ATP (АДЕНОЗИН ТРИФОСФАТ): СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ, ХИДРОЛИЗА - БИОЛОГИЯ - 2025

На АТР (аденозин трифосфат) е органична молекула с високи енергийни връзки, образувани от пръстен от аденин, рибоза и три фосфатни групи. Той има основна роля в метаболизма, тъй като транспортира енергията, необходима за поддържане на поредица от клетъчни процеси, работещи ефективно.

Той е широко известен с термина "енергийна валута", тъй като образуването и използването му протичат лесно, което му позволява бързо да "плати" за химични реакции, които изискват енергия.

Източник: От потребител: Mysid (Самостоятелно направен в bkchem; редактиран в perl.), Чрез Wikimedia Commons

Въпреки че молекулата с просто око е малка и проста, тя съхранява значително количество енергия в своите връзки. Фосфатните групи имат отрицателни заряди, които са в постоянно отблъскване, което го прави лабилна връзка, която лесно се разрушава.

Хидролизата на АТФ е разграждането на молекулата чрез наличието на вода. Чрез този процес се освобождава съдържащата се енергия.

Има два основни източника на АТФ: фосфорилиране на субстратно ниво и окислително фосфорилиране, като последният е най-важният и най-използваният от клетката.

Окислителното фосфорилиране свързва окисляването на FADH ₂ и NADH + H ⁺ в митохондриите, а фосфорилирането на нивото на субстрата се осъществява извън електронната транспортна верига по пътища като гликолиза и цикъл на трикарбоксилната киселина.

Тази молекула е отговорна за осигуряването на енергията, необходима за повечето процеси, които протичат вътре в клетката, от протеиновия синтез до локомоцията. В допълнение, той позволява движението на молекулите през мембраните и действа в клетъчната сигнализация.

структура

АТФ, както подсказва името му, е нуклеотид с три фосфата. Неговата особена структура, по-специално двете пирофосфатни връзки, я правят богато на енергия съединение. Състои се от следните елементи:

- Азотна основа, аденин. Азотните основи са циклични съединения, които съдържат един или повече азот в своята структура. Откриваме ги и като компоненти в нуклеиновите киселини, ДНК и РНК.

- Рибоза е разположен в центъра на молекулата. Това е захар от пентоза, тъй като има пет въглеродни атома. Химическата му формула е C ₅ H ₁₀ O ₅. Въглерод 1 от рибоза е прикрепен към адениновия пръстен.

- Три фосфатни радикала. Последните две са "високо енергийните връзки" и са представени в графичните структури чрез символа на наклона: ~. Фосфатната група е една от най-важните в биологичните системи. Трите групи се наричат ​​алфа, бета и гама, от най-близките до най-отдалечените.

Тази връзка е много лабилна, така че се разделя бързо, лесно и спонтанно, когато физиологичните условия на тялото го налагат. Това се случва, защото отрицателните заряди на трите фосфатни групи постоянно се опитват да се отдалечават една от друга.

Характеристика

АТФ играе незаменима роля в енергийния метаболизъм на почти всички живи организми. Поради тази причина той често се нарича енергийна валута, тъй като може да се изразходва непрекъснато и да се попълва само за няколко минути.

Пряко или косвено ATP осигурява енергия за стотици процеси, в допълнение към това, че действа като донор на фосфати.

Като цяло АТФ действа като сигнална молекула в процесите, които протичат вътре в клетката, необходимо е да се синтезират компонентите на ДНК и РНК, а за синтеза на други биомолекули, той участва в трафика на мембрани, наред с други.

Използването на ATP може да бъде разделено на основни категории: транспорт на молекули през биологични мембрани, синтез на различни съединения и накрая, механична работа.

Функциите на ATP са много широки. Освен това той участва в толкова много реакции, че би било невъзможно да ги назовем всички. Следователно, ние ще обсъдим три конкретни примера, за да дадем пример за всяка от трите споменати употреби.

Енергийно снабдяване за транспортиране на натрий и калий през мембраната

Клетката е силно динамична среда, която изисква поддържане на специфични концентрации. Повечето молекули не влизат в клетката случайно или случайно. За да влезе молекула или вещество, тя трябва да направи това от специфичния си преносител.

Транспортерите са протеини, обхващащи мембраната, които функционират като „пазачи на клетки“, контролирайки потока на материалите. Следователно мембраната е полупропусклива: тя позволява на някои съединения да влизат, а други не.

Един от най-известните транспорти е натриево-калиевата помпа. Този механизъм се класифицира като активен транспорт, тъй като движението на йони става срещу техните концентрации и единственият начин да се извърши това движение е чрез въвеждане на енергия в системата под формата на АТФ.

Счита се, че една трета от АТФ, образувана в клетката, се използва за поддържане на помпата активна. Натриевите йони постоянно се изпомпват от клетката, докато калиевите йони се изпомпват в обратна посока.

Логично използването на АТФ не е ограничено до транспортирането на натрий и калий. Има и други йони, като калций, магнезий, наред с други, които се нуждаят от тази енергийна валута, за да влязат.

Участие в синтеза на протеини

Протеиновите молекули се състоят от аминокиселини, свързани заедно с пептидни връзки. За формирането им е необходимо разкъсването на четири високоенергийни връзки. С други думи, значителен брой молекули ATP трябва да бъде хидролизиран за образуването на протеин със средна дължина.

Синтезът на протеини протича в структури, наречени рибозоми. Те са в състояние да интерпретират кода, който има пратената РНК и да го преведат в последователност на аминокиселини, процес, зависим от АТФ.

В най-активните клетки синтезът на протеин може да насочи до 75% от АТФ, синтезиран в тази важна работа.

От друга страна, клетката не само синтезира протеини, а и се нуждае от липиди, холестерол и други основни вещества и за това е необходима енергията, съдържаща се в АТФ връзките.

Осигурете енергия за движение

Механичната работа е една от най-важните функции на ATP. Например, за да може тялото ни да може да извърши свиването на мускулните влакна, наличието на големи количества енергия е необходимо.

В мускулите химическата енергия може да се трансформира в механична енергия благодарение на реорганизацията на протеините с възможност за свиване, които я образуват. Дължината на тези структури е модифицирана, съкратена, което създава напрежение, което се превръща в генериране на движение.

При други организми движението на клетките също става благодарение на наличието на АТФ. Например, движението на ресничките и жгутиците, което позволява изселването на определени едноклетъчни организми, става чрез използването на АТФ.

Друго особено движение е амебичното, което включва изпъкване на псевдопад в края на клетката. Няколко вида клетки използват този механизъм на локомоция, включително левкоцити и фибробласти.

В случай на зародишни клетки, локомоцията е от съществено значение за ефективното развитие на ембриона. Ембрионалните клетки изминават важни разстояния от мястото на произход до региона, където трябва да произхождат специфични структури.

хидролиза

Хидролизата на АТФ е реакция, която включва разграждането на молекулата от присъствието на вода. Реакцията е представена, както следва:

ATP + вода ⇋ ADP + P _i + енергия. Когато терминът P _и се отнася до неорганичен фосфат група и ADP е аденозин дифосфат. Обърнете внимание, че реакцията е обратима.

Хидролизата на АТФ е явление, което включва освобождаването на огромно количество енергия. Разкъсването на която и да е от пирофосфатните връзки води до отделяне на 7 ккал на мол - по-специално 7,3 от АТФ до АДФ и 8,2 за производството на аденозинмонофосфат (АМФ) от АТФ. Това се равнява на 12 000 калории на мол ATP.

Защо се получава това освобождаване на енергия?

Тъй като продуктите на хидролизата са много по-стабилни от първоначалното съединение, тоест АТФ.

Трябва да се спомене, че само хидролизата, която се случва върху пирофосфатните връзки, за да доведе до образуването на ADP или AMP, води до генериране на енергия в значителни количества.

Хидролизата на другите връзки в молекулата не осигурява толкова енергия, с изключение на хидролизата на неорганичен пирофосфат, който има голямо количество енергия.

Освобождаването на енергия от тези реакции се използва за провеждане на метаболитни реакции вътре в клетката, тъй като много от тези процеси се нуждаят от енергия, за да функционират, както в началните етапи на пътищата на разграждане, така и в биосинтезата на съединенията., Например, при метаболизма на глюкозата, първоначалните стъпки включват фосфорилиране на молекулата. В следващите стъпки се генерира нова ATP, за да се получи положителна нетна печалба.

От енергийна гледна точка има други молекули, чиято енергия на освобождаване е по-голяма от тази на АТФ, включително 1,3-бисфосфоглицерат, карбамилфосфат, креатинин фосфат и фосфоенолпируват.

Получаване на ATP

ATP може да се получи по два пътя: окислително фосфорилиране и фосфорилиране на ниво субстрат. Първият изисква кислород, докато вторият не го прави. Около 95% от образувания АТФ се среща в митохондриите.

Окислително фосфорилиране

Окислителното фосфорилиране включва двуфазен процес на окисляване на хранителни вещества: получаване на редуцирани коензими NADH и FADH _2, получени от витамини.

Намаляването на тези молекули изисква използването на водород от хранителни вещества. В мазнините производството на коензими е забележително благодарение на огромното количество хидрогени, които имат в структурата си, в сравнение с пептидите или въглехидратите.

Въпреки че има няколко пътища за производство на коензими, най-важният маршрут е цикълът на Кребс. Впоследствие редуцираните коензими се концентрират в дихателните вериги, разположени в митохондриите, които прехвърлят електроните на кислород.

Електронната транспортна верига е изградена от серия от мембранно свързани протеини, които изпомпват протони (Н +) отвън (виж снимката). Тези протони навлизат и преминават отново през мембраната с помощта на друг протеин, АТФ синтаза, отговорен за синтеза на АТФ.

С други думи, трябва да намалим коензимите, повече ADP и кислорода генерират вода и АТФ.

Източник: От Bustamante Yess, от Wikimedia Commons

Фосфорилиране на субстрата

Фосфорилирането на нивото на субстрата не е толкова важно, колкото описаният по-горе механизъм и тъй като не се нуждаят от кислородни молекули, често се свързва с ферментация. По този начин, въпреки че е много бърз, извлича малко енергия, ако го сравним с процеса на окисляване, той би бил около петнадесет пъти по-малко.

В нашето тяло процесите на ферментация протичат на мускулно ниво. Тази тъкан може да функционира без кислород, така че е възможно молекулата на глюкоза да се разгради до млечна киселина (когато правим някаква изчерпателна спортна дейност, например).

При ферментацията крайният продукт все още има енергиен потенциал, който може да бъде извлечен. В случай на ферментация в мускулите, въглеродните емисии в млечна киселина са на същото ниво на редукция като тези на началната молекула: глюкоза.

По този начин производството на енергия става чрез образуването на молекули, които имат високоенергийни връзки, включително 1,3-бисфосфоглират и фосфоенолпируват.

При гликолизата например, хидролизата на тези съединения е свързана с производството на ATP молекули, оттук и терминът "на субстратно ниво".

ATP цикъл

ATP никога не се съхранява. Той е в непрекъснат цикъл на употреба и синтез. Това създава баланс между образувания ATP и неговия хидролизиран продукт, ADP.

Източник: От Muessig, от Wikimedia Commons

Други енергийни молекули

АТФ не е единствената молекула, съставена от нуклеозид бисфосфат, която съществува в клетъчния метаболизъм. Има редица молекули със структури, подобни на АТФ, които имат сравнимо енергийно поведение, въпреки че не са толкова популярни като АТФ.

Най-известният пример е GTP, гуанозин трифосфат, който се използва в добре познатия цикъл на Кребс и в глюконеогенния път. Други по-малко използвани са CTP, TTP и UTP.

Препратки

1. Гайтон, AC, & Hall, JE (2000). Учебник по физиология на човека.
2. Зала, JE (2017). Трактат Гайтон Е Хол по медицинска физиология. Elsevier Бразилия.
3. Ернандес, AGD (2010). Трактат за храненето: Състав и хранителни качества на храните. Panamerican Medical Ed.
4. Lim, MY (2010). Основното в метаболизма и храненето. Elsevier.
5. Pratt, CW, & Kathleen, C. (2012). Биохимия. Редакция El Manual Moderno.
6. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (2007). Основи на биохимията. Редакция Médica Panaméricana.