АТФ (аденозинтрифосфат) структура, функції, гідроліз



The АТФ (аденозинтрифосфат) є органічною молекулою з високоенергетичними зв'язками, що складаються з аденінового кільця, рибози і трьох фосфатних груп. Вона має фундаментальну роль у метаболізмі, оскільки переносить необхідну енергію для підтримки ряду клітинних процесів, які функціонують ефективно.

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

Хоча молекула неозброєним оком невелика і проста, вона зберігає значну кількість енергії в своїх ланках. Фосфатні групи мають негативні заряди, які знаходяться в постійному відштовхуванні, що робить його лабільним і легко ламається ланкою.

Гідроліз АТФ являє собою розпад молекули присутністю води. Через цей процес виділяється енергія, що міститься.

Є два основних джерела АТФ: фосфорилювання на рівні субстрату і окисне фосфорилювання, причому останнє є найбільш важливим і найбільш використовуваним клітиною.

Окисне фосфорилювання поєднує окислення FADH2 і NADH + H+ в мітохондріях і фосфорилювання на рівні субстрату відбувається за межами транспортного ланцюга електронів, на маршрутах, таких як гліколіз і цикл трикарбонових кислот.

Ця молекула відповідає за забезпечення енергії, необхідної для більшості процесів, що відбуваються всередині клітини, від синтезу білка до локомоції. Крім того, він дозволяє здійснювати рух молекул через мембрани і діє на клітинну сигналізацію.

Індекс

  • 1 Структура
  • 2 Функції
    • 2.1 Енергозабезпечення транспорту натрію і калію через мембрану
    • 2.2 Участь у синтезі білка
    • 2.3 Постачання енергії для руху
  • 3 Гідроліз
    • 3.1 Чому відбувається вивільнення енергії?
  • 4 Отримання АТФ
    • 4.1 Окисне фосфорилювання
    • 4.2 Фосфорилювання на рівні субстрату
  • 5 Цикл АТФ
  • 6 Інші молекули енергії
  • 7 Посилання

Структура

АТФ, як випливає з назви, являє собою нуклеотид з трьома фосфатами. Його особлива структура, зокрема два пірофосфатні зв'язки, роблять її енергоємною сполукою. Він складається з наступних елементів:

- Азотиста основа, аденін. Азотні підстави є циклічними сполуками, які містять один або більше азот у своїй структурі. Ми також знаходимо їх як компоненти в нуклеїнових кислотах, ДНК і РНК.

- Рибоза розташована в центрі молекули. Це цукор пентозного типу, оскільки має п'ять атомів вуглецю. Його хімічна формула C5H10O5. Вуглець 1 рибози приєднаний до аденінового кільця.

- Три фосфатні радикали. Останні два є "високими енергетичними зв'язками" і представлені в графічних структурах з символом virgulilla: ~. Фосфатна група є однією з найважливіших у біологічних системах. Три групи називаються альфа, бета і гамма, від найближчих до найдальших.

Ця ланка дуже лабільна, тому вона ділиться швидко, легко і спонтанно, коли це вимагає фізіологічні умови організму. Це відбувається тому, що негативні заряди трьох фосфатних груп намагаються постійно відходити один від одного.

Функції

АТФ відіграє незамінну роль у енергетичному метаболізмі практично всіх живих організмів. З цієї причини її часто називають енергетичною валютою, оскільки її можна витрачати і поповнювати безперервно всього за кілька хвилин..

Прямий або непрямий, АТФ забезпечує енергію для сотень процесів, крім того, що діє як донор фосфату.

Загалом, АТФ діє як сигнальна молекула в процесах, що відбуваються всередині клітини, необхідно синтезувати компоненти ДНК і РНК і для синтезу інших біомолекул, вона бере участь в трафіку через мембран, серед інших.

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

Функції АТП дуже широкі. Крім того, вона залучена до стільки реакцій, що неможливо назвати їх усіма. Таким чином, ми розглянемо три конкретні приклади для прикладу кожного з трьох згаданих видів використання.

Енергозабезпечення для транспорту натрію і калію через мембрану

Клітина є надзвичайно динамічним середовищем, що вимагає збереження конкретних концентрацій. Більшість молекул не входять до клітини випадковим чином або випадково. Для того, щоб молекула або речовина увійшли, вони повинні робити це за допомогою специфічного транспортера.

Транспортери являють собою білки, які перетинають мембрану і функціонують як клітинні "воротарі", контролюючи потік матеріалів. Тому мембрана є напівпроникною: вона дозволяє вводити певні сполуки, а інші не.

Одним з найбільш відомих перевезень є натрієво-калієвий насос. Цей механізм класифікується як активний транспорт, оскільки рух іонів відбувається проти їх концентрацій і єдиним способом виконання цього руху є введення енергії в систему у вигляді АТФ..

Підраховано, що третина АТФ, що утворюється в комірці, використовується для підтримки активності насоса. Іони натрію постійно перекачуються до зовнішньої клітини, тоді як іони калію роблять це в зворотному напрямку.

Логічно, застосування АТФ не обмежується транспортом натрію і калію. Є й інші іони, такі як кальцій, магній, серед яких потрібна ця енергія для входу.

Участь у синтезі білка

Білкові молекули утворені амінокислотами, пов'язаними разом пептидними зв'язками. Для їх формування потрібно розрив чотирьох високоенергетичних зв'язків. Іншими словами, для формування білка середньої довжини необхідно гідролізувати значну кількість молекул АТФ.

Синтез білків відбувається в структурах, які називаються рибосомами. Вони здатні інтерпретувати код, яким володіє РНК-месенджер, і перевести його в амінокислотну послідовність, ATP-залежний процес.

У найбільш активних клітинах синтез білка може направити до 75% синтезованого АТФ у цій важливій роботі.

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

Забезпечують енергію для руху

Механічна робота є однією з найважливіших функцій АТП. Наприклад, для того, щоб наш організм міг виконувати скорочення м'язових волокон, необхідна велика кількість енергії.

У м'язі, хімічна енергія може бути перетворена в механічну енергію завдяки реорганізації білків зі здатністю до скорочення, які формують його. Довжина цих структур модифікована, укорочена, що створює напругу, що призводить до генерації руху.

В інших організмах рух клітин також відбувається завдяки присутності АТФ. Наприклад, рух війок і джгутиків, що дозволяє витісняти певні одноклітинні організми, відбувається за рахунок застосування АТФ.

Іншим особливим рухом є амебний, який включає випинання псевдопода в кінцях клітини. Кілька типів клітин використовують цей механізм пересування, включаючи лейкоцити і фібробласти.

У випадку зародкових клітин локомоція є важливою для ефективного розвитку ембріона. Ембріональні клітини переміщують важливі відстані від місця їхнього походження до регіону, де вони повинні створювати специфічні структури.

Гідроліз

Гідроліз АТФ являє собою реакцію, що передбачає розпад молекули присутністю води. Реакція представлена ​​наступним чином:

АТФ + вода ⇋ ADP + Pi + енергії Де, термін Pi воно відноситься до групи неорганічного фосфату і ADP є аденозиндифосфатом. Зауважимо, що реакція оборотна.

Гідроліз АТФ є явищем, що передбачає вивільнення величезної кількості енергії. Розрив будь-якої з пірофосфатних зв'язків призводить до вивільнення 7 ккал на моль - конкретно 7,3 АТФ на АДФ і 8,2 для виробництва аденозинмонофосфату (АМФ) з АТФ. Це дорівнює 12000 калорій на моль АТФ.

Чому відбувається цей викид енергії??

Оскільки продукти гідролізу набагато більш стабільні, ніж вихідні сполуки, тобто АТФ.

Необхідно зазначити, що тільки гідроліз, що відбувається на пірофосфатних зв'язках, що призводить до утворення АДФ або АМФ, призводить до генерації енергії у важливих кількостях.

Гідроліз інших зв'язків в молекулі не дає стільки енергії, за винятком гідролізу неорганічного пірофосфату, який має велику кількість енергії \ t.

Виділення енергії з цих реакцій використовується для виконання метаболічних реакцій всередині клітини, оскільки багато з цих процесів вимагають енергії для функціонування як на початкових етапах шляхів деградації, так і в біосинтезі сполук..

Наприклад, при метаболізмі глюкози початкові стадії включають фосфорилювання молекули. На наступних етапах генерується новий АТФ, щоб отримати позитивний чистий прибуток.

З енергетичної точки зору існують інші молекули, енерговиділення яких більше, ніж у АТФ, включаючи 1,3-бифосфоглицерат, карбамилфосфат, креатинінфосфат і фосфоенолпіруват..

Отримання АТФ

АТФ може бути отриманий двома шляхами: окисне фосфорилювання і фосфорилювання на рівні субстрату. Перший вимагає кисню, а другий не потребує. Приблизно 95% утворюється АТФ відбувається в мітохондріях.

Окисне фосфорилювання

Окисне фосфорилювання включає процес окислення поживних речовин у дві фази: отримання знижених коферментів NADH і FADH2 похідні вітамінів.

Скорочення цих молекул вимагає використання водню від поживних речовин. У жирах виробництво коферментів є чудовим, завдяки величезній кількості водню, що вони мають у своїй структурі, порівняно з пептидами або з вуглеводами..

Хоча існує кілька способів отримання коферментів, найважливішим шляхом є цикл Кребса. Згодом, відновлені коферменти концентруються в дихальних ланцюгах, розташованих в мітохондріях, які переносять електрони в кисень..

Електронно-транспортна ланцюг утворена серією білків, з'єднаних з мембраною, які прокачують протони (Н +) назовні (див. Малюнок). Ці протони вступають знову перетинають мембрану через інший білок, АТФ-синтазу, відповідальну за синтез АТФ.

Іншими словами, ми повинні знижувати коферменти, більше АДФ і кисень генерують воду і АТФ.

Фосфорилювання на рівні субстрату

Фосфорилювання на рівні субстрату не настільки важливо, як описаний вище механізм, і оскільки він не вимагає молекул кисню, він зазвичай пов'язаний з ферментацією. Таким чином, хоча це дуже швидко, витягує мало енергії, якщо порівняти її з процесом окислення, то це буде приблизно в п'ятнадцять разів менше..

У нашому тілі ферментативні процеси відбуваються на рівні м'язів. Ця тканина може функціонувати без кисню, тому можливо, що молекула глюкози деградує до молочної кислоти (коли ми робимо деяку вичерпну спортивну діяльність, наприклад).

У ферментації кінцевий продукт все ще має енергетичний потенціал, який можна витягти. У разі ферментації в м'язах, вуглекислий газ в молочній кислоті перебуває на тому ж рівні зниження, що і в початковій молекулі: глюкоза.

Таким чином, виробництво енергії відбувається шляхом утворення молекул, які мають зв'язки високої енергії, включаючи 1,3-бифосфоглират і фосфоенолпіруват..

У гліколізі, наприклад, гідроліз цих сполук пов'язаний з продукцією молекул АТФ, отже, термін "на рівні субстрату".

Цикл АТФ

АТФ ніколи не зберігається. Він знаходиться в безперервному циклі використання і синтезу. Таким чином створюється баланс між утвореним АТФ і його гідролізованим продуктом - АДФ.

Інші молекули енергії

АТФ - не єдина молекула, що складається з нуклеозидного біфосфату, що існує в клітинному метаболізмі. Існує ряд молекул зі структурами, подібними до АТФ, які мають порівнянну енергетичну поведінку, хоча вони не є такими популярними, як АТФ.

Найбільш видатним прикладом є GTP, гуанозин трифосфат, який використовується у відомому циклі Кребса і в глюконеогенном шляху. Інші менш використовувані - це CTP, TTP і UTP.

Список літератури

  1. Guyton, A.C., & Hall, J.E. (2000). Підручник з фізіології людини.
  2. Hall, J. E. (2017). Трактат про медичну фізіологію. Elsevier Бразилія.
  3. Ернандес, А. Г. Д. (2010). Договір про харчування: склад і харчова якість продуктів харчування. Ed. Panamericana Medical.
  4. Lim, M. Y. (2010). Основи метаболізму та харчування. Elsevier.
  5. Pratt, C. W., & Kathleen, C. (2012). Біохімія. Редакційна стаття Сучасний посібник.
  6. Voet, D., Voet, J.G., & Pratt, C.W. (2007). Основи біохімії. Медична редакція Panamericana.