Struktura ATP (adenosintrifosfát), funkce, hydrolýza



ATP (adenosintrifosfát) je organická molekula s vysokoenergetickými vazbami tvořenými adeninovým kruhem, ribózou a třemi fosfátovými skupinami. Má zásadní úlohu v metabolismu, protože transportuje potřebnou energii k udržení řady buněčných procesů, které fungují efektivně.

To je široce známé termínem “měna energie”, protože jeho vytvoření a jeho použití nastane snadno, dovolovat “platit” rychle chemické reakce, které vyžadují energii..

I když je molekula pouhým okem malá a jednoduchá, šetří ve svých spojích značné množství energie. Fosfátové skupiny mají záporné náboje, které jsou v neustálém odpuzování, což ho činí labilním a snadno rozbitým.

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

Existují dva hlavní zdroje ATP: fosforylace na úrovni substrátu a oxidační fosforylace..

Oxidační fosforylace spojuje oxidaci FADH2 a NADH + H+ v mitochondriích a fosforylaci na úrovni substrátu dochází mimo elektronový transportní řetězec, v cestách, jako je glykolýza a cyklus trikarboxylové kyseliny.

Tato molekula je zodpovědná za poskytnutí energie nezbytné pro většinu procesů, které se vyskytují uvnitř buňky, od syntézy proteinů až po lokomoce. Navíc umožňuje přenos molekul přes membrány a působí na signalizaci buněk.

Index

  • 1 Struktura
  • 2 Funkce
    • 2.1 Dodávka energie pro dopravu sodíku a draslíku přes membránu
    • 2.2 Účast na syntéze proteinů
    • 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 Cyklus ATP
  • 6 Další molekuly energie
  • 7 Odkazy

Struktura

ATP, jak napovídá jeho název, je nukleotid se třemi fosfáty. Jeho zvláštní struktura, konkrétně dvě pyrofosfátové vazby, z ní činí energeticky bohatou sloučeninu. Skládá se z následujících prvků:

- Dusíkatá báze, adenin. Dusíkaté báze jsou cyklické sloučeniny, které obsahují ve své struktuře jeden nebo více dusíků. Také je nalézáme jako složky nukleových kyselin, DNA a RNA.

- Ribosa se nachází ve středu molekuly. Je to cukr pentózového typu, protože má pět atomů uhlíku. Jeho chemický vzorec je C5H10O5. Uhlík 1 ribózy je připojen k adeninovému kruhu.

- Tři fosfátové radikály. Poslední dvě jsou "vysokoenergetické spoje" a jsou zastoupeny v grafických strukturách se symbolem virgulily: ~. Fosfátová skupina je jedním z nejdůležitějších v biologických systémech. Tyto tři skupiny se nazývají alfa, beta a gama, od nejbližšího po nejvzdálenější.

Tato vazba je velmi labilní, takže je rychle, snadno a spontánně rozdělena, pokud to fyziologické podmínky organismu vyžadují. To se děje proto, že negativní náboje tří fosfátových skupin se neustále od sebe vzdalují.

Funkce

ATP hraje nepostradatelnou roli v energetickém metabolismu prakticky všech živých organismů. Z tohoto důvodu se často nazývá energetická měna, protože může být používána a doplňována nepřetržitě během několika minut..

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

Obecně platí, že ATP funguje jako signální molekula v procesech, které se vyskytují uvnitř buňky, je nutné syntetizovat složky DNA a RNA a pro syntézu dalších biomolekul, účastní se provozu přes mezi jinými.

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 pojmenovat. Proto se budeme zabývat třemi konkrétními příklady, které budou příkladem každého ze tří zmíněných použití.

Přívod energie pro dopravu sodíku a draslíku přes membránu

Buňka je extrémně dynamické prostředí, které vyžaduje zachování specifických koncentrací. Většina molekul nevstupuje do buňky náhodně nebo náhodně. Aby molekula nebo látka vstoupila, musí tak učinit její specifický transportér.

Transportéry jsou proteiny, které procházejí membránou a fungují jako buněčné "gatekeepers", které řídí tok materiálů. Proto je membrána semipermeabilní: dovoluje určitým sloučeninám vstup a jiné ne.

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

Odhaduje se, že jedna třetina ATP vytvořená v buňce se používá k udržení aktivní pumpy. Ionty sodíku se neustále čerpají do vnějšího prostoru buňky, zatímco draselné ionty to dělají opačně.

Použití ATP není logicky omezeno na transport sodíku a draslíku. Existují i ​​jiné ionty, jako je vápník, hořčík, které mimo jiné potřebují tuto energetickou měnu vstoupit.

Účast na syntéze proteinů

Proteinové molekuly jsou tvořeny aminokyselinami, které jsou spojeny peptidovými vazbami. K jejich utvoření je třeba prolomit čtyři vysokoenergetické vazby. Jinými slovy, značný počet ATP molekul musí být hydrolyzován pro tvorbu proteinu o průměrné délce.

Syntéza proteinů se vyskytuje ve strukturách zvaných ribozomy. Jsou schopni interpretovat kód poslaný messengerovou RNA a přeložit ji do aminokyselinové sekvence, procesu závislého na ATP.

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

Na druhé straně buňka nejen syntetizuje proteiny, ale také potřebuje lipidy, cholesterol a další nepostradatelné látky, a proto vyžaduje energii obsaženou v ATP vazbách..

Poskytovat energii pro pohyb

Mechanická práce je jednou z nejdůležitějších funkcí ATP. Například, aby naše tělo mohlo provádět kontrakci svalových vláken, je nutná dostupnost velkého množství energie.

Ve svalovině může být chemická energie přeměněna na mechanickou energii díky reorganizaci proteinů s kontrakční kapacitou, které ji tvoří. Délka těchto struktur je upravena, zkrácena, což vytváří napětí, které vede k tvorbě pohybu.

V jiných organismech dochází k pohybu buněk také díky přítomnosti ATP. Například pohyb řasinek a bičíků, které umožňují vytěsnění některých jednobuněčných organismů, nastává použitím ATP.

Dalším konkrétním pohybem je amébika, která zahrnuje vyčnívání pseudopodu na konci buňky. Několik typů buněk používá tento mechanismus lokomoce, včetně leukocytů a fibroblastů.

V případě zárodečných buněk je lokomoce nezbytná pro účinný vývoj embrya. Embryonální buňky přemísťují důležité vzdálenosti od místa svého původu do oblasti, kde musí pocházet ze specifických struktur.

Hydrolýza

Hydrolýza ATP je reakce, která zahrnuje rozklad molekuly přítomností vody. Reakce je znázorněna následovně:

ATP + voda ⇋ ADP + Pi + energie Kde, termín Pi odkazuje na skupinu anorganického fosfátu a ADP je adenosintifosfát. Všimněte si, že reakce je reverzibilní.

Hydrolýza ATP je jev, který zahrnuje uvolnění obrovského množství energie. Ruptura jakékoliv z pyrofosfátových vazeb vede k uvolnění 7 kcal na mol - konkrétně 7,3 ATP na ADP a 8,2 na produkci adenosinmonofosfátu (AMP) z ATP. To se rovná 12 000 kalorií na mol ATP.

Proč dochází k tomuto uvolnění energie??

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

Je třeba zmínit, že pouze hydrolýza, ke které dochází u pyrofosfátových vazeb, která vede ke vzniku ADP nebo AMP, vede k tvorbě energie v důležitých 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 vyžaduje energii k fungování, 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 vytvoří nový ATP, aby se získal kladný čistý zisk.

Z energetického hlediska existují další molekuly, jejichž uvolňování energie je vyšší než u ATP, včetně 1,3-bifosfoglycerátu, karbamyl fosfátu, kreatinin fosfátu a fosfoenolpyruvátu..

Získání ATP

ATP lze získat dvěma způsoby: oxidační fosforylací a fosforylací na úrovni substrátu. První z nich vyžaduje kyslík, zatímco druhý ji nepotřebuje. Přibližně 95% vytvořeného ATP se vyskytuje v mitochondriích.

Oxidační fosforylace

Oxidační fosforylace zahrnuje proces oxidace živin ve dvou fázích: získání redukovaných koenzymů NADH a FADH2 deriváty vitamínů.

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

Ačkoli existuje několik způsobů výroby koenzymů, nejdůležitější cestou je Krebsův cyklus. Následně jsou redukované koenzymy koncentrovány v dýchacích řetězcích umístěných v mitochondriích, které přenášejí elektrony na kyslík..

Elektronový transportní řetězec je tvořen řadou proteinů spojených s membránou, které pumpují protony (H +) směrem ven (viz obrázek). Tyto protony vstupují opět přes membránu přes jiný protein, ATP syntázu, zodpovědnou za syntézu ATP.

Jinými slovy, musíme redukovat koenzymy, více ADP a vodu generující kyslík a ATP.

Fosforylace na úrovni substrátu

Fosforylace na úrovni substrátu není tak důležitá jako mechanismus popsaný výše, a protože nevyžaduje molekuly kyslíku, je obvykle spojen s fermentací. Tímto způsobem, i když je to velmi rychlé, získává málo energie, kdybychom to srovnávali 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 molekula glukózy je degradována na kyselinu mléčnou (když děláme například vyčerpávající sportovní aktivity).

Při fermentaci má konečný produkt stále ještě energetický potenciál. V případě fermentace ve svalech jsou uhlíky v kyselině mléčné na stejné úrovni redukce jako v počáteční molekule: glukóza.

Produkce energie tak vzniká tvorbou molekul, které mají vysokoenergetické vazby, včetně 1,3-bifosfoglyrátu a fosfoenolpyruvátu..

V glykolýze je například hydrolýza těchto sloučenin spojena s produkcí ATP molekul, tedy termín "na úrovni substrátu".

Cyklus ATP

ATP není nikdy uložen. Je v nepřetržitém cyklu použití a syntézy. Tímto způsobem vzniká rovnováha mezi vytvořeným ATP a jeho hydrolyzovaným produktem, ADP.

Další molekuly energie

ATP není jedinou molekulou složenou z nukleosidového bifosfátu, který existuje v buněčném metabolismu. Existuje řada molekul se strukturami podobnými ATP, které mají srovnatelné energetické chování, i když nejsou tak populární jako ATP.

Nejvýznamnějším příkladem je GTP, guanosin trifosfát, který se používá ve známém Krebsově cyklu a glukoneogenní dráze. Další méně používané jsou CTP, TTP a UTP.

Odkazy

  1. Guyton, A.C., & Hall, J. E. (2000). Učebnice lidské fyziologie.
  2. Hall, J. E. (2017). Guyton E Hall pojednání o lékařské fyziologii. Elsevier Brazílie.
  3. Hernandez, A. G. D. (2010). Smlouva o výživě: složení a nutriční kvalita potravin. Panamericana Medical.
  4. Lim, M. Y. (2010). Základy metabolismu a výživy. Elsevier.
  5. Pratt, C. W., & Kathleen, C. (2012). Biochemie. Redakce Moderní manuál.
  6. Voet, D., Voet, J.G., & Pratt, C. W. (2007). Základy biochemie. Lékařské redakční Panamericana.