ATP (TRIFOSFORAN ADENOZYNY): BUDOWA, FUNKCJE, HYDROLIZA - BIOLOGIA - 2026

ATP (adenozynotrifosforan) jest organiczną cząsteczką o wysokiej energii wiązania utworzone przez pierścień adeniny, rybozy i trzech grup fosforanowych. Odgrywa fundamentalną rolę w metabolizmie, ponieważ transportuje energię niezbędną do wydajnego działania szeregu procesów komórkowych.

Powszechnie znany jest pod nazwą „waluta energetyczna”, ponieważ jej tworzenie i wykorzystanie jest łatwe, co pozwala na szybkie „opłacenie” reakcji chemicznych, które wymagają energii.

Źródło: By User: Mysid (Self-made in bkchem; red. W perl.), Via Wikimedia Commons

Chociaż cząsteczka widziana gołym okiem jest mała i prosta, gromadzi znaczną ilość energii w swoich wiązaniach. Grupy fosforanowe mają ładunki ujemne, które są w ciągłym odpychaniu, co czyni je labilnym wiązaniem, które łatwo pęka.

Hydroliza ATP to rozpad cząsteczki pod wpływem wody. W tym procesie zawarta energia zostaje uwolniona.

Istnieją dwa główne źródła ATP: fosforylacja na poziomie substratu i fosforylacja oksydacyjna, przy czym ta ostatnia jest najważniejsza i najczęściej wykorzystywana przez komórkę.

Fosforylacja oksydacyjna łączy utlenianie FADH ₂ i NADH + H ⁺ w mitochondriach, a fosforylacja na poziomie substratu zachodzi poza łańcuchem transportu elektronów, w szlakach takich jak glikoliza i cykl kwasu trikarboksylowego.

Ta cząsteczka jest odpowiedzialna za dostarczanie energii niezbędnej do większości procesów zachodzących w komórce, od syntezy białek po poruszanie się. Ponadto umożliwia ruch cząsteczek przez błony i działa w sygnalizacji komórkowej.

Struktura

ATP, jak sama nazwa wskazuje, jest nukleotydem z trzema fosforanami. Jego szczególna struktura, w szczególności dwa wiązania pirofosforanowe, czynią go związkiem bogatym w energię. Składa się z następujących elementów:

- Zasada azotowa, adenina. Zasady azotowe to związki cykliczne, które w swojej strukturze zawierają jeden lub więcej azotu. Znajdujemy je również jako składniki kwasów nukleinowych, DNA i RNA.

- Ryboza znajduje się w środku cząsteczki. Jest to cukier typu pentozy, ponieważ ma pięć atomów węgla. Jego wzór chemiczny to C ₅ H ₁₀ O ₅ . Węgiel 1 rybozy jest przyłączony do pierścienia adeninowego.

- Trzy rodniki fosforanowe. Ostatnie dwa to „wiązania wysokoenergetyczne” i są reprezentowane w strukturach graficznych przez symbol pochylenia: ~. Grupa fosforanowa jest jedną z najważniejszych w systemach biologicznych. Te trzy grupy to alfa, beta i gamma, od najbliższej do najdalszej.

Powiązanie to jest bardzo nietrwałe, więc dzieli się szybko, łatwo i spontanicznie, gdy wymagają tego warunki fizjologiczne organizmu. Dzieje się tak, ponieważ ujemne ładunki trzech grup fosforanowych nieustannie próbują oddalać się od siebie.

cechy

ATP odgrywa niezastąpioną rolę w metabolizmie energetycznym praktycznie wszystkich żywych organizmów. Z tego powodu jest często nazywany walutą energetyczną, ponieważ można go stale zużywać i uzupełniać w ciągu zaledwie kilku minut.

Bezpośrednio lub pośrednio ATP dostarcza energię do setek procesów, a także działa jako donor fosforanów.

Generalnie ATP działa jako cząsteczka sygnalizacyjna w procesach zachodzących wewnątrz komórki, konieczna jest synteza składników DNA i RNA, a do syntezy innych biocząsteczek bierze udział w transporcie między innymi membrany.

Zastosowania ATP można podzielić na główne kategorie: transport cząsteczek przez błony biologiczne, synteza różnych związków i wreszcie praca mechaniczna.

Funkcje ATP są bardzo szerokie. Co więcej, bierze udział w tak wielu reakcjach, że nie sposób wymienić ich wszystkich. Dlatego omówimy trzy konkretne przykłady, aby zilustrować każde z trzech wymienionych zastosowań.

Dostarczanie energii do transportu sodu i potasu przez membranę

Komórka to bardzo dynamiczne środowisko, które wymaga utrzymania określonych stężeń. Większość cząsteczek nie dostaje się do komórki przypadkowo lub przypadkowo. Aby cząsteczka lub substancja weszła do środka, musi to zrobić za pośrednictwem określonego transportera.

Transportery są białkami obejmującymi błonę, które działają jako „strażnicy” komórek, kontrolując przepływ materiałów. Dlatego membrana jest półprzepuszczalna: pozwala niektórym związkom wejść, a innym nie.

Jednym z najbardziej znanych środków transportu jest pompa sodowo-potasowa. Mechanizm ten zalicza się do transportu aktywnego, ponieważ ruch jonów przebiega wbrew ich stężeniom, a jedynym sposobem przeprowadzenia tego ruchu jest wprowadzenie do układu energii w postaci ATP.

Szacuje się, że jedna trzecia ATP utworzonego w komórce jest wykorzystywana do utrzymania aktywności pompy. Jony sodu są stale wypompowywane z komórki, podczas gdy jony potasu są wypompowywane w odwrotnym kierunku.

Logicznie rzecz biorąc, użycie ATP nie ogranicza się do transportu sodu i potasu. Istnieją inne jony, takie jak między innymi wapń, magnez, które potrzebują tej waluty energetycznej, aby wejść.

Udział w syntezie białek

Cząsteczki białka składają się z aminokwasów połączonych ze sobą wiązaniami peptydowymi. Uformowanie ich wymaga zerwania czterech wiązań o wysokiej energii. Innymi słowy, znaczna liczba cząsteczek ATP musi zostać zhydrolizowana w celu utworzenia białka o średniej długości.

Synteza białek zachodzi w strukturach zwanych rybosomami. Są w stanie zinterpretować kod, który ma informacyjny RNA i przetłumaczyć go na sekwencję aminokwasów, proces zależny od ATP.

W najbardziej aktywnych komórkach synteza białek może kierować do 75% ATP syntetyzowanego podczas tej ważnej pracy.

Z drugiej strony, komórka nie tylko syntetyzuje białka, ale także potrzebuje lipidów, cholesterolu i innych niezbędnych substancji, a do tego potrzebuje energii zawartej w wiązaniach ATP.

Dostarczaj energii do poruszania się

Praca mechaniczna jest jedną z najważniejszych funkcji ATP. Na przykład, aby nasz organizm był w stanie przeprowadzić skurcz włókien mięśniowych, konieczna jest dostępność dużej ilości energii.

W mięśniach energia chemiczna może zostać przekształcona w energię mechaniczną dzięki reorganizacji białek ze zdolnością do kurczenia się, które je tworzą. Długość tych struktur jest modyfikowana, skracana, co tworzy napięcie, które przekłada się na generowanie ruchu.

W innych organizmach ruch komórek zachodzi również dzięki obecności ATP. Na przykład ruch rzęsek i wici, który umożliwia przemieszczenie niektórych organizmów jednokomórkowych, zachodzi dzięki zastosowaniu ATP.

Innym szczególnym ruchem jest ruch amebowy, który obejmuje wystawanie rzekomej nóżki na końcach komórki. Kilka typów komórek wykorzystuje ten mechanizm lokomocji, w tym leukocyty i fibroblasty.

W przypadku komórek rozrodczych lokomocja ma zasadnicze znaczenie dla skutecznego rozwoju zarodka. Komórki embrionów pokonują znaczne odległości od miejsca swojego pochodzenia do regionu, w którym muszą powstać określone struktury.

Hydroliza

Hydroliza ATP to reakcja polegająca na rozpadzie cząsteczki w obecności wody. Reakcja jest przedstawiona w następujący sposób:

ATP + woda ⇋ ADP + P _i + energia. W przypadku, gdy termin P _i odnosi się do grupy nieorganicznego fosforanu i ADP Difosforan adenozyny. Zauważ, że reakcja jest odwracalna.

Hydroliza ATP to zjawisko polegające na uwolnieniu ogromnej ilości energii. Zerwanie któregokolwiek z wiązań pirofosforanowych powoduje uwolnienie 7 kcal na mol - konkretnie 7,3 z ATP do ADP i 8,2 do produkcji monofosforanu adenozyny (AMP) z ATP. Odpowiada to 12 000 kalorii na mol ATP.

Dlaczego następuje to uwolnienie energii?

Ponieważ produkty hydrolizy są znacznie bardziej stabilne niż początkowy związek, czyli ATP.

Należy wspomnieć, że tylko hydroliza, która zachodzi na wiązaniach pirofosforanowych, dając początek tworzeniu ADP lub AMP, prowadzi do wytwarzania energii w znacznych ilościach.

Hydroliza pozostałych wiązań w cząsteczce nie dostarcza tyle energii, z wyjątkiem hydrolizy nieorganicznego pirofosforanu, który ma dużą ilość energii.

Uwolnienie energii z tych reakcji jest wykorzystywane do przeprowadzania reakcji metabolicznych wewnątrz komórki, ponieważ wiele z tych procesów potrzebuje energii do funkcjonowania, zarówno na początkowych etapach dróg degradacji, jak i podczas biosyntezy związków. .

Na przykład w metabolizmie glukozy początkowe etapy obejmują fosforylację cząsteczki. W kolejnych krokach generowany jest nowy ATP, aby uzyskać dodatni zysk netto.

Z energetycznego punktu widzenia istnieją inne cząsteczki, których energia uwalniania jest większa niż ATP, w tym 1,3-bisfosfoglicerynian, karbamylofosforan, fosforan kreatyniny i fosfoenolopirogronian.

Uzyskanie ATP

ATP można otrzymać dwoma drogami: fosforylacją oksydacyjną i fosforylacją na poziomie substratu. Ta pierwsza wymaga tlenu, a druga nie. Około 95% powstałego ATP występuje w mitochondriach.

Fosforylacja oksydacyjna

Fosforylacja oksydacyjna obejmuje dwufazowy proces utleniania składników odżywczych: otrzymanie zredukowanych koenzymów NADH i FADH ₂ pochodzących z witamin.

Redukcja tych cząsteczek wymaga użycia wodoru ze składników odżywczych. W tłuszczach produkcja koenzymów jest niezwykła, dzięki olbrzymiej ilości wodorów, które mają w swojej strukturze w porównaniu z peptydami czy węglowodanami.

Chociaż istnieje kilka ścieżek produkcji koenzymu, najważniejszą z nich jest cykl Krebsa. Następnie zredukowane koenzymy są skoncentrowane w łańcuchach oddechowych zlokalizowanych w mitochondriach, które przenoszą elektrony do tlenu.

Łańcuch transportu elektronów składa się z szeregu białek połączonych z błoną, które wypompowują protony (H +) na zewnątrz (patrz zdjęcie). Protony te wnikają i ponownie przekraczają błonę za pośrednictwem innego białka, syntazy ATP, odpowiedzialnej za syntezę ATP.

Innymi słowy, musimy zredukować koenzymy, więcej ADP i tlenu generuje wodę i ATP.

Źródło: Bustamante Yess, źródło Wikimedia Commons

Fosforylacja na poziomie substratu

Fosforylacja na poziomie substratu nie jest tak ważna, jak mechanizm opisany powyżej, a ponieważ nie wymaga cząsteczek tlenu, często wiąże się z fermentacją. W ten sposób, mimo że jest bardzo szybki, pobiera mało energii, jeśli porównamy to z procesem utleniania, byłoby to około piętnaście razy mniej.

W naszym organizmie procesy fermentacyjne zachodzą na poziomie mięśni. Tkanka ta może funkcjonować bez tlenu, więc możliwe jest, że cząsteczka glukozy zostanie zdegradowana do kwasu mlekowego (np. Podczas intensywnych zajęć sportowych).

W przypadku fermentacji produkt końcowy nadal ma potencjał energetyczny, który można wyekstrahować. W przypadku fermentacji w mięśniach węgle w kwasie mlekowym są na tym samym poziomie redukcji, jak w początkowej cząsteczce: glukozie.

Zatem produkcja energii zachodzi poprzez tworzenie cząsteczek, które mają wiązania wysokoenergetyczne, w tym 1,3-bisfosfoglyranu i fosfoenolopirogronianu.

Na przykład w glikolizie hydroliza tych związków jest związana z produkcją cząsteczek ATP, stąd termin „na poziomie substratu”.

Cykl ATP

ATP nigdy nie jest przechowywane. Jest w ciągłym cyklu użytkowania i syntezy. Stwarza to równowagę między utworzonym ATP a jego zhydrolizowanym produktem ADP.

Źródło: Muessig, z Wikimedia Commons

Inne cząsteczki energii

ATP nie jest jedyną cząsteczką złożoną z bisfosforanu nukleozydów, która występuje w metabolizmie komórkowym. Istnieje wiele cząsteczek o strukturach podobnych do ATP, które mają porównywalne właściwości energetyczne, chociaż nie są tak popularne jak ATP.

Najbardziej znanym przykładem jest GTP, trifosforan guanozyny, który jest używany w dobrze znanym cyklu Krebsa oraz w szlaku glukoneogennym. Inne rzadziej używane to CTP, TTP i UTP.

Bibliografia

1. Guyton, AC i Hall, JE (2000). Podręcznik fizjologii człowieka.
2. Hall, JE (2017). Guyton E Hall Treatise On Medical Physiology. Elsevier Brazylia.
3. Hernandez, AGD (2010). Traktat o żywieniu: Skład i wartość odżywcza żywności. Panamerican Medical Ed.
4. Lim, MY (2010). Niezbędne w metabolizmie i odżywianiu. Elsevier.
5. Pratt, CW i Kathleen, C. (2012). Biochemia. Od redakcji El Manual Moderno.
6. Voet, D., Voet, JG i Pratt, CW (2007). Podstawy biochemii. Artykuł redakcyjny Médica Panaméricana.