ATP (ADENOZÍN TRIFOSFÁT): ŠTRUKTÚRA, FUNKCIE, HYDROLÝZA - BIOLÓGIE - 2026

ATP (adenozíntrifosfát) je organická molekula s vysokou energiou väzbami tvorené prstencom adenínu, ribózy a tri fosfátové skupiny. Má zásadnú úlohu v metabolizme, pretože prenáša energiu potrebnú na efektívne fungovanie radu bunkových procesov.

Je všeobecne známy pod pojmom „energetická mena“, pretože k jej tvorbe a použitiu dochádza ľahko, čo jej umožňuje rýchlo „platiť“ za chemické reakcie, ktoré si vyžadujú energiu.

Zdroj: Užívateľ: Mysid (Self-made in bkchem; editoval perl.), Via Wikimedia Commons

Hoci je molekula voľným okom malá a jednoduchá, vo svojich väzbách ukladá značné množstvo energie. Fosfátové skupiny majú záporné náboje, ktoré sa neustále odpudzujú, čo z nej robí labilnú väzbu, ktorá sa ľahko rozbije.

Hydrolýza ATP je rozpad molekuly prítomnosťou vody. Týmto procesom sa uvoľní obsiahnutá energia.

Existujú dva hlavné zdroje ATP: fosforylácia na úrovni substrátu a oxidačná fosforylácia, pričom druhá je najdôležitejšia a bunka najpoužívanejšia.

Oxidatívny fosforylácie spája oxidácie FADH ₂ a NADH + H ⁺ v mitochondriách a fosforylácie na úrovni substrátu dochádza mimo elektrónový dopravnej reťaz, na cestách, ako je glykolýza a kyseliny cyklu trikarboxylových.

Táto molekula je zodpovedná za poskytovanie energie potrebnej pre väčšinu procesov, ktoré sa vyskytujú vo vnútri bunky, od syntézy proteínov po pohyb. Okrem toho umožňuje prenos molekúl cez membrány a pôsobí pri bunkovej signalizácii.

štruktúra

ATP, ako naznačuje jeho názov, je nukleotid s tromi fosfátmi. Jeho špecifická štruktúra, konkrétne dve pyrofosfátové väzby, z neho robia zlúčeninu bohatú na energiu. Pozostáva z týchto prvkov:

- Dusíkatá báza, adenín. Dusíkové bázy sú cyklické zlúčeniny, ktoré vo svojej štruktúre obsahujú jeden alebo viac dusíka. Nájdeme ich tiež ako zložky v nukleových kyselinách, DNA a RNA.

- Ribóza sa nachádza v strede molekuly. Je to cukor pentózového typu, pretože má päť atómov uhlíka. Jeho chemický vzorec je C ₅ H ₁₀ O ₅ . Uhlík 1 ribózy je pripojený k adenínovému kruhu.

- Tri fosfátové radikály. Posledné dve sú „vysokoenergetické väzby“ a sú v grafických štruktúrach znázornené symbolom naklonenia: ~. Fosfátová skupina je jedným z najdôležitejších v biologických systémoch. Tieto tri skupiny sa nazývajú alfa, beta a gama, od najbližších k najvzdialenejším.

Toto spojenie je veľmi labilné, takže sa rýchlo, ľahko a spontánne delí, keď to fyziologické stavy tela zaručujú. K tomu dochádza, pretože záporné náboje troch fosfátových skupín sa neustále snažia od seba vzdialiť.

Vlastnosti

ATP hrá nevyhnutnú úlohu v energetickom metabolizme prakticky všetkých živých organizmov. Z tohto dôvodu sa často označuje ako energetická mena, pretože ju možno priebežne minúť a doplniť za pár minút.

Priamo alebo nepriamo ATP poskytuje energiu pre stovky procesov, okrem toho, že pôsobí ako donor fosfátu.

ATP vo všeobecnosti pôsobí ako signálna molekula v procesoch, ktoré sa vyskytujú vo vnútri bunky, je potrebné syntetizovať zložky DNA a RNA a na syntézu ďalších biomolekúl sa zúčastňuje obchodovania prostredníctvom membrány, medzi ostatnými.

Použitie ATP možno rozdeliť do hlavných kategórií: transport molekúl biologickými membránami, syntéza rôznych zlúčenín a nakoniec mechanická práca.

Funkcie ATP sú veľmi široké. Okrem toho sa podieľa na mnohých reakciách, že by nebolo možné ich všetky pomenovať. Preto budeme diskutovať o troch konkrétnych príkladoch, ktoré ilustrujú každé z troch uvedených použití.

Dodávka energie na transport sodíka a draslíka cez membránu

Bunka je vysoko dynamické prostredie, ktoré si vyžaduje udržiavanie špecifických koncentrácií. Väčšina molekúl nevstúpi do bunky náhodne alebo náhodne. Aby mohla molekula alebo látka vstúpiť, musí tak urobiť pomocou svojho špecifického transportéra.

Transportéry sú proteíny preklenujúce membrány, ktoré fungujú ako „gatekeepers“ buniek a regulujú tok materiálov. Membrána je preto polopriepustná: umožňuje vstupu určitých zlúčenín a iné nie.

Jednou z najznámejších transportov je čerpadlo sodík-draslík. Tento mechanizmus je klasifikovaný ako aktívny transport, pretože k pohybu iónov dochádza proti ich koncentráciám a jediný spôsob, ako uskutočniť tento pohyb, je zavádzanie energie do systému vo forme ATP.

Odhaduje sa, že jedna tretina ATP vytvoreného v bunke sa používa na udržanie aktívnej pumpy. Sodné ióny sú neustále prečerpávané z bunky, zatiaľ čo ióny draslíka sú čerpané v opačnom smere.

Logicky sa použitie ATP neobmedzuje len na prepravu sodíka a draslíka. Existujú aj iné ióny, napríklad vápnik, horčík, ktoré potrebujú túto energetickú menu.

Účasť na syntéze proteínov

Proteínové molekuly sú tvorené aminokyselinami, ktoré sú spojené peptidovými väzbami. Ich vytvorenie si vyžaduje prerušenie štyroch vysokoenergetických väzieb. Inými slovami, značný počet molekúl ATP sa musí hydrolyzovať, aby sa vytvoril proteín priemernej dĺžky.

K syntéze bielkovín dochádza v štruktúrach nazývaných ribozómy. Sú schopní interpretovať kód, ktorý má messengerová RNA, a prekladať ju do aminokyselinovej sekvencie, ATP-dependentného procesu.

V najaktívnejších bunkách môže syntéza proteínov riadiť až 75% ATP syntetizovaného v tejto dôležitej práci.

Na druhej strane bunka nielenže syntetizuje proteíny, ale tiež potrebuje lipidy, cholesterol a ďalšie esenciálne látky a na to potrebuje energiu obsiahnutú vo väzbách ATP.

Poskytnite energiu na pohyb

Mechanická práca je jednou z najdôležitejších funkcií ATP. Napríklad, aby naše telo mohlo vykonávať kontrakcie svalových vlákien, je nevyhnutná dostupnosť veľkého množstva energie.

Vo svaloch sa chemická energia môže transformovať na mechanickú energiu vďaka reorganizácii proteínov so schopnosťou sťahovať sa z nej. Dĺžka týchto štruktúr je upravená, skrátená, čo vytvára napätie, ktoré sa premieta do vytvárania pohybu.

U iných organizmov dochádza k pohybu buniek aj vďaka prítomnosti ATP. Napríklad k pohybu rias a bičíkov, ktoré umožňujú vytesnenie určitých jednobunkových organizmov, dochádza prostredníctvom použitia ATP.

Ďalším konkrétnym pohybom je améebický pohyb, ktorý zahŕňa vyčnievanie pseudopodu na koncoch buniek. Niekoľko typov buniek používa tento pohybový mechanizmus, vrátane leukocytov a fibroblastov.

V prípade zárodočných buniek je lokomócia nevyhnutná pre efektívny vývoj embrya. Embryonálne bunky prechádzajú dôležitými vzdialenosťami od miesta svojho pôvodu do regiónu, kde musia pochádzať zo špecifických štruktúr.

hydrolýza

Hydrolýza ATP je reakcia, ktorá spočíva v rozklade molekuly prítomnosťou vody. Reakcia je znázornená nasledovne:

ATP + voda ⇋ ADP + P _i + energia. Tam, kde sa termín P _aj označuje anorganické fosfátové skupiny a ADP je adenozín difosfát. Všimnite si, že reakcia je reverzibilná.

Hydrolýza ATP je jav, ktorý spočíva v uvoľnení obrovského množstva energie. Rozbitie ktorejkoľvek z pyrofosfátových väzieb má za následok uvoľnenie 7 kcal na mol - konkrétne 7,3 z ATP na ADP a 8,2 na výrobu adenozínmonofosfátu (AMP) z ATP. To predstavuje 12 000 kalórií na mól ATP.

Prečo k tomuto uvoľňovaniu energie dochádza?

Pretože produkty hydrolýzy sú omnoho stabilnejšie ako pôvodná zlúčenina, to znamená ako ATP.

Malo by sa uviesť, že iba hydrolýza, ktorá sa vyskytuje na pyrofosfátových väzbách, ktorá vedie k tvorbe ADP alebo AMP, vedie k tvorbe energie vo významných množstvách.

Hydrolýza ďalších väzieb v molekule neposkytuje toľko energie, s výnimkou hydrolýzy anorganického pyrofosfátu, ktorý má veľké množstvo energie.

Uvoľňovanie energie z týchto reakcií sa používa na uskutočnenie metabolických reakcií vo vnútri bunky, pretože mnoho z týchto procesov potrebuje energiu na fungovanie, a to ako v počiatočných krokoch degradačných ciest, tak pri biosyntéze zlúčenín. ,

Napríklad pri metabolizme glukózy počiatočné kroky zahŕňajú fosforyláciu molekuly. V nasledujúcich krokoch sa vytvorí nový ATP, aby sa dosiahol kladný čistý zisk.

Z energetického hľadiska existujú ďalšie molekuly, ktorých uvoľňovacia energia je vyššia ako energia ATP, vrátane 1,3-bisfosfoglycerátu, karbamylfosfátu, kreatinín-fosfátu a fosfoenolpyruvátu.

Získanie ATP

ATP je možné získať dvoma spôsobmi: oxidačná fosforylácia a fosforylácia na úrovni substrátu. Prvý vyžaduje kyslík, zatiaľ čo druhý nemá. Približne 95% vytvoreného ATP sa vyskytuje v mitochondriách.

Oxidačná fosforylácia

Oxidačný fosforylácie zahŕňa dvojfázový živín oxidácie: získanie znížená koenzýmy NADH a FADH ₂ odvodený z vitamínov.

Redukcia týchto molekúl vyžaduje použitie vodíka z živín. V tukoch je výroba koenzýmov pozoruhodná vďaka enormnému množstvu vodíkov, ktoré majú vo svojej štruktúre, v porovnaní s peptidmi alebo sacharidmi.

Aj keď existuje niekoľko ciest výroby koenzýmu, najdôležitejšou cestou je Krebsov cyklus. Následne sa redukované koenzýmy koncentrujú v dýchacích reťazcoch nachádzajúcich sa v mitochondriách, ktoré prenášajú elektróny na kyslík.

Transportný reťazec elektrónov je tvorený sériou proteínov spojených s membránou, ktoré pumpujú protóny (H +) smerom von (pozri obrázok). Tieto protóny vstupujú a znova prechádzajú membránou pomocou iného proteínu, ATP syntázy, zodpovedného za syntézu ATP.

Inými slovami, musíme znížiť koenzýmy, viac ADP a kyslíka generujú vodu a ATP.

Zdroj: Autor: Bustamante Yess, z Wikimedia Commons

Fosforylácia na substrátovej úrovni

Fosforylácia na úrovni substrátu nie je taká dôležitá ako mechanizmus opísaný vyššie a, pretože nevyžaduje molekuly kyslíka, je často spojená s fermentáciou. Týmto spôsobom, hoci je to veľmi rýchle, sa extrahuje malá energia, ak ju porovnáme s oxidačným procesom, bude to asi pätnásťkrát menej.

V našom tele prebiehajú fermentačné procesy na úrovni svalov. Toto tkanivo môže fungovať bez kyslíka, takže je možné, že molekula glukózy sa rozloží na kyselinu mliečnu (napríklad, keď robíme nejakú vyčerpávajúcu športovú aktivitu).

Pri fermentáciách má konečný produkt stále energetický potenciál, ktorý možno extrahovať. V prípade fermentácie vo svale sú uhlíky v kyseline mliečnej na rovnakej úrovni redukcie ako pôvodná molekula: glukóza.

K produkcii energie teda dochádza tvorbou molekúl, ktoré majú vysokoenergetické väzby, vrátane 1,3-bisfosfoglyrátu a fosfoenolpyruvátu.

Napríklad pri glykolýze je hydrolýza týchto zlúčenín spojená s produkciou molekúl ATP, teda výraz „na úrovni substrátu“.

Cyklus ATP

ATP sa nikdy neukladá. Je v nepretržitom cykle použitia a syntézy. Toto vytvára rovnováhu medzi vytvoreným ATP a jeho hydrolyzovaným produktom, ADP.

Zdroj: Muessig, z Wikimedia Commons

Iné energetické molekuly

ATP nie je jediná molekula zložená z nukleozidového bisfosfátu, ktorý existuje v bunkovom metabolizme. Existuje mnoho molekúl so štruktúrami podobnými ATP, ktoré majú porovnateľné energetické správanie, hoci nie sú také populárne ako ATP.

Najvýznamnejším príkladom je GTP, guanozíntrifosfát, ktorý sa používa v známom Krebsovom cykle a v glukoneogénnej ceste. Iné menej používané sú CTP, TTP a UTP.

Referencie

1. Guyton, AC, and Hall, JE (2000). Učebnica ľudskej fyziológie.
2. Hall, JE (2017). Guyton E Hall, pojednávanie o lekárskej fyziológii. Elsevier Brazília.
3. Hernandez, AGD (2010). Ošetrenie výživy: Zloženie a nutričná kvalita potravín. Panamerican Medical Ed.
4. Lim, MY (2010). Základy metabolizmu a výživy. Elsevier.
5. Pratt, CW a Kathleen, C. (2012). Biochémie. Editorial El Manual Moderno.
6. Voet, D., Voet, JG a Pratt, CW (2007). Základy biochémie. Editorial Médica Panaméricana.