Adenozin trifosfat (ATP) — definicija in vloga kot vir energije v celici

Adenozin trifosfat (ATP) je nukleotid, ki se v celicah uporablja kot koencim. Pogosto ga imenujejo "molekularna denarna enota": ATP v celicah prenaša kemično energijo za presnovo.

Vsaka celica za energijo uporablja ATP. Sestavljen je iz baze (adenina) in treh fosfatnih skupin. Ena molekula ATP vsebuje tri fosfatne skupine in nastane v ATP-sintazi iz anorganskega fosfata in adenozin difosfata (ADP, di pomeni dve fosfatni skupini) ali adenozin monofosfata (AMP).

Struktura in kemične značilnosti

ATP je sestavljen iz treh glavnih delov: dušikove baze adenin, sladkorja riboze in verige treh fosfatnih skupin. Povezave med zadnjima dvema fosfatnima skupinama (t. i. fosfoanhidridne vezi) shranjujejo veliko prostorne energije. Ob hidrolizi ATP v ADP + Pi (ali v AMP + PPi) se sprosti energija, ki jo celica izkorišča za različna dela. Standardna Gibbsova prostorska energia za hidrolizo ATP je približno −30,5 kJ/mol, vendar se v celicah dejanska sproščena količina energije razlikuje glede na pogoje (koncentracije reakcijskih oblik, pH, Mg2+ itd.).

Kako nastaja ATP

ATP se obnavlja stalno in hitreje kot skoraj kateri koli drug molekularni vir v celici. Glavni mehanizmi sinteze so:

Oksidativna fosforilacija: v mitohondrijih elektronski prenos ustvarja protonski gradient čez notranjo membrano; nato gradient poganja ATP-sintazo, ki sintetizira ATP iz ADP in anorganskega fosfata.
Substratno nivojska fosforilacija: potek v citosolu pri glikolizi in v Krebsovem ciklu, kjer se neposredno prenaša fosfat na ADP.
Fotofosforilacija: pri fotosintetskih organizmih, kjer svetloba poganja nastanek protonskega gradienta in sintezo ATP v kloroplastih.
Hitre rezervoarske poti: v mišicah kreatin-fosfat hitro regenerira ATP pri kratkotrajnem, intenzivnem delu (kreatin kinaza).

Vloge ATP v celici

ATP ni le "energijska valuta", temveč ima tudi številne druge ključne funkcije:

Mehansko delo: poganja kontrakcijo mišic (interakcije miozina in aktina), gibanje celičnih struktur in celično motorično dejavnost.
Transport: omogoča aktivni transport snovi preko membran (npr. Na+/K+ ATPaza, črpalke za kalcij).
Presnovne reakcije in biosinteza: energijsko zahteva sinteza proteinov, lipidov, ogljikovih hidratov in nukleinskih kislin.
Fosforilacija in signalizacija: ATP je donor fosfatnih skupin pri protein-kinazah; iz njega nastajajo tudi sekundarni glasniki (npr. cAMP).
Nukleotidna vloga: kot gradnik pri sintezi RNA in, posredno, DNA (prek dATP) ter kot koencim pri številnih encimskih reakcijah.

Zakaj so vezi v ATP "visokoenergijske"?

V pogovornem jeziku rečemo, da so fosfoanhidridne vezi v ATP "visokoenergijske", ker hidroliza vodi do produktov z večjo energijsko stabilnostjo. Glavni razlogi so: odstranitev elektrostatičnega odbojanja med negativnimi fosfatnimi skupinami, boljša resonančna stabilizacija prostih fosfatov in večja odvoda vode (hidroliza poveča stabilnost produktov). To ne pomeni, da je sama kemijska vez "bogata" z energijo v vakuumu — energija sproščena pri reakciji izvira iz relativnih stabilnosti reaktantov in produktov.

Obnova in poraba — dinamika v telesu

V zdravih celicah je obnavljanje ATP zelo hitro; molekula ATP se v celotnem telesu stalno razgrajuje in ponovno sintetizira. Pri ljudeh je dnevna poraba ATP izjemno visoka — telo stalno proizvaja velike količine ATP, da zadosti energijskim potrebam organov in tkiv. Kadar je oskrba z oksigenom omejena (npr. pri ishemiji), se sinteza ATP zmanjša, kar hitro vodi v celično okvaro in smrt.

Klinični in eksperimentalni pomen

Nivo ATP je merilo celične vitalnosti; upad ATP lahko kaže na mitohondrijsko disfunkcijo, hipoksijo ali toksičnost. V raziskavah se ATP pogosto meri s pomočjo luciferaznih testov (encim luciferaza porabi ATP za proizvodnjo svetlobe) za hitro in občutljivo določitev ravni ATP v vzorcih.

Sklep: ATP je osrednja molekula za prenos energije v celicah, brez katere bi večina biokemičnih procesov ne mogla potekati. Njegova stalna sinteza in poraba sta temelj celične funkcije in homeostaze.

Molekularna struktura ATP.

Uporaba

Molekula ATP je zelo vsestranska, kar pomeni, da jo je mogoče uporabiti za veliko stvari. Energija je shranjena v njenih kemijskih vezeh.

Ko se ATP poveže z drugim fosfatom, se shrani energija, ki se lahko uporabi pozneje. Z drugimi besedami, ko nastane vez, se energija shrani. To je endotermna reakcija.

Ko ATP pretrga vez s fosfatno skupino in postane ADP, se sprosti energija. Z drugimi besedami, ko se pretrga vez, se sprosti energija. To je eksotermna reakcija.

Izmenjava ATP-fosfatov je skoraj neskončen cikel, ki se ustavi šele, ko celica umre.

Funkcije v celicah

ATP je glavni vir energije za večino celičnih funkcij. To vključuje sintezo makromolekul, vključno z DNK in RNK (glej spodaj), ter beljakovin. ATP ima ključno vlogo tudi pri aktivnem prenosu makromolekul prek celičnih membran, npr. pri eksocitozi in endocitozi.

Sinteza DNK in RNK

V vseh znanih organizmih se deoksiribonukleotidi, ki sestavljajo DNK, sintetizirajo z delovanjem encimov ribonukleotid reduktaze (RNR) na ustrezne ribonukleotide. Ti encimi z odstranjevanjem kisika reducirajo sladkorni ostanek iz riboze v deoksiribozo.

Pri sintezi nukleinske kisline RNK je ATP eden od štirih nukleotidov, ki jih polimeraze RNK vgradijo neposredno v molekule RNK. Energija, ki poganja to polimerizacijo, izhaja iz odcepljanja pirofosfata (dveh fosfatnih skupin). Podobno poteka tudi biosinteza DNK, le da se ATP pred vključitvijo v DNK reducira v deoksiribonukleotid dATP.

Zgodovina

ATP sta leta 1929 odkrila Karl Lohmann in Jendrassik ter neodvisno Cyrus Fiske in Yellapragada Subba Rao s harvardske medicinske fakultete. Obe ekipi sta med seboj tekmovali v iskanju metode za določanje vsebnosti fosforja.
Fritz Albert Lipmann je leta 1941 predlagal, da je posrednik med reakcijami, ki dajejo energijo, in reakcijami, ki jo zahtevajo, v celicah.
Leta 1948 ga je v laboratoriju prvič sintetiziral (ustvaril) Alexander Todd.
Nobelova nagrada za kemijo za leto 1997 je bila razdeljena: polovico sta prejela Paul D. Boyer in John E. Walker za razjasnitev encimskega mehanizma sinteze adenozin trifosfata (ATP), drugo polovico pa Jens C. Skou za prvo odkritje encima za prenos ionov, Na+, K+ -ATPaza.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je adenozin trifosfat?

O: Adenozin trifosfat (ATP) je kemikalija, ki jo živa bitja uporabljajo za shranjevanje in prenos energije.

V: Kakšen je namen ATP v živih bitjih?

O: Namen ATP v živih bitjih je shranjevanje energije in njen prenos do celic, ki jo potrebujejo.

V: Kako celice pridobivajo energijo?

O: Celice pridobivajo energijo z razpadanjem molekul ATP, da se sprosti shranjena energija.

V: Ali vsa živa bitja proizvajajo ATP?

O: Da, vsa živa bitja proizvajajo ATP za shranjevanje in prenos energije.

V: Zakaj je ATP potreben za celice, ki delujejo močneje?

O: ATP je potreben za celice, ki delajo več, ker potrebujejo več energije za svoje delovanje, ATP pa je molekula, ki zagotavlja to energijo.

V: Ali lahko živa bitja preživijo brez ATP?

O: Ne, živa bitja ne morejo preživeti brez ATP, ker je to molekula, ki zagotavlja energijo za vse celične procese.

V: Kaj se zgodi, ko molekule ATP razpadejo?

O: Ko molekule ATP razpadejo, se shranjena energija sprosti in jo celica uporabi za različne procese.