АТФ и энергетика клетки: строение, синтез и расход энергии

В 1929 году в двух лабораториях, разделённых океаном, почти одновременно было найдено одно и то же вещество. В Гейдельберге молодой немецкий биохимик Карл Ломан, работавший у О. Мейергофа, выделил его из мышц лягушки. В Гарвардском университете американец Сайрус Фиске и его индийский сотрудник Иеллапрагада Суббарао, изучая фосфорные соединения мышц, получили его же из мышц и печени [1]. Вещество содержало аденин, рибозу и три остатка фосфорной кислоты и получило название аденозинтрифосфорной кислоты — АТФ. Тогда никто не подозревал, что найдена главная «энергетическая валюта» всего живого: молекула, которую сегодня обнаруживают в каждой клетке каждого организма на Земле.

Это вторая статья серии об обмене веществ и энергии в клетке. Начало серии — обзор «Обмен веществ клетки». Здесь подробно разобрано, как устроена АТФ, почему при её расщеплении выделяется энергия, как клетка синтезирует АТФ и на что её тратит, а также какие ещё молекулы-переносчики работают в энергетике клетки.

• 1. Зачем клетке энергия
• 2. Откуда клетка получает энергию
• 3. Строение АТФ
• 4. История открытия: от мышцы лягушки до мотора
• 5. Почему при гидролизе АТФ выделяется энергия
• 6. Энергия Гиббса: какие реакции идут сами
• 7. Сопряжение: как АТФ заставляет идти невыгодные реакции
• 8. Цикл АТФ — АДФ
• 9. Три способа синтезировать АТФ
• 10. АТФ в клетке растения
• 11. АТФ-синтаза — самый маленький мотор в мире
• 12. На что клетка тратит АТФ
• 13. Самый прожорливый орган: энергетика мозга
• 14. АТФ и теплота: почему мы тёплые
• 15. АТФ и работа мышц
• 16. Креатинфосфат и энергетические системы мышц
• 17. Не только АТФ: другие нуклеозидтрифосфаты
• 18. НАД и НАДФ — переносчики электронов
• 19. ФАД, кофермент А и витамины
• 20. Энергия градиентов: протонный «аккумулятор»
• 21. Как АТФ заставляет светиться светлячков
• 22. АТФ вне клетки — сигнал тревоги
• 23. Как клетка следит за своим энергетическим состоянием
• 24. Яды энергетики: цианид и динитрофенол
• 25. Энергетика клетки в цифрах
• 26. Почему именно АТФ
• 27. Частые ошибки
• 28. Интересные факты
• 29. Частые вопросы
• 30. ЕГЭ
• 31. Для олимпиад
• 32. Задания с разбором
• Литература

1. Зачем клетке энергия

Живая клетка непрерывно совершает работу. Её можно разделить на несколько видов.

• Химическая работа — синтез сложных веществ из простых: белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов. Эти реакции сами по себе не идут: для них нужен приток энергии.
• Транспортная работа — перенос веществ через мембраны против градиента концентрации: насосы откачивают натрий из клетки, закачивают калий, накачивают кальций в саркоплазматическую сеть, протоны в лизосомы.
• Механическая работа — сокращение мышц, биение ресничек и жгутиков, движение хромосом при делении, перевозка пузырьков по микротрубочкам.
• Электрическая работа — создание разности потенциалов на мембране, без которой не было бы нервных импульсов. Электрический угорь, у которого тысячи клеток электрического органа соединены последовательно, создаёт разряд в сотни вольт.
• Световая и тепловая энергия — свечение светлячков и глубоководных рыб, выработка теплоты у теплокровных.

Любая работа требует затрат энергии. Клетка получает энергию из внешних источников — света или химических веществ — и превращает её в такую форму, которую можно использовать для всех видов работы. Эта универсальная форма — энергия, выделяющаяся при гидролизе АТФ [2].

2. Откуда клетка получает энергию

Первичных источников энергии для жизни на Земле всего два.

1. Свет. Фототрофы — растения, водоросли, цианобактерии, пурпурные и зелёные бактерии — улавливают энергию солнечного света пигментами и превращают её в энергию АТФ и восстановленных переносчиков, а затем — в энергию органических веществ.
2. Окисление химических веществ. Хемотрофы получают энергию, окисляя вещества: органические (так делают все животные, грибы, большинство бактерий) или неорганические (хемосинтезирующие бактерии окисляют аммиак, сероводород, железо, водород).

Энергия, выделяющаяся при окислении органических веществ, тоже в конечном счёте солнечная: эти вещества были когда-то синтезированы фотосинтезирующими организмами. Когда мы съедаем хлеб, наши клетки получают энергию света, уловленную листьями пшеницы прошлым летом. Единственное исключение — экосистемы хемосинтеза, где энергия поступает из окисления веществ, выносимых из недр Земли.

Но ни свет, ни глюкоза не могут напрямую заставить мышцу сократиться или насос перекачать ион. Сначала их энергия превращается в энергию АТФ, и лишь потом АТФ отдаёт её тем процессам, которые совершают работу.

3. Строение АТФ

АТФ (аденозинтрифосфат, аденозинтрифосфорная кислота) — нуклеотид. Как и нуклеотиды РНК, он состоит из трёх частей:

• азотистого основания аденина — двойного гетероциклического кольца, содержащего атомы азота;
• рибозы — пятиуглеродного сахара (пентозы);
• трёх остатков фосфорной кислоты, соединённых друг с другом последовательно.

Аденин, соединённый с рибозой, называют аденозином. Если к аденозину присоединён один остаток фосфорной кислоты, получается аденозинмонофосфат — АМФ; два — аденозиндифосфат, АДФ; три — аденозинтрифосфат, АТФ. АМФ — это тот же нуклеотид, который входит в состав РНК; при синтезе РНК АТФ присоединяется к растущей цепи, отщепляя два концевых фосфата.

Остатки фосфорной кислоты в АТФ соединены между собой фосфоангидридными связями (такие же связи в неорганической химии соединяют молекулы фосфорной кислоты в пирофосфорной). Первый фосфат присоединён к рибозе сложноэфирной связью. При физиологических значениях pH фосфатные группы почти полностью ионизированы: молекула АТФ несёт четыре отрицательных заряда, сосредоточенных на маленьком участке, и в клетке связана с ионом магния. Именно комплекс Mg²⁺·АТФ — настоящий субстрат большинства ферментов, использующих АТФ.

Таким образом, АТФ — родственница нуклеиновых кислот. Это не случайность: многие биологи считают, что АТФ досталась нам от древнейших организмов «мира РНК», где нуклеотиды служили и носителями информации, и катализаторами, и источником энергии.

4. История открытия: от мышцы лягушки до мотора

После открытия 1929 года прошло ещё больше десяти лет, прежде чем стала ясна роль АТФ. Строение молекулы окончательно установили в 1935 году, а синтезировал её химическим путём английский химик Александр Тодд только в 1948 году, за что, вместе с работами по синтезу других нуклеотидов, получил Нобелевскую премию 1957 года.

Важнейшие шаги сделали советские биохимики. В 1930 году Владимир Энгельгардт, работавший тогда в Казани, обнаружил, что в ядерных эритроцитах птиц дыхание сопровождается образованием органических фосфатов, а если дыхание подавить, их содержание падает. Это было первое указание на то, что энергия клеточного дыхания запасается в форме фосфорных соединений, — то, что позже назвали окислительным фосфорилированием. В 1939 году Энгельгардт и его жена и сотрудница Милица Любимова, уже в Москве, показали, что миозин — главный белок мышечных волокон — сам расщепляет АТФ, то есть является ферментом [3]. Это открытие связало химию мышцы с её механической работой: сокращение оказалось прямым превращением энергии гидролиза АТФ в движение.

В 1941 году американский биохимик немецкого происхождения Фриц Липман обобщил эти данные в знаменитой статье об «энергии фосфатных связей» [4]. Он ввёл понятие «богатых энергией» (макроэргических) фосфатных соединений и предложил обозначать такие связи волнистой чертой «~». Липман первым ясно сформулировал идею, что АТФ — универсальный посредник между процессами, дающими энергию, и процессами, её потребляющими. В 1953 году он получил Нобелевскую премию — за открытие кофермента А.

5. Почему при гидролизе АТФ выделяется энергия

Реакция, на которой основана вся энергетика клетки, — гидролиз АТФ:

АТФ + H₂O → АДФ + Ф_н (+ энергия)

Здесь Ф_н — неорганический фосфат (остаток фосфорной кислоты). В стандартных биохимических условиях (концентрации всех веществ по 1 моль/л, pH 7) при гидролизе одного моля АТФ выделяется около 30,5 кДж энергии. В живой клетке концентрация АТФ намного выше, чем АДФ и фосфата, и поэтому реакция ещё выгоднее: выделяется 50–60 кДж/моль. При отщеплении второго фосфата (АДФ → АМФ + Ф_н) выделяется примерно столько же, а при отщеплении последнего фосфата от АМФ — почти вдвое меньше [5].

В школьных учебниках связи между фосфатами называют макроэргическими — «богатыми энергией». Этот термин удобен, но легко понять его неправильно. Энергия не «сидит» в связи и не «вырывается» при её разрыве: разрыв любой химической связи требует затраты энергии. Энергия выделяется потому, что продукты гидролиза — АДФ и фосфат — гораздо устойчивее, чем исходные АТФ и вода. Причин три:

1. Отталкивание зарядов. Четыре отрицательных заряда на трёх соседних фосфатах сильно отталкиваются. После гидролиза заряды разносятся по двум отдельным молекулам, и напряжение снимается.
2. Резонансная стабилизация. В свободном фосфат-ионе отрицательный заряд и двойная связь распределены между четырьмя атомами кислорода, что делает его особенно устойчивым.
3. Взаимодействие с водой. АДФ и фосфат лучше окружены молекулами воды (гидратированы), чем АТФ.

Поэтому правильнее говорить: АТФ — вещество с высоким потенциалом переноса фосфатной группы, она легко отдаёт фосфат другим молекулам или воде, и при этом выделяется много энергии [2].

6. Энергия Гиббса: какие реакции идут сами

Чтобы понять, как работает АТФ, нужно одно понятие из химической термодинамики. Каждая химическая реакция сопровождается изменением особой величины — свободной энергии, или энергии Гиббса (её обозначают G, по имени американского физика Дж. У. Гиббса). Реакция может идти самопроизвольно, только если энергия Гиббса уменьшается, то есть ΔG < 0. Такие реакции называют экзергоническими (от греческого exo — наружу, ergon — работа): они могут отдавать энергию на совершение работы. Реакции с ΔG > 0 — эндергонические — сами не идут: им нужен приток энергии.

Энергия Гиббса учитывает два фактора: изменение энергии химических связей (теплоту реакции) и изменение упорядоченности (энтропии). Расщепление большой молекулы на маленькие выгодно по обоим: обычно выделяется теплота, а беспорядок растёт. Поэтому реакции диссимиляции, как правило, экзергонические. Синтез сложной упорядоченной молекулы из простых — наоборот: требует энергии и уменьшает беспорядок. Реакции ассимиляции эндергонические.

Обратите внимание: отрицательное ΔG говорит лишь о том, что реакция может идти, но не о том, как быстро. Глюкоза на воздухе не сгорает годами, хотя её окисление очень выгодно: молекулам нужно преодолеть энергетический барьер — энергию активации. Снижают этот барьер ферменты, о которых пойдёт речь в следующей статье серии — «Ферменты».

7. Сопряжение: как АТФ заставляет идти невыгодные реакции

Если реакция синтеза эндергоническая, клетка не может просто «добавить» к ней энергию, как добавляют теплоту при нагревании. Энергия гидролиза АТФ, выделившаяся в растворе, просто рассеялась бы в виде теплоты. Клетка поступает хитрее: она сопрягает две реакции так, что они идут через общее промежуточное вещество. Чаще всего АТФ не просто гидролизуется, а передаёт свой концевой фосфат на одно из исходных веществ, превращая его в более активное соединение.

Классический пример — синтез аминокислоты глутамина из глутаминовой кислоты и аммиака. Сама по себе эта реакция невыгодна (ΔG°′ ≈ +14 кДж/моль). Фермент глутаминсинтетаза проводит её в два этапа:

1. глутаминовая кислота + АТФ → глутамилфосфат + АДФ (фосфат переносится на глутаминовую кислоту, и она становится «активированной»);
2. глутамилфосфат + аммиак → глутамин + Ф_н.

Суммарно: глутаминовая кислота + аммиак + АТФ → глутамин + АДФ + Ф_н. ΔG°′ суммарной реакции равно сумме: +14 + (−30,5) ≈ −16 кДж/моль, то есть реакция стала выгодной [2]. Так же устроены сотни других реакций синтеза: глюкоза перед вовлечением в обмен фосфорилируется до глюкозо-6-фосфата, аминокислоты перед синтезом белка присоединяются к тРНК с затратой АТФ, жирные кислоты активируются присоединением к коферменту А.

Сопряжение работает и в механических процессах. Головка миозина, связав АТФ, меняет форму и «взводится», как пружина; гидролиз АТФ и уход фосфата заставляют её повернуться и сдвинуть актиновую нить. Натрий-калиевый насос фосфорилируется концевым фосфатом АТФ, меняет форму и выталкивает ионы натрия наружу. В обоих случаях энергия АТФ не выделяется «в воздух», а сразу превращается в изменение формы белка.

8. Цикл АТФ — АДФ

АТФ работает как перезаряжаемый аккумулятор. Процессы диссимиляции — гликолиз, клеточное дыхание, брожение, а у растений и фотосинтез — «заряжают» его, присоединяя фосфат к АДФ. Процессы, требующие энергии, «разряжают», отщепляя фосфат. Синтез АТФ из АДФ и фосфата называют фосфорилированием.

АДФ + Ф_н + энергия → АТФ + H₂O

Запас АТФ в клетке невелик. В мышце его хватает лишь на 2–3 секунды интенсивной работы, во всём теле человека в каждый момент лишь десятки граммов АТФ. Зато цикл крутится очень быстро: каждая молекула АТФ за сутки «перезаряжается» больше тысячи раз, и за сутки человек синтезирует и расходует количество АТФ, сравнимое с массой собственного тела, — несколько десятков килограммов. При тяжёлой работе расход может вырасти в несколько раз [2].

Почему клетка не создаёт большого запаса АТФ? Во-первых, высокая концентрация АТФ и её продуктов нарушала бы работу многих ферментов. Во-вторых, для долговременного хранения энергии есть гораздо более выгодные вещества: жиры дают на грамм в сотни раз больше пригодной энергии, чем АТФ, ведь молярная масса АТФ — около 507 г/моль, а при гидролизе выделяется лишь около 50 кДж/моль. АТФ — не склад, а кошелёк с мелочью, который постоянно пополняется из «банка» жиров и углеводов.

9. Три способа синтезировать АТФ

Клетки используют три принципиально разных способа синтеза АТФ.

1. Субстратное фосфорилирование. Фосфатная группа переносится на АДФ напрямую с органического вещества, у которого потенциал переноса фосфата ещё выше, чем у АТФ. Так образуются 4 молекулы АТФ в ходе гликолиза (из них 2 тратятся в начале процесса) и одна молекула ГТФ (у растений — АТФ) в каждом обороте цикла Кребса. Это самый древний способ: он работает без мембран и без кислорода и обеспечивает энергией брожение.
2. Окислительное фосфорилирование. Энергия окисления органических веществ, переданная по дыхательной цепи на кислород, используется для перекачки протонов через внутреннюю мембрану митохондрий. Протоны возвращаются обратно через фермент АТФ-синтазу, и энергия этого потока идёт на синтез АТФ. Так образуется подавляющая часть АТФ у аэробных организмов.
3. Фотофосфорилирование. В световой фазе фотосинтеза энергия света используется для перекачки протонов в полость тилакоидов хлоропласта, и та же АТФ-синтаза синтезирует АТФ за счёт обратного потока протонов.

Второй и третий способы устроены одинаково: и в митохондриях, и в хлоропластах сначала создаётся разность концентраций протонов на мембране, а затем эта разность «разряжается» через АТФ-синтазу. Механизм, который их объединяет, предложил в 1961 году английский биохимик Питер Митчелл [6]. Его хемиосмотическая теория долго встречала сопротивление: учёные искали «богатое энергией промежуточное вещество», через которое дыхание связано с синтезом АТФ, и не верили, что посредником может быть просто градиент протонов. Митчелл ставил опыты в собственной небольшой лаборатории в старинном доме в графстве Корнуолл, и в 1978 году получил за свою теорию Нобелевскую премию.

10. АТФ в клетке растения

У растительной клетки два «генератора» АТФ: хлоропласты и митохондрии. Хлоропласты на свету синтезируют много АТФ и НАДФ·Н, но почти всё это расходуют сами — на синтез углеводов в цикле Кальвина. Из хлоропласта наружу выходят в основном сахара, а не АТФ. Поэтому для синтеза белков, транспорта веществ, деления клеток растение использует АТФ, синтезированную митохондриями при дыхании, — и днём, и ночью.

Растениям, как и животным, нужно много АТФ для транспорта. Только вместо натрий-калиевого насоса в плазматической мембране растений и грибов работает протонный насос: он откачивает из клетки протоны, создавая на мембране разность потенциалов и концентраций, а затем за счёт энергии возвращающихся протонов клетка закачивает ионы калия, нитраты, сахара. Протонный насос мембраны вакуоли подкисляет клеточный сок. Именно на энергии протонных градиентов держится поглощение минеральных веществ корнем и загрузка сахаров во флоэму.

Некоторые растения тратят АТФ на быстрые движения: листья мимозы стыдливой складываются за секунды после прикосновения, потому что клетки у основания черешка быстро теряют ионы и воду, а восстановление тургора идёт за счёт работы протонных насосов. Венерина мухоловка захлопывает ловушку за десятую долю секунды, а затем расходует АТФ на синтез пищеварительных ферментов и всасывание продуктов переваривания добычи.

11. АТФ-синтаза — самый маленький мотор в мире

АТФ-синтаза — один из самых удивительных белков. Она состоит из двух частей. Мембранная часть (F_o) образует канал для протонов и кольцо из субъединиц, которое вращается, когда протоны проходят через мембрану. Выступающая в матрикс головка (F₁) состоит из трёх пар субъединиц, в которых синтезируется АТФ. Внутри головки проходит изогнутый «вал», соединённый с вращающимся кольцом. Поворачиваясь, вал по очереди деформирует три каталитических участка головки: в одном АДФ и фосфат связываются, в другом соединяются в АТФ, третий выпускает готовую АТФ. За один полный оборот синтезируются три молекулы АТФ.

Эту модель «вращательного катализа» предложил американский биохимик Пол Бойер [7], а строение головки расшифровал в 1994 году англичанин Джон Уокер. Решающее доказательство получили в 1997 году японские исследователи Х. Ноджи, М. Ёсида, К. Киносита и их коллеги. Они закрепили головку F₁ на стекле, а к её валу прикрепили флуоресцентно меченную нить актина, во много раз длиннее самого фермента. Когда в раствор добавили АТФ, фермент начал работать «в обратную сторону» — расщеплять АТФ, — и под микроскопом было видно, как нить вращается, словно стрелка [8]; позже удалось разглядеть, что вращение идёт шагами по 120°. В том же 1997 году Бойер и Уокер получили Нобелевскую премию по химии; третьим лауреатом стал датчанин Йенс Скоу, открывший в 1957 году натрий-калиевый насос — главного потребителя АТФ в клетках животных.

В живой митохондрии ротор АТФ-синтазы совершает до сотни и более оборотов в секунду. Каждая митохондрия содержит тысячи таких моторов на кристах, а их общее число в теле человека исчисляется миллиардами миллиардов.

12. На что клетка тратит АТФ

Распределение затрат энергии хорошо изучено для клеток млекопитающих. В покое в организме человека основные статьи расхода такие [9]:

При физической работе структура расхода резко меняется: на сокращение скелетных мышц и обратную перекачку кальция может уходить больше 90 % всей АТФ организма.

Помимо энергетической функции, у АТФ есть и другие роли. Она служит предшественником при синтезе РНК (из неё образуются адениловые нуклеотиды) и коферментов (НАД, ФАД, кофермент А содержат остаток АМФ). Из АТФ синтезируется циклический АМФ — посредник действия многих гормонов. Отщепляя фосфат от АТФ, ферменты-киназы присоединяют его к другим белкам, включая и выключая их: на этом построена большая часть сигнальных систем клетки.

13. Самый прожорливый орган: энергетика мозга

Мозг человека составляет около 2 % массы тела, но расходует около 20 % всей энергии основного обмена. Большая часть этой энергии уходит не на «мышление» как таковое, а на работу натрий-калиевых насосов: каждый нервный импульс сопровождается входом в клетку ионов натрия и выходом ионов калия, и насосы должны вернуть их на место, расходуя АТФ. Значительная часть энергии тратится и на работу синапсов — упаковку медиаторов в пузырьки и их обратный захват.

У нейронов почти нет запасов энергии: гликогена в мозге мало, жиры нейроны для получения энергии почти не используют. Поэтому мозг полностью зависит от непрерывного поступления глюкозы и кислорода с кровью. Если кровоток прекращается, запасы АТФ в нейронах истощаются за несколько минут: насосы останавливаются, ионы натрия и кальция заполняют клетки, нейроны набухают и гибнут. Именно поэтому остановка сердца на 4–6 минут при комнатной температуре приводит к необратимому повреждению мозга, а при инсульте врачи стремятся восстановить кровоток в первые часы. При охлаждении тела обмен веществ замедляется, и мозг может пережить остановку кровотока гораздо дольше — это используют при операциях на сердце.

При длительном голодании, когда глюкозы не хватает, печень начинает синтезировать из жирных кислот кетоновые тела, и мозг постепенно переходит на их окисление, сохраняя белки мышц от расщепления.

14. АТФ и теплота: почему мы тёплые

Ни один процесс превращения энергии не идёт без потерь. При полном окислении глюкозы в клетке выделяется около 2870 кДж/моль, а в 38 молекулах АТФ (по школьной оценке) запасается 38 · 40 = 1520 кДж, то есть около половины; по современным данным — около 30–35 % в стандартных условиях и больше с учётом реальных концентраций. Остальная энергия сразу выделяется в виде теплоты. Затем, когда АТФ расходуется на работу, снова часть энергии превращается в теплоту. В конечном счёте почти вся энергия пищи, которую потребляет организм в покое, превращается в теплоту.

Для теплокровных животных эта «неэффективность» — не недостаток, а основа их образа жизни: теплота, выделяемая при обмене веществ, поддерживает постоянную температуру тела. Взрослый человек в покое выделяет около 80–100 Вт теплоты — столько же, сколько яркая лампа накаливания. В комнате, где собралось сто человек, работает «обогреватель» мощностью около 10 кВт, и поэтому в переполненных залах становится жарко.

У животных, которым нужно быстро согреться, есть специальные механизмы, усиливающие теплопродукцию: мышечная дрожь, бурый жир с разобщающим белком термогенином, а у меч-рыбы и марлинов — особые «нагреватели» из видоизменённых глазных мышц, согревающие глаза и мозг при охоте на холодной глубине. Тунцы удерживают теплоту работающих мышц с помощью теплообменника из тесно переплетённых артерий и вен.

15. АТФ и работа мышц

Мышечное сокращение — самый наглядный пример превращения химической энергии в механическую. В мышечном волокне нити актина и миозина лежат параллельно, частично перекрываясь. Головки миозина, как вёсла, цепляются за актин, поворачиваются и отцепляются, и нити скользят друг относительно друга, укорачивая саркомер. Каждый «гребок» одной головки требует одной молекулы АТФ. При этом АТФ нужна и для расслабления: насос саркоплазматической сети откачивает ионы кальция, без которых миозин не может связаться с актином.

КПД отдельной молекулы миозина — доля энергии гидролиза АТФ, превращённой в механическую работу, — может доходить до 40–50 %, а у мышцы в целом составляет около 20–25 %, что сравнимо с хорошими тепловыми двигателями. Остальная энергия выделяется в виде теплоты; поэтому при работе мы согреваемся, а на холоде дрожим: дрожь — это сокращения мышц, единственная цель которых — выработка теплоты.

Для мышцы особенно важна скорость пополнения АТФ. Запаса АТФ хватает на 2–3 секунды максимальной работы, и восполнять её должны другие системы, включающиеся по очереди.

Опыт Сент-Дьёрдьи: нити, которые сокращаются в пробирке

Самое наглядное доказательство того, что мышечное сокращение работает на АТФ, получил в 1940-х годах венгерский биохимик Альберт Сент-Дьёрдьи — тот самый, кто ранее открыл витамин C и получил за это Нобелевскую премию 1937 года. Его сотрудник Бруно Штрауб выделил из мышц белок актин, и учёные смешали его с миозином. Получился вязкий комплекс — актомиозин. Если продавить его раствор через тонкую трубочку в воду, образовывались тонкие нити. Когда к ним добавляли раствор АТФ с ионами калия и магния, нити на глазах резко укорачивались. «Видеть, как они сокращаются, было, пожалуй, самым волнующим моментом в моей научной жизни», — вспоминал позже Сент-Дьёрдьи. Так в пробирке был воспроизведён процесс, лежащий в основе всех движений животных.

Позже научились делать то же с целыми мышечными волокнами: если выдержать мышцу в глицерине, мембраны волокон разрушаются, растворимые вещества вымываются, а сократительные белки остаются. Такие «глицеринизированные» волокна неподвижны, пока не добавить АТФ, — и тогда они сокращаются. Этот опыт до сих пор показывают студентам на практикумах.

Реснички, жгутики и перевозка грузов

Миозин — не единственный «двигательный» белок, работающий на АТФ. В ресничках и жгутиках эукариот работает динеин: его головки, расщепляя АТФ, сдвигают соседние дублеты микротрубочек друг относительно друга, и ресничка изгибается. Реснички эпителия дыхательных путей бьются 10–20 раз в секунду, выводя слизь с частицами пыли; жгутик сперматозоида приводит в движение клетку. По микротрубочкам внутри клетки, как по рельсам, «шагают» белки кинезины и динеины, перевозя пузырьки, митохондрии и хромосомы: каждый шаг кинезина длиной 8 нанометров требует одной молекулы АТФ. В отростках нервных клеток длиной до метра такие моторы доставляют вещества от тела нейрона к окончаниям — без них нейрон бы погиб.

16. Креатинфосфат и энергетические системы мышц

Первая «резервная батарея» мышцы — креатинфосфат (фосфокреатин). Его в мышцах в 3–5 раз больше, чем АТФ, и у него ещё выше потенциал переноса фосфата. Фермент креатинкиназа мгновенно передаёт фосфат с креатинфосфата на АДФ:

креатинфосфат + АДФ → креатин + АТФ

Эта реакция поддерживает уровень АТФ почти постоянным, пока не истощится запас креатинфосфата, — около 8–10 секунд максимальной работы. В покое реакция идёт в обратную сторону, и креатинфосфат восстанавливается за счёт АТФ, синтезированной в митохондриях. Креатинфосфат был открыт в 1927 году — раньше самой АТФ, — и некоторое время его считали главным источником энергии мышечного сокращения.

Дальше подключаются более медленные, но ёмкие системы: анаэробный гликолиз (расщепление гликогена мышц до молочной кислоты) и аэробное окисление углеводов и жиров в митохондриях.

Эти системы работают не строго по очереди, а одновременно, лишь в разной пропорции. У спринтеров больше белых мышечных волокон, богатых ферментами гликолиза и креатинфосфатом; у стайеров — красных волокон с множеством митохондрий и миоглобином. Добавки креатина, популярные у спортсменов, увеличивают запас креатинфосфата в мышцах и помогают в коротких повторяющихся усилиях, но мало влияют на выносливость.

17. Не только АТФ: другие нуклеозидтрифосфаты

АТФ — главная, но не единственная «энергетическая монета». Родственные нуклеотиды с другими азотистыми основаниями тоже несут три фосфата и используются в определённых процессах.

• ГТФ (гуанозинтрифосфат) даёт энергию для синтеза белка на рибосоме: присоединение каждой аминокислоты и перемещение рибосомы по мРНК требуют гидролиза ГТФ. ГТФ включает и выключает G-белки, через которые клетка воспринимает сигналы гормонов, и служит «топливом» для сборки микротрубочек.
• УТФ (уридинтрифосфат) активирует сахара: при синтезе гликогена и сахарозы глюкоза сначала присоединяется к УДФ. Этот путь открыл аргентинский биохимик Луис Лелуар, получивший Нобелевскую премию 1970 года.
• ЦТФ (цитидинтрифосфат) участвует в синтезе фосфолипидов мембран.
• Дезоксинуклеозидтрифосфаты (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ) — исходные вещества для синтеза ДНК: при присоединении каждого нуклеотида к цепи отщепляются два фосфата, и энергия их отщепления делает синтез ДНК необратимым.

Все эти нуклеотиды «заряжаются» за счёт АТФ: фермент нуклеозиддифосфаткиназа переносит концевой фосфат с АТФ на ГДФ, УДФ, ЦДФ. Поэтому в конечном счёте источник энергии для всех процессов — синтез АТФ.

18. НАД и НАДФ — переносчики электронов

Кроме фосфатов, у клетки есть второй вид «энергетической валюты» — восстановленные переносчики электронов. Когда органическое вещество окисляется, от него отнимаются электроны (вместе с протонами, то есть фактически атомы водорода). Эти электроны нельзя просто выпустить в раствор: их принимают особые молекулы — коферменты.

Главный из них — НАД (никотинамидадениндинуклеотид). Он состоит из двух нуклеотидов — аденилового, как в АТФ, и никотинамидного, образованного из витамина PP (никотиновой кислоты, или ниацина). Окисленная форма НАД⁺ принимает два электрона и протон и превращается в восстановленную форму НАД·Н:

НАД⁺ + 2H (2e⁻ + 2H⁺) → НАД·Н + H⁺

НАД·Н несёт электроны в дыхательную цепь митохондрий, где они передаются на кислород, а энергия этого процесса идёт на синтез АТФ: от одной молекулы НАД·Н получается около 2,5–3 молекул АТФ. При брожении НАД·Н отдаёт электроны пировиноградной кислоте или её производному, превращая её в молочную кислоту или этанол, — так НАД⁺ восстанавливается для продолжения гликолиза.

Близкий родственник — НАДФ (с дополнительным фосфатом). Клетка использует две похожие молекулы для разных целей: НАД — в основном в реакциях расщепления, где он принимает электроны, а НАДФ·Н — в реакциях синтеза, где он отдаёт электроны, восстанавливая углекислый газ в цикле Кальвина, синтезируя жирные кислоты и холестерин. Восстановленный НАДФ·Н образуется в световой фазе фотосинтеза и в особом пути окисления глюкозы — пентозофосфатном.

19. ФАД, кофермент А и витамины

ФАД (флавинадениндинуклеотид) — ещё один переносчик электронов. Он образуется из витамина B₂ (рибофлавина) и тоже содержит адениловый нуклеотид. ФАД принимает два электрона и два протона, превращаясь в ФАД·Н₂, в тех реакциях окисления, где выделяется меньше энергии, — например, в цикле Кребса при превращении янтарной кислоты в фумаровую и при окислении жирных кислот. Электроны ФАД·Н₂ тоже поступают в дыхательную цепь, но дают меньше АТФ — около 1,5 молекулы. Рибофлавин окрашен в жёлтый цвет, и первый открытый флавиновый фермент немецкий биохимик Отто Варбург назвал «жёлтым ферментом».

Кофермент А (КоА) — переносчик остатков кислот. Он содержит остаток АМФ и пантотеновую кислоту (витамин B₅), а на конце — группу −SH, к которой присоединяются остатки кислот. Ацетил-КоА — «активированная уксусная кислота» — главный узел обмена веществ: в него превращаются углеводы, жиры и многие аминокислоты, и из него начинаются цикл Кребса и синтез жирных кислот и холестерина. Кофермент А открыл в 1945–1947 годах Ф. Липман, тот самый, кто описал роль АТФ.

Заметьте: в состав НАД, ФАД и кофермента А входит остаток АМФ — тот же адениловый нуклеотид, что в АТФ. Это ещё один довод в пользу того, что все эти молекулы — наследие древнейшего «мира РНК».

20. Энергия градиентов: протонный «аккумулятор»

Есть и третья форма запасённой энергии — разность концентраций ионов по обе стороны мембраны. Когда протоны перекачаны через внутреннюю мембрану митохондрии, по одну её сторону их больше, чем по другую, и к тому же возникает разность электрических потенциалов (около 0,15–0,2 вольта на мембране толщиной всего несколько нанометров). Эта протонодвижущая сила — энергия, которую можно использовать напрямую, без АТФ.

• АТФ-синтаза превращает энергию протонного градиента в энергию АТФ.
• Жгутик бактерий вращает мотор, через который проходят протоны (у некоторых морских бактерий — ионы натрия). Скорость вращения доходит до нескольких сотен оборотов в секунду, а АТФ мотор не использует вовсе.
• Многие переносчики бактерий и митохондрий закачивают сахара и аминокислоты, используя энергию входящих протонов.
• В клетках животных ту же роль играет градиент ионов натрия, созданный натрий-калиевым насосом: в кишечнике и почках глюкоза и аминокислоты всасываются вместе с ионами натрия, «въезжая» на энергии натриевого градиента.

Таким образом, у клетки есть три взаимопревращаемые формы энергии: восстановленные переносчики (НАД·Н, ФАД·Н₂), градиенты ионов на мембранах и АТФ. Дыхание превращает энергию НАД·Н в протонный градиент, а АТФ-синтаза — градиент в АТФ.

21. Как АТФ заставляет светиться светлячков

Свечение светлячков — превращение энергии АТФ в свет. В клетках светящегося органа вещество люциферин сначала активируется: присоединяет остаток АМФ от молекулы АТФ. Затем фермент люцифераза окисляет активированный люциферин кислородом, и образуется молекула в возбуждённом состоянии, которая, возвращаясь в обычное состояние, испускает квант жёлто-зелёного света. Свечение светлячков почти не сопровождается нагреванием, поэтому его называют «холодным светом»: значительная часть энергии реакции выделяется в виде света, а не теплоты, как у лампы накаливания.

То, что для свечения нужна именно АТФ, показал в 1947 году американский биохимик Уильям Макэлрой. Он растирал светящиеся органы светлячков, ждал, пока свечение экстракта угаснет, а затем добавлял разные вещества. Свечение вспыхивало вновь только после добавления АТФ [10]. Опыт Макэлроя нашёл неожиданное практическое применение. Яркость вспышки пропорциональна количеству АТФ, а АТФ есть во всех живых клетках, — значит, по свечению смеси люциферина и люциферазы можно измерить, сколько живых клеток в пробе. Так работают современные экспресс-тесты на чистоту поверхностей в больницах и на пищевых производствах: мазок с поверхности смешивают с реактивом, и прибор за несколько секунд показывает, насколько поверхность загрязнена микробами и остатками органики.

Ген люциферазы светлячка широко используют в генной инженерии как «репортёр»: его встраивают рядом с изучаемым геном, и клетки, в которых ген включён, начинают светиться при добавлении люциферина.

22. АТФ вне клетки — сигнал тревоги

Долгое время считалось, что АТФ работает только внутри клеток. В 1970-х годах английский физиолог Джеффри Бёрнсток предположил, что АТФ служит и медиатором — веществом, передающим сигнал от нервных окончаний к другим клеткам [11]. Идею встретили скептически: трудно было поверить, что главная «внутренняя валюта» клетки используется для передачи сигналов. Но со временем были найдены специальные рецепторы к АТФ на поверхности клеток (их называют пуринергическими), и сегодня известно, что внеклеточная АТФ участвует в передаче сигналов в нервной системе, в восприятии боли и вкуса, в работе иммунной системы.

Логика такого сигнала понятна. Внутри клетки АТФ очень много, а снаружи почти нет. Если клетка повреждена и её мембрана разорвана, АТФ выходит наружу — и соседние клетки воспринимают это как сигнал тревоги: «здесь повреждение». Иммунные клетки устремляются к источнику АТФ, а нервные окончания передают сигнал боли.

23. Как клетка следит за своим энергетическим состоянием

Клетке важно знать, хватает ли ей энергии. Показатель этого — соотношение АТФ, АДФ и АМФ. Когда АТФ тратится быстрее, чем синтезируется, растёт концентрация АДФ, а из двух молекул АДФ фермент аденилаткиназа образует АТФ и АМФ. Поэтому даже небольшое снижение АТФ вызывает многократный рост концентрации АМФ — чувствительный сигнал тревоги.

На этот сигнал реагируют ключевые ферменты обмена. АМФ активирует ферменты расщепления гликогена и гликолиза, а высокая концентрация АТФ, наоборот, их тормозит. У всех эукариот есть особый фермент — АМФ-активируемая протеинкиназа (AMPK), «главный датчик энергии» клетки. Почувствовав рост АМФ, она выключает энергоёмкие процессы синтеза (жиров, белков, холестерина) и включает процессы, дающие АТФ (поглощение глюкозы, окисление жиров). Распространённое лекарство от диабета второго типа — метформин — действует отчасти через активацию этого фермента.

Американский биохимик Дэниел Аткинсон в 1968 году ввёл для описания энергетического состояния клетки понятие энергетического заряда — доли «заряженных» фосфатных групп в общем пуле адениловых нуклеотидов [12]. У большинства клеток он поддерживается в узких пределах — 0,8–0,95, как будто клетка работает от аккумулятора, который никогда не разряжается ниже определённого уровня.

24. Яды энергетики: цианид и динитрофенол

Многие сильные яды действуют, нарушая синтез АТФ. Цианиды (синильная кислота и её соли) связываются с железом последнего фермента дыхательной цепи — цитохромоксидазы — и не дают ему передавать электроны на кислород. Дыхательная цепь останавливается, синтез АТФ в митохондриях прекращается, и клетки, особенно нейроны и клетки сердца, гибнут за минуты, хотя кислорода в крови достаточно. Синильная кислота образуется в организме при расщеплении амигдалина — вещества, содержащегося в ядрах горького миндаля, абрикосов, персиков, вишни, — поэтому есть их в больших количествах опасно.

Иначе действует 2,4-динитрофенол. Он переносит протоны через внутреннюю мембрану митохондрий, минуя АТФ-синтазу, — то есть разобщает дыхание и фосфорилирование, как термогенин бурого жира, но бесконтрольно. В 1933 году врачи Стэнфордского университета предложили его как средство для похудения: организм, не получая АТФ, сжигает всё больше жиров, а энергия рассеивается в виде теплоты. За год в США динитрофенол приняли более ста тысяч человек. Вскоре выяснилось, что он вызывает катаракту, повреждение кожи и смертельное перегревание организма, и в 1938 году его запретили. К сожалению, его до сих пор продают нелегально, и случаи отравлений со смертельным исходом регистрируются ежегодно [13].

Эти примеры показывают, как тесно жизнь связана с непрерывным синтезом АТФ: достаточно нарушить одно звено — и за минуты останавливаются все процессы, зависящие от энергии.

25. Энергетика клетки в цифрах

Расхождение «школьной» и «современной» оценок выхода АТФ связано с тем, что раньше считали, будто каждая пара электронов от НАД·Н даёт ровно 3 АТФ. Точные измерения и знание устройства АТФ-синтазы показали, что выход дробный и меньше. На ЕГЭ используют традиционные числа: 2 АТФ на гликолиз и 36 — на кислородный этап, всего 38.

26. Почему именно АТФ

Почему главной энергетической валютой стала именно АТФ, а не какое-то другое вещество? Химики видят в этом удачное сочетание свойств.

• Средняя энергия. Энергия гидролиза АТФ — «золотая середина». Есть фосфорные соединения с ещё большей энергией (креатинфосфат, фосфоенолпировиноградная кислота) и с меньшей (глюкозо-6-фосфат). Поэтому АТФ может получать фосфат от более «богатых» соединений и отдавать его более «бедным».
• Кинетическая устойчивость. Несмотря на выгодность гидролиза, без фермента АТФ в нейтральном растворе разрушается медленно — за дни и недели. Энергия не «утекает» сама: её освобождают только ферменты, и только там, где нужно.
• Узнаваемость. Аденин и рибоза служат «ручкой», за которую фермент держит молекулу, а фосфатный хвост — рабочей частью.
• Древность. Нуклеотиды, вероятно, существовали уже в мире РНК, и использование одного из них для переноса энергии могло возникнуть очень рано.

Вообще фосфат удивительно подходит для роли «энергетического посредника»: его эфиры и ангидриды устойчивы в воде, но легко расщепляются ферментами, а отрицательный заряд не даёт фосфорилированным веществам уходить из клетки через мембрану. Не случайно фосфатные группы есть и в ДНК, и в РНК, и в фосфолипидах мембран.

27. Частые ошибки

• «АТФ — запас энергии клетки». АТФ — переносчик энергии, «разменная монета»; её запаса в клетке хватает на секунды. Долговременные запасы — жиры, гликоген, крахмал.
• «Энергия заключена в макроэргической связи». Энергия выделяется при гидролизе АТФ, потому что продукты устойчивее исходных веществ; разрыв любой связи требует энергии.
• «АТФ содержит дезоксирибозу». В АТФ — рибоза, как в нуклеотидах РНК.
• «При синтезе АТФ энергия выделяется». Синтез АТФ из АДФ и фосфата требует энергии; выделяется она при гидролизе АТФ.
• «АТФ синтезируется только в митохондриях». Также в цитоплазме (гликолиз, брожение) и в хлоропластах (фотофосфорилирование).
• «НАД — это источник энергии, как АТФ». НАД — переносчик электронов; энергия, которую несёт НАД·Н, превращается в энергию АТФ только в дыхательной цепи.
• «В молекуле АТФ три макроэргические связи». Макроэргических (фосфоангидридных) связей две; третий фосфат соединён с рибозой сложноэфирной связью.

28. Интересные факты

• АТФ была открыта в 1929 году одновременно в Германии и США, а её роль в мышечном сокращении установили советские биохимики В. Энгельгардт и М. Любимова в 1939 году.
• АТФ-синтаза — самый маленький известный вращающийся мотор: весь фермент размером около 10–20 нанометров, а ротор совершает до сотни и более оборотов в секунду.
• За жизнь человек синтезирует и расходует больше тысячи тонн АТФ.
• Свечение светлячков почти не сопровождается выделением теплоты; на его основе созданы тесты, определяющие чистоту поверхностей за секунды.
• Трупное окоченение возникает потому, что без АТФ головки миозина не могут отсоединиться от актина.
• Кофеин бодрит, блокируя рецепторы аденозина — вещества, образующегося при расщеплении АТФ и сигнализирующего мозгу об утомлении.
• Жгутик бактерий вращает мотор, работающий не на АТФ, а на потоке протонов через мембрану.

29. Частые вопросы

Почему АТФ называют универсальным источником энергии?

Потому что одна и та же молекула используется для всех видов работы — химической, механической, транспортной, электрической, световой — во всех клетках всех организмов, от бактерий до человека. Энергия, полученная любым способом (окислением, брожением, фотосинтезом), сначала запасается в АТФ, а затем расходуется.

Чем АТФ отличается от нуклеотида РНК?

Нуклеотид РНК с аденином (АМФ) содержит один остаток фосфорной кислоты, а АТФ — три. При синтезе РНК АТФ присоединяется к цепи, теряя два концевых фосфата, и в цепи оказывается остаток АМФ.

Сколько энергии выделяется при гидролизе АТФ — 40 кДж или 30?

В старых учебниках часто приводили 40 кДж/моль. Современное значение для стандартных условий — 30,5 кДж/моль, а в живой клетке, где АТФ много, а АДФ и фосфата мало, — 50–60 кДж/моль. На экзамене обычно используют 40 кДж/моль, если число дано в условии задачи; ориентируйтесь на условие.

Где в клетке синтезируется АТФ?

В цитоплазме — при гликолизе и брожении (субстратное фосфорилирование), в митохондриях — при клеточном дыхании (окислительное фосфорилирование), у растений также в хлоропластах — в световой фазе фотосинтеза (фотофосфорилирование).

Если в хлоропластах синтезируется АТФ, зачем растениям митохондрии?

АТФ хлоропластов почти целиком расходуется внутри них же — на синтез глюкозы в цикле Кальвина. Для остальных нужд клетки, а также ночью и в нефотосинтезирующих клетках (корень, клубень, семя) АТФ синтезируется в митохондриях при дыхании.

Можно ли «выпить» АТФ, чтобы стать сильнее?

Нет. АТФ, принятая внутрь, расщепляется в пищеварительном тракте и в крови до аденозина и фосфата и не попадает в мышечные клетки в неизменном виде. Энергию клетки получают только из АТФ, синтезированной внутри них самих.

Почему клеткам нужен магний?

Ионы магния связываются с фосфатными группами АТФ и экранируют их отрицательные заряды. Почти все ферменты, использующие АТФ, работают с комплексом Mg²⁺·АТФ. Без магния не идут ни синтез белка, ни гликолиз, ни работа насосов.

Почему НАД, ФАД и кофермент А содержат аденин?

Адениловая часть служит «ручкой», которую узнают ферменты, а рабочая часть (никотинамид, флавин, группа −SH) переносит электроны или остатки кислот. Многие биологи считают это наследием мира РНК, где нуклеотиды выполняли самые разные функции.

Что такое фосфорилирование?

Присоединение остатка фосфорной кислоты к молекуле. Фосфорилирование АДФ даёт АТФ; фосфорилирование глюкозы — глюкозо-6-фосфат; фосфорилирование белков ферментами-киназами включает или выключает эти белки.

Почему при беге на длинные дистанции «открывается второе дыхание»?

В начале бега мышцы получают АТФ в основном за счёт креатинфосфата и анаэробного гликолиза, а кровоснабжение и дыхание ещё не успели усилиться. Через несколько минут сердце и дыхательная система выходят на нужный уровень, кислорода к мышцам поступает больше, и основным источником АТФ становится аэробное окисление. Накопление молочной кислоты замедляется, и бегуну становится легче.

Сколько АТФ нужно на одно сокращение сердца?

Сердце человека за сутки сокращается около 100 000 раз и расходует на это несколько килограммов АТФ. Запаса АТФ в сердечной мышце хватило бы лишь на несколько ударов, поэтому почти вся её энергия поступает от митохондрий, которые занимают около трети объёма клеток сердечной мышцы.

Почему с возрастом уменьшается выносливость?

С возрастом в мышцах уменьшается число и активность митохондрий и снижается способность синтезировать АТФ при окислении. Регулярные тренировки на выносливость увеличивают число митохондрий в мышечных волокнах в любом возрасте — это один из главных механизмов пользы физической активности.

30. ЕГЭ

Типичные задания: на выбор признаков молекулы АТФ и её функций; на соответствие «процесс — синтезируется или расходуется АТФ»; задачи на подсчёт числа молекул АТФ и энергии, запасённой в АТФ, при расщеплении глюкозы; вопросы второй части о роли АТФ и строении митохондрий.

Разбор типичной расчётной задачи

Задача: «В процессе диссимиляции расщепилось 5 молекул глюкозы, из них полному окислению подверглись только 2. Сколько молекул АТФ образовалось? Сколько энергии запасено в АТФ, если на одну макроэргическую связь приходится 40 кДж?» Решение: 1) при гликолизе всех 5 молекул образуется 5 · 2 = 10 АТФ; 2) при кислородном этапе для 2 молекул — 2 · 36 = 72 АТФ; 3) всего 82 АТФ; 4) энергия, запасённая в концевых связях АТФ: 82 · 40 = 3280 кДж. Ответ: 82 молекулы АТФ, 3280 кДж.

31. Для олимпиад

Свободная энергия в клетке. ΔG = ΔG°′ + RT·ln([АДФ][Ф_н]/[АТФ]). Для эритроцита человека [АТФ] ≈ 2,25 ммоль/л, [АДФ] ≈ 0,25 ммоль/л, [Ф_н] ≈ 1,65 ммоль/л. Отношение [АДФ][Ф_н]/[АТФ] = 0,25 · 10⁻³ · 1,65 · 10⁻³ / 2,25 · 10⁻³ ≈ 1,8 · 10⁻⁴ моль/л. При 37 °C RT ≈ 2,58 кДж/моль, ln(1,8 · 10⁻⁴) ≈ −8,6, и ΔG ≈ −30,5 − 22,2 ≈ −52,7 кДж/моль [2]. Чем выше отношение АТФ к продуктам её гидролиза, тем больше энергии даёт каждая молекула.

Энергетический заряд по Аткинсону: ЭЗ = ([АТФ] + ½[АДФ]) / ([АТФ] + [АДФ] + [АМФ]). Если все адениловые нуклеотиды в виде АТФ, ЭЗ = 1; если в виде АМФ, ЭЗ = 0. В большинстве клеток ЭЗ = 0,8–0,95.

Стехиометрия АТФ-синтазы. Если кольцо F_o состоит из n субъединиц, то на синтез одной АТФ уходит n/3 протона (плюс протон на транспорт фосфата). При переносе пары электронов от НАД·Н на кислород выкачивается 10 протонов, от ФАД·Н₂ — 6. Для n = 8: на АТФ нужно 8/3 + 1 ≈ 3,67 протона, и выход 10/3,67 ≈ 2,7 АТФ на НАД·Н и 6/3,67 ≈ 1,6 АТФ на ФАД·Н₂ (с учётом утечек принимают 2,5 и 1,5).

Сопряжение через пирофосфат. В некоторых реакциях (активация аминокислот, жирных кислот, синтез ДНК и РНК) АТФ расщепляется не до АДФ, а до АМФ и пирофосфата (ФФ_н). Пирофосфат сразу гидролизуется пирофосфатазой ещё с выделением около 19 кДж/моль, и обратная реакция становится практически невозможной. Так клетка делает синтез полимеров необратимым.

32. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три верных ответа. В состав молекулы АТФ входят: 1) аденин; 2) дезоксирибоза; 3) рибоза; 4) три остатка фосфорной кислоты; 5) урацил; 6) глюкоза.

Задание 2

Установите соответствие между процессами и тем, что происходит с АТФ. Процессы: А) гликолиз; Б) сокращение мышцы; В) работа натрий-калиевого насоса; Г) световая фаза фотосинтеза; Д) окислительное фосфорилирование в митохондриях; Е) биосинтез белка. Что происходит: 1) АТФ синтезируется; 2) АТФ расходуется.

Задание 3

Найдите ошибки в тексте. (1) АТФ — нуклеотид, содержащий аденин, дезоксирибозу и три остатка фосфорной кислоты. (2) В молекуле АТФ две макроэргические связи. (3) При гидролизе АТФ до АДФ энергия поглощается. (4) АТФ синтезируется в митохондриях, хлоропластах и цитоплазме. (5) АТФ — основной долговременный запас энергии в клетке.

Задание 4

Выберите три верных ответа. Синтез АТФ происходит: 1) на кристах митохондрий; 2) в тилакоидах хлоропластов; 3) в лизосомах; 4) в цитоплазме при гликолизе; 5) в ядрышке; 6) в аппарате Гольджи.

Задание 5

Почему АТФ называют универсальным переносчиком энергии в клетке? Приведите не менее трёх доводов.

Задание 6

Установите соответствие между переносчиками и их характеристиками. Характеристики: А) переносит фосфатную группу; Б) образуется из витамина PP; В) образуется из витамина B₂; Г) поставляет электроны для синтеза в темновой фазе фотосинтеза; Д) переносит остатки уксусной кислоты; Е) содержит три остатка фосфорной кислоты. Переносчики: 1) АТФ; 2) НАД(Ф); 3) ФАД; 4) кофермент А.

Задание 7

В процессе энергетического обмена расщепилось 7 молекул глюкозы, полному окислению подверглись 3 из них. Определите, сколько молекул АТФ образовалось и сколько энергии в них запасено (40 кДж на одну макроэргическую связь).

Задание 8

Почему после смерти наступает трупное окоченение мышц?

Задание 9

Выберите три верных ответа. Креатинфосфат: 1) содержится в мышцах; 2) передаёт фосфат на АДФ; 3) является основным долговременным запасом энергии; 4) обеспечивает работу мышцы в первые секунды интенсивной нагрузки; 5) синтезируется в хлоропластах; 6) является мономером белков.

Задание 10

Объясните, почему клетка хранит долговременные запасы энергии в виде жиров и полисахаридов, а не в виде АТФ.

Задание 11

Установите последовательность событий при работе АТФ-синтазы: А) протоны перекачиваются через внутреннюю мембрану митохондрии за счёт энергии переноса электронов; Б) протоны проходят через канал АТФ-синтазы обратно в матрикс; В) вращается ротор фермента; Г) в головке фермента из АДФ и фосфата синтезируется АТФ; Д) в межмембранном пространстве накапливаются протоны.

Задание 12

Выберите три верных ответа. НАД: 1) переносит электроны и протоны; 2) содержит остаток аденилового нуклеотида; 3) образуется из витамина PP; 4) переносит остатки фосфорной кислоты на белки; 5) содержит дезоксирибозу; 6) расщепляет белки.

Задание 13

Почему отравление цианидом приводит к гибели клеток, хотя кислорода в крови достаточно?

Задание 14

Установите соответствие между способами синтеза АТФ и их характеристиками. Характеристики: А) происходит в тилакоидах; Б) идёт при гликолизе; В) используется энергия света; Г) связан с дыхательной цепью; Д) фосфат переносится на АДФ с органического вещества; Е) идёт на кристах. Способы: 1) субстратное фосфорилирование; 2) окислительное фосфорилирование; 3) фотофосфорилирование.

Задание 15

Почему динитрофенол, применявшийся в 1930-х годах для похудения, вызывал сильное повышение температуры тела?

Задание 16

Выберите три верных ответа. Для синтеза белка на рибосоме используются: 1) АТФ; 2) ГТФ; 3) аминокислоты; 4) глюкоза в качестве источника азота; 5) дезоксирибонуклеотиды; 6) крахмал.

Задание 17

Почему жгутик бактерии может вращаться, даже если синтез АТФ в клетке подавлен, а сама клетка ещё сохраняет протонный градиент на мембране?

Задание 18

Почему в клетках, интенсивно синтезирующих белки и активно работающих (клетки печени, мышц), много митохондрий?

Задание 19 (олимпиадное)

В клетке [АТФ] = 4 ммоль/л, [АДФ] = 0,4 ммоль/л, [Ф_н] = 4 ммоль/л, температура 37 °C (RT = 2,58 кДж/моль), ΔG°′ гидролиза АТФ = −30,5 кДж/моль. Рассчитайте ΔG гидролиза АТФ в этой клетке. Как изменится ΔG, если концентрация АДФ возрастёт в 10 раз?

Задание 20 (олимпиадное)

Человек массой 70 кг расходует за сутки 8400 кДж энергии. Считая, что эта энергия проходит через АТФ и что в клетке гидролиз одного моля АТФ даёт 50 кДж, оцените, какая масса АТФ синтезируется и расходуется за сутки (молярная масса АТФ — 507 г/моль). Сколько раз за сутки «перезаряжается» каждая молекула, если общий запас АТФ в теле — 50 г?

Литература

1. Fiske C. H., Subbarow Y. Phosphorus compounds of muscle and liver // Science. 1929. Vol. 70. P. 381–382.
2. Nelson D. L., Cox M. M. Lehninger Principles of Biochemistry. 8th ed. New York: W. H. Freeman, 2021.
3. Engelhardt W. A., Ljubimowa M. N. Myosine and adenosinetriphosphatase // Nature. 1939. Vol. 144. P. 668–669.
4. Lipmann F. Metabolic generation and utilization of phosphate bond energy // Advances in Enzymology and Related Areas of Molecular Biology. 1941. Vol. 1. P. 99–162.
5. Berg J. M., Tymoczko J. L., Gatto G. J., Stryer L. Biochemistry. 9th ed. New York: W. H. Freeman, 2019.
6. Mitchell P. Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism // Nature. 1961. Vol. 191. P. 144–148.
7. Boyer P. D. The ATP synthase — a splendid molecular machine // Annual Review of Biochemistry. 1997. Vol. 66. P. 717–749.
8. Noji H., Yasuda R., Yoshida M., Kinosita K. Direct observation of the rotation of F1-ATPase // Nature. 1997. Vol. 386. P. 299–302.
9. Rolfe D. F. S., Brown G. C. Cellular energy utilization and molecular origin of standard metabolic rate in mammals // Physiological Reviews. 1997. Vol. 77. P. 731–758.
10. McElroy W. D. The energy source for bioluminescence in an isolated system // PNAS. 1947. Vol. 33. P. 342–345.
11. Burnstock G. Purinergic nerves // Pharmacological Reviews. 1972. Vol. 24. P. 509–581.
12. Atkinson D. E. Energy charge of the adenylate pool as a regulatory parameter. Interaction with feedback modifiers // Biochemistry. 1968. Vol. 7. P. 4030–4034.
13. Grundlingh J., Dargan P. I., El-Zanfaly M., Wood D. M. 2,4-Dinitrophenol (DNP): a weight loss agent with significant acute toxicity and risk of death // Journal of Medical Toxicology. 2011. Vol. 7. P. 205–212.
14. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.