ATP (ADENOSINTRIPHOSPHAT): STRUKTUR, FUNKTIONER, HYDROLYSE - BIOLOGI - 2025

Den ATP (adenosintriphosphat) er et organisk molekyle med høj energi bindinger dannet af en ring af adenin, ribose og tre phosphatgrupper. Det har en grundlæggende rolle i metabolismen, da den transporterer den nødvendige energi til at holde en række cellulære processer effektivt.

Det er almindeligt kendt af udtrykket "energivaluta", da dets dannelse og anvendelse sker let, hvilket giver det mulighed for hurtigt at "betale" for kemiske reaktioner, der kræver energi.

Kilde: Af bruger: Mysid (Selvfremstillet i bkchem; redigeret i perl.), Via Wikimedia Commons

Selvom molekylet med det blotte øje er lille og enkel, opbevarer det en betydelig mængde energi i dens bindinger. Fosfatgrupper har negative ladninger, som er i konstant frastødning, hvilket gør det til en labil binding, der let brydes.

Hydrolysen af ​​ATP er nedbrydningen af ​​molekylet ved tilstedeværelsen af ​​vand. Ved denne proces frigøres den indeholdte energi.

Der er to hovedkilder til ATP: phosphorylering på substratniveauet og oxidativ phosphorylering, hvor sidstnævnte er den vigtigste og den mest anvendte af cellen.

Oxidativ phosphorylering parerer oxidationen af ​​FADH ₂ og NADH + H ⁺ i mitokondrierne, og phosphorylering på substratniveauet forekommer uden for elektrontransportkæden, i veje som glykolyse og tricarboxylsyrecyklus.

Dette molekyle er ansvarlig for at tilvejebringe den energi, der er nødvendig til de fleste af de processer, der forekommer inde i cellen, der skal finde sted, fra proteinsyntese til bevægelse. Derudover tillader det trafik af molekyler gennem membraner og virker ved cellesignalering.

Struktur

ATP er, som navnet antyder, et nukleotid med tre fosfater. Dens særlige struktur, nærmere bestemt de to pyrophosphatbindinger, gør det til en energirig forbindelse. Det er sammensat af følgende elementer:

- En nitrogenholdig base, adenin. Kvælstofbaser er cykliske forbindelser, der indeholder et eller flere nitrogen i deres struktur. Vi finder dem også som komponenter i nukleinsyrer, DNA og RNA.

- Ribose er placeret i midten af ​​molekylet. Det er en sukker af pentosetype, da den har fem carbonatomer. Dens kemiske formel er C ₅ H ₁₀ O ₅. Carbon 1 af ribose er fastgjort til adeninringen.

- Tre fosfatradikaler. De sidste to er "højenergibindingene" og er repræsenteret i de grafiske strukturer ved vippesymbolet: ~. Fosfatgruppen er en af ​​de vigtigste i biologiske systemer. De tre grupper kaldes alpha, beta og gamma, fra tættest til længst.

Dette link er meget labilt, så det deler sig hurtigt, let og spontant, når de fysiologiske forhold i kroppen berettiger det. Dette sker, fordi de negative ladninger fra de tre fosfatgrupper konstant forsøger at bevæge sig fra hinanden.

Funktioner

ATP spiller en uundværlig rolle i næsten alle levende organismeres energimetabolisme. Af denne grund omtales det ofte som en energivaluta, da den kontinuerligt kan bruges og genopfyldes på få minutter.

Direkte eller indirekte leverer ATP energi til hundreder af processer ud over at fungere som en fosfatdonor.

Generelt fungerer ATP som et signalmolekyle i de processer, der forekommer inde i cellen, det er nødvendigt at syntetisere komponenterne af DNA og RNA, og til syntese af andre biomolekyler deltager det i handel gennem membraner, blandt andre.

Brugen af ​​ATP kan opdeles i hovedkategorier: transport af molekyler gennem biologiske membraner, syntesen af ​​forskellige forbindelser og til sidst, mekanisk arbejde.

Funktionerne i ATP er meget brede. Desuden er det involveret i så mange reaktioner, at det ville være umuligt at navngive dem alle. Derfor diskuterer vi tre specifikke eksempler for at eksemplificere hver af de tre nævnte anvendelser.

Energiforsyning til natrium- og kaliumtransport over membranen

Cellen er et meget dynamisk miljø, der kræver opretholdelse af specifikke koncentrationer. De fleste molekyler kommer ikke ind i cellen tilfældigt eller tilfældigt. For at et molekyle eller et stof kan komme ind, skal det gøre det af den specifikke transportør.

Transportører er membranspændende proteiner, der fungerer som celle "gateekeepers", der styrer strømmen af ​​materialer. Derfor er membranen semi-permeabel: den tillader visse forbindelser at komme ind, og andre ikke.

En af de mest kendte transporter er natrium-kaliumpumpe. Denne mekanisme er klassificeret som en aktiv transport, da bevægelsen af ​​ioner forekommer mod deres koncentrationer, og den eneste måde at udføre denne bevægelse er ved at indføre energi i systemet i form af ATP.

Det estimeres, at en tredjedel af ATP, der dannes i cellen, bruges til at holde pumpen aktiv. Natriumioner pumpes konstant ud af cellen, mens kaliumioner pumpes i omvendt retning.

Logisk set er anvendelsen af ​​ATP ikke begrænset til transport af natrium og kalium. Der er andre ioner, såsom calcium, magnesium, blandt andre, der har brug for denne energivaluta for at komme ind.

Deltagelse i proteinsyntese

Proteinmolekyler består af aminosyrer, der er forbundet sammen med peptidbindinger. At danne dem kræver brud på fire højenergibindinger. Med andre ord skal et betydeligt antal ATP-molekyler hydrolyseres for dannelse af et protein med gennemsnitlig længde.

Proteinsyntese forekommer i strukturer kaldet ribosomer. Disse er i stand til at fortolke den kode, som messenger-RNA har, og oversætte den til en aminosyresekvens, en ATP-afhængig proces.

I de mest aktive celler kan proteinsyntese direkte op til 75% af den ATP, der er syntetiseret i dette vigtige arbejde.

På den anden side syntetiserer cellen ikke kun proteiner, den har også brug for lipider, kolesterol og andre essentielle stoffer, og for at gøre det kræver den energi indeholdt i ATP-bindingerne.

Giv energi til bevægelse

Mekanisk arbejde er en af ​​de vigtigste funktioner i ATP. For eksempel for at vores krop skal være i stand til at udføre sammentrækningen af ​​muskelfibre, er tilgængeligheden af ​​store mængder energi nødvendig.

I muskler kan kemisk energi omdannes til mekanisk energi takket være omorganiseringen af ​​proteinerne med evnen til at sammentrykke, der danner den. Længden af ​​disse strukturer er ændret, forkortet, hvilket skaber en spænding, der omsættes til generering af bevægelse.

I andre organismer forekommer bevægelse af celler også takket være tilstedeværelsen af ​​ATP. For eksempel sker bevægelsen af ​​cilia og flagella, der tillader forskydning af visse encellede organismer, ved hjælp af ATP.

En anden særlig bevægelse er den amøbe, der involverer fremspring af en pseudopod ved celleenderne. Flere celletyper bruger denne bevægelsesmekanisme, herunder leukocytter og fibroblaster.

I tilfælde af kimceller er bevægelse afgørende for en effektiv udvikling af embryoet. Embryonale celler rejser vigtige afstande fra deres oprindelsessted til det område, hvor de skal have oprindelige specifikke strukturer.

Hydrolyse

Hydrolyse af ATP er en reaktion, der involverer nedbrydning af molekylet ved tilstedeværelse af vand. Reaktionen er repræsenteret som følger:

ATP + vand ⇋ ADP + P _i + energi. Hvor, udtrykket P _jeg henviser til det uorganiske phosphatgruppe og ADP er adenosindiphosphat. Bemærk, at reaktionen er reversibel.

Hydrolyse af ATP er et fænomen, der involverer frigivelse af en enorm mængde energi. Nedbrydning af en hvilken som helst af pyrophosphatbindingerne resulterer i frigivelse af 7 kcal pr. Mol - specifikt 7,3 fra ATP til ADP og 8,2 til produktion af adenosinmonophosphat (AMP) fra ATP. Dette svarer til 12.000 kalorier pr. Mol ATP.

Hvorfor sker denne frigørelse af energi?

Fordi hydrolyseprodukterne er meget mere stabile end den indledende forbindelse, det vil sige ATP.

Det skal nævnes, at kun den hydrolyse, der forekommer på pyrophosphatbindingerne for at give anledning til dannelse af ADP eller AMP, fører til generering af energi i betydelige mængder.

Hydrolysen af ​​de andre bindinger i molekylet giver ikke så meget energi bortset fra hydrolysen af ​​uorganisk pyrophosphat, der har en stor mængde energi.

Frigørelsen af ​​energi fra disse reaktioner bruges til at udføre metabolske reaktioner inde i cellen, da mange af disse processer har brug for energi til at fungere, både i de indledende trin i nedbrydningsveje og i biosyntesen af ​​forbindelser..

For eksempel involverer de glukosemetabolisme de første trin phosphorylering af molekylet. I de følgende trin genereres ny ATP for at opnå et positivt nettoresultat.

Fra et energisynspunkt er der andre molekyler, hvis frigivelsesenergi er større end ATP, herunder 1,3-bisphosphoglycerat, carbamylphosphat, creatininphosphat og phosphoenolpyruvat.

At få ATP

ATP kan opnås på to veje: oxidativ phosphorylering og phosphorylering på substratniveau. Førstnævnte kræver ilt, mens sidstnævnte ikke gør det. Cirka 95% af den dannede ATP forekommer i mitokondrierne.

Oxidativ fosforylering

Oxidativ fosforylering involverer en to-fase næringsstofoxidationsproces: opnåelse af reducerede koenzymer NADH og FADH ₂ afledt af vitaminer.

Reduktion af disse molekyler kræver anvendelse af hydrogener fra næringsstoffer. I fedtstoffer er produktionen af ​​coenzymer bemærkelsesværdig takket være den enorme mængde hydrogener, de har i deres struktur, sammenlignet med peptider eller kulhydrater.

Selvom der er flere veje til co-enzymproduktion, er den vigtigste rute Krebs-cyklussen. Derefter koncentreres de reducerede coenzymer i de respiratoriske kæder placeret i mitokondrierne, som overfører elektronerne til ilt.

Elektrontransportkæden består af en række membrankoblede proteiner, der pumper protoner (H +) til ydersiden (se billede). Disse protoner kommer ind og krydser membranen igen ved hjælp af et andet protein, ATP-syntase, der er ansvarlig for syntesen af ​​ATP.

Med andre ord er vi nødt til at reducere koenzym, mere ADP og ilt genererer vand og ATP.

Kilde: Af Bustamante Yess fra Wikimedia Commons

Underlagsniveauer fosforylering

Phosphorylering på substratniveauet er ikke så vigtig som den ovenfor beskrevne mekanisme, og da den ikke kræver iltmolekyler, er det ofte forbundet med gæring. Selvom denne rute er meget hurtig, udtager den lidt energi, hvis vi sammenligner den med oxidationsprocessen, ville den være cirka femten gange mindre.

I vores krop forekommer fermenteringsprocesser på muskelniveau. Dette væv kan fungere uden ilt, så det er muligt, at et glukosemolekyle nedbrydes til mælkesyre (når vi f.eks. Udøver en udtømmende sportsaktivitet).

Ved gæringer har det endelige produkt stadig energipotentiale, der kan udvindes. I tilfælde af fermentering i muskler er kulstoferne i mælkesyre på samme reduktionsniveau som dem i det indledende molekyle: glukose.

Energiproduktion sker således ved dannelse af molekyler, der har bindinger med høj energi, inklusive 1,3-bisphosphoglyrat og phosphoenolpyruvat.

Ved glykolyse er fx hydrolysen af ​​disse forbindelser knyttet til produktionen af ​​ATP-molekyler, deraf udtrykket "på substratniveauet".

ATP-cyklus

ATP gemmes aldrig. Det er i en kontinuerlig cyklus af brug og syntese. Dette skaber en balance mellem den dannede ATP og dets hydrolyserede produkt, ADP.

Kilde: Af Muessig, fra Wikimedia Commons

Andre energimolekyler

ATP er ikke det eneste molekyle sammensat af nukleosidbisphosphat, der findes i cellulær metabolisme. Der er et antal molekyler med strukturer, der ligner ATP, der har sammenlignelig energiadfærd, skønt de ikke er så populære som ATP.

Det mest fremtrædende eksempel er GTP, guanosintriphosphat, der bruges i den velkendte Krebs-cyklus og i den glukoneogene vej. Andre mindre anvendte er CTP, TTP og UTP.

Referencer

1. Guyton, AC, & Hall, JE (2000). Lærebog om menneskelig fysiologi.
2. Hall, JE (2017). Guyton E Hall-afhandling om medicinsk fysiologi. Elsevier Brasilien.
3. Hernandez, AGD (2010). Behandling om ernæring: Sammensætning og ernæringskvalitet af fødevarer. Panamerican Medical Ed.
4. Lim, MY (2010). Det væsentlige i metabolisme og ernæring. Elsevier.
5. Pratt, CW, & Kathleen, C. (2012). Biokemi. Redaktionel El Manual Moderno.
6. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (2007). Fundamentals of Biochemistry. Redaktionel Médica Panaméricana.