Struktura, funkcje, hydroliza ATP (trójfosforan adenozyny)



The ATP (trójfosforan adenozyny) jest cząsteczką organiczną z wiązaniami wysokoenergetycznymi utworzoną przez pierścień adeninowy, rybozę i trzy grupy fosforanowe. Odgrywa zasadniczą rolę w metabolizmie, ponieważ transportuje energię niezbędną do utrzymania szeregu procesów komórkowych funkcjonujących sprawnie.

Jest on powszechnie znany pod nazwą „waluta energetyczna”, ponieważ jego powstawanie i jego użycie zachodzą łatwo, pozwalając „szybko” zapłacić reakcje chemiczne, które wymagają energii.

Chociaż cząsteczka gołym okiem jest mała i prosta, oszczędza znaczną ilość energii w swoich ogniwach. Grupy fosforanowe mają ładunki ujemne, które są w ciągłym odpychaniu, co czyni je labilnym i łatwo łamanym ogniwem.

Hydroliza ATP jest rozkładem cząsteczki przez obecność wody. Dzięki temu procesowi uwolniona energia zostaje uwolniona.

Istnieją dwa główne źródła ATP: fosforylacja na poziomie substratu i fosforylacja oksydacyjna, przy czym ta ostatnia jest najważniejsza i najczęściej używana przez komórkę.

Fosforylacja oksydacyjna łączy utlenianie FADH2 i NADH + H+ w mitochondriach i fosforylacja na poziomie substratu występuje poza łańcuchem transportu elektronów, na drogach takich jak glikoliza i cykl kwasu trikarboksylowego.

Ta cząsteczka jest odpowiedzialna za dostarczanie energii niezbędnej do większości procesów zachodzących w komórce, od syntezy białek po ruch lokomocyjny. Ponadto umożliwia ruch cząsteczek przez błony i działa na sygnalizację komórkową.

Indeks

  • 1 Struktura
  • 2 Funkcje
    • 2.1 Zasilanie energią do transportu sodu i potasu przez membranę
    • 2.2 Udział w syntezie białek
    • 2.3 Zasilanie energią lokomocyjną
  • 3 Hydroliza
    • 3.1 Dlaczego występuje takie uwolnienie energii?
  • 4 Uzyskiwanie ATP
    • 4.1 Fosforylacja oksydacyjna
    • 4.2 Fosforylacja na poziomie substratu
  • 5 Cykl ATP
  • 6 Inne cząsteczki energii
  • 7 referencji

Struktura

ATP, jak sama nazwa wskazuje, jest nukleotydem z trzema fosforanami. Jego szczególna struktura, a konkretnie dwa wiązania pirofosforanowe, czynią go związkiem bogatym w energię. Składa się z następujących elementów:

- Baza azotowa, adenina. Azotowe zasady są cyklicznymi związkami, które zawierają jedną lub więcej azotu w swojej strukturze. Znajdujemy je także jako składniki kwasów nukleinowych, DNA i RNA.

- Ryboza znajduje się w środku cząsteczki. Jest to cukier typu pentozy, ponieważ ma pięć atomów węgla. Jego wzór chemiczny to C5H10O5. Węgiel 1 rybozy jest przyłączony do pierścienia adeninowego.

- Trzy rodniki fosforanowe. Ostatnie dwa są „ogniwami o wysokiej energii” i są reprezentowane w strukturach graficznych z symbolem virgulilla: ~. Grupa fosforanowa jest jedną z najważniejszych w systemach biologicznych. Trzy grupy nazywane są alfa, beta i gamma, od najbliższego do najdalszego.

Ten związek jest bardzo labilny, więc dzieli się szybko, łatwo i spontanicznie, gdy uzasadniają to warunki fizjologiczne organizmu. Dzieje się tak, ponieważ ładunki ujemne trzech grup fosforanowych starają się nieustannie oddalać od siebie.

Funkcje

ATP odgrywa nieodzowną rolę w metabolizmie energetycznym praktycznie wszystkich żywych organizmów. Z tego powodu jest często nazywany walutą energetyczną, ponieważ można go wydawać i uzupełniać w ciągu kilku minut..

Bezpośredni lub pośredni, ATP zapewnia energię dla setek procesów, oprócz działania jako dawca fosforanów.

Ogólnie rzecz biorąc, ATP działa jako cząsteczka sygnalizacyjna w procesach zachodzących w komórce, konieczne jest syntezowanie składników DNA i RNA, aw syntezie innych biomolekuł uczestniczy w ruchu przez membrany, między innymi.

Zastosowania ATP można podzielić na główne kategorie: transport cząsteczek przez błony biologiczne, syntezę różnych związków i wreszcie pracę mechaniczną.

Funkcje ATP są bardzo szerokie. Ponadto angażuje się w tak wiele reakcji, że niemożliwe byłoby nazwanie ich wszystkich. Dlatego omówimy trzy konkretne przykłady, aby zilustrować każde z trzech wymienionych zastosowań.

Dostarczanie energii do transportu sodu i potasu przez membranę

Komórka jest niezwykle dynamicznym środowiskiem, które wymaga utrzymywania określonych stężeń. Większość cząsteczek nie wchodzi do komórki przypadkowo lub przypadkowo. Aby cząsteczka lub substancja mogła się przedostać, musi to zrobić swoisty transporter.

Transportery są białkami, które przekraczają błonę i działają jako komórkowe „strażnicy”, kontrolując przepływ materiałów. Dlatego membrana jest półprzepuszczalna: pozwala na wejście pewnych związków, a innym nie.

Jednym z najbardziej znanych transportów jest pompa sodowo-potasowa. Mechanizm ten jest klasyfikowany jako aktywny transport, ponieważ ruch jonów zachodzi w stosunku do ich stężeń, a jedynym sposobem wykonania tego ruchu jest wprowadzenie energii do układu w postaci ATP.

Szacuje się, że jedna trzecia ATP utworzonego w komórce jest wykorzystywana do utrzymania aktywności pompy. Jony sodu są pompowane w sposób ciągły na zewnątrz komórki, podczas gdy jony potasu robią to w odwrotnej kolejności.

Logicznie rzecz biorąc, stosowanie ATP nie jest ograniczone do transportu sodu i potasu. Są też inne jony, takie jak wapń, magnez, które potrzebują tej waluty energii do wejścia.

Udział w syntezie białek

Cząsteczki białka są tworzone przez aminokwasy, połączone ze sobą wiązaniami peptydowymi. Formowanie ich wymaga zerwania czterech wiązań wysokoenergetycznych. Innymi słowy, znaczna liczba cząsteczek ATP musi zostać zhydrolizowana w celu utworzenia białka o średniej długości.

Synteza białek zachodzi w strukturach zwanych rybosomami. Są w stanie zinterpretować kod posiadany przez informacyjny RNA i przełożyć go na sekwencję aminokwasów, proces zależny od ATP.

W najbardziej aktywnych komórkach synteza białek może kierować do 75% ATP syntetyzowanego w tej ważnej pracy.

Z drugiej strony komórka nie tylko syntetyzuje białka, ale także potrzebuje lipidów, cholesterolu i innych niezbędnych substancji, a do tego wymaga energii zawartej w wiązaniach ATP..

Zapewnij energię do poruszania się

Praca mechaniczna jest jedną z najważniejszych funkcji ATP. Na przykład, aby nasze ciało mogło wykonać skurcz włókien mięśniowych, konieczna jest dostępność dużych ilości energii.

W mięśniu energia chemiczna może zostać przekształcona w energię mechaniczną dzięki reorganizacji białek o zdolności skurczowej, które ją tworzą. Długość tych struktur jest modyfikowana, skracana, co powoduje napięcie, które powoduje generowanie ruchu.

W innych organizmach ruch komórek zachodzi również dzięki obecności ATP. Na przykład ruch rzęsek i wici, który umożliwia przemieszczenie niektórych organizmów jednokomórkowych, następuje poprzez zastosowanie ATP.

Innym szczególnym ruchem jest ameba, która obejmuje występ pseudopodu na końcach komórki. Kilka typów komórek wykorzystuje ten mechanizm lokomocji, w tym leukocyty i fibroblasty.

W przypadku komórek rozrodczych poruszanie się jest niezbędne dla skutecznego rozwoju zarodka. Komórki embrionalne przemieszczają się na znaczne odległości z miejsca pochodzenia do regionu, w którym muszą tworzyć określone struktury.

Hydroliza

Hydroliza ATP jest reakcją, która obejmuje rozpad cząsteczki przez obecność wody. Reakcja jest przedstawiona w następujący sposób:

ATP + woda P ADP + Pi + energia Gdzie, termin Pi odnosi się do grupy fosforanów nieorganicznych, a ADP to difosforan adenozyny. Zauważ, że reakcja jest odwracalna.

Hydroliza ATP jest zjawiskiem polegającym na uwolnieniu ogromnej ilości energii. Pęknięcie któregokolwiek z wiązań pirofosforanowych powoduje uwolnienie 7 kcal na mol - konkretnie 7,3 ATP do ADP i 8,2 do wytwarzania monofosforanu adenozyny (AMP) z ATP. Odpowiada to 12 000 kalorii na mol ATP.

Dlaczego występuje takie uwolnienie energii??

Ponieważ produkty hydrolizy są znacznie bardziej stabilne niż początkowy związek, to znaczy ATP.

Należy wspomnieć, że tylko hydroliza zachodząca na wiązaniach pirofosforanowych w celu wytworzenia ADP lub AMP prowadzi do wytworzenia energii w ważnych ilościach.

Hydroliza innych wiązań w cząsteczce nie zapewnia tyle energii, z wyjątkiem hydrolizy nieorganicznego pirofosforanu, który ma dużą ilość energii.

Uwalnianie energii z tych reakcji jest wykorzystywane do przeprowadzania reakcji metabolicznych wewnątrz komórki, ponieważ wiele z tych procesów wymaga energii do działania, zarówno w początkowych etapach szlaków degradacji, jak iw biosyntezie związków.

Na przykład, w metabolizmie glukozy, początkowe etapy obejmują fosforylację cząsteczki. W następujących krokach generowany jest nowy ATP, aby uzyskać dodatni zysk netto.

Z energetycznego punktu widzenia istnieją inne molekuły, których uwalnianie energii jest większe niż ATP, w tym 1,3-bifosfoglicerynian, fosforan karbamylu, fosforan kreatyniny i fosfoenolopirogronian.

Uzyskanie ATP

ATP można uzyskać dwiema drogami: fosforylacja oksydacyjna i fosforylacja na poziomie substratu. Pierwszy wymaga tlenu, a drugi go nie potrzebuje. Około 95% powstałego ATP występuje w mitochondriach.

Fosforylacja oksydacyjna

Fosforylacja oksydacyjna obejmuje proces utleniania składników odżywczych w dwóch fazach: uzyskanie zredukowanych koenzymów NADH i FADH2 pochodne witamin.

Redukcja tych cząsteczek wymaga użycia wodorów ze składników odżywczych. W tłuszczach produkcja koenzymów jest niezwykła, dzięki ogromnej ilości wodorów, które mają w swojej strukturze w porównaniu z peptydami lub węglowodanami.

Chociaż istnieje kilka sposobów wytwarzania koenzymów, najważniejszą drogą jest cykl Krebsa. Następnie zredukowane koenzymy koncentrują się w łańcuchach oddechowych znajdujących się w mitochondriach, które przenoszą elektrony do tlenu.

Łańcuch transportu elektronów tworzy szereg białek sprzężonych z membraną, które pompują protony (H +) na zewnątrz (patrz zdjęcie). Protony te wchodzą ponownie przez błonę przez inne białko, syntazę ATP, odpowiedzialną za syntezę ATP.

Innymi słowy, musimy zmniejszyć ilość koenzymów, więcej ADP i tlenu generuje wodę i ATP.

Fosforylacja na poziomie substratu

Fosforylacja na poziomie substratu nie jest tak ważna jak opisany powyżej mechanizm, a ponieważ nie wymaga cząsteczek tlenu, zazwyczaj wiąże się z fermentacją. W ten sposób, mimo że jest bardzo szybki, wydobywa niewiele energii, jeśli porównamy go z procesem utleniania, będzie to około piętnaście razy mniej.

W naszym ciele procesy fermentacyjne zachodzą na poziomie mięśni. Ta tkanka może funkcjonować bez tlenu, więc możliwe jest, że cząsteczka glukozy zostanie zdegradowana do kwasu mlekowego (na przykład, gdy prowadzimy wyczerpującą aktywność sportową).

W fermentacjach produkt końcowy nadal ma potencjał energetyczny, który można wydobyć. W przypadku fermentacji w mięśniach węgle w kwasie mlekowym są na tym samym poziomie redukcji, co w początkowej cząsteczce: glukoza.

Tak więc produkcja energii zachodzi przez tworzenie się cząsteczek, które mają wiązania wysokoenergetyczne, w tym 1,3-bifosfoglirat i fosfoenolopirogronian.

Na przykład w glikolizie hydroliza tych związków jest związana z wytwarzaniem cząsteczek ATP, stąd określenie „na poziomie substratu”.

Cykl ATP

ATP nigdy nie jest przechowywany. Jest w ciągłym cyklu użytkowania i syntezy. W ten sposób powstaje równowaga między utworzonym ATP i jego hydrolizowanym produktem, ADP.

Inne cząsteczki energii

ATP nie jest jedyną cząsteczką złożoną z dwufosforanu nukleozydu, która istnieje w metabolizmie komórkowym. Istnieje szereg cząsteczek o strukturach podobnych do ATP, które mają porównywalne zachowanie energetyczne, chociaż nie są tak popularne jak ATP.

Najbardziej wyróżniającym się przykładem jest GTP, trifosforan guanozyny, który jest stosowany w znanym cyklu Krebsa i szlaku glukoneogennym. Inne mniej używane to CTP, TTP i UTP.

Referencje

  1. Guyton, A.C. i Hall, J. E. (2000). Podręcznik fizjologii człowieka.
  2. Hall, J. E. (2017). Guyton E Hall Treatise on Medical Physiology. Elsevier Brazylia.
  3. Hernandez, A. G. D. (2010). Traktat żywieniowy: skład i jakość odżywcza żywności. Ed. Panamericana Medical.
  4. Lim, M. Y. (2010). Niezbędne w metabolizmie i żywieniu. Elsevier.
  5. Pratt, C. W., i Kathleen, C. (2012). Biochemia. Od redakcji Modern Manual.
  6. Voet, D., Voet, J. G., i Pratt, C. W. (2007). Podstawy biochemii. Publikacja medyczna Panamericana.