport system, the hydrogen ion subsequently does which of the following?

Which of the following has to exist for ATP synthase to be activated to directly produce ATP?

All of these answers are correct

Which of the following occurs when oxyhemoglobin reaches the capillaries of heart muscle?

Releases oxygen which leaves the capillary and diffuses into the cell

Absorbs oxygen from the mitochondria

Releases its oxygen which diffuses from the mitochondria to the capillary


Why should I measure/care about it?

Since Adenosine Triphosphate is present in all living and active microbial cells, it is an excellent indicator of overall microbiological content in fluids or deposits. To measure it we turn to a well known example of bioluminescence the tail of a firefly! Through a chemical reaction, ATP reacts with luciferase and light is produced. The amount of light can be quantified in a luminometer and the amount of ATP present can then be calculated. Because this reaction happens instantly, the amount of microbiological content can be quantified immediately.

Standard microbiological monitoring methods often require culturing microbes on media and waiting for them to reproduce and form visible colonies. It takes days or weeks to obtain results depending on the species, and these methods only capture <1% of the total population present.

In contrast, LuminUltra’s patented 2nd Generation ATP® Testing provides data to help you know what is happening in your system and represents a major upgrade over other microbiological tools. When combined with our myLuminUltra software, you gain a true total measurement of all microorganisms contained in your sample in just a few minutes.

Having rapid information allows you to take action at the earliest possible moment, saving time and money in the battle against microorganisms. By measuring ATP regularly, and being able to differentiate between cellular ATP inside active microorganisms and dissolved ATP released from dead cells, cause & effect relationships can be identified helping you solve microbiological challenges before it’s too late.


علم الأحياء 171

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • Discuss the importance of electrons in the transfer of energy in living systems
  • Explain how ATP is used by cells as an energy source

Energy production within a cell involves many coordinated chemical pathways. Most of these pathways are combinations of oxidation and reduction reactions, which occur at the same time. An oxidation reaction strips an electron from an atom in a compound, and the addition of this electron to another compound is a reduction reaction. Because oxidation and reduction usually occur together, these pairs of reactions are called oxidation reduction reactions, or redox reactions .

Electrons and Energy

The removal of an electron from a molecule (oxidizing it), results in a decrease in potential energy in the oxidized compound. The electron (sometimes as part of a hydrogen atom) does not remain unbonded, however, in the cytoplasm of a cell. Rather, the electron is shifted to a second compound, reducing the second compound. The shift of an electron from one compound to another removes some potential energy from the first compound (the oxidized compound) and increases the potential energy of the second compound (the reduced compound). The transfer of electrons between molecules is important because most of the energy stored in atoms and used to fuel cell functions is in the form of high-energy electrons. The transfer of energy in the form of high-energy electrons allows the cell to transfer and use energy in an incremental fashion—in small packages rather than in a single, destructive burst. This chapter focuses on the extraction of energy from food you will see that as you track the path of the transfers, you are tracking the path of electrons moving through metabolic pathways.

Electron Carriers

In living systems, a small class of compounds functions as electron shuttles: they bind and carry high-energy electrons between compounds in biochemical pathways. The principal electron carriers we will consider are derived from the B vitamin group and are derivatives of nucleotides. These compounds can be easily reduced (that is, they accept electrons) or oxidized (they lose electrons). Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) ((Figure)) is derived from vitamin B3, niacin. NAD + is the oxidized form of the molecule NADH is the reduced form of the molecule after it has accepted two electrons and a proton (which together are the equivalent of a hydrogen atom with an extra electron). Note that if a compound has an “H” on it, it is generally reduced (e.g., NADH is the reduced form of NAD).

NAD + can accept electrons from an organic molecule according to the general equation:

When electrons are added to a compound, it is reduced. A compound that reduces another is called a reducing agent. In the above equation, RH is a reducing agent, and NAD + is reduced to NADH. When electrons are removed from a compound, it is oxidized. A compound that oxidizes another is called an oxidizing agent. In the above equation, NAD + is an oxidizing agent, and RH is oxidized to R.

Similarly, flavin adenine dinucleotide (FAD + ) is derived from vitamin B2, also called riboflavin. Its reduced form is FADH2. A second variation of NAD, NADP, contains an extra phosphate group. Both NAD + and FAD + are extensively used in energy extraction from sugars, and NADP plays an important role in anabolic reactions and photosynthesis in plants.

ATP in Living Systems

A living cell cannot store significant amounts of free energy. Excess free energy would result in an increase of heat in the cell, which would result in excessive thermal motion that could damage and then destroy the cell. Rather, a cell must be able to handle that energy in a way that enables the cell to store energy safely and release it for use only as needed. Living cells accomplish this by using the compound adenosine triphosphate (ATP). ATP is often called the “energy currency” of the cell, and, like currency, this versatile compound can be used to fill any energy need of the cell. كيف؟ It functions similarly to a rechargeable battery.

When ATP is broken down, usually by the removal of its terminal phosphate group, energy is released. The energy is used to do work by the cell, usually when the released phosphate binds to another molecule, thereby activating it. For example, in the mechanical work of muscle contraction, ATP supplies the energy to move the contractile muscle proteins. Recall the active transport work of the sodium-potassium pump in cell membranes. ATP alters the structure of the integral protein that functions as the pump, changing its affinity for sodium and potassium. In this way, the cell performs work, pumping ions against their electrochemical gradients.

ATP Structure and Function

At the heart of ATP is a molecule of adenosine monophosphate (AMP), which is composed of an adenine molecule bonded to a ribose molecule and to a single phosphate group ((Figure)). Ribose is a five-carbon sugar found in RNA, and AMP is one of the nucleotides in RNA. The addition of a second phosphate group to this core molecule results in the formation of adenosine diphosphate (ADP) the addition of a third phosphate group forms adenosine ثلاثيphosphate (ATP).

The addition of a phosphate group to a molecule requires energy. Phosphate groups are negatively charged and thus repel one another when they are arranged in series, as they are in ADP and ATP. This repulsion makes the ADP and ATP molecules inherently unstable. The release of one or two phosphate groups from ATP, a process called dephosphorylation , releases energy.

Energy from ATP

Hydrolysis is the process of breaking complex macromolecules apart. During hydrolysis, water is split, or lysed, and the resulting hydrogen atom (H + ) and a hydroxyl group (OH – ), or hydroxide, are added to the larger molecule. The hydrolysis of ATP produces ADP, together with an inorganic phosphate ion (Pأنا), and the release of free energy. To carry out life processes, ATP is continuously broken down into ADP, and like a rechargeable battery, ADP is continuously regenerated into ATP by the reattachment of a third phosphate group. Water, which was broken down into its hydrogen atom and hydroxyl group (hydroxide) during ATP hydrolysis, is regenerated when a third phosphate is added to the ADP molecule, reforming ATP.

Obviously, energy must be infused into the system to regenerate ATP. Where does this energy come from? In nearly every living thing on Earth, the energy comes from the metabolism of glucose, fructose, or galactose, all isomers with the chemical formula C6ح12ا6 but different molecular configurations. In this way, ATP is a direct link between the limited set of exergonic pathways of glucose catabolism and the multitude of endergonic pathways that power living cells.

Phosphorylation

Recall that, in some chemical reactions, enzymes may bind to several substrates that react with each other on the enzyme, forming an intermediate complex. An intermediate complex is a temporary structure, and it allows one of the substrates (such as ATP) and reactants to more readily react with each other in reactions involving ATP, ATP is one of the substrates and ADP is a product. During an endergonic chemical reaction, ATP forms an intermediate complex with the substrate and enzyme in the reaction. This intermediate complex allows the ATP to transfer its third phosphate group, with its energy, to the substrate, a process called phosphorylation. Phosphorylation refers to the addition of the phosphate (

P). This is illustrated by the following generic reaction, in which A and B represent two different substrates:

When the intermediate complex breaks apart, the energy is used to modify the substrate and convert it into a product of the reaction. The ADP molecule and a free phosphate ion are released into the medium and are available for recycling through cell metabolism.

Substrate Phosphorylation

ATP is generated through two mechanisms during the breakdown of glucose. A few ATP molecules are generated (that is, regenerated from ADP) as a direct result of the chemical reactions that occur in the catabolic pathways. A phosphate group is removed from an intermediate reactant in the pathway, and the free energy of the reaction is used to add the third phosphate to an available ADP molecule, producing ATP ((Figure)). This very direct method of phosphorylation is called substrate-level phosphorylation .

Oxidative Phosphorylation

Most of the ATP generated during glucose catabolism, however, is derived from a much more complex process, chemiosmosis, which takes place in mitochondria ((Figure)) within a eukaryotic cell or the plasma membrane of a prokaryotic cell. Chemiosmosis , a process of ATP production in cellular metabolism, is used to generate 90 percent of the ATP made during glucose catabolism and is also the method used in the light reactions of photosynthesis to harness the energy of sunlight. The production of ATP using the process of chemiosmosis is called oxidative phosphorylation because of the involvement of oxygen in the process.

Mitochondrial Disease Physician What happens when the critical reactions of cellular respiration do not proceed correctly? This may happen in mitochondrial diseases, which are genetic disorders of metabolism. Mitochondrial disorders can arise from mutations in nuclear or mitochondrial DNA, and they result in the production of less energy than is normal in body cells. In type 2 diabetes, for instance, the oxidation efficiency of NADH is reduced, impacting oxidative phosphorylation but not the other steps of respiration. Symptoms of mitochondrial diseases can include muscle weakness, lack of coordination, stroke-like episodes, and loss of vision and hearing. Most affected people are diagnosed in childhood, although there are some adult-onset diseases. Identifying and treating mitochondrial disorders is a specialized medical field. The educational preparation for this profession requires a college education, followed by medical school with a specialization in medical genetics. Medical geneticists can be board certified by the American Board of Medical Genetics and go on to become associated with professional organizations devoted to the study of mitochondrial diseases, such as the Mitochondrial Medicine Society and the Society for Inherited Metabolic Disorders.

ملخص القسم

ATP functions as the energy currency for cells. It allows the cell to store energy briefly and transport it within the cell to support endergonic chemical reactions. The structure of ATP is that of an RNA nucleotide with three phosphates attached. As ATP is used for energy, a phosphate group or two are detached, and either ADP or AMP is produced. Energy derived from glucose catabolism is used to convert ADP into ATP. When ATP is used in a reaction, the third phosphate is temporarily attached to a substrate in a process called phosphorylation. The two processes of ATP regeneration that are used in conjunction with glucose catabolism are substrate-level phosphorylation and oxidative phosphorylation through the process of chemiosmosis.

إستجابة مجانية

Why is it beneficial for cells to use ATP rather than energy directly from the bonds of carbohydrates? What are the greatest drawbacks to harnessing energy directly from the bonds of several different compounds?

ATP provides the cell with a way to handle energy in an efficient manner. The molecule can be charged, stored, and used as needed. Moreover, the energy from hydrolyzing ATP is delivered as a consistent amount. Harvesting energy from the bonds of several different compounds would result in energy deliveries of different quantities.

قائمة المصطلحات


Visualizing ATP Dynamics in Live Mice

Analysis of the dynamics of adenosine triphosphate (ATP) is vital to quantitatively define the actual roles of ATP in biological activities. Here, we applied a genetically encoded Förster resonance energy transfer biosensor “GO-ATeam” and created a transgenic mouse model that allows systemic ATP levels to be quantitatively, sensitively, noninvasively, and spatiotemporally measured under physiological and pathological conditions. We used this model to readily conduct intravital imaging of ATP dynamics under three different conditions: during exercise, in all organs and cells during myocardial infarction progression and in response to the application of cardiotoxic drugs. These findings provide compelling evidence that the GO-ATeam mouse model is a powerful tool to investigate the multifarious functions of cellular ATP في الجسم الحي with unprecedented spatiotemporal resolution in real-time. This will inform predictions of molecular and morphological responses to perturbations of ATP levels, as well as the elucidation of physiological mechanisms that control ATP homeostasis.

One Sentence Summary Intravital real-time imaging of ATP dynamics in multiple organs using GO-ATeam mice, can be used to quantitatively, sensitively, noninvasively, and spatiotemporally measure systemic ATP levels and provide a platform for preclinical pharmacological studies.


شاهد الفيديو: الميوسين والأكتين. الأحياء. علم الأحياء البشري (يوليو 2022).


تعليقات:

  1. Orbert

    نعم ... قابل للنقاش بما فيه الكفاية ، أود أن أجادل مع المؤلف ...

  2. Mular

    برأيي أنك أخطأت. يمكنني إثبات ذلك. اكتب لي في رئيس الوزراء ، وسوف نتواصل.

  3. Bogohardt

    هذه تبدو فكرة جيدة بالنسبة لي أنا أتفق معك.



اكتب رسالة