АТП (АДЕНОЗИНТРИФОСФАТ): СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ, ГИДРОЛИЗ - БИОЛОГИЯ - 2025

АТФ (аденозинтрифосфат) представляет собой органическую молекулу с высокими энергетическими связями , образованными с помощью кольца аденина, рибозы и трех фосфатных групп. Он играет фундаментальную роль в обмене веществ, поскольку переносит энергию, необходимую для эффективной работы ряда клеточных процессов.

Он широко известен под термином «энергетическая валюта», поскольку его образование и использование происходит легко, что позволяет быстро «расплачиваться» за химические реакции, требующие энергии.

Источник: Пользователь: Mysid (Сделано в bkchem; отредактировано на perl.), Через Wikimedia Commons

Хотя невооруженным глазом молекула небольшая и простая, в своих связях она хранит значительное количество энергии. Фосфатные группы имеют отрицательные заряды, которые находятся в постоянном отталкивании, что делает их лабильной связью, которую легко разорвать.

Гидролиз АТФ - это разрушение молекулы в присутствии воды. Благодаря этому процессу высвобождается содержащаяся в нем энергия.

Существует два основных источника АТФ: фосфорилирование на уровне субстрата и окислительное фосфорилирование, последнее является наиболее важным и наиболее часто используемым клеткой.

Окислительное фосфорилирование сочетает окисление FADH ₂ и NADH + H ⁺ в митохондриях, а фосфорилирование на уровне субстрата происходит за пределами цепи переноса электронов по таким путям, как гликолиз и цикл трикарбоновых кислот.

Эта молекула отвечает за обеспечение энергией, необходимой для большинства процессов, происходящих внутри клетки, от синтеза белка до передвижения. Кроме того, он позволяет молекулам проходить через мембраны и участвует в передаче сигналов клетками.

Структура

АТФ, как следует из названия, представляет собой нуклеотид с тремя фосфатами. Его особая структура, в частности две пирофосфатные связи, делают его богатым энергией соединением. Он состоит из следующих элементов:

- Азотистое основание, аденин. Основания азота - это циклические соединения, содержащие в своей структуре один или несколько атомов азота. Мы также находим их в составе нуклеиновых кислот, ДНК и РНК.

- Рибоза находится в центре молекулы. Это сахар пентозного типа, так как он имеет пять атомов углерода. Его химическая формула - C ₅ H ₁₀ O ₅ . Углерод 1 рибозы присоединен к адениновому кольцу.

- Три фосфатных радикала. Последние два являются «высокоэнергетическими связями» и представлены в графической структуре символом наклона: ~. Фосфатная группа - одна из самых важных в биологических системах. Эти три группы называются альфа, бета и гамма, от ближайшего к самому дальнему.

Эта связь очень лабильна, поэтому она быстро, легко и спонтанно разделяется, когда этого требуют физиологические условия организма. Это происходит потому, что отрицательные заряды трех фосфатных групп постоянно пытаются отойти друг от друга.

Характеристики

АТФ играет незаменимую роль в энергетическом обмене практически всех живых организмов. По этой причине ее часто называют энергетической валютой, поскольку ее можно постоянно тратить и пополнять всего за несколько минут.

Прямо или косвенно АТФ обеспечивает энергию для сотен процессов, помимо того, что действует как донор фосфата.

В общем, АТФ действует как сигнальная молекула в процессах, происходящих внутри клетки, он необходим для синтеза компонентов ДНК и РНК, а для синтеза других биомолекул он участвует в транспортировке через мембраны, среди прочего.

Использование АТФ можно разделить на основные категории: перенос молекул через биологические мембраны, синтез различных соединений и, наконец, механическая работа.

Функции АТФ очень широки. Более того, он вовлечен в столько реакций, что невозможно перечислить их все. Поэтому мы обсудим три конкретных примера, чтобы проиллюстрировать каждое из трех упомянутых применений.

Энергоснабжение для транспорта натрия и калия через мембрану

Клетка представляет собой высокодинамичную среду, требующую поддержания определенных концентраций. Большинство молекул попадают в клетку не случайно или случайно. Чтобы молекула или вещество могли проникнуть внутрь, они должны сделать это с помощью своего конкретного переносчика.

Транспортеры - это белки, которые пересекают мембрану и действуют как клеточные «привратники», контролируя поток материалов. Таким образом, мембрана является полупроницаемой: она позволяет одним соединениям проникать, а другим - нет.

Один из самых известных транспортных средств - натриево-калиевый насос. Этот механизм классифицируется как активный транспорт, поскольку движение ионов происходит вопреки их концентрациям, и единственный способ осуществить это движение - ввести в систему энергию в форме АТФ.

По оценкам, одна треть АТФ, образующегося в клетке, используется для поддержания активности помпы. Ионы натрия постоянно откачиваются из клетки, а ионы калия - в обратном направлении.

Логично, что использование АТФ не ограничивается транспортировкой натрия и калия. Есть и другие ионы, такие как кальций, магний и другие, которым необходима эта валюта энергии для входа.

Участие в синтезе белка

Молекулы белков состоят из аминокислот, связанных пептидными связями. Для их образования требуется разрыв четырех высокоэнергетических связей. Другими словами, для образования белка средней длины необходимо гидролизовать значительное количество молекул АТФ.

Синтез белка происходит в структурах, называемых рибосомами. Они могут интерпретировать код, который имеет информационная РНК, и переводить его в аминокислотную последовательность, АТФ-зависимый процесс.

В наиболее активных клетках синтез белка может направлять до 75% АТФ, синтезируемого в этой важной работе.

С другой стороны, клетка не только синтезирует белки, но и нуждается в липидах, холестерине и других важных веществах, а для этого ей требуется энергия, содержащаяся в связях АТФ.

Обеспечьте энергией передвижение

Механическая работа - одна из важнейших функций АТФ. Например, чтобы наше тело могло сокращать мышечные волокна, необходимо наличие большого количества энергии.

В мышцах химическая энергия может быть преобразована в механическую благодаря реорганизации белков с возможностью сокращения, которые образуют ее. Длина этих структур изменяется, укорачивается, что создает напряжение, которое приводит к движению.

У других организмов движение клеток также происходит благодаря присутствию АТФ. Например, движение ресничек и жгутиков, которое позволяет перемещать определенные одноклеточные организмы, происходит за счет использования АТФ.

Еще одно конкретное движение - это амебное движение, которое связано с выступанием псевдоножки на концах клеток. Этот механизм передвижения используют несколько типов клеток, включая лейкоциты и фибробласты.

В случае половых клеток движение необходимо для эффективного развития эмбриона. Эмбриональные клетки перемещаются на значительные расстояния от места своего происхождения до региона, где они должны создавать определенные структуры.

Гидролиз

Гидролиз АТФ - это реакция, которая включает разрушение молекулы в присутствии воды. Реакция представлена ​​следующим образом:

АТФ + вода ⇋ АДФ + P _я + энергия. Где термин P _i относится к неорганической фосфатной группе, а АДФ представляет собой аденозиндифосфат. Обратите внимание, что реакция обратимая.

Гидролиз АТФ - это явление, которое включает высвобождение огромного количества энергии. Разрыв любой из пирофосфатных связей приводит к высвобождению 7 ккал на моль - в частности, 7,3 от АТФ до АДФ и 8,2 для производства аденозинмонофосфата (АМФ) из АТФ. Это соответствует 12000 калорий на моль АТФ.

Почему происходит это высвобождение энергии?

Потому что продукты гидролиза намного стабильнее исходного соединения, то есть АТФ.

Следует отметить, что только гидролиз, который происходит на пирофосфатных связях, приводящий к образованию АДФ или АМФ, приводит к генерации энергии в значительных количествах.

Гидролиз других связей в молекуле не дает столько энергии, за исключением гидролиза неорганического пирофосфата, который имеет большое количество энергии.

Высвобождение энергии в результате этих реакций используется для осуществления метаболических реакций внутри клетки, поскольку многие из этих процессов нуждаются в энергии для функционирования как на начальных этапах путей разложения, так и при биосинтезе соединений. ,

Например, в метаболизме глюкозы начальные этапы включают фосфорилирование молекулы. На следующих этапах создается новый ATP для получения положительной чистой прибыли.

С энергетической точки зрения существуют другие молекулы, энергия высвобождения которых больше, чем у АТФ, включая 1,3-бисфосфоглицерат, карбамилфосфат, креатининфосфат и фосфоенолпируват.

Получение АТФ

АТФ можно получить двумя путями: окислительное фосфорилирование и фосфорилирование на уровне субстрата. Первому нужен кислород, а второму - нет. Около 95% образующегося АТФ происходит в митохондриях.

Окислительного фосфорилирования

Окислительное фосфорилирование включает двухфазный процесс окисления питательных веществ: получение восстановленных коферментов НАДН и ФАДН _2, полученных из витаминов.

Восстановление этих молекул требует использования водорода из питательных веществ. В жирах производство коферментов замечательно благодаря огромному количеству атомов водорода, которые они содержат в своей структуре, по сравнению с пептидами или углеводами.

Хотя существует несколько путей производства кофермента, наиболее важным из них является цикл Кребса. Впоследствии восстановленные коферменты концентрируются в дыхательных цепях, расположенных в митохондриях, которые переносят электроны на кислород.

Цепь переноса электронов состоит из серии связанных с мембраной белков, которые перекачивают протоны (H +) наружу (см. Изображение). Эти протоны входят в мембрану и снова пересекают ее с помощью другого белка, АТФ-синтазы, ответственного за синтез АТФ.

Другими словами, мы должны уменьшить количество коферментов, больше АДФ и кислорода производят воду и АТФ.

Источник: Бустаманте Йесс, Wikimedia Commons.

Фосфорилирование на уровне субстрата

Фосфорилирование на уровне субстрата не так важно, как описанный выше механизм, и, поскольку оно не требует молекул кислорода, оно часто связано с ферментацией. Этот способ, хотя он и очень быстрый, потребляет мало энергии, но если сравнить его с процессом окисления, он будет примерно в пятнадцать раз меньше.

В нашем организме процессы брожения происходят на мышечном уровне. Эта ткань может функционировать без кислорода, поэтому возможно, что молекула глюкозы расщепляется до молочной кислоты (например, когда мы занимаемся изнурительной спортивной деятельностью).

При ферментации конечный продукт все еще имеет энергетический потенциал, который можно извлечь. В случае ферментации в мышцах количество атомов углерода в молочной кислоте находится на том же уровне снижения, что и в исходной молекуле: глюкозе.

Таким образом, производство энергии происходит за счет образования молекул, имеющих высокоэнергетические связи, включая 1,3-бисфосфоглират и фосфоенолпируват.

При гликолизе, например, гидролиз этих соединений связан с образованием молекул АТФ, отсюда и термин «на уровне субстрата».

Цикл АТФ

АТФ никогда не сохраняется. Он находится в непрерывном цикле использования и синтеза. Это создает баланс между образованным АТФ и его гидролизованным продуктом, АДФ.

Источник: Мюссиг, из Wikimedia Commons.

Другие энергетические молекулы

АТФ - не единственная молекула, состоящая из бисфосфата нуклеозидов, которая участвует в клеточном метаболизме. Есть ряд молекул со структурой, подобной АТФ, которые имеют сопоставимые энергетические характеристики, хотя они не так популярны, как АТФ.

Наиболее ярким примером является GTP, гуанозинтрифосфат, который используется в хорошо известном цикле Кребса и в глюконеогенном пути. Другие, менее используемые, - это CTP, TTP и UTP.

Ссылки

1. Гайтон, AC, и Холл, Дж. Э. (2000). Учебник физиологии человека.
2. Холл, Дж. Э. (2017). Трактат Гайтона Э. Холла по медицинской физиологии. Эльзевьер Бразилия.
3. Эрнандес, AGD (2010). Трактат по питанию: состав и питательность продуктов. Panamerican Medical Ed.
4. Лим, MY (2010). Основы обмена веществ и питания. Elsevier.
5. Пратт, К.В., и Кэтлин, К. (2012). Биохимия. От редакции El Manual Moderno.
6. Воет Д., Воет Дж. Г. и Пратт CW (2007). Основы биохимии. От редакции Médica Panaméricana.