АТП (АДЕНОЗИНТРИФОСФАТ): СТРУКТУРА, ФУНКЦІЇ, ГІДРОЛІЗ - БІОЛОГІЯ - 2025

АТФ (аденозинтрифосфат) являє собою органічну молекулу з високими енергетичними зв'язками , утвореними з допомогою кільця аденіну, рибози і трьох фосфатних груп. Він відіграє фундаментальну роль у метаболізмі, оскільки транспортує енергію, необхідну для ефективної роботи ряду клітинних процесів.

Він широко відомий терміном "енергетична валюта", оскільки його формування та використання відбувається легко, що дозволяє швидко "оплатити" хімічні реакції, які потребують енергії.

Джерело: Користувач: Mysid (Саморобний в bkchem; відредагований перл.), Через Wikimedia Commons

Хоча молекула неозброєним оком невелика і проста, вона зберігає значну кількість енергії у своїх зв’язках. Фосфатні групи мають негативні заряди, які знаходяться в постійному відштовхуванні, що робить його лабільним зв’язком, який легко розривається.

Гідроліз АТФ - це розпад молекули за наявністю води. Цим процесом енергія, що міститься, вивільняється.

Є два основні джерела АТФ: фосфорилювання на рівні субстрату та окисне фосфорилювання, останнє є найважливішим і найбільш використовуваним клітиною.

Окислювальне фосфорилювання з'єднує окислення FADH ₂ і NADH + H ⁺ в мітохондріях, а фосфорилювання на рівні субстрату відбувається поза ланцюгом транспорту електронів, таким чином, як гліколіз та цикл трикарбонової кислоти.

Ця молекула відповідає за забезпечення енергією, необхідною для більшості процесів, що відбуваються всередині клітини, від синтезу білка до руху. Крім того, він дозволяє здійснювати рух молекул через мембрани та діє в клітинній сигналізації.

Будова

АТФ, як випливає з назви, - це нуклеотид з трьома фосфатами. Його особлива структура, зокрема дві пірофосфатні зв'язки, роблять її енергозберігаючою сполукою. Він складається з таких елементів:

- Азотиста основа, аденін. Основи азоту - це циклічні сполуки, що містять у своїй структурі один або більше азоту. Ми також знаходимо їх як компоненти в нуклеїнових кислотах, ДНК та РНК.

- Рибоза розташована в центрі молекули. Це цукор пентози, оскільки він містить п'ять атомів вуглецю. Його хімічна формула - C ₅ H ₁₀ O ₅ . Вуглець 1 рибози приєднаний до аденінового кільця.

- Три фосфатні радикали. Останні два - це "високоенергетичні зв'язки" і представлені в графічних структурах символом нахилу: ~. Фосфатна група є однією з найважливіших у біологічних системах. Три групи називаються альфа, бета і гамма, від найближчих до найбільш віддалених.

Це посилання дуже лабільне, тому воно ділиться швидко, легко і мимовільно, коли фізіологічні умови організму цього вимагають. Це відбувається тому, що негативні заряди трьох фосфатних груп постійно намагаються відійти одне від одного.

Особливості

АТФ відіграє незамінну роль в енергетичному обміні практично всіх живих організмів. З цієї причини його часто називають енергетичною валютою, оскільки його можна постійно витрачати і поповнювати лише за кілька хвилин.

Прямо чи опосередковано АТФ забезпечує енергію для сотень процесів, крім того, що виступає донором фосфатів.

Взагалі АТФ діє як сигнальна молекула в процесах, що відбуваються всередині клітини, необхідно синтезувати компоненти ДНК і РНК, а для синтезу інших біомолекул, він бере участь у торгівлі через мембрани, серед інших.

Використання АТФ можна розділити на основні категорії: транспорт молекул через біологічні мембрани, синтез різних сполук і, нарешті, механічна робота.

Функції АТФ дуже широкі. Крім того, він бере участь у такій кількості реакцій, що назвати їх усіх неможливо. Тому ми обговоримо три конкретні приклади для прикладу кожного з трьох згаданих застосувань.

Подача енергії для транспорту натрію та калію по мембрані

Клітина - це дуже динамічне середовище, яке вимагає підтримання конкретних концентрацій. Більшість молекул не потрапляє в клітину випадково або випадково. Щоб молекула або речовина потрапляли, вони повинні робити це своїм конкретним транспортером.

Транспортери - це білки, що охоплюють мембрану, які функціонують як "воротарі" клітин, контролюючи потік матеріалів. Тому мембрана є напівпроникною: вона дозволяє вводити певні сполуки, а інші - ні.

Один з найвідоміших транспортів - натрієво-калієвий насос. Цей механізм класифікується як активний транспорт, оскільки рух іонів відбувається проти їх концентрацій і єдиний спосіб здійснити цей рух - це введення енергії в систему, у вигляді АТФ.

Підраховано, що третина АТФ, що утворюється в клітині, використовується для підтримки активності насоса. Іони натрію постійно викачуються з клітини, тоді як іони калію перекачуються у зворотному напрямку.

За логікою, використання АТФ не обмежується транспортом натрію та калію. Є й інші іони, такі як кальцій, магній, серед інших, які потребують введення цієї енергетичної валюти.

Участь у синтезі білка

Білкові молекули складаються з амінокислот, пов'язаних між собою пептидними зв’язками. Для їх формування потрібно розрив чотирьох високоенергетичних зв’язків. Іншими словами, значну кількість молекул АТФ необхідно гідролізувати для утворення білка середньої довжини.

Синтез білка відбувається в структурах, званих рибосомами. Вони здатні інтерпретувати код, який має месенджер РНК, і переводити його в амінокислотну послідовність, процес, залежний від АТФ.

У найбільш активних клітинах синтез білка може спрямовувати до 75% АТФ, синтезованого в цій важливій роботі.

З іншого боку, клітина не тільки синтезує білки, вона також потребує ліпідів, холестерину та інших необхідних речовин, і для цього їй потрібна енергія, що міститься в зв'язках АТФ.

Забезпечте енергією для руху

Механічна робота - одна з найважливіших функцій АТФ. Наприклад, для того, щоб наш організм міг скорочувати м’язові волокна, йому потрібна наявність великої кількості енергії.

У м'язах хімічна енергія може перетворюватися на механічну енергію завдяки перебудові білків із можливістю скорочення, що їх утворюють. Довжина цих конструкцій змінюється, скорочується, що створює напругу, що перетворюється на генерацію руху.

В інших організмах рух клітин також відбувається завдяки наявності АТФ. Наприклад, рух війок і джгутиків, що дозволяє витіснити певні одноклітинні організми, відбувається за рахунок використання АТФ.

Іншим особливим рухом є амебний, який передбачає випинання псевдопода на кінцях клітин. Кілька типів клітин використовують цей механізм руху, включаючи лейкоцити та фібробласти.

Що стосується статевих клітин, локомоція має важливе значення для ефективного розвитку ембріона. Ембріональні клітини проходять важливі відстані від місця їх походження до регіону, де вони повинні зароджувати конкретні структури.

Гідроліз

Гідроліз АТФ - це реакція, яка передбачає розпад молекули за наявністю води. Реакція представлена ​​так:

ATP + вода ⇋ ADP + P _i + енергія. Де термін P _i позначає неорганічну фосфатну групу, а АДФ - аденозиндифосфат. Зауважте, що реакція є оборотною.

Гідроліз АТФ - явище, яке передбачає вивільнення величезної кількості енергії. Розрив будь-якого з пірофосфатних зв'язків призводить до вивільнення 7 ккал на моль - конкретно 7,3 від АТФ до АДФ та 8,2 для виробництва аденозинофосфату (АМФ) з АТФ. Це дорівнює 12000 калорій на моль АТФ.

Чому відбувається цей викид енергії?

Оскільки продукти гідролізу набагато стійкіші, ніж вихідна сполука, тобто АТФ.

Слід зазначити, що лише гідроліз, який відбувається на пірофосфатних зв’язках, викликає утворення АДФ або АМФ, призводить до отримання енергії у значних кількостях.

Гідроліз інших зв'язків у молекулі не забезпечує стільки енергії, за винятком гідролізу неорганічного пірофосфату, який має велику кількість енергії.

Вивільнення енергії з цих реакцій використовується для здійснення метаболічних реакцій всередині клітини, оскільки багатьом із цих процесів потрібна енергія для функціонування, як на початкових етапах шляхів деградації, так і в біосинтезі сполук. .

Наприклад, у метаболізмі глюкози початкові етапи включають фосфорилювання молекули. У наступних кроках створюється новий АТП для отримання позитивного чистого прибутку.

З енергетичної точки зору, існують інші молекули, енергія вивільнення яких перевищує енергію АТФ, включаючи 1,3-бісфосфогліцерат, карбамілфосфат, креатинінфосфат та фосфоенолпіруват.

Отримання АТФ

АТФ можна отримати двома шляхами: окислювальним фосфорилюванням та фосфорилюванням на рівні субстрату. Перший потребує кисню, а другий - ні. Близько 95% утвореного АТФ відбувається в мітохондріях.

Окислювальне фосфорилювання

Окислювальне фосфорилювання передбачає двофазний процес окислення поживних речовин: одержання відновлених коензимів НАДН та FADH _2, одержуваних з вітамінів.

Зниження цих молекул вимагає використання водню з поживних речовин. У жирах виробництво коферментів є чудовим, завдяки величезній кількості водню, який вони мають у своїй структурі, порівняно з пептидами чи вуглеводами.

Хоча існує кілька шляхів виробництва коферментів, найважливіший шлях - це цикл Кребса. Згодом редуковані коферменти концентруються в дихальних ланцюгах, розташованих у мітохондріях, які передають електрони кисню.

Електронний ланцюг транспорту складається з серії білків, пов'язаних з мембраною, які викачують протони (Н +) назовні (див. Зображення). Ці протони знову входять і перетинають мембрану за допомогою іншого білка, АТФ-синтази, відповідальної за синтез АТФ.

Іншими словами, ми маємо зменшити коферменти, більше АДФ і кисню генерувати воду та АТФ.

Джерело: Автор Бустаманте Йесс, із Вікісховища

Фосфорилювання на рівні субстрату

Фосфорилювання на рівні субстрату не настільки важливе, як описаний вище механізм, і, оскільки для нього не потрібні молекули кисню, воно часто асоціюється з ферментацією. Цей спосіб, хоча і дуже швидкий, витягує мало енергії, якщо порівняти його з процесом окислення, було б приблизно в п’ятнадцять разів менше.

В нашому організмі процеси бродіння відбуваються на м’язовому рівні. Ця тканина може функціонувати без кисню, тому можливо, що молекула глюкози розкладається до молочної кислоти (наприклад, коли ми займаємось вичерпними спортивними заняттями, наприклад).

У процесі бродіння кінцевий продукт все ще має енергетичний потенціал, який можна отримати. У разі бродіння в м’язах вуглець у молочній кислоті знаходиться на такому ж рівні відновлення, що і у вихідної молекули: глюкоза.

Таким чином, виробництво енергії відбувається шляхом утворення молекул, які мають високоенергетичні зв’язки, включаючи 1,3-бісфосфоглірат та фосфоенолпіруват.

Наприклад, при гліколізі гідроліз цих сполук пов'язаний з виробництвом молекул АТФ, звідси і термін "на рівні субстрату".

Цикл АТФ

АТФ ніколи не зберігається. Він знаходиться в безперервному циклі використання та синтезу. Це створює баланс між утвореним АТФ та його гідролізованим продуктом АДФ.

Джерело: Автор Muessig, з Wikimedia Commons

Інші молекули енергії

АТФ - не єдина молекула, що складається з бісфосфату нуклеозиду, який існує в клітинному метаболізмі. Існує ряд молекул зі структурами, схожими на АТФ, які мають порівнянну енергетичну поведінку, хоча вони не такі популярні, як АТФ.

Найвизначніший приклад - ГТП, гуанозинтрифосфат, який використовується у відомій циклі Кребса та в глюконеогенному шляху. Інші менш використовувані - CTP, TTP та UTP.

Список літератури

1. Гайтон, AC, & Hall, JE (2000). Підручник з фізіології людини.
2. Зал, JE (2017). Трактат Гайтон Е Холл про медичну фізіологію. Elsevier Бразилія.
3. Ернандес, AGD (2010). Трактат про харчування: Склад та харчові якості продуктів. Panamerican Medical Ed.
4. Lim, MY (2010). Основи метаболізму та харчування. Ельзев'є.
5. Pratt, CW, & Kathleen, C. (2012). Біохімія. Редакція El Manual Moderno.
6. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (2007). Основи біохімії. Редакція Médica Panaméricana.