ATP (ADENOSINTRIFOSFAT): STRUKTUR, FUNKTIONER, HYDROLYS - BIOLOGI - 2024

Den ATP (adenosintrifosfat) är en organisk molekyl med hög energi bindningar som bildas av en ring av adenin, ribos och tre fosfatgrupper. Det har en grundläggande roll i ämnesomsättningen, eftersom den transporterar den energi som krävs för att hålla en serie cellulära processer effektivt.

Det är allmänt känt av termen "energivaluta", eftersom dess bildning och användning sker lätt, vilket gör att den snabbt kan "betala" för kemiska reaktioner som kräver energi.

Källa: Av användare: Mysid (Självgjord i bkchem; redigerad i perl.), Via Wikimedia Commons

Även om molekylen med blotta ögat är liten och enkel, lagrar den en betydande mängd energi i sina bindningar. Fosfatgrupper har negativa laddningar, som är i ständigt avstötning, vilket gör det till en labil bindning som lätt bryts.

Hydrolysen av ATP är nedbrytningen av molekylen genom närvaro av vatten. Genom denna process frigörs den inneslutna energin.

Det finns två huvudkällor för ATP: fosforylering på substratnivå och oxidativ fosforylering, den senare är den viktigaste och den mest använda av cellen.

Oxidativ fosforylering kopplar oxidationen av FADH ₂ och NADH + H ⁺ i mitokondrierna och fosforylering på substratnivån sker utanför elektrontransportkedjan, i vägar som glykolys och trikarboxylsyracykeln.

Denna molekyl är ansvarig för att tillhandahålla den energi som krävs för de flesta av de processer som inträffar i cellen som ska äga rum, från proteinsyntes till rörelse. Dessutom tillåter det molekylers trafik genom membran och fungerar vid cellsignalering.

Strukturera

ATP är, som namnet antyder, en nukleotid med tre fosfater. Dess speciella struktur, särskilt de två pyrofosfatbindningarna, gör det till en energirik förening. Den består av följande element:

- En kvävehaltig adenin. Kvävebaser är cykliska föreningar som innehåller en eller flera kväve i sin struktur. Vi hittar dem också som komponenter i nukleinsyror, DNA och RNA.

- Ribos ligger i mitten av molekylen. Det är ett socker av pentos, eftersom det har fem kolatomer. Dess kemiska formel är C ₅ H ₁₀ O ₅ . Kol 1 av ribos är fäst vid adeninringen.

- Tre fosfatradikaler. De två sista är "högenergibindningarna" och representeras i de grafiska strukturerna av lutningssymbolen: ~. Fosfatgruppen är en av de viktigaste i biologiska system. De tre grupperna kallas alfa, beta och gamma, från närmast till längst.

Denna länk är mycket labil, så den delar sig snabbt, enkelt och spontant när kroppens fysiologiska förhållanden berättigar det. Detta inträffar eftersom de negativa laddningarna för de tre fosfatgrupperna hela tiden försöker flytta sig från varandra.

Funktioner

ATP spelar en oumbärlig roll i energimetabolismen för praktiskt taget alla levande organismer. Av denna anledning benämns det ofta en energivaluta, eftersom den kontinuerligt kan användas och fyllas på bara några minuter.

Direkt eller indirekt tillhandahåller ATP energi för hundratals processer, förutom att fungera som fosfatgivare.

I allmänhet fungerar ATP som en signalmolekyl i de processer som inträffar inuti cellen, det är nödvändigt att syntetisera komponenterna av DNA och RNA och för syntesen av andra biomolekyler deltar den i människohandel genom membran, bland andra.

Användningen av ATP kan delas in i huvudkategorier: transport av molekyler genom biologiska membran, syntes av olika föreningar och slutligen mekaniskt arbete.

ATP: s funktioner är mycket breda. Dessutom är det involverat i så många reaktioner att det skulle vara omöjligt att namnge dem alla. Därför kommer vi att diskutera tre specifika exempel för att exemplifiera var och en av de tre nämnda användningarna.

Energiförsörjning för natrium- och kaliumtransport över membranet

Cellen är en mycket dynamisk miljö som kräver upprätthållande av specifika koncentrationer. De flesta molekyler kommer inte in i cellen slumpmässigt eller av en slump. För att en molekyl eller ett ämne ska komma in måste den göra det av sin specifika transportör.

Transportörer är membranspannande proteiner som fungerar som cellgatvakter och styr flödet av material. Därför är membranet halvpermeabelt: det tillåter vissa föreningar att komma in och andra inte.

En av de mest kända transporter är natrium-kaliumpumpen. Denna mekanism klassificeras som en aktiv transport, eftersom jons rörelse sker mot deras koncentrationer och det enda sättet att genomföra denna rörelse är genom att införa energi i systemet, i form av ATP.

Det uppskattas att en tredjedel av ATP som bildas i cellen används för att hålla pumpen aktiv. Natriumjoner pumpas ständigt ut ur cellen, medan kaliumjoner pumpas i omvänd riktning.

Logiskt sett är användningen av ATP inte begränsad till transport av natrium och kalium. Det finns andra joner, till exempel kalcium, magnesium, som behöver denna energivaluta för att komma in.

Deltagande i proteinsyntes

Proteinmolekyler består av aminosyror, kopplade samman med peptidbindningar. För att bilda dem krävs att fyra högenergibindningar bryts. Med andra ord måste ett betydande antal ATP-molekyler hydrolyseras för bildning av ett protein av genomsnittlig längd.

Proteinsyntes förekommer i strukturer som kallas ribosomer. Dessa kan tolka koden som messenger-RNA har och översätta den till en aminosyrasekvens, en ATP-beroende process.

I de mest aktiva cellerna kan proteinsyntes rikta upp till 75% av den ATP som syntetiseras i detta viktiga arbete.

Å andra sidan syntetiserar cellen inte bara proteiner, den behöver också lipider, kolesterol och andra väsentliga ämnen och för att göra det krävs den energi som finns i ATP-bindningarna.

Ge energi för rörelse

Mekaniskt arbete är en av ATP: s viktigaste funktioner. Till exempel för att vår kropp ska kunna genomföra sammandragningen av muskelfibrer är tillgången på stora mängder energi nödvändig.

I muskler kan kemisk energi omvandlas till mekanisk energi tack vare omorganiseringen av proteinerna med förmågan att sammandras som bildar den. Längden på dessa strukturer modifieras, förkortas, vilket skapar en spänning som översätter till rörelsegenereringen.

I andra organismer sker cellernas rörelse också tack vare närvaron av ATP. Exempelvis sker rörelsen av cilia och flagella som möjliggör förflyttning av vissa enhjuliga organismer genom användning av ATP.

En annan speciell rörelse är den amoebiska som involverar utsprånget av en pseudopod vid celländarna. Flera celltyper använder denna rörelsemekanism, inklusive leukocyter och fibroblaster.

När det gäller könsceller är rörelse avgörande för en effektiv utveckling av embryot. Embryonceller reser viktiga avstånd från deras ursprungsort till den region där de måste ha sitt ursprung i specifika strukturer.

Hydrolys

Hydrolysen av ATP är en reaktion som involverar nedbrytningen av molekylen genom närvaro av vatten. Reaktionen representeras enligt följande:

ATP + vatten ⇋ ADP + P _i + energi. Där termen P _jag hänvisar till det oorganiska fosfatgruppen och ADP är adenosindifosfat. Observera att reaktionen är reversibel.

Hydrolysen av ATP är ett fenomen som involverar frisättning av en enorm mängd energi. Brytningen av någon av pyrofosfatbindningarna resulterar i frisättning av 7 kcal per mol - specifikt 7,3 från ATP till ADP och 8,2 för produktion av adenosinmonofosfat (AMP) från ATP. Detta motsvarar 12 000 kalorier per mol ATP.

Varför sker denna frigörelse av energi?

Eftersom hydrolysprodukterna är mycket mer stabila än den initiala föreningen, det vill säga ATP.

Det bör nämnas att endast hydrolysen som sker på pyrofosfatbindningarna för att ge upphov till bildandet av ADP eller AMP leder till generering av energi i betydande mängder.

Hydrolysen av de andra bindningarna i molekylen ger inte så mycket energi, med undantag för hydrolysen av oorganiskt pyrofosfat, som har en stor mängd energi.

Frigörandet av energi från dessa reaktioner används för att utföra metaboliska reaktioner inuti cellen, eftersom många av dessa processer behöver energi för att fungera, både i de initiala stegen i nedbrytningsvägarna och i biosyntes av föreningar. .

Till exempel i glukosmetabolismen involverar de initiala stegen fosforylering av molekylen. I följande steg genereras ny ATP för att få en positiv nettovinst.

Ur energisynpunkt finns det andra molekyler vars frisättningsenergi är större än ATP, inklusive 1,3-bisfosfoglycerat, karbamylfosfat, kreatininfosfat och fosfoenolpyruvat.

Få ATP

ATP kan erhållas på två vägar: oxidativ fosforylering och fosforylering på substratnivån. Den förstnämnda kräver syre medan den senare inte gör det. Cirka 95% av den bildade ATP förekommer i mitokondrierna.

Oxidativ fosforylering

Oxidativ fosforylering involverar en tvåfasig näringsoxidationsprocess: erhållande av reducerade koenzym NADH och FADH ₂ härledda från vitaminer.

Minskningen av dessa molekyler kräver användning av väten från näringsämnen. I fett är produktionen av koenzym anmärkningsvärd tack vare den enorma mängden vätgas som de har i sin struktur jämfört med peptider eller kolhydrater.

Även om det finns flera vägar för koenzymproduktion, är den viktigaste vägen Krebs-cykeln. Därefter koncentreras de reducerade koenzymema i andningskedjorna lokaliserade i mitokondrierna, som överför elektronerna till syre.

Elektrontransportkedjan består av en serie membrankopplade proteiner som pumpar protoner (H +) till utsidan (se bild). Dessa protoner kommer in och korsar membranet igen med hjälp av ett annat protein, ATP-syntas, ansvarigt för syntesen av ATP.

Med andra ord måste vi minska koenzym, mer ADP och syre genererar vatten och ATP.

Källa: Av Bustamante Yess, från Wikimedia Commons

Substratnivåfosforylering

Fosforylering på substratnivån är inte lika viktig som den ovan beskrivna mekanismen och eftersom den inte kräver syremolekyler är den ofta associerad med jäsning. Det här sättet, även om det är mycket snabbt, tar ut lite energi, om vi jämför det med oxidationsprocessen skulle det vara cirka femton gånger mindre.

I vår kropp sker fermenteringsprocesser på muskelnivå. Denna vävnad kan fungera utan syre, så det är möjligt att en glukosmolekyl försämras till mjölksyra (när vi till exempel använder en uttömmande sportaktivitet).

Vid jäsningar har slutprodukten fortfarande energipotential som kan utvinnas. När det gäller jäsning i muskler är kolatterna i mjölksyra på samma nivå av reduktion som de för den initiala molekylen: glukos.

Således sker energiproduktion genom bildning av molekyler som har högenergibindningar, inklusive 1,3-bisfosfoglyrat och fosfoenolpyruvat.

Vid glykolys, till exempel, är hydrolysen av dessa föreningar kopplad till produktionen av ATP-molekyler, därav termen "på substratnivå".

ATP-cykel

ATP lagras aldrig. Det är i en kontinuerlig cykel med användning och syntes. Detta skapar en balans mellan den bildade ATP och dess hydrolyserade produkt, ADP.

Källa: Av Muessig, från Wikimedia Commons

Andra energimolekyler

ATP är inte den enda molekylen som består av nukleosidbisfosfat som finns i cellulär metabolism. Det finns ett antal molekyler med strukturer som liknar ATP som har jämförbart energibeteende, även om de inte är lika populära som ATP.

Det mest framträdande exemplet är GTP, guanosintrifosfat, som används i den välkända Krebs-cykeln och i den glukoneogena vägen. Andra mindre använda är CTP, TTP och UTP.

referenser

1. Guyton, AC, & Hall, JE (2000). Lärobok för mänsklig fysiologi.
2. Hall, JE (2017). Guyton E Hall-avhandling om medicinsk fysiologi. Elsevier Brasilien.
3. Hernandez, AGD (2010). Avhandling om näring: Livsmedels sammansättning och näringskvalitet. Panamerican Medical Ed.
4. Lim, MY (2010). Det väsentliga i metabolism och näring. Elsevier.
5. Pratt, CW, & Kathleen, C. (2012). Biokemi. Redaktionell El Manual Moderno.
6. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (2007). Fundamentals of Biochemistry. Redaktör Médica Panaméricana.