ATP (ADENOSINTRIFOSFÁT): STRUKTURA, FUNKCE, HYDROLÝZA - BIOLOGIE - 2025

ATP (adenosintrifosfát) je organická molekula s vysokou energií vazbami tvořeno prstencem adeninu, ribózy a tři fosfátové skupiny. Má zásadní roli v metabolismu, protože přenáší energii potřebnou k udržení efektivního fungování řady buněčných procesů.

To je široce známé termínem „měna energie“, protože její tvorba a použití se vyskytují snadno, což jí umožňuje rychle „platit“ za chemické reakce, které vyžadují energii.

Zdroj: Uživatel: Mysid (Self-made in bkchem; editoval perl.), Via Wikimedia Commons

I když je molekula pouhým okem malá a jednoduchá, ve svých vazbách ukládá značné množství energie. Fosfátové skupiny mají záporné náboje, které jsou v neustálém odporu, což z něj dělá labilní vazbu, která se snadno rozbije.

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

Existují dva hlavní zdroje ATP: fosforylace na úrovni substrátu a oxidační fosforylace, přičemž druhá je nejdůležitější a nejužívanější v buňce.

Oxidativní fosforylace spojuje oxidace FADH ₂ a NADH + H ⁺ v mitochondriích a fosforylace na úrovni substrátu dochází mimo elektronový dopravní řetěz, na cestách, jako je glykolýza a kyseliny cyklu trikarboxylových.

Tato molekula je zodpovědná za poskytnutí energie potřebné pro většinu procesů, které se vyskytují uvnitř buňky, od syntézy proteinu po lokomoce. Kromě toho umožňuje přenos molekul přes membrány a působí při buněčné signalizaci.

Struktura

ATP, jak jeho název napovídá, je nukleotid se třemi fosfáty. Díky své specifické struktuře, konkrétně dvěma pyrofosfátovým vazbám, je směsí bohatou na energii. Skládá se z následujících prvků:

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

- Ribose se nachází ve středu molekuly. Je to cukr pentózového typu, protože má pět atomů uhlíku. Jeho chemický vzorec je C ₅ H ₁₀ O ₅. Uhlík 1 ribózy je připojen k adeninovému kruhu.

- Tři fosfátové radikály. Poslední dvě jsou „vazby s vysokou energií“ a jsou v grafických strukturách znázorněny symbolem naklonění: ~. Fosfátová skupina je jednou z nejdůležitějších biologických systémů. Tyto tři skupiny se nazývají alfa, beta a gama, od nejbližší k nejvzdálenější.

Toto spojení je velmi labilní, takže se rychle, snadno a spontánně dělí, když to fyziologické podmínky organismu zaručují. K tomu dochází, protože záporné náboje tří fosfátových skupin se neustále snaží od sebe vzdálit.

Funkce

ATP hraje nepostradatelnou roli v energetickém metabolismu prakticky všech živých organismů. Z tohoto důvodu je často označována jako energetická měna, protože ji lze průběžně utrácet a doplňovat během několika minut.

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

ATP obecně funguje jako signální molekula v procesech, které se vyskytují uvnitř buňky, je nutné syntetizovat složky DNA a RNA a pro syntézu dalších biomolekul se účastní obchodování prostřednictvím membrány, mezi ostatními.

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 nebylo možné je všechny pojmenovat. Proto budeme diskutovat tři konkrétní příklady, které budou příkladem každého ze tří uvedených použití.

Dodávka energie pro transport sodíku a draslíku přes membránu

Buňka je vysoce dynamické prostředí, které vyžaduje udržování specifických koncentrací. Většina molekul nevstoupí do buňky náhodně nebo náhodně. Aby molekula nebo látka vstoupila, musí tak učinit pomocí svého specifického transportéru.

Transportéry jsou proteiny, které překlenují membránu a fungují jako buněčné „vrátné“, které řídí tok materiálů. Membrána je proto polopropustná: umožňuje vstup určitých sloučenin a jiné ne.

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

Odhaduje se, že jedna třetina ATP vytvořeného v buňce se používá k udržení aktivní pumpy. Sodné ionty jsou neustále čerpány z článku, zatímco draselné ionty jsou čerpány v opačném směru.

Logicky se použití ATP neomezuje pouze na transport sodíku a draslíku. Existují i ​​jiné ionty, například vápník, hořčík, které potřebují tuto energetickou měnu vstoupit.

Účast na syntéze proteinů

Proteinové molekuly jsou tvořeny aminokyselinami spojenými peptidovými vazbami. Jejich vytvoření vyžaduje rozbití čtyř vysokoenergetických svazků. Jinými slovy, značný počet molekul ATP musí být hydrolyzován za vzniku proteinu průměrné délky.

K syntéze proteinů dochází ve strukturách nazývaných ribozomy. Tito jsou schopni interpretovat kód, který má messenger RNA, a převést jej na aminokyselinovou sekvenci, proces závislý na ATP.

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

Na druhé straně buňka nejenže syntetizuje proteiny, ale také potřebuje lipidy, cholesterol a další základní látky, a vyžaduje tak energii obsaženou v ATP vazbách.

Zajistěte 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 svalu může být chemická energie přeměněna na mechanickou energii díky reorganizaci proteinů se schopností stahovat je. Délka těchto struktur je upravena, zkrácena, což vytváří napětí, které se promítá do vytváření pohybu.

U jiných organismů dochází k pohybu buněk také díky přítomnosti ATP. Například k pohybu řasinek a bičíků, které umožňují přemísťování některých jednobuněčných organismů, dochází pomocí ATP.

Dalším konkrétním pohybem je améebický pohyb, který zahrnuje vysunutí pseudopodu na buněčné konce. Tento lokomoční mechanismus používá několik typů buněk, včetně leukocytů a fibroblastů.

V případě zárodečných buněk je lokomoce nezbytná pro efektivní vývoj embrya. Embryonální buňky putují důležitými vzdálenostmi z místa svého původu do oblasti, kde musí vznikat specifické struktury.

Hydrolýza

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

ATP + voda ⇋ ADP + P _i + energie. Tam, kde termín _Pi označuje anorganickou fosfátovou skupinu a ADP je adenosin difosfát. Všimněte si, že reakce je reverzibilní.

Hydrolýza ATP je jev, který zahrnuje uvolnění ohromného množství energie. Rozrušení kterékoli z pyrofosfátových vazeb má za následek uvolnění 7 kcal na mol - konkrétně 7,3 z ATP na ADP a 8,2 pro výrobu adenosin monofosfátu (AMP) z ATP. To odpovídá 12 000 kaloriím na mol ATP.

Proč k tomuto uvolňování energie dochází?

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

Je třeba zmínit, že pouze hydrolýza, ke které dochází na pyrofosfátových vazbách, která vede k tvorbě ADP nebo AMP, vede k tvorbě energie ve významných množstvích.

Hydrolýza dalších 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 potřebuje energii k fungování, a to jak v počátečních krocích degradačních cest, tak v biosyntéze sloučenin..

Například v metabolismu glukózy zahrnují počáteční kroky fosforylaci molekuly. V následujících krocích se vytvoří nový ATP, aby se získal kladný čistý zisk.

Z energetického hlediska existují další molekuly, jejichž uvolňovací energie je větší než energie ATP, včetně 1,3-bisfosfoglycerátu, karbamylfosfátu, kreatinin-fosfátu a fosfoenolpyruvátu.

Získání ATP

ATP lze získat dvěma způsoby: oxidační fosforylace a fosforylace na úrovni substrátu. První vyžaduje kyslík, zatímco druhý ne. Asi 95% vytvořeného ATP se vyskytuje v mitochondriích.

Oxidační fosforylace

Oxidační fosforylace zahrnuje dvoufázový proces oxidace živin: získání redukovaných koenzymů NADH a FADH ₂ získaných z vitamínů.

Redukce těchto molekul vyžaduje použití vodíku z živin. V tucích je produkce koenzymů pozoruhodná díky obrovskému množství vodíku, které mají ve své struktuře ve srovnání s peptidy nebo uhlohydráty.

Přestože existuje několik cest výroby koenzymů, nejdůležitější cestou je Krebsův cyklus. Následně se redukované koenzymy koncentrují v respiračních řetězcích umístěných v mitochondriích, které přenášejí elektrony na kyslík.

Transportní řetězec elektronů je tvořen řadou proteinů vázaných na membránu, které pumpují protony (H +) směrem ven (viz obrázek). Tyto protony vstupují a znovu procházejí membránou pomocí jiného proteinu, ATP syntázy, zodpovědného za syntézu ATP.

Jinými slovy, musíme snížit koenzymy, více ADP a kyslíku vytvářejí vodu a ATP.

Zdroj: Bustamante Yess, z Wikimedia Commons

Fosforylace na substrátové úrovni

Fosforylace na úrovni substrátu není tak důležitá jako mechanismus popsaný výše, a protože nevyžaduje molekuly kyslíku, je často spojena s fermentací. Tímto způsobem, i když je to velmi rychlé, se extrahuje malá energie, pokud ji porovnáme s oxidačním procesem, bude to asi patnáctkrát méně.

V našem těle dochází k fermentačním procesům na úrovni svalů. Tato tkáň může fungovat bez kyslíku, takže je možné, že se glukózová molekula rozloží na kyselinu mléčnou (například když děláme nějakou vyčerpávající sportovní aktivitu).

Při fermentaci má konečný produkt stále energetický potenciál, který lze extrahovat. V případě fermentace ve svalu jsou uhlíky v kyselině mléčné na stejné úrovni redukce jako u počáteční molekuly: glukózy.

K produkci energie tedy dochází vytvářením molekul, které mají vazby s vysokou energií, včetně 1,3-bisfosfoglyrátu a fosfoenolpyruvátu.

Například při glykolýze je hydrolýza těchto sloučenin spojena s produkcí molekul ATP, tedy termín „na úrovni substrátu“.

ATP cyklus

ATP není nikdy uložen. Je v nepřetržitém cyklu použití a syntézy. To vytváří rovnováhu mezi vytvořeným ATP a jeho hydrolyzovaným produktem, ADP.

Zdroj: Muessig, z Wikimedia Commons

Ostatní energetické molekuly

ATP není jediná molekula složená z nukleosidového bisfosfátu, 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, guanosintrifosfát, který se používá ve známém Krebsově cyklu a v glukoneogenní cestě. Jiné méně používané jsou CTP, TTP a UTP.

Reference

1. Guyton, AC, and Hall, JE (2000). Učebnice lidské fyziologie.
2. Hall, JE (2017). Guyton E Hall, pojednání o lékařské fyziologii. Elsevier Brazílie.
3. Hernandez, AGD (2010). Ošetřování výživy: Složení a nutriční kvalita potravin. Panamerican Medical Ed.
4. Lim, MY (2010). Základy metabolismu a výživy. Elsevier.
5. Pratt, CW a Kathleen, C. (2012). Biochemie. Editorial El Manual Moderno.
6. Voet, D., Voet, JG a Pratt, CW (2007). Základy biochemie. Editorial Médica Panaméricana.