Sposoby syntezy ATP w komórce, Publikacje z Transport

Pobierz Sposoby syntezy ATP w komórce i więcej Publikacje w PDF z Transport tylko na Docsity!

Sposoby syntezy ATP w komórce

Wprowadzenie Przeczytaj Film Sprawdź się Dla nauczyciela

Adenozynotrifosforan to związek niezbędny do przeprowadzania najważniejszych reakcji biochemicznych w komórce. ATP powstaje w wyniku reakcji egzoenergetycznych, natomiast zużywany jest w procesach endoenergetycznych. Jakie zjawiska biochemiczne związane są z powstawaniem tego związku?

Twoje cele

Wyjaśnisz, czym jest fosforylacja substratowa i podasz przykład substratu dla takiej reakcji. Poznasz istotę teorii chemiosmotycznej Mitchella. Wyjaśnisz, czym jest fosforylacja fotosyntetyczna i wskażesz, jakie związki powstają w jej przebiegu.

ATP jest nośnikiem energii w komórce. Składa się z zasady azotowej, cukru i trzech reszt fosforanowych. Źródło: hps://pixabay.com, domena publiczna.

Sposoby syntezy ATP w komórce

substratowej. W wyniku działania enzymu kinazy kreatynowej zachodzi reakcja polegająca na przeniesieniu reszty fosforanowej z fosfokreatyny na ADP. Dzięki temu powstaje ATP, będący doskonałym źródłem energii podczas skurczu włókien mięśniowych.

fosfokreatyna + ADP ←→ kreatyna + ATP

Teoria chemiosmozy

Synteza ATP może zachodzić także zgodnie z teorią chemiosmozy Mitchella , według której synteza ATP zachodzi z ADP i nieorganicznego fosforanu Pi przy udziale gradientu protonowego. Gradient ten powstaje na skutek różnicy stężenia protonów po dwóch stronach błony biologicznej. Do jego wytworzenia dochodzi w wyniku działania błonowych pomp protonowych. Transportują one protony w poprzek błon biologicznych oddzielających różne przedziały w organellach otoczonych dwiema błonami, tj. mitochondriach i chloroplastach. Różnica stężeń protonów po obu stronach błony jest źródłem energii do syntezy ATP przez kompleks białkowy zwany syntazą ATP.

Zgodnie z teorią chemiosmotyczną Mitchella protony powracają do macierzy mitochondrialnej (a w przypadku chloroplastów – do stromy) przez kanał w syntazie ATP. Dochodzi do rozładowania gradientu elektrycznego, co jest źródłem energii do reakcji, na drodze której powstaje wiązanie wysokoenergetyczne w ATP. Więcej informacji na ten temat znajdziesz w e‐materiale pt. ATP – uniwersalny przenośnik energii w komórce.

Fosforylacja oksydacyjna

Fosforylacja oksydacyjna zachodzi u organizmów eukariotycznych w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Transport elektronów między kolejnymi elementami łańcucha oddechowego prowadzi do przepompowania protonów przez pompy protonowe na drugą stronę wewnętrznej błony mitochondrialnej. Skutkuje to powstaniem gradientu protonowego. Właśnie ten gradient protonów jest wykorzystywany do syntezy ATP przez syntazę ATP.

Opisane zjawiska są istotą fosforylacji oksydacyjnej, a synteza ATP w tym procesie wiąże się z omówioną powyżej teorią chemiosmozy Mitchella. Transportowi elektronów w łańcuchu

oddechowym towarzyszy jednoczesny transport protonów do przestrzeni międzybłonowej (między błoną wewnętrzną a zewnętrzną mitochondrium). Istotą łańcucha oddechowego jest transport jednej pary elektronów z NADH (czyli zredukowanej formy NAD ) na atom tlenu. Wiąże się to z jednoczesnym transportem trzech par protonów (H ) do przestrzeni międzybłonowej, w wyniku czego powstaje gradient protonów. Prowadzi to również do różnicy w naładowaniu obu stron błony mitochondrialnej: zewnętrzna strona, dzięki obecności protonów, jest naładowana bardziej dodatnio niż wewnętrzna.

Fosforylacja fotosyntetyczna (fotofosforylacja)

Fosforylacja z udziałem gradientu protonowego zachodzi także podczas fotosyntezy, gdzie ATP powstaje podczas fosforylacji fotosyntetycznej przy udziale energii świetlnej. Ma to miejsce w fazie jasnej fotosyntezy. Energia świetlna sprawia, że z barwnika fotosyntetycznego, jakim jest chlorofil, wybijane są elektrony. Są one następnie transportowane przez nośniki białkowe, co prowadzi do wytworzenia gradientu protonowego w poprzek błony tylakoidów w chloroplastach. Na tym etapie powstają ATP i NADPH (czyli zredukowana forma NADP ). Związki te są niezbędne do przekształcenia dwutlenku węgla do aldehydu 3‐fosfoglicerynowego (PGAL). NADPH i ATP tworzą tak zwaną siłę asymilacyjną , która wykorzystywana jest w fazie ciemnej fotosyntezy.

ADP + Pi + 2NADP + H O → ATP + 2NADPH + 2H + O

Słownik

chlorofil

organiczny związek chemiczny, barwnik fotosyntetyczny zdolny do pochłaniania kwantów energii świetlnej; znajduje się w roślinach i niektórych bakteriach fotosyntetyzujących

glikogen

cukier złożony zbudowany z wielu cząsteczek glukozy; podstawowy materiał zapasowy w komórkach zwierzęcych

NAD

+ 2 + (^2)

+

Film

Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DA6QbaOsF Sposoby syntezy ATP w komórce. Źródło: reż. Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Film nawiązujący do treści materiału.

Polecenie 1

Polecenie 2

Obejrzyj film i opisz proces regeneracji ATP.

Opisz, w jaki sposób magazynowana jest energia w ATP.

Sprawdź się

Pokaż ćwiczenia: 輸 醙 難

Schemat do ćwiczeń 1 i 2.

Schemat budowy cząsteczki ATP. Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 1

Wskaż na powyższym wzorze ATP oznaczenia liczbowe wskazujące wiązania wysokoenergetyczne, których hydroliza dostarcza energii użytecznej biologicznie.

Materiał źródłowy do ćwiczeń 5 i 6

Wyobraźmy sobie serię eksperymentów przeprowadzonych na chloroplastach rzodkiewnika pospolitego ( Arabidopsis thaliana). W eksperymencie I dezaktywowano wyłącznie syntazę ATP obecną w chloroplastach rzodkiewnika. W eksperymencie II dezaktywowano syntazę ATP oraz wszystkie białka pełniące funkcję pomp protonowych, ale zakwaszono wnętrze tylakoidów (zwiększono stężenie H ). W eksperymencie III dezaktywowano wszystkie białka pełniące funkcję pomp protonowych i zakwaszono wnętrze tylakoidów.

Ćwiczenie 4

Oznacz poniższe zdania dotyczące teorii chemiosmozy Mitchella jako prawdziwe lub fałszywe.

Prawda Fałsz Energia niezbędna do pompowania protonów (H ) w poprzek błony pochodzi z transportu protonów w łańcuchu przenośników. Transport protonów przez kanały w cząsteczkach syntaz ATP jest transportem aktywnym. Dzięki gradientowi protonowemu syntaza ATP może przenosić resztę fosforanową z wysokoenergetycznych substratów na ADP. Wytworzenie gradientu protonów jest niezbędne do zajścia fosforylacji oksydacyjnej i fotosyntetycznej.

Ćwiczenie 5

Ćwiczenie 6

Materiał źródłowy do ćwiczeń 7 i 8

Stan przedrzucawkowy (preeklampsja) jest zespołem chorobowym, pojawiającym się u kobiet po 20 tygodniu ciąży. Objawia się między innymi zwiększonym ciśnieniem krwi, białkomoczem, bólami głowy i skąpomoczem. Przyczyny występowania tej jednostki chorobowej pozostają niejasne, choć wiadomo, że powiązane są z dysfunkcją łożyska. W 2019 r., w prestiżowym czasopiśmie PNAS, opublikowano wyniki badań nad zmianami w procesie oddychania tlenowego w mitochondriach komórek łożyska u kobiet, które cierpią na stan przedrzucawkowy.

W wewnętrznej błonie tych mitochondriów zaobserwowano dużą ilość niestandardowych białek (UPR). Białka te są kanałami, przez które mogą przenikać kationy wodoru. Obecność białek UPR powiązano ze spadkiem wydajności oddychania tlenowego zachodzącego w badanych mitochondriach.

Na podstawie: H. W. Yung i wsp., Noncanonical mitochondrial unfolded protein response impairs placental oxidative phosphorylation in early‐onset preeclampsia, PNAS, 2019.

Ćwiczenie 7

We wspomnianych wyżej mitochondriach zaobserwowano nietypowo dużą ilość białek, związanych ze ścieżką odpowiedzi na pojawienie się niesfałdowanych białek (UPR). Białka UPR są produkowane w odpowiedzi na warunki stresowe w komórkach. Obecność znacznie zwiększonej ilości białek UPR powiązano ze spadkiem wydajności oddychania tlenowego zachodzącego w badanych mitochondriach.

Na podstawie powyższych informacji i własnej wiedzy uzupełnij poniższe zdanie tak, żeby stanowiło poprawną całość.

Białka rozprzęgające UPR powodują spadek wydajności fosforylacji zachodzącej podczas.

substratowej glikolizy cyklu Krebsa oksydacyjnej łańcucha oddechowego

Ćwiczenie 8 Na podstawie tekstu do ćwiczenia 7 i 8 oraz własnej wiedzy wyjaśnij, w jaki sposób obecność białek UPR wpływa na obniżenie wydajności oddychania tlenowego. W odpowiedzi uwzględnij funkcjonowanie syntazy ATP.

Dla nauczyciela

Autor: Anna Juwan

Przedmiot: biologia

Temat: Sposoby syntezy ATP w komórce

Grupa docelowa: uczniowie III etapu edukacyjnego – kształcenie w zakresie rozszerzonym

Podstawa programowa: Zakres rozszerzony Treści nauczania – wymagania szczegółowe III. Energia i metabolizm.

4. Fotosynteza. Uczeń:

4. wyjaśnia mechanizm powstawania ATP w procesie chemiosmozy w chloroplaście;

5. Pozyskiwanie energii użytecznej biologicznie. Uczeń:

3. przedstawia, na czym polega fosforylacja substratowa;
4. wyjaśnia mechanizm powstawania ATP w procesie chemiosmozy w mitochondriach (fosforylacja oksydacyjna);

Kształtowane kompetencje kluczowe:

kompetencje cyfrowe; kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się; kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii.

Cele operacyjne ( językiem ucznia):

Wyjaśnisz, czym jest fosforylacja substratowa i podasz przykład substratu dla takiej reakcji. Poznasz istotę teorii chemiosmotycznej Mitchella. Wyjaśnisz, czym jest fosforylacja fotosyntetyczna i wskażesz, jakie związki powstają w jej przebiegu.

Strategie nauczania:

konstruktywizm; konektywizm.

Metody i techniki nauczania:

z użyciem komputera;

rozmowa kierowana; dyskusja; mapa myśli; ćwiczenia interaktywne; obserwacja.

Formy pracy:

praca indywidualna; praca w parach; praca w grupach; praca całego zespołu klasowego.

Środki dydaktyczne:

komputery z głośnikami, słuchawkami i dostępem do internetu; zasoby multimedialne zawarte w e‐materiale; tablica interaktywna/tablica, pisak/kreda; arkusze papieru w formacie A2 i flamastry.

Przed lekcją:

1. Przygotowanie do zajęć. Nauczyciel loguje się na platformie i udostępnia uczniom e‐materiał „Sposoby syntezy ATP w komórce”. Uczestnicy zajęć zapoznają się z treścią zawartą w sekcji „Przeczytaj” i przygotowują pytania, jakie można by było zadać w kontekście tematu zajęć.

Przebieg lekcji

Faza wstępna:

1. Prowadzący lekcję wyświetla treści z sekcji „Wprowadzenie”. Informuje uczniów o planowanym przebiegu lekcji i przedstawia kryteria sukcesu.
2. Raport z przygotowań. Nauczyciel, przy użyciu dostępnego w panelu użytkownika raportu, weryfikuje przygotowanie uczniów do lekcji: sprawdza, którzy uczestnicy zajęć zapoznali się z udostępnionym e‐materiałem. Nauczyciel poleca uczniom, aby zgłaszali swoje propozycje pytań do wspomnianego tematu. Jedna osoba może zapisywać je na tablicy. Gdy uczniowie wyczerpią swoje pomysły, a pozostały jeszcze jakieś ważne kwestie do poruszenia, nauczyciel uzupełnia informacje.

Faza realizacyjna:

1. Praca z filmem pt. „Sposoby syntezy ATP w komórce”. Nauczyciel prosi uczniów, aby przeczytali polecenia do filmu: nr 1 (dotyczące procesu regeneracji ATP) i nr 2