ATP (adenosine trifosfaat) structuur, functies, hydrolyse

de ATP (adenosine trifosfaat) is een organisch molecuul met hoge energiebindingen bestaande uit een adenine-ring, een ribose en drie fosfaatgroepen. Het heeft een fundamentele rol in het metabolisme, omdat het de nodige energie transporteert om een ​​reeks van cellulaire processen efficiënt te laten functioneren.

Het is algemeen bekend onder de term 'energievaluta', omdat de vorming en het gebruik ervan gemakkelijk plaatsvindt, waardoor de chemische reacties die energie vereisen snel kunnen worden 'betaald'..

Hoewel het molecuul met het blote oog klein en eenvoudig is, bespaart het een aanzienlijke hoeveelheid energie in zijn verbindingen. De fosfaatgroepen hebben negatieve ladingen, die in constante afstoting zijn, waardoor het een labiele en gemakkelijk verbroken koppeling is.

De hydrolyse van ATP is de afbraak van het molecuul door de aanwezigheid van water. Door dit proces wordt de ingesloten energie vrijgegeven.

Er zijn twee belangrijke bronnen van ATP: het substraat-niveau fosforylatie en oxidatieve fosforylering, waarbij de laatste de belangrijkste en meest gebruikt door de cel.

Oxidatieve fosforylatie koppelt de oxidatie van FADH₂ en de NADH + H⁺ in mitochondriën en fosforylatie op substraatniveau vindt plaats buiten de elektronentransportketen, in routes zoals glycolyse en de tricarbonzuurcyclus.

Dit molecuul is verantwoordelijk voor de energie die nodig is voor de meeste processen die optreden in de cel, aangezien eiwitsynthese voortbeweging optreden. Bovendien maakt het het verkeer van moleculen door de membranen mogelijk en werkt het op celsignalering.

index

• 1 structuur
• 2 functies
  • 2.1 Energievoorziening voor het transport van natrium en kalium door het membraan
  • 2.2 Deelname aan eiwitsynthese
  • 2.3 Voedingsenergie voor voortbeweging
• 3 Hydrolyse
  • 3.1 Waarom dit vrijkomen van energie plaatsvindt?
• 4 ATP verkrijgen
  • 4.1 Oxidatieve fosforylatie
  • 4.2 Fosforylatie op substraatniveau
• 5 ATP-cyclus
• 6 Andere energiemoleculen
• 7 Referenties

structuur

ATP, zoals de naam al aangeeft, is een nucleotide met drie fosfaten. De specifieke structuur, met name de twee pyrofosfaatbindingen, maken het tot een energierijke verbinding. Het bestaat uit de volgende elementen:

- Een stikstofhoudende base, adenine. Stikstofhoudende basen zijn cyclische verbindingen die een of meer stikstof in hun structuur bevatten. We vinden ze ook als componenten in nucleïnezuren, DNA en RNA.

- Ribose bevindt zich in het midden van het molecuul. Het is een suiker van het pentose-type, omdat het vijf koolstofatomen heeft. De chemische formule is C₅H₁₀O₅. De koolstof 1 van ribose is bevestigd aan de adeninering.

- Drie fosfaatradicalen. De laatste twee zijn de "high energy links" en worden weergegeven in de grafische structuren met het symbool van de virgulilla: ~. De fosfaatgroep is een van de belangrijkste in biologische systemen. De drie groepen worden alfa, bèta en gamma genoemd, van het dichtst bij het verste.

Deze link is zeer labiel, dus het is snel, eenvoudig en spontaan verdeeld wanneer de fysiologische omstandigheden van het organisme dit vereisen. Dit gebeurt omdat de negatieve ladingen van de drie fosfaatgroepen constant van elkaar af proberen te komen.

functies

ATP speelt een onmisbare rol in het energiemetabolisme van vrijwel alle levende organismen. Om deze reden wordt het vaak energievaluta genoemd, omdat het in slechts enkele minuten continu kan worden uitgegeven en aangevuld..

Direct of indirect, de ATP levert de energie voor honderden processen, en werkt bovendien als een fosfaatdonor.

In het algemeen werkt ATP als een signaalmolecuul in de processen die zich in de cel voordoen, het is noodzakelijk om de componenten van DNA en RNA te synthetiseren en voor de synthese van andere biomoleculen neemt het deel aan het verkeer door de membranen, onder anderen.

Het gebruik van ATP kan worden onderverdeeld in hoofdcategorieën: transport van moleculen door biologische membranen, synthese van verschillende verbindingen en tenslotte mechanisch werk.

De functies van de ATP zijn erg breed. Bovendien is het bij zoveel reacties betrokken dat het onmogelijk zou zijn om ze allemaal te noemen. Daarom zullen we drie specifieke voorbeelden bespreken om elk van de drie genoemde toepassingen te illustreren.

Energievoorziening voor het transport van natrium en kalium door het membraan

De cel is een extreem dynamische omgeving die specifieke concentraties vereist. De meeste moleculen komen de cel niet willekeurig of nonchalant binnen. Voor een molecuul of stof om binnen te komen, moet het dit doen door zijn specifieke transporter.

Transporters zijn eiwitten die het membraan doorkruisen en functioneren als cellulaire "poortwachters", die de stroom van materialen controleren. Daarom is het membraan semipermeabel: het zorgt ervoor dat bepaalde verbindingen kunnen binnendringen en andere niet.

Een van de bekendste transporten is de natrium-kaliumpomp. Dit mechanisme is geclassificeerd als een actief transport, omdat de beweging van de ionen plaatsvindt tegen hun concentraties en de enige manier om deze beweging uit te voeren is om energie in het systeem te introduceren, in de vorm van ATP.

Geschat wordt dat een derde van de ATP gevormd in de cel wordt gebruikt om de pomp actief te houden. Natriumionen worden constant naar de buitenzijde van de cel gepompt, terwijl kaliumionen dit omgekeerd doen.

Logischerwijs is het gebruik van ATP niet beperkt tot het transport van natrium en kalium. Er zijn andere ionen, zoals calcium, magnesium, die deze energievaluta nodig hebben om binnen te komen.

Deelname aan eiwitsynthese

Eiwitmoleculen worden gevormd door aminozuren, aan elkaar verbonden door peptidebindingen. Om ze te vormen, moet je vier hoogenergetische banden breken. Met andere woorden, een aanzienlijk aantal ATP-moleculen moet worden gehydrolyseerd voor de vorming van een eiwit met gemiddelde lengte.

De synthese van eiwitten vindt plaats in structuren die ribosomen worden genoemd. Ze zijn in staat om de code die het boodschappers-RNA bezat te interpreteren en deze te vertalen in een aminozuursequentie, een ATP-afhankelijk proces.

In de meest actieve cellen kan de eiwitsynthese tot 75% van het ATP leiden dat gesynthetiseerd is in dit belangrijke werk.

Aan de andere kant, synthetiseert de cel niet alleen eiwitten, moet ook lipiden, cholesterol en andere stoffen die essentieel zijn om te doen en vereist de energie die in de schakels van ATP.

Lever energie voor voortbeweging

Mechanisch werk is een van de belangrijkste functies van de ATP. Bijvoorbeeld, voor ons lichaam om de samentrekking van spiervezels te kunnen uitvoeren, is de beschikbaarheid van grote hoeveelheden energie noodzakelijk.

In de spier kan de chemische energie worden omgezet in mechanische energie dankzij de reorganisatie van de eiwitten met contractiecapaciteit die het vormen. De lengte van deze structuren wordt aangepast, ingekort, waardoor een spanning ontstaat die resulteert in het genereren van beweging.

In andere organismen vindt de verplaatsing van cellen ook plaats dankzij de aanwezigheid van ATP. Bijvoorbeeld, de beweging van cilia en flagella die de verplaatsing van bepaalde eencellige organismen mogelijk maakt, gebeurt door het gebruik van ATP.

Een andere specifieke beweging is het amoebe die het uitsteeksel van een pseudopod bij de celuiteinden omvat. Verschillende celtypen gebruiken dit mechanisme van voortbeweging, waaronder leukocyten en fibroblasten.

In het geval van geslachtscellen is voortbeweging essentieel voor de effectieve ontwikkeling van het embryo. Embryonale cellen verplaatsen zich op belangrijke afstanden van hun plaats van oorsprong naar de regio waar ze specifieke structuren moeten vinden.

hydrolyse

De hydrolyse van ATP is een reactie die de afbraak van het molecuul door de aanwezigheid van water omvat. De reactie wordt als volgt weergegeven:

ATP + water ⇋ ADP + P_ik + energie. Waar, de term P_ik het verwijst naar de groep van anorganisch fosfaat en de ADP is adenosinedifosfaat. Merk op dat de reactie omkeerbaar is.

De hydrolyse van ATP is een fenomeen waarbij een immense hoeveelheid energie vrijkomt. De breuk van een van de pyrofosfaatbindingen resulteert in de afgifte van 7 kcal per mol - in het bijzonder 7,3 van ATP tot ADP en 8,2 voor de productie van adenosinemonofosfaat (AMP) uit ATP. Dit komt overeen met 12.000 calorieën per mol ATP.

Waarom doet deze versie van energie zich voor??

Omdat de producten van hydrolyse veel stabieler zijn dan de oorspronkelijke verbinding, d.w.z. de ATP.

Opgemerkt wordt dat slechts hydrolyse plaatsvinden op pyrofosfaat verbindingen leidt tot de vorming van ADP en AMP leidt tot opwekking van energie in grote hoeveelheden.

Hydrolyse van andere bindingen in het molecuul heeft niet veel energie, behalve voor de hydrolyse van anorganisch pyrofosfaat, die een grote hoeveelheid energie moet.

De afgifte van energie uit deze reacties wordt gebruikt om metabole reacties in de cel uit te voeren, omdat veel van deze processen energie vereisen om te functioneren, zowel in de eerste stappen van afbraakroutes als in de biosynthese van verbindingen.

In het glucosemetabolisme omvatten de initiële stappen bijvoorbeeld de fosforylatie van het molecuul. In de volgende stappen wordt nieuwe ATP gegenereerd om een ​​positieve netto winst te verkrijgen.

Vanuit het oogpunt van energie zijn er andere moleculen waarvan de energie-afgifte groter is dan die van ATP, waaronder 1,3-bifosfoglyceraat, carbamylfosfaat, creatininefosfaat en fosfoenolpyruvaat.

ATP verkrijgen

ATP kan op twee manieren worden verkregen: oxidatieve fosforylatie en fosforylatie op substraatniveau. De eerste vereist zuurstof, terwijl de tweede het niet nodig heeft. Ongeveer 95% van het gevormde ATP komt voor in de mitochondria.

Oxidatieve fosforylatie

Oxidatieve fosforylering omvat een proces van oxidatie van voedingsstoffen in twee fasen: verkrijgen van gereduceerde co-enzymen NADH en FADH₂ derivaten van vitamines.

De reductie van deze moleculen vereist het gebruik van waterstofatomen uit de voedingsstoffen. In vetten is de productie van co-enzymen opmerkelijk, dankzij de enorme hoeveelheid waterstoffen die ze in hun structuur hebben, vergeleken met peptiden of met koolhydraten.

Hoewel er verschillende manieren zijn om co-enzymen te produceren, is de Krebs-cyclus de belangrijkste route. Vervolgens zijn de gereduceerde co-enzymen geconcentreerd in de ademhalingsketens in de mitochondria, die de elektronen naar zuurstof overbrengen.

De elektronentransportketen wordt gevormd door een reeks eiwitten gekoppeld aan het membraan, die protonen (H +) naar buiten pompen (zie afbeelding). Deze protonen komen weer het membraan door via een ander eiwit, ATP-synthase, verantwoordelijk voor de synthese van ATP.

Met andere woorden, we moeten co-enzymen verminderen, meer ADP en zuurstof genereren water en ATP.

Fosforilatie op substraatniveau

Fosforylering op substraatniveau is niet zo belangrijk als het hierboven beschreven mechanisme en omdat het geen zuurstofmoleculen vereist, wordt het gewoonlijk geassocieerd met fermentatie. Op deze manier haalt het, hoewel het erg snel is, weinig energie, als we het vergelijken met het oxidatieproces zou het ongeveer vijftien keer minder zijn.

In ons lichaam vinden fermentatieve processen plaats op het spierniveau. Dit weefsel kan zonder zuurstof functioneren, dus het is mogelijk dat een glucosemolecuul wordt afgebroken tot melkzuur (als we bijvoorbeeld een uitgebreide sportactiviteit verrichten).

Bij fermentaties heeft het eindproduct nog steeds energiepotentieel dat kan worden geëxtraheerd. In het geval van fermentatie in spieren, zijn de koolstoffen in melkzuur op hetzelfde niveau van reductie als die in het initiële molecuul: glucose.

De productie van energie gebeurt dus door de vorming van moleculen met hoge energiebindingen, waaronder 1,3-bifosfogliraat en fosfoenolpyruvaat.

Bij glycolyse is de hydrolyse van deze verbindingen bijvoorbeeld gekoppeld aan de productie van ATP-moleculen, vandaar de term "op substraatniveau".

ATP-cyclus

ATP wordt nooit opgeslagen. Het zit in een continue cyclus van gebruik en synthese. Op deze manier wordt een balans gevormd tussen de gevormde ATP en het gehydrolyseerde product ervan, de ADP.

Andere energiemoleculen

ATP is niet het enige molecuul dat bestaat uit nucleosidebifosfaat dat voorkomt in het celmetabolisme. Er is een reeks moleculen met structuren vergelijkbaar met ATP die een vergelijkbaar energiegedrag hebben, hoewel ze niet zo populair zijn als de ATP.

Het meest opvallende voorbeeld is GTP, guanosinetrifosfaat, dat wordt gebruikt in de bekende Krebs-cyclus en in de gluconeogene route. Andere minder gebruikt zijn de CTP, TTP en UTP.

referenties

1. Guyton, A.C., & Hall, J.E. (2000). Leerboek van de menselijke fysiologie.
2. Hall, J.E. (2017). Guyton E Hall Verhandeling over medische fysiologie. Elsevier Brazilië.
3. Hernandez, A. G. D. (2010). Voedingsverdrag: samenstelling en voedingskwaliteit van voedsel. Ed. Panamericana Medical.
4. Lim, M. Y. (2010). De essentie in metabolisme en voeding. Elsevier.
5. Pratt, C. W., & Kathleen, C. (2012). biochemie. Redactioneel Het moderne handboek.
6. Voet, D., Voet, J.G., en Pratt, C.W. (2007). Fundamentals of Biochemistry. Medische redactie Panamericana.