Головний акумулятор енергії у живій клітці. Яка речовина є акумулятором енергії у клітці? Основні питання теми
Тест. Молекулярний рівень. 1 варіант. 9 клас.
Який з хімічних елементів міститься в клітинах у найбільшій кількості:
1.азот
2.кисень
3.вуглерок
4.водень
А2.Назвіть хімічний елемент, що входить до складу АТФ, всіх мономерів білків та нуклеїнових кислот.
1) N 2) P 3) S 4) Fe
А3.Вкажіть хімічну сполуку, яка вуглеводом НЕ є.
1)лактоза 2)хітин 3)кератин 4)крохмаль
А4.Як називається структура білка, яка є спіраль з ланцюжка амінокислот, згорнуту в просторі клубком?
А5. У клітинах тварин запасним вуглеводом є:
1.крохмаль
2.целюлоза
3.глюкоза
4.глікоген
А6. Основним джерелом енергії для новонароджених ссавців є:
1.глюкоза
2.крохмаль
3.глікоген
4.лактоза
А7.Что мономером РНК?
1) азотиста основа 2) нуклеотид 3) рибоза 4) урацил
А8.Скільки видів азотистих основ входить до складу молекули РНК?
1)5 2)2 3)3 4)4
А9.Яке азотна підстава ДНК компліментарно цитозину?
1)аденін 2)гуанін 3)урацил 4)тимін
А10. Універсальним біологічним акумулятором енергії є молекули.
1).білків 2).ліпідів 3).ДНК 4).АТФ
А11. У молекулі ДНК кількість нуклеотидів із гуаніном становить 5% від загального числа. Скільки нуклеотидів з тиміном міститься у цій молекулі
1).40% 2).45% 3).90% 4).95%
А12. Яка роль молекул АТФ у клітині?
1-забезпечують транспортну функцію 2-передають спадкову інформацію
3-забезпечують процеси життєдіяльності енергією 4-прискорюють біохімічні
реакції
В 1. Які функції у клітині виконують вуглеводи?
Каталітичну 4) структурну
Енергетичну 5) запасна
6) скоротливу
В 2. Які структурні компоненти належать до складу нуклеотидів молекули ДНК?
Різноманітні кислоти
Ліпопротеїни
Вуглевод дезоксирибозу
Азотна кислота
Фосфорна кислота
У 3. Встановіть відповідність між будовою та функцією органічної речовини та її видом:
БУДОВА ТА ФУНКЦІЇ РЕЧОВИНИ
А. складаються із залишків молекул гліцерину та жирних кислот 1. ліпіди
Б. складаються із залишків молекул амінокислот 2. Білки
В. Беруть участь у терморегуляції
Г. Захищають організм від чужорідних речовин
Д. утворюються з допомогою пептидних зв'язків.
Є. є найбільш енергоємними.
З 1. Розв'яжіть завдання.
У молекулі ДНК знаходиться 1250 нуклеотидів з аденіном (А), що становить 20% від загальної кількості. Визначте, скільки нуклеотидів з тиміном (Т), цитозином (Ц) та гуаніном (Г) міститься окремо в молекулі ДНК. Відповідь поясніть.
Разом: 21 бал
Критерії оцінювання:
19 -21 бал – «5»
13 – 18 балів – «4»
9 – 12 балів – «3»
1 – 8 балів – «2»
Тест. Молекулярний рівень. 2 варіант. 9 клас
А1.На частку чотирьох хімічних елементів припадає 98% всього вмісту клітини. Вкажіть хімічний елемент, що не належить до них.
1) Про 2) Р 3) С 4) N
А2.У дітей розвивається рахіт при нестачі:
1.марганцю та заліза
2.кальція та фосфору
3.міді та цинку
4. сірки та азоту
А3.Назвіть дисахарид.
1)лактоза 2)фруктоза 3)крохмаль 4)глікоген
А4. Як називається структура білка, що є спіралью, яку згорнутий ланцюжок з амінокислот?
1) первинна 2) вторинна 3) третинна 4) четвертинна
А5. У клітинах рослин запасним вуглеводом є:
1.крохмаль
2.целюлоза
3.глюкоза
4.глікоген
А6.Найбільше енергії виділяється при розкладанні 1 грама:
1.жиру
2.білка
3.глюкоза
4.вуглеводів
Що є мономером ДНК?
1) азотиста основа 2) нуклеотид 3) дезоксирибозу 4) урацил
А8.Скільки полінуклеотидних ниток входить до складу однієї молекули ДНК?
1)1 2)2 3)3 4)4
А9.Назвіть хімічну сполуку, яка є в РНК, але відсутня в ДНК.
1)тимін 2)дезоксмірібоза 3)рибоза 4)гуанін
А10. Джерелом енергії клітини є молекули
1).білків 2).ліпідів 3).ДНК 4).АТФ
А11. У молекулі ДНК кількість нуклеотидів із цитозином становить 5% від загального числа. Скільки нуклеотидів з тиміном міститься у цій молекулі
1).40% 2).45% 3).90% 4).95%
А12. Які сполуки входять до складу АТФ?
1-азотиста основа аденін, вуглевод рибоза, 3 молекули фосфорної кислоти
2-азотиста основа гуаніну, цукор фруктоза, залишок фосфорної кислоти.
3-рибоза, гліцерин та будь-яка амінокислота
Частина В (виберіть три вірні відповіді із шести запропонованих)
В 1. Ліпіди виконують функції:
Ферментативну 4) транспортну
Енергетичну 5) запасна
6) передача спадкової інформації
В 2. Які структурні компоненти належать до складу нуклеотидів молекули РНК?
Азотисті основи: А, У, Г, Ц.
Різноманітні кислоти
Азотисті основи: А, Т, Г, Ц.
Вуглевод рибоза
Азотна кислота
Фосфорна кислота
У 3. Встановіть відповідність між особливостями та молекулами, для яких вони характерні.
ОСОБЛИВОСТІ МОЛЕКУЛИ
А) добре розчиняються у воді 1) моносахариди
Б) мають солодкий смак; 2) полісахариди.
В) солодкий смак відсутні
Г) глюкоза, рибоза, фруктоза
Д) у воді нерозчинні
Е) крохмаль, глікоген, хітін.
З 1. У молекулі ДНК знаходиться 1100 нуклеотидів з цитозином (Ц), що становить 20% від їх загального числа. Визначте, скільки нуклеотидів з тиміном (Т), гуаніном (Г), аденіном (А) міститься окремо в молекулі ДНК, поясніть отриманий результат.
Частина А – 1 бал (максимальна кількість 12 балів)
Частина В – 2 бали (максимальна кількість 6 балів)
Частина С – 3 бали (максимальна кількість 3 бали)
Разом: 21 бал
Критерії оцінювання:
19 – 21 бал – «5»
13 – 18 балів – «4»
9 – 12 балів – «3»
1 – 8 балів – «2»
За рахунок енергії світла у фотосинтезуючих клітинах утворюються АТФ та деякі інші молекули, що відіграють роль своєрідних акумуляторів енергії. Збуджений світлом електрон віддає енергію фосфорилування АДФ, у своїй утворюється АТФ. Акумулятором енергії, крім АТФ, є складне органічне з'єднання - нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат, скорочено НАДФ + (так позначають його окислену форму). Ця сполука захоплює збуджені світлом електрони та іон водню (протон) і відновлюється внаслідок цього НАДФН. (Ці скорочення: НАДФ+ та НАДФ-Н – читаються відповідно як НАДЕФ та НАДЕФ-АШ, остання буква тут – символ атома водню.) На рис. 35 показано нікотинамідне кільце, що несе багатий енергією водневий атом та електрони. За рахунок енергії АТФ та за участю НАДФН відбувається відновлення вуглекислого газу до глюкози. Всі ці складні процеси відбуваються в клітинах рослин у спеціалізованих клітинних органелах
Сучасне уявлення про процес окисного фосфорилювання веде свій початок від піонерських робіт Беліцера та Калькара. Калькар встановив, що аеробне фосфорилювання пов'язане з диханням. Беліцер докладно вивчив стехіометричні відносини між сполученим зв'язуванням фосфату і поглинанням кисню і показав, що відношення числа молекул неорганічного фосфату до атомів поглиненого кисню
при диханні одно не менше ніж двом. Він також зазначив, що перепої електронів від субстрату до кисню є можливим джерелом енергії для утворення двох і більше молекул АТФ на один атом поглиненого кисню.
Донором електронів служить молекула НАД Н, і реакція фосфорилювання має вигляд
Коротко цю реакцію записують як
Синтез трьох молекул АТФ реакції (15.11) відбувається за рахунок перенесення двох електронів молекули НАД Н по ланцюгу електронного транспорту до молекули кисню. У цьому енергія кожного електрона знижується на 1,14 эВ.
У водному середовищі за участю спеціальних ферментів відбувається гідроліз молекул АТФ
Структурні формули молекул, що входять у реакції (15.12) та (15.13), наведено на рис. 31.
За фізіологічних умов входять у реакції (15.12) і (15.13) молекули перебувають у різних стадіях іонізації (АТФ, ). Тому хімічні символи у цих формулах слід розуміти як умовний запис реакцій між молекулами, що у різних стадіях іонізації. У зв'язку з йтим збільшення вільної енергії AG реакції (15.12) і її зменшення реакції (15.13) залежить від температури, концентрації іонів і від значення pH середовища. За стандартних умов еВ ккал/моль). Якщо ввести відповідні поправки з урахуванням фізіологічних значень pH та концентрації іонів усередині клітин, а також звичайні значення концентрацій молекул АТФ та АДФ та неорганічного фосфату у цитоплазмі клітин, то для вільної енергії гідролізу молекул АТФ отримаємо значення -0,54 еВ (-12,5 ккал/моль). Вільна енергія гідролізу молекул АТФ не є постійною величиною. Вона може бути неоднаковою навіть у різних місцях однієї клітини, якщо ці місця розрізняються за концентрацією
З часу появи піонерської роботи Ліпмана (1941) відомо, що молекули АТФ у клітині виконують роль універсального короткочасного зберігача та переносника хімічної енергії, що використовується в більшості процесів життєдіяльності.
Виділення енергії у процесі гідролізу молекули АТФ супроводжується перетворенням молекул
При цьому розрив зв'язку, позначеного символом, призводить до відщеплення залишку фосфорної кислоти. На пропозицію Ліпмана такий зв'язок стали називати «фосфатним зв'язком, багатою енергією» або «макроергічним зв'язком». Ця назва вкрай невдала. Воно не відображає енергетики процесів, що відбуваються при гідролізі. Виділення вільної енергії обумовлено не розривом одного зв'язку (такий розрив завжди вимагає витрати енергії), а перебудовою всіх молекул, що беруть участь у реакціях, утворенням нових зв'язків та розбудовою сольватних оболонок при реакції.
При розчиненні молекули NaCl у воді утворюються гідратовані іони. Виграш енергії при гідратації перекриває витрату енергії при розриві зв'язку в молекулі NaCl. Було б дивним приписувати цей виграш енергії високо-ергічності зв'язку в молекулі NaCl.
Як відомо, при розподілі важких атомних ядер виділяється велика енергія, що не пов'язано з розривом будь-яких високо-ергічних зв'язків, а зумовлено перебудовою уламків поділу та зменшенням енергії кулопівського відштовхування між нуклонами в кожному уламку.
Справедлива критика уявлення про «макроергічні зв'язки» висловлювалася неодноразово. Проте це уявлення широко впровадилося у наукову літературу. Великий
Таблиця 8
Структурні формули фосфорильованих сполук: а - фосфоеноліруват; б - 1,3-дифосфогліцерат; в – креатинфосфат; - глюкозо-I-фосфат; - глюкозо-6-фосфат.
біди в цьому немає, якщо вираз «високергічний фосфатний зв'язок» використовувати умовно, як короткий описвсього циклу перетворень, що відбуваються у водному розчині за наявності інших іонів, pH і т. д.
Отже, поняття енергія фосфатного зв'язку, що використовується біохіміками, умовно характеризує різницю між вільною енергією вихідних речовин і вільною енергією продуктів реакцій гідролізу, при яких відщеплюються фосфатні групи. Це поняття не можна плутати із поняттям енергії хімічного зв'язку між двома групами атомів у вільній молекулі. Остання характеризує енергію, необхідну розриву свяеи.
У клітинах міститься ряд фосфорильованих сполук, гідроліз яких у цитоплазмі пов'язаний із виділенням вільної анергії. Значення стандартних вільних енергій гідролізу деяких цих сполук наведені в табл. 8. Структурні формули цих сполук зображені на рис. 31 та 35.
Великі негативні величини стандартних вільних анергій гідролізу обумовлені енергією гідратації негативно заряджених продуктів гідролізу та розбудовою їх електронних оболонок. З табл. 8 слід, що значення стандартної вільної енергії гідролізу молекули АТФ займає проміжне положення між «високоенергетичними» (фосфоенолпіру-нат) та «низькоенергетичними» (глюкозо-6-фосфат) сполуками. Це одна з причин того, що АТФ є зручним універсальним переносником фосфатних груп.
За допомогою спеціальних ферментів молекули АТФ та АДФ здійснюють зв'язок між високо- та низькоенергетичними
фосфатними сполуками. Наприклад, фермент піруваткиназа переносить фосфат з фосфоенолпірувату на АДФ. В результаті реакції утворюється піруват та молекула АТФ. Далі за допомогою ферменту гексокіназу молекула АТФ може передати фосфатну групу D-глюкозі, перетворивши її на глюкозо-6-фосфат. Сумарний продукт цих двох реакцій зведеться до перетворення
Дуже важливо, що реакції цього типу можуть проходити лише через проміжний етап, у якому обов'язково беруть участь молекули АТФ та АДФ.
АТФ – універсальний накопичувач біологічної енергії. Її роль для всього живого була сформульована академіком АМН СРСР В. А. Енгельгардтом у 1940 р. таким чином: «Будь-який клітинний накопичувач енергії утворює АТФ, будь-яка витрата енергії в клітині оплачується АТФ». Це справедливо і для м'язових клітин та клітин мозку, де енергія накопичується додатково.
У китайській традиції існує поняття чотирьох біграм або чотирьох фундаментальних енергій: трансцендентна енергія, енергіяпочатку, про неї ніколи не йдеться в книгах, оскільки вона всюдисуща і без неї нічого б не існувало; ...Молекула АТФ містить три залишки фосфорної кислоти. Зв'язки між ними (у присутності ферменту АТФази) легко розриваються. При відщепленні від однієї молекули АТФ однієї молекули фосфорної кислоти виділяється 40 кДж енергії, тому зв'язку називають макроергічні (несучі велика кількістьенергії).
Перетворення хімічно пов'язаної в АТФ енергії в механічну (необхідну для здійснення м'язового скорочення), електричну, світлову, звукову енергію осмосу та інші її види, що забезпечують синтез пластичних речовин у клітині, зростання, розвиток, можливість передачі спадкових ознак, здійснюється в головці елементарних частинок дихальних ансамблів завдяки присутності у яких, т. е. у тих частинах, де відбувається її синтез. Виділяється при розпаді АТФ енергія безпосередньо перетворюється на біологічну, необхідну синтезу білків, нуклеотидів та інших органічних сполук, якого зростання і розвиток організму неможливі. Запаси енергії в АТФ використовуються для здійснення рухів, генерації електрики, світла, для виконання будь-якої функції клітини та її органел.
Запаси АТФ у клітині обмежені. У м'язових волокнах вони можуть забезпечити енергією лише 30-40 скорочень, а клітинах інших тканин їх ще менше. Для поповнення запасів АТФ повинен постійно відбуватися її синтез – з (АДФ) та неорганічного фосфату, що здійснюється за участю ферменту АТФсинтетази. Тому велике значеннядля управління процесом синтезу АТФ має співвідношення між концентраціями АТФ та АДФ (активністю АТФсинтетази). При нестачі АДФ завдяки наявності АТФази в активному центрі прискорюватиметься гідроліз АТФ, який, як зазначалося, пов'язаний із процесом окисного, залежить від стану переносників водню та кисню.
Чим більше НАД і менше відновленої його форми, чим більше окисленого цитохрому і АДФ, тим швидкість синтезу АТФ вище. Поряд з іншими ферментами і коферментами як основні регулятори роботи дихальних ансамблів виступають на першому етапі перенесення водню від субстрату НАД - НАД на другому - переносник електронів на кисень, цитохроми, і на заключному етапі - співвідношення між АТФ та АДФ.
Практичне заняття №15.
Завдання до заняття №15.
Тема: ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ОБМІН.
Актуальність теми.
Біологічне окислення – сукупність ферментативних процесів, що протікають у кожній клітині, в результаті яких молекули вуглеводів, жирів і амінокислот розщеплюються, в кінцевому рахунку, до вуглекислоти і води, а енергія, що звільняється, запасається клітиною у вигляді аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ) і потім використовується в організмі. біосинтез молекул, процес розподілу клітин, скорочення м'язів, активний транспорт, продукція тепла та ін. Лікар повинен знати про існування гіпоенергетичних станів, за яких знижується синтез АТФ. При цьому страждають усі процеси життєдіяльності, які протікають з використанням енергії, що запасається у вигляді макроергічних зв'язків АТФ. Найбільш поширена причина гіпоенергетичних станів гіпоксія тканин, пов'язана зі зниженням концентрації кисню в повітрі, порушенням роботи серцево-судинної та дихальної систем, анеміями різного походження Крім того, причиною гіпоенергетичних станів можуть бути гіповітамінозипов'язані з порушенням структурного та функціонального стану ферментних систем, що беруть участь у процесі біологічного окислення, а також голодування, що призводить до відсутності субстратів тканинного дихання Крім того, у процесі біологічного окиснення утворюються активні форми кисню, що запускають процеси перекисного окисненняліпідів біологічних мембран Необхідно знати механізми захисту організму від даних форм (ферменти, лікарські засоби, що мають мембраностабілізуючу дію – антиоксиданти).
Навчальні та виховні цілі:
Загальна мета заняття: прищепити знання про протікання біологічного окиснення, в результаті якого утворюється до 70-8-% енергії у вигляді АТФ, а також про утворення активних форм кисню та їх шкідливого впливу на організм.
Приватні цілі: вміти визначати пероксидазу у хроні, картоплі; активність сукцинатдегідрогенази м'язів.
1. Вхідний контроль знань:
1.1. Тести.
1.2. Усне опитування.
2. Основні питання теми:
2.1. Поняття обміну речовин. Анаболічні та катаболічні процеси та їх взаємозв'язок.
2.2. Макроергічні сполуки. АТФ – універсальний акумулятор та джерело енергії в організмі. Цикл АТФ-АДФ. Енергетичний заряд клітини.
2.3. Етапи обміну речовин. Біологічне окиснення (тканинне дихання). Особливості біологічного окиснення.
2.4. Первинні акцептори протонів водню та електронів.
2.5. Організація дихального ланцюга. Переносники в дихальному ланцюзі (ЦПЕ).
2.6. Окисне фосфорилювання АДФ. Механізм сполучення окислення та фосфорилювання. Коефіцієнт окисного фосфорилювання (Р/О).
2.7. Дихальний контроль. Роз'єднання дихання (окислення) та фосфорилювання (вільне окислення).
2.8. Утворення токсичних форм кисню в ЦПЕ та знешкодження перекису водню ферментом пероксидазою.
Лабораторно-практичні роботи.
3.1. Методика визначення пероксидази у хроні.
3.2. Методика визначення пероксидази у картоплі.
3.3. Визначення активності сукцинатдегідрогенази м'язів та конкурентне гальмування її активності.
Вихідний контроль.
4.1. Тести.
4.2. Ситуаційні задачі.
5. Література:
5.1. Матеріали лекцій.
5.2. Миколаїв А.Я. Біологічна хімія.-М: Вища школа, 1989., З 199-212, 223-228.
5.3. Березов Т.Т., Коровкін Б.Ф. Біологічна хімія. - М: Медицина, 1990.С.224-225.
5.4. Кушманова О.Д., Івченко Г.М. Керівництво до практичних занять з біохімії. - М: Медицина, 1983, раб. 38.
2. Основні питання теми.
2.1. Поняття обміну речовин. Анаболічні та катаболічні процеси та їх взаємозв'язок.
Живі організми перебувають у постійному та нерозривному зв'язку з навколишнім середовищем.
Цей зв'язок здійснюється у процесі обміну речовин.
Обмін речовин (метаболізм) – сукупність всіх реакцій у організмі.
Проміжний обмін (внутрішньоклітинний метаболізм) – включає 2 типи реакцій: катаболізм та анаболізм.
Катаболізм– процес розщеплення органічних речовин до кінцевих продуктів (СО2, Н2О та сечовини). У цей процес включаються метаболіти, що утворюються як при травленні, і при розпаді структурно-функціональних компонентів клітин.
Процеси катаболізму в клітинах організму супроводжуються споживанням кисню, який необхідний реакцій окислення. Внаслідок реакцій катаболізму відбувається виділення енергії (екзергонічні реакції), яка необхідна організму для його життєдіяльності.
Анаболізм– синтез складних речовин із простих. В анаболічних процесах використовується енергія, що звільняється за катаболізму (ендергонічні реакції).
Джерелами енергії для організму є білки, жири та вуглеводи. Енергія, укладена у хімічних зв'язках цих сполук, у процесі фотосинтезу трансформувалася із сонячної енергії.
Макроергічні сполуки. АТФ – універсальний акумулятор та джерело енергії в організмі. Цикл АТФ-АДФ. Енергетичний заряд клітини.
АТФ– є макроергічною сполукою, що містить макроергічні зв'язки; при гідролізі кінцевого фосфатного зв'язку виділяється близько 20 кДж/моль енергії.
До макроергічних сполук відносяться ГТФ, ЦТФ, УТФ, креатинфосфат, карбамоілфосфат та ін. Вони використовуються в організмі для синтезу АТФ. Наприклад, ГТФ + АДФ à ГДФ + АТФ
Цей процес називається субстратне фосфорилювання- Екзоргонічні реакції. У свою чергу, всі ці макроергічні сполуки утворюються при використанні вільної енергії кінцевої фосфатної групи АТФ. Нарешті, енергія АТФ використовується для виконання різних видів робіт в організмі:
механічної (м'язове скорочення);
електричної (проведення нервового імпульсу);
хімічної (синтез речовин);
Осмотичні (активний транспорт речовин через мембрану) – ендергонічні реакції.
Таким чином, АТФ - головний, що безпосередньо використовується донор енергії в організмі. АТФ займає центральне місце між ендергонічними та екзергонічними реакціями.
В організмі людини утворюється кількість АТФ, що дорівнює масі тіла, і за кожні 24 години вся ця енергія руйнується. 1 молекула АТФ «живе» у клітці близько хвилини.
Використання АТФ як джерела енергії можливе лише за умови безперервного синтезу АТФ із АДФ за рахунок енергії окиснення органічних сполук. Цикл АТФ-АДФ – основний механізм обміну енергії у біологічних системах, а АТФ – універсальна «енергетична валюта».
Кожна клітина має електричний заряд, який дорівнює
[АТФ] + ½[АДФ]
[АТФ] + [АДФ] + [АМФ]
Якщо заряд клітини дорівнює 0,8-0,9, то клітині весь адениловый фонд представлений як АТФ (клітина насичена енергією і процес синтезу АТФ немає).
У міру використання енергії АТФ перетворюється на АДФ, заряд клітини стає рівним 0, автоматично починається синтез АТФ.
