Struktura, funkce, hydrolýza ATP (adenosintrifosfát)

4251
Simon Doyle

The ATP (adenosintrifosfát) je organická molekula s vysoce energetickými vazbami složená z adeninového kruhu, ribózy a tří fosfátových skupin. Má zásadní roli v metabolismu, protože přenáší energii potřebnou k udržení efektivního fungování řady buněčných procesů..

Je všeobecně známý pod pojmem „energetická měna“, protože k jeho tvorbě a použití dochází snadno, což umožňuje rychlé „zaplacení“ za chemické reakce, které vyžadují energii.

Zdroj: Autor: Mysid (Self-made in bkchem; edited in perl.) [Public domain], via Wikimedia Commons

I když je molekula pouhým okem malá a jednoduchá, uchovává ve svých vazbách značné množství energie. Fosfátové skupiny mají záporné náboje, které jsou v neustálém odpuzování, což z něj činí labilní a snadno přerušitelnou vazbu..

Hydrolýza ATP je rozklad molekuly přítomností vody. Tímto procesem se uvolňuje obsažená energie.

Existují dva hlavní zdroje ATP: fosforylace na úrovni substrátu a oxidativní fosforylace, přičemž druhý je nejdůležitější a nejpoužívanější buňkou..

Oxidační fosforylace spojuje oxidaci FADHdva a NADH + H+ v mitochondriích a na úrovni substrátu dochází k fosforylaci mimo elektronový transportní řetězec, v drahách, jako je glykolýza a cyklus trikarboxylové kyseliny.

Tato molekula je zodpovědná za poskytování energie potřebné pro většinu procesů, které probíhají uvnitř buňky, od syntézy bílkovin po lokomoce. Kromě toho umožňuje přenos molekul membránami a působí na buněčnou signalizaci..

Rejstřík článků

  • 1 Struktura
  • 2 funkce
    • 2.1 Dodávka energie pro transport sodíku a draslíku přes membránu
    • 2.2 Účast na syntéze bílkovin
    • 2.3 Dodávka energie pro pohyb
  • 3 Hydrolýza
    • 3.1 Proč dochází k tomuto uvolňování energie??
  • 4 Získání ATP
    • 4.1 Oxidační fosforylace
    • 4.2 Fosforylace na úrovni substrátu
  • 5 ATP cyklus
  • 6 Další energetické molekuly
  • 7 Reference

Struktura

ATP, jak naznačuje jeho název, je nukleotid se třemi fosfáty. Jeho zvláštní struktura, konkrétně dvě pyrofosfátové vazby, z něj činí sloučeninu bohatou na energii. Skládá se z následujících prvků:

- Dusíkatá báze, adenin. Dusíkaté báze jsou cyklické sloučeniny, které obsahují ve své struktuře jeden nebo více dusíku. Najdeme je také jako komponenty v nukleových kyselinách, DNA a RNA.

- Ribóza se nachází ve středu molekuly. Je to cukr pentózového typu, protože má pět atomů uhlíku. Jeho chemický vzorec je C.5H10NEBO5. Uhlík 1 ribózy je připojen k adeninovému kruhu.

- Tři fosfátové radikály. Poslední dva jsou „vysokoenergetické vazby“ a jsou v grafických strukturách reprezentovány symbolem náklonu: ~. Fosfátová skupina je jedním z nejdůležitějších v biologických systémech. Tyto tři skupiny se nazývají alfa, beta a gama, od nejbližší k nejvzdálenější.

Toto spojení je velmi labilní, takže se dělí rychle, snadno a spontánně, když to vyžadují fyziologické podmínky organismu. K tomu dochází, protože záporné náboje tří fosfátových skupin se neustále snaží vzdalovat od sebe..

Funkce

ATP hraje nepostradatelnou roli v energetickém metabolismu prakticky všech živých organismů. Z tohoto důvodu se často označuje jako energetická měna, protože ji lze průběžně utrácet a doplňovat během několika minut..

Přímo nebo nepřímo poskytuje ATP energii pro stovky procesů, kromě toho, že působí jako donor fosfátů.

Obecně ATP působí jako signální molekula v procesech, které se vyskytují uvnitř buňky, je nutné syntetizovat složky DNA a RNA a pro syntézu dalších biomolekul se podílí mimo jiné na přenosu přes membrány.

Použití ATP lze rozdělit do hlavních kategorií: transport molekul biologickými membránami, syntéza různých sloučenin a nakonec mechanická práce.

Funkce ATP jsou velmi široké. Kromě toho se podílí na tolika reakcích, že by bylo nemožné je všechny vyjmenovat. Proto budeme diskutovat o třech konkrétních příkladech, abychom ilustrovali každé ze tří zmíněných použití..

Dodávka energie pro transport sodíku a draslíku přes membránu

Buňka je vysoce dynamické prostředí, které vyžaduje udržování specifických koncentrací. Většina molekul nevstupuje do buňky náhodně nebo náhodou. Aby mohla molekula nebo látka vstoupit, musí to udělat její specifický transportér.

Transportéry jsou proteiny překlenující membránu, které fungují jako buněční „strážci brány“ a řídí tok materiálů. Membrána je proto polopropustná: umožňuje vstup určitým sloučeninám a jiným nikoli..

Jedním z nejznámějších transportů je sodno-draselné čerpadlo. Tento mechanismus je klasifikován jako aktivní transport, protože k pohybu iontů dochází proti jejich koncentracím a jediným způsobem, jak tento pohyb provést, je zavedení energie do systému ve formě ATP..

Odhaduje se, že jedna třetina ATP vytvořeného v buňce se používá k udržení pumpy aktivní. Sodné ionty jsou neustále čerpány na vnější stranu buňky, zatímco draselné ionty jsou čerpány v opačném směru..

Logicky se použití ATP neomezuje na transport sodíku a draslíku. Existují další ionty, například vápník, hořčík, které mimo jiné potřebují vstup této energetické měny.

Účast na syntéze bílkovin

Molekuly bílkovin jsou tvořeny aminokyselinami spojenými peptidovými vazbami. Jejich vytvoření vyžaduje rozbití čtyř vysokoenergetických vazeb. Jinými slovy, pro tvorbu proteinu o průměrné délce musí být hydrolyzováno značné množství molekul ATP..

K syntéze bílkovin dochází ve strukturách nazývaných ribozomy. Jsou schopny interpretovat kód, který má messenger RNA, a převést jej na aminokyselinovou sekvenci, proces závislý na ATP..

V nejaktivnějších buňkách může syntéza bílkovin řídit až 75% ATP syntetizovaného v této důležité práci.

Na druhé straně buňka nejen syntetizuje bílkoviny, ale také potřebuje lipidy, cholesterol a další základní látky a potřebuje k tomu energii obsaženou ve vazbách ATP..

Zajistěte energii pro pohyb

Mechanická práce je jednou z nejdůležitějších funkcí ATP. Například, aby naše tělo dokázalo stahovat svalová vlákna, je nezbytná dostupnost velkého množství energie..

Ve svalu lze chemickou energii přeměnit na energii mechanickou díky reorganizaci proteinů se schopností smršťovat se, které ji tvoří. Délka těchto struktur je upravena, zkrácena, což vytváří napětí, které se promítá do generace pohybu.

U jiných organismů dochází k pohybu buněk také díky přítomnosti ATP. Například pohyb řasinek a bičíků, který umožňuje pohyb určitých jednobuněčných organismů, nastává pomocí ATP.

Dalším konkrétním pohybem je amébový pohyb, který zahrnuje výčnělek pseudopodu na koncích buněk. Několik typů buněk používá tento pohybový mechanismus, včetně leukocytů a fibroblastů..

V případě zárodečných buněk je lokomoce nezbytná pro efektivní vývoj embrya. Embryonální buňky přesouvají důležité vzdálenosti z místa původu do oblasti, kde musí vzniknout specifické struktury.

Hydrolýza

Hydrolýza ATP je reakce, při které dochází k rozpadu molekuly přítomností vody. Reakce je znázorněna následovně:

ATP + voda ⇋ ADP + Pi + Energie. Kde, termín Pi Výrazem "anorganický fosfát" se označuje anorganická fosfátová skupina a ADP je adenosindifosfát. Pamatujte, že reakce je reverzibilní.

Hydrolýza ATP je jev, který zahrnuje uvolnění nesmírného množství energie. Rozbití kterékoli z pyrofosfátových vazeb vede k uvolnění 7 kcal na mol - konkrétně 7,3 z ATP na ADP a 8,2 pro výrobu adenosinmonofosfátu (AMP) z ATP. To odpovídá 12 000 kalorií na mol ATP..

Proč dochází k tomuto uvolňování energie?

Protože produkty hydrolýzy jsou mnohem stabilnější než původní sloučenina, tj. ATP.

Je třeba zmínit, že pouze hydrolýza, která se vyskytuje na pyrofosfátových vazbách za účelem vzniku ADP nebo AMP, vede ke generování energie ve významných množstvích.

Hydrolýza ostatních vazeb v molekule neposkytuje tolik energie, s výjimkou hydrolýzy anorganického pyrofosfátu, který má velké množství energie.

Uvolňování energie z těchto reakcí se používá k provádění metabolických reakcí uvnitř buňky, protože mnoho z těchto procesů potřebuje energii, aby mohla fungovat, a to jak v počátečních krocích degradačních cest, tak v biosyntéze sloučenin..

Například v metabolismu glukózy počáteční kroky zahrnují fosforylaci molekuly. V následujících krocích se generuje nová ATP, aby se získal kladný čistý zisk.

Z energetického hlediska existují další molekuly, jejichž uvolňovací energie je větší než u ATP, včetně 1,3-bisfosfoglycerátu, karbamylfosfátu, kreatinin-fosfátu a fosfoenolpyruvátu..

Získání ATP

ATP lze získat dvěma způsoby: oxidativní fosforylací a fosforylací na úrovni substrátu. První vyžaduje kyslík, zatímco druhý ne. Přibližně 95% vytvořeného ATP se vyskytuje v mitochondriích.

Oxidační fosforylace

Oxidační fosforylace zahrnuje dvoufázový proces oxidace živin: získání redukovaných koenzymů NADH a FADHdva odvozený z vitamínů.

Redukce těchto molekul vyžaduje použití vodíku z živin. V tucích je produkce koenzymů pozoruhodná díky enormnímu množství vodíku, které mají ve své struktuře, ve srovnání s peptidy nebo sacharidy.

Ačkoli existuje několik cest produkce koenzymu, nejdůležitější cestou je Krebsův cyklus. Následně se redukované koenzymy koncentrují v dýchacích řetězcích umístěných v mitochondriích, které přenášejí elektrony na kyslík..

Elektronový transportní řetězec je tvořen řadou membránově vázaných proteinů, které pumpují protony (H +) ven (viz obrázek). Tyto protony vstupují a znovu procházejí membránou pomocí dalšího proteinu, ATP syntázy, zodpovědného za syntézu ATP.

Jinými slovy, máme za to, že redukce koenzymů, více ADP a kyslíku generuje vodu a ATP.

Zdroj: Autor Bustamante Yess [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], z Wikimedia Commons

Fosforylace na úrovni substrátu

Fosforylace na úrovni substrátu není tak důležitá jako výše popsaný mechanismus a protože nevyžaduje molekuly kyslíku, je často spojována s fermentací. Tato cesta, i když je velmi rychlá, extrahuje málo energie, pokud ji porovnáme s oxidačním procesem, bylo by to asi patnáctkrát méně.

V našem těle probíhají fermentační procesy na svalové úrovni. Tato tkáň může fungovat bez kyslíku, takže je možné, že se molekula glukózy rozloží na kyselinu mléčnou (například když děláme nějakou vyčerpávající sportovní aktivitu).

Při fermentaci má konečný produkt stále energetický potenciál, který lze extrahovat. V případě fermentace ve svalu jsou uhlíky v kyselině mléčné na stejné úrovni redukce jako u počáteční molekuly: glukóza.

Výroba energie tedy probíhá tvorbou molekul, které mají vysokoenergetické vazby, včetně 1,3-bisfosfoglykrátu a fosfoenolpyruvátu..

Například v glykolýze je hydrolýza těchto sloučenin spojena s produkcí molekul ATP, proto termín „na úrovni substrátu“.

ATP cyklus

ATP se nikdy neukládá. Je v nepřetržitém cyklu používání a syntézy. Tím se vytvoří rovnováha mezi vytvořeným ATP a jeho hydrolyzovaným produktem ADP..

Zdroj: Autor Muessig [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], z Wikimedia Commons

Další energetické molekuly

ATP není jediná molekula složená z bisfosfátových nukleosidů, které existují v buněčném metabolismu. Existuje celá řada molekul se strukturami podobnými ATP, které mají srovnatelné energetické chování, i když nejsou tak populární jako ATP.

Nejvýznamnějším příkladem je GTP, guanosintrifosfát, který se používá ve známém Krebsově cyklu a v glukoneogenní cestě. Další méně používané jsou CTP, TTP a UTP.

Reference

  1. Guyton, A. C., a Hall, J. E. (2000). Učebnice fyziologie člověka.
  2. Hall, J. E. (2017). Guyton E Hall Pojednání o lékařské fyziologii. Elsevier Brazílie.
  3. Hernandez, A. G. D. (2010). Výživové pojednání: Složení a nutriční kvalita potravin. Panamerican Medical Ed..
  4. Lim, M. Y. (2010). Základní látky v metabolismu a výživě. Elsevier.
  5. Pratt, C. W. a Kathleen, C. (2012). Biochemie. Redakce The Modern Manual.
  6. Voet, D., Voet, J. G., & Pratt, C. W. (2007). Základy biochemie. Redakční Médica Panaméricana.

Zatím žádné komentáře