Adenozintrifosfatas (ATP): ląstelių energijos molekulė — apibrėžimas ir funkcijos
ATP — ląstelių energijos „valiuta“: apibrėžimas, sintezė ir pagrindinės funkcijos metabolizme, energijos perdavime bei ląstelių veiklos palaikyme.
Adenozintrifosfatas (ATP) yra gyvūnų, augalų ir mikroorganizmų ląstelėse esantis pagrindinis energijos nešėjas ir svarbus nukleotidas. Jis dažnai vadinamas „ląstelių valiuta“ arba „molekuliniu piniginiu vienetu“, nes ATP perneša ir tiekią cheminę energiją, reikalingą daugeliui ląstelių procesų, įskaitant medžiagų apykaitą.
Struktūra ir cheminės savybės
ATP susideda iš trijų pagrindinių dalių: azotinės bazės (adeninas), cukraus (ribozės) ir trijų fosfatinių grupių. Tarp fosfatinių grupių esantys jungtys vadinamos fosfoanhidridinėmis ir laikomos „aukštos energijos“ jungtimis. Hidrolizuojant vieną iš šių jungčių (pvz., ATP → ADP + Pi) atpalaiduojama energija, kurią naudoja ląstelė įvairiems darbams atlikti.
Sintezė ir atsinaujinimas
ATP gaminamas nuolat: ląstelėse jis regeneruojamas iš adenozino difosfato (ADP) ir neorganinio fosfato (Pi) arba iš adenozino monofosfato (AMP) per fosforilinimą. Pagrindiniai ATP sintezės mechanizmai yra:
- Oksidacinė fosforilinimas mitochondrijose (kvėpavimo grandinės metu) — pagrindinis daugumos aerobinių organizmų ATP šaltinis.
- Fotosintetinė fotofosforilinimas chloroplastuose (augalams ir kai kuriems mikroorganizmams) — ATP gamyba šviesos energijos sąskaita.
- Substrato lygmens fosforilinimas citoplazmoje (pvz., glikolizėje) — ATP susidaro tiesiogiai per metabolinius žingsnius.
ATP sintazė (ATP sintazė) yra raktinis fermentas, kuris mitochondrijų (ir chloroplastų) membranoje paverčia protonų srautą mechaniniu sukimusi ir taip sintetina ATP iš ADP ir Pi.
Funkcijos ląstelėje
ATP atlieka daugybę svarbių vaidmenų:
- Energetinis substratas — suteikia energiją biosintezei (baltymų, lipidų, polisacharidų, nukleorūgščių sintezei).
- Mechaninis darbas — raumenų susitraukimui (miosinai), ląstelių judėjimui ir organelių pernešimui reikalingi ATP-dependentiniai motoriniai baltymai.
- Transportas per membranas — aktyvus jonų ir molekulių pernašymas (pvz., Na+/K+-ATPazė) sunaudoja ATP.
- Signalizacija ir reguliacija — ATP dalyvauja transdukcijos keliuose per fosforilinimą (kinazės), taip pat yra cAMP pirmtakas — svarbus antrinis pasiuntinys.
- Metabolinis integratorius — ATP/ADP ir ATP/AMP santykiai reguliuoja daugelį fermentų ir ląstelės energijos būklę (energetinį „įkrovimą“).
- Prekursorius — ATP tiekia adenozino į nukleorūgščių sintezę (pvz., kaip substratas RNR sintezei).
ATP apykaita ir ciklas
ATP atsargos ląstelėse yra ribotos — energija naudojama nuolat, todėl ATP turi būti greitai atstatoma. Fermentai, vadinami ATPazėmis, hidrolizuoja ATP, o sintezės mechanizmai atsinaujina ADP į ATP. Šis nuolatinis taupymo ir atsinaujinimo ciklas leidžia ląstelei išlaikyti gyvybines funkcijas net esant kintančioms energetinėms sąlygoms.
Energijos kiekis
Standartinė laisvosios energijos kitimo vertė ATP hidrolizei į ADP ir Pi yra apie −30,5 kJ/mol (standartinėse sąlygose), tačiau ląstelėse reali atlaisvinama energija priklauso nuo metabolitų koncentracijų ir gali būti didesnė. Dėl to ATP yra ypač tinkama „universalios“ energijos nešėja ląstelių viduje.
Praktinės ir medicininės reikšmės
Suteikus žinių apie ATP sintezę ir naudojimą, geriau suprantame daug procesų: nuo raumenų nuovargio ir metabolinių ligų iki mitochodrijų disfunkcijos, kuri susijusi su daugybe neurodegeneracinių bei metabolinių sutrikimų. Be to, kai kurios vaistų ir toksinų veikimo mechanikos susijusios su ATP gamyba ar naudojimu (pvz., inhibitoriai, paveikiantys kvėpavimo grandinę ar ATP sintazę).
Santrauka: ATP yra pagrindinis ląstelių energijos tarpininkas — mažų molekulių sistema, leidžianti saugiai ir efektyviai pernešti energiją tarp įvairių biocheminių procesų. Jo nuolatinė sintezė ir skilimas palaiko ląstelių gyvybingumą ir prisitaikymą prie energetinių poreikių.
ATP molekulinė struktūra.
Naudojimas
ATP molekulė yra labai universali, t. y. ją galima naudoti daugeliui dalykų. Energija saugoma jos cheminėse jungtyse.
Kai ATP susijungia su kitu fosfatu, kaupiama energija, kurią galima panaudoti vėliau. Kitaip tariant, kai sukuriamas ryšys, kaupiama energija. Tai endoterminė reakcija.
Kai ATP nutraukia ryšį su fosfatine grupe ir virsta ADP, išsiskiria energija. Kitaip tariant, nutrūkus ryšiui, išsiskiria energija. Tai egzoterminė reakcija.
ATP fosfatų apykaita yra beveik nesibaigiantis ciklas, kuris nutrūksta tik tada, kai ląstelė miršta.
Funkcijos ląstelėse
ATP yra pagrindinis energijos šaltinis daugumai ląstelių funkcijų. Tai apima makromolekulių, įskaitant DNR ir RNR (žr. toliau), ir baltymų sintezę. ATP taip pat atlieka svarbų vaidmenį aktyviai pernešant makromolekules per ląstelių membranas, pvz., egzocitozės ir endocitozės metu.
DNR ir RNR sintezė
Visuose žinomuose organizmuose DNR sudarantys deoksiribonukleotidai sintetinami ribonukleotidų reduktazės (RNR) fermentams veikiant atitinkamus ribonukleotidus. Šie fermentai, pašalindami deguonį, redukuoja cukraus likučius iš ribozės į deoksiribozę.
Sintezuojant nukleorūgštį RNR, ATP yra vienas iš keturių nukleotidų, kuriuos RNR polimerazės tiesiogiai įtraukia į RNR molekules. Energija, skatinanti šią polimerizaciją, gaunama atskylant pirofosfatą (dvi fosfato grupės). DNR biosintezės procesas panašus, tik prieš įterpiant į DNR ATP redukuojamas iki deoksiribonukleotido dATP.
Istorija
- ATP 1929 m. atrado Karlas Lohmannas ir Jendrassikas, o nepriklausomai nuo jų - Cyrusas Fiske'as ir Yellapragada Subba Rao iš Harvardo medicinos mokyklos. Abi komandos varžėsi tarpusavyje ieškodamos fosforo nustatymo metodo.
- 1941 m. Fritzas Albertas Lipmannas pasiūlė, kad jis yra tarpinė grandis tarp energiją teikiančių ir ją reikalaujančių reakcijų ląstelėse.
- Pirmą kartą jį 1948 m. laboratorijoje susintetino (sukūrė) Aleksandras Toddas.
- 1997 m. Nobelio chemijos premija buvo padalinta: pusė jos buvo paskirta Paului D. Boyeriui ir Johnui E. Walkeriui už adenozintrifosfato (ATP) sintezės fermentinio mechanizmo išaiškinimą, o kita pusė - Jensui C. Skou už pirmąjį jonus pernešančio fermento Na+, K+ -ATPazės atradimą.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra adenozino trifosfatas?
A: Adenozintrifosfatas (ATP) yra cheminė medžiaga, kurią gyvosios būtybės naudoja energijai kaupti ir perduoti.
K: Kokia ATP paskirtis gyvuose organizmuose?
A.: ATP paskirtis gyvosiose būtybėse - kaupti energiją ir perduoti ją ląstelėms, kurioms jos reikia.
K: Kaip ląstelės gauna energijos?
A: Ląstelės gauna energijos skaidydamos ATP molekules ir taip išlaisvindamos sukauptą energiją.
K: Ar visos gyvosios būtybės gamina ATP?
A: Taip, visos gyvosios būtybės gamina ATP, kad galėtų kaupti ir perduoti energiją.
K: Kodėl ATP reikalingas ląstelėms, kurios dirba sunkiau?
A.: ATP reikalingas sunkiau dirbančioms ląstelėms, nes joms veikti reikia daugiau energijos, o ATP - tai molekulė, kuri ją suteikia.
K: Ar gyvosios būtybės gali išgyventi be ATP?
Atsakymas: Ne, gyvosios būtybės negali išgyventi be ATP, nes tai molekulė, kuri teikia energiją visiems ląsteliniams procesams.
K: Kas atsitinka, kai ATP molekulės suskyla?
A: Kai ATP molekulės skyla, sukaupta energija išsilaisvina ir ląstelėje panaudojama įvairiems procesams.
Ieškoti