ATP (ADENOZĪNA TRIFOSFĀTS): STRUKTŪRA, FUNKCIJAS, HIDROLĪZE - BIOLOĢIJA - 2025

ATP (adenozīna trifosfātu) ir organisks molekula ar augstu enerģijas zīmju ar gredzenu adenīna, ribozes un trīs fosfāta grupām, kas izveidotas. Tam ir būtiska loma metabolismā, jo tas transportē enerģiju, kas nepieciešama, lai efektīvi uzturētu virkni šūnu procesu.

Tas ir plaši pazīstams ar terminu "enerģijas valūta", jo tā veidošanās un lietošana notiek viegli, ļaujot tai ātri "samaksāt" par ķīmiskajām reakcijām, kurām nepieciešama enerģija.

Avots: Pēc lietotāja: Mysid (Pašizgatavots bkchem; rediģēts perl.), Via Wikimedia Commons

Kaut arī molekula ar neapbruņotu aci ir maza un vienkārša, tā saitēs uzkrāj ievērojamu enerģijas daudzumu. Fosfātu grupām ir negatīvas lādiņas, kuras pastāvīgi atgrūžas, padarot to par labi saplūstošu saiti.

ATP hidrolīze ir molekulas sadalīšanās ūdens klātbūtnes dēļ. Šajā procesā atbrīvotā enerģija tiek atbrīvota.

Pastāv divi galvenie ATP avoti: fosforilēšana substrāta līmenī un oksidatīvā fosforilēšana, pēdējie ir vissvarīgākie un šūnas izmantotie.

Oksidējoši fosforilējumi saista FADH ₂ un NADH + H ⁺ oksidāciju mitohondrijos, un fosforilēšanās substrāta līmenī notiek ārpus elektronu transporta ķēdes, tādos ceļos kā glikolīze un trikarboksilskābes cikls.

Šī molekula ir atbildīga par enerģijas piegādi, kas nepieciešama lielākajai daļai procesu, kas notiek šūnas iekšienē, no olbaltumvielu sintēzes līdz kustībai. Turklāt tas ļauj molekulu satiksmei caur membrānām un darbojas šūnu signalizācijā.

Uzbūve

Kā norāda nosaukums, ATP ir nukleotīds ar trim fosfātiem. Tā īpašā struktūra, īpaši abas pirofosfāta saites, padara to par ar enerģiju bagātu savienojumu. To veido šādi elementi:

- Slāpekļa bāze, adenīns. Slāpekļa bāzes ir cikliski savienojumi, kuru struktūrā ir viens vai vairāki slāpekļi. Mēs tos atrodam arī kā nukleīnskābju, DNS un RNS komponentus.

- Ribose atrodas molekulas centrā. Tas ir pentozes tipa cukurs, jo tajā ir pieci oglekļa atomi. Tās ķīmiskā formula ir C ₅ H ₁₀ O ₅ . Ribozes 1. ogleklis ir pievienots adenīna gredzenam.

- trīs fosfāta radikāļi. Pēdējie divi ir "saites ar augstu enerģētisko vērtību", un grafiskajās struktūrās tos attēlo ar slīpuma simbolu: ~. Fosfātu grupa ir viena no vissvarīgākajām bioloģiskajās sistēmās. Trīs grupas sauc par alfa, beta un gamma, sākot no tuvākās līdz vistālākajai.

Šī saikne ir ļoti labila, tāpēc tā ātri, viegli un spontāni sadalās, kad ķermeņa fizioloģiskie apstākļi to prasa. Tas notiek tāpēc, ka trīs fosfātu grupu negatīvie lādiņi pastāvīgi mēģina attālināties viens no otra.

Iespējas

ATP ir neaizstājama loma praktiski visu dzīvo organismu enerģijas metabolismā. Šī iemesla dēļ to bieži sauc par enerģijas valūtu, jo to var nepārtraukti iztērēt un papildināt tikai dažās minūtēs.

Tieši vai netieši ATP nodrošina enerģiju simtiem procesu, turklāt darbojas arī kā fosfāta donors.

Parasti ATP darbojas kā signālu molekula procesos, kas notiek šūnas iekšpusē, ir nepieciešams sintezēt DNS un RNS komponentus un citu biomolekulu sintēzei tas piedalās cilvēku tirdzniecībā caur membrānas, cita starpā.

ATP lietojumus var iedalīt galvenajās kategorijās: molekulu transportēšana caur bioloģiskajām membrānām, dažādu savienojumu sintēze un visbeidzot - mehāniskais darbs.

ATP funkcijas ir ļoti plašas. Turklāt tas ir iesaistīts tik daudzās reakcijās, ka nebūtu iespējams tos visus nosaukt. Tāpēc mēs apspriedīsim trīs konkrētus piemērus, lai parādītu katru no trim minētajiem lietojumiem.

Enerģijas padeve nātrija un kālija transportēšanai pa membrānu

Šūna ir ļoti dinamiska vide, kurai jāuztur īpašas koncentrācijas. Lielākā daļa molekulu neiekļūst šūnā nejauši vai nejauši. Lai iekļūtu molekulā vai vielā, tas jādara tā īpašajam pārvadātājam.

Pārvadātāji ir membrānas proteīni, kas darbojas kā šūnu “sargi” un kontrolē materiālu plūsmu. Tāpēc membrāna ir daļēji caurlaidīga: tā ļauj noteiktiem savienojumiem iekļūt, bet citi ne.

Viens no pazīstamākajiem pārvadājumiem ir nātrija-kālija pumpis. Šis mehānisms tiek klasificēts kā aktīvs transports, jo jonu kustība notiek pret to koncentrāciju un vienīgais veids, kā šo kustību veikt, ir enerģijas ievadīšana sistēmā ATP formā.

Tiek lēsts, ka viena trešdaļa šūnā izveidotā ATP tiek izmantota, lai sūknis būtu aktīvs. Nātrija jonus pastāvīgi izsūknē no šūnas, bet kālija jonus izsūknē pretējā virzienā.

Loģiski, ka ATP lietošana neaprobežojas tikai ar nātrija un kālija pārvadāšanu. Cita starpā ir arī citi joni, piemēram, kalcijs, magnijs, kuriem jāievada šī enerģijas valūta.

Dalība olbaltumvielu sintēzē

Olbaltumvielu molekulas sastāv no aminoskābēm, kas savstarpēji savienotas ar peptīdu saitēm. Lai tos izveidotu, ir jālauž četras saites ar lielu enerģiju. Citiem vārdiem sakot, ievērojamam skaitam ATP molekulu jābūt hidrolizētam, lai veidotos vidēja garuma proteīns.

Olbaltumvielu sintēze notiek struktūrās, ko sauc par ribosomām. Tie spēj interpretēt Messenger RNS kodu un pārvērst to aminoskābju secībā, kas ir ATP atkarīgs process.

Aktīvākajās šūnās olbaltumvielu sintēze var novirzīt līdz 75% no šajā svarīgajā darbā sintezētā ATP.

No otras puses, šūna ne tikai sintezē olbaltumvielas, bet arī nepieciešami lipīdi, holesterīns un citas būtiskas vielas, un, lai to izdarītu, tai nepieciešama enerģija, kas atrodas ATP saitēs.

Nodrošiniet enerģiju pārvietošanai

Mehāniskais darbs ir viena no vissvarīgākajām ATP funkcijām. Piemēram, lai mūsu ķermenis spētu veikt muskuļu šķiedru kontrakcijas, ir nepieciešama liela enerģijas daudzuma pieejamība.

Muskuļos ķīmisko enerģiju var pārveidot par mehānisku enerģiju, pateicoties olbaltumvielu pārkārtošanai ar spēju to saraut. Šo struktūru garums tiek mainīts, saīsināts, kas rada spriedzi, kas pārvēršas par kustības paaudzi.

Citos organismos šūnu pārvietošanās notiek arī pateicoties ATP klātbūtnei. Piemēram, ciliaku un flagella kustība, kas ļauj pārvietot noteiktus vienšūnu organismus, notiek, izmantojot ATP.

Vēl viena īpaša kustība ir amoebiska, kas ietver pseidopoda izvirzīšanos šūnas galos. Vairāki šūnu veidi izmanto šo pārvietošanās mehānismu, ieskaitot leikocītus un fibroblastus.

Dzimumšūnu gadījumā pārvietošanās ir būtiska embrija efektīvai attīstībai. Embrionālās šūnas ievērojamu attālumu ved no savas izcelsmes vietas līdz reģionam, kur tām jārada īpašas struktūras.

Hidrolīze

ATP hidrolīze ir reakcija, kas saistīta ar molekulas sadalīšanos ūdens klātbūtnē. Reakcija tiek attēlota šādi:

ATP + ūdens ⇋ ADP + P _i + enerģija. Kur termins P _i apzīmē neorganisko fosfātu grupu, un ADP ir adenozīndifosfāts. Ņemiet vērā, ka reakcija ir atgriezeniska.

ATP hidrolīze ir parādība, kas saistīta ar milzīga enerģijas daudzuma izdalīšanos. Jebkuras pirofosfāta saites pārrāvuma rezultātā izdalās 7 kcal uz mola - īpaši 7,3 no ATP uz ADP un 8,2 - adenozīna monofosfāta (AMP) ražošanai no ATP. Tas ir vienāds ar 12 000 kalorijām uz vienu mola ATP.

Kāpēc notiek šī enerģijas izdalīšanās?

Tā kā hidrolīzes produkti ir daudz stabilāki nekā sākotnējais savienojums, tas ir, ATP.

Jāpiemin, ka tikai hidrolīze, kas notiek pie pirofosfāta saitēm, lai izveidotu ADP vai AMP, noved pie enerģijas veidošanās ievērojamos daudzumos.

Citu molekulu saišu hidrolīze nesniedz tik daudz enerģijas, izņemot neorganiskā pirofosfāta hidrolīzi, kurai ir liels enerģijas daudzums.

Enerģijas izdalīšana no šīm reakcijām tiek izmantota metabolisma reakciju veikšanai šūnas iekšienē, jo daudziem no šiem procesiem ir nepieciešama enerģija, lai darbotos gan sākotnējos noārdīšanās ceļu posmos, gan savienojumu biosintēzē. .

Piemēram, glikozes metabolismā sākotnējie posmi ietver molekulas fosforilēšanu. Šajās darbībās tiek ģenerēts jauns ATP, lai iegūtu pozitīvu tīro peļņu.

No enerģijas viedokļa ir arī citas molekulas, kuru izdalīšanās enerģija ir lielāka nekā ATP, ieskaitot 1,3-bisfosfoglicerātu, karbamilfosfātu, kreatinīna fosfātu un fosfoenolpiruvātu.

ATP iegūšana

ATP var iegūt divos veidos: oksidatīvā fosforilēšana un fosforilēšana substrāta līmenī. Pirmajam nepieciešams skābeklis, savukārt otrajam tas nav vajadzīgs. Apmēram 95% no izveidotā ATP notiek mitohondrijos.

Oksidējošā fosforilēšana

Oksidējošā fosforilēšana ietver divfāžu barības vielu oksidācijas procesu: samazinātu koenzīmu NADH un FADH _{2 iegūšana, kas} iegūti no vitamīniem.

Šo molekulu samazināšanai nepieciešams izmantot ūdeņradi no barības vielām. Taukos koenzīmu ražošana ir ievērojama, pateicoties milzīgajam ūdeņraža daudzumam, kāds tiem ir to struktūrā, salīdzinot ar peptīdiem vai ogļhidrātiem.

Lai gan ir vairāki koenzīma ražošanas ceļi, vissvarīgākais ceļš ir Krebsa cikls. Pēc tam reducētie koenzīmi tiek koncentrēti elpošanas ķēdēs, kas atrodas mitohondrijos, kas elektronus nodod skābeklim.

Elektronu transportēšanas ķēdi veido virkne ar membrānām savienotu olbaltumvielu, kas izspiež protonus (H +) uz ārpusi (sk. Attēlu). Šie protoni atkal nonāk membrānā un šķērso to caur citu proteīnu - ATP sintāzi, kas ir atbildīga par ATP sintēzi.

Citiem vārdiem sakot, mums ir jāsamazina koenzīmi, vairāk ADP un skābeklis rada ūdeni un ATP.

Avots: Autore Bustamante Yess, no Wikimedia Commons

Pamatnes līmeņa fosforilēšana

Fosforilēšana substrāta līmenī nav tik svarīga kā iepriekš aprakstītais mehānisms, un, tā kā tai nav vajadzīgas skābekļa molekulas, tā bieži tiek saistīta ar fermentāciju. Lai arī šis ceļš ir ļoti ātrs, tas patērē maz enerģijas, ja salīdzinātu to ar oksidācijas procesu, tas būtu apmēram piecpadsmit reizes mazāks.

Mūsu ķermenī fermentācijas procesi notiek muskuļu līmenī. Šie audi var darboties bez skābekļa, tāpēc ir iespējams, ka glikozes molekula tiek sadalīta pienskābē (piemēram, kad mēs veicam izsmeļošas sporta aktivitātes).

Fermentācijas procesā galaproduktam joprojām ir enerģijas potenciāls, ko var iegūt. Fermentācijas gadījumā muskuļos pienskābes oglekļi ir tādā pašā reducēšanās līmenī kā sākotnējās molekulas: glikozes.

Tādējādi enerģijas ražošana notiek, veidojot molekulas, kurām ir augstas enerģijas saites, ieskaitot 1,3-bisfosfoglicerātu un fosfoenolpiruvātu.

Piemēram, glikolīzē šo savienojumu hidrolīze ir saistīta ar ATP molekulu veidošanos, tātad termins “substrāta līmenī”.

ATP cikls

ATP nekad netiek saglabāts. Tas atrodas nepārtrauktā lietošanas un sintēzes ciklā. Tas rada līdzsvaru starp izveidoto ATP un tā hidrolizēto produktu - ADP.

Avots: Autors Muessig, no Wikimedia Commons

Citas enerģijas molekulas

ATP nav vienīgā molekula, kas sastāv no nukleozīdu bisfosfāta un kas pastāv šūnu metabolismā. Ir vairākas molekulas, kuru struktūras ir līdzīgas ATP un kurām ir līdzīga enerģijas izturēšanās, kaut arī tās nav tik populāras kā ATP.

Visizcilākais piemērs ir GTP, guanozīna trifosfāts, ko izmanto plaši pazīstamajā Krebsa ciklā un glikoneogēnajā ceļā. Pārējie mazāk izmantotie ir CTP, TTP un UTP.

Atsauces

1. Gytons, AC, un Hall, JE (2000). Cilvēka fizioloģijas mācību grāmata.
2. Zāle, JE (2017). Gytona E Hallas traktāts par medicīnisko fizioloģiju. Elsevier Brazīlija.
3. Hernandezs, AGD (2010). Traktāts par uzturu: Pārtikas sastāvs un uztura kvalitāte. Panamerican Medical Ed.
4. Lim, MANS (2010). Svarīgākās vielas vielmaiņā un uzturā. Elsevier.
5. Pratt, CW, & Kathleen, C. (2012). Bioķīmija. Redakcijas El Manual Moderno.
6. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (2007). Bioķīmijas pamati. Redakcija Médica Panaméricana.