АТФ и другие органические соединения клетки

АТФ и другие органические соединения клетки

В любой клетке, кроме белков, жиров, полисахаридов и нуклеиновых кислот, насчитывается несколько тысяч других органических соединений. Их можно условно разделить на конечные и промежуточные продукты биосинтеза и распада.

Конечными продуктами биосинтеза называют органические соединения, которые играют самостоятельную роль в организме или служат мономерами для синтеза биополимеров, например, аминокислоты, нуклеотиды, глюкоза.

Путь к синтезу каждого из конечных продуктов лежит через ряд промежуточных соединений.

Особо важную роль в биоэнергетике клетки играет адениловый нуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Это вещество называют аденозинтрифосфорной кислотой (АТФ), или аденозинтрифосфатом.  АТФ содержится в цитоплазме, митохондриях, пластидах и ядрах клеток.

АТФ - неустойчивая структура. В химических связях между остатками фосфорной кислоты молекулы АТФ запасена энергия (Е), которая освобождается при отщеплении фосфата:

АТФ → АДФ + Ф +Е

При этом выделяется до 40 кДж энергии. В этой реакции образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и фосфорная кислота (фосфат, Ф).

При отщеплении второго фосфата АДФ переходит в аденозинмонофосфорную кислоту (АМФ), и выделяется ещё около 40 кДж энергии.

АДФ → АМФ + Ф +Е

Из-за большого количества заключённой энергии связи между 2 и 3 остатками фосфорной кислоты называют макроэргическими. Связь между рибозой и первым фосфатом не является макроэргической. При её расщеплении выделяется всего 14 кДж энергии.

Энергию АТФ все клетки используют для процессов жизнедеятельности: биосинтеза белка, движения, производства тепла и электричества (например, у электрических скатов), передачи нервных импульсов, свечений (например, у люминесцентных бактерий). Таким образом, молекула АТФ является универсальным биологическим аккумулятором энергии. Световая энергия Солнца и энергия, заключённая в потребляемой пище, запасаются в молекулах АТФ.

Молекула АТФ была открыта в 1929 году группой учёных Гарвардской медицинской школы — Карлом ЛОманом, Сайрусом ФискЕ и Йеллапрагадой СуббАрао, а в 1941 году Фриц ЛИпман показал, что АТФ является основным переносчиком энергии в клетке.

Конечными продуктами биосинтеза являются регуляторные и сигнальные вещества. К их числу относятся многие гормоны животных и растений.

Гормоны тревоги или стресса (например, адреналин) в условиях напряжения усиливают выход глюкозы в кровь, что в конечном счете приводит к увеличению синтеза АТФ и активному использованию энергии, запасенной организмом.

Насекомые производят ряд особых пахучих веществ, которые играют роль сигналов, сообщающих о нахождении пищи, об опасности, привлекающих самок к самцам или отпугивающих врагов.

Под действием некоторых гормонов значительно ускоряется созревание растений, увеличивается их урожайность.

К конечным продуктам биосинтеза принадлежат витамины – биологически активные вещества, синтезирующиеся в организме или поступающие с пищей, которые в малых количествах необходимы для нормального обмена веществ и жизнедеятельности организма.    Витамины делят на жирорастворимые (A, D, Е и др.) и водорастворимые (С, РР, витамины груп­пы В). Например, витамин С (аскорбиновая кислота) синтезируется в клетках большинства животных, а также в клетках растений и микроорганизмов. Клетки человека, человекообразных обезьян, морских свинок, некоторых видов летучих мышей утратили способность синтезировать аскорбиновую кислоту. Поэтому она является витамином только для человека и перечисленных животных. Витамин РР (никотиновую кислоту) животные не способны синтезировать, но его синтезируют все растения и многие бактерии.

Большинство известных витаминов в клетке становятся составными частями ферментов и участвуют в биохимических реакциях. Суточная потребность человека в каждом витамине составляет несколько микрограммов.

Недостаток ряда витаминов в организме человека и животных ведет к нарушению работы ферментов и является причиной тяжелых заболеваний — авитаминозов. Например, недостаток витамина С является причиной тяжелого заболевания — цинги, при недостатке витамина D у детей развивается рахит. Избыток некоторых витаминов может привести к серьезным болезням и стать причиной отравления. Нарушения работы организма, вызванные избыточным количеством витаминов, называют гипервитаминозом.

Ко второй половине 19 века было выяснено, что пищевая ценность продуктов питания определяется содержанием в них в основном следующих веществ: белков, жиров, углеводов, минеральных солей и воды. Однако практика далеко не всегда подтверждала правильность укоренившихся представлений о биологической полноценности пищи. Клинические наблюдения медиков указывали на существование ряда специфических заболеваний, непосредственно связанных с дефектами питания, хотя последнее полностью отвечало указанным выше требованиям. Об этом свидетельствовал также многовековой практический опыт участников длительных путешествий. Так, из 160 участников известной экспедиции Васко да Гама, прокладывавшей морской путь в Индию,100 человек погибли от цинги.

Однако было замечено, что возникновение цинги может быть предотвращено, а цинготные больные могут быть вылечены, если в рацион их питания вводить некоторое количество лимонного сока или отвара хвои. Таким образом, ученые того времени установили, что цинга и некоторые другие болезни связаны с неправильным питанием, что даже самая обильная пища сама по себе еще далеко не всегда защищает от подобных заболеваний и что для предупреждения и лечения таких заболеваний необходимо вводить в организм какие-то дополнительные вещества, которые содержатся не во всякой пище.

О существовании витаминов стало известно благодаря исследованиям Николая Ивановича ЛУнина, изучавшего роль минеральных веществ в питании.

В 1880 году он защитил докторскую диссертацию «О значении неорганических солей в питании животных», в которой показал, что, кроме белков, жиров, углеводов, солей и воды, для нормального развития и жизни животных необходимы ещё особые, неизвестные в то время вещества, названные позднее витаминами. Н.И. Лунин проводил свои опыты на мышах, содержавшихся на искусственно приготовленной пище. Эта пища состояла из смеси очищенного казеина (белок молока), жира молока, молочного сахара, солей, входящих в состав молока и воды. Казалось, мыши получали все необходимые составные части молока, однако, они не росли, теряли в весе, переставали поедать даваемый им корм и погибали. В то же время контрольная партия мышей, получившая натуральное молоко, развивалась нормально. На основании этого эксперимента Н.И. Лунин в 1880 г. пришел к следующему заключению:"...если, как вышеупомянутые опыты учат, невозможно обеспечить жизнь белками, жирами, сахаром, солями и водой, то из этого следует, что в молоке, помимо казеина, жира, молочного сахара и солей, содержатся еще другие вещества, незаменимые для питания. Представляет большой интерес исследовать эти вещества и изучить их значение для питания".

Это важное научное открытие опровергало установившееся положения в науке о питании.

Блестящим подтверждением правильности вывода Н.И.Лунина явилось установление причины болезни бери-бери (ударение на е), которая была широко распространена в Японии и Индонезии среди населения, питавшегося главным образом полированным рисом.

Врач Христиан Эйкман, работавший в тюремном госпитале на острове Ява, в 1896 году подметил, что куры, содержавшиеся во дворе госпиталя и питавшиеся обычным полированным рисом, страдали заболеванием, напоминающим бери-бери. После перевода кур на питание неочищенным рисом болезнь проходила. Аналогичные результаты Эйкман получил при наблюдении за заключёнными.

Выяснилось, что в оболочке риса (рисовых отрубях) содержится неизвестное вещество, предохраняющее от заболевания бери-бери.

В 1911 году польский ученый Казимир Функ выделил это вещество в кристаллическом виде (как выяснилось позднее, это была смесь витаминов); оно было довольно устойчивым по отношению к кислотам и выдерживало кипячение с 20%-ным раствором серной кислоты. В щелочных растворах активное начало, напротив, очень быстро разрушалось. По своим химическим свойствам это вещество принадлежало к органическим соединениям и содержало аминогруппу, поэтому Функ  в 1912 году предложил назвать весь этот класс веществ витаминами (от лат.vita-жизнь). Впоследствии оказалось, что многие вещества этого класса не содержат аминогруппы. Тем не менее термин "витамины" настолько прочно вошел в обиход, что менять его не имело уже смысла.

В настоящее время известно около 20 различных витаминов. Установлена их химическая структура; это дало возможность организовать промышленное производство витаминов не только путём переработки продуктов, в которых они содержаться в готовом виде, но и искусственно, путём их химического синтеза.