אטפ (אדנוזין טריפוספט): מבנה, פונקציות, הידרוליזה - ביולוגיה - 2025

ה- ATP (אדנוזין טריפוספט) הוא מולקולה אורגנית עם קשרי אנרגיה גבוהה הנוצרת על ידי טבעת אדנין, ריבוז ושלוש קבוצות פוספט. יש לה תפקיד בסיסי במטבוליזם, מכיוון שהוא מעביר את האנרגיה הדרושה בכדי לשמור על סדרה של תהליכים סלולריים ביעילות.

זה ידוע בעיקר בכינוי המונח "מטבע אנרגיה", שכן היווצרותו ושימושו מתרחשים בקלות, ומאפשרת לו "לשלם" במהירות עבור תגובות כימיות הדורשות אנרגיה.

מקור: על ידי משתמש: Mysid (תוצרת עצמית ב- bkchem; נערך בפרל.), באמצעות Wikimedia Commons

למרות שהמולקולה בעין בלתי מזוינת קטנה ופשוטה, היא מאחסנת בכמויותיה כמות משמעותית של אנרגיה. לקבוצות פוספט יש מטענים שליליים שנמצאים בהדחה מתמדת, מה שהופך אותה לקשר גמיש שנשבר בקלות.

ההידרוליזה של ATP היא פירוק המולקולה על ידי נוכחות מים. בתהליך זה האנרגיה הכלולה משתחררת.

ישנם שני מקורות עיקריים ל- ATP: זרחן ברמת המצע וזרחן חמצוני, כאשר האחרונים הם החשובים ביותר ומשמשים את התא ביותר.

זרחן חמצוני מקשר את חמצון ה- FADH ₂ ו- NADH + H ⁺ במיטוכונדריה, והזרחן ברמת המצע מתרחש מחוץ לשרשרת ההובלה האלקטרונית, במסלולים כמו גליקוליזה ומחזור החומצה הטריקארבוקסילית.

מולקולה זו אחראית לספק את האנרגיה הדרושה לרוב התהליכים המתרחשים בתא שמתרחשים, מסינתזת חלבון ועד תנועה. בנוסף, הוא מאפשר תנועה של מולקולות דרך ממברנות ופועל באיתות תאים.

מִבְנֶה

ATP, כשמו כן הוא, הוא נוקלאוטיד עם שלושה פוספטים. המבנה הספציפי שלו, במיוחד שני קשרי הפירופוספט, הופכים אותו לתרכובת עשירה באנרגיה. זה מורכב מהרכיבים הבאים:

- בסיס חנקני, אדנין. בסיסי חנקן הם תרכובות מחזוריות המכילות חנקן אחד או יותר במבנה שלהם. אנו מוצאים אותם גם כמרכיבים בחומצות גרעין, DNA ו- RNA.

- ריבוז נמצא במרכז המולקולה. זהו סוכר מסוג פנטוזה, מכיוון שיש בו חמישה אטומי פחמן. הנוסחה הכימית שלה היא C ₅ H ₁₀ O ₅ . פחמן 1 של ריבוז מחובר לטבעת האדנין.

- שלושה רדיקלים פוספטיים. השניים האחרונים הם "קשרי האנרגיה הגבוהה" ומיוצגים במבנים הגרפיים על ידי סמל ההטיה: ~. קבוצת הפוספט היא אחת החשובות במערכות ביולוגיות. שלוש הקבוצות נקראות אלפא, בטא וגמא, מהקרוב ביותר למרוחק ביותר.

קישור זה הוא מאוד גולי, ולכן הוא מתחלק במהירות, בקלות ובספונטניות כאשר התנאים הפיזיולוגיים של הגוף מצדיקים זאת. זה קורה מכיוון שהמטענים השליליים של שלוש קבוצות הפוספט מנסים כל הזמן להתרחק זה מזה.

מאפיינים

ATP ממלא תפקיד חיוני בחילוף החומרים האנרגטי של כמעט כל היצורים החיים. מסיבה זו מכונה לעתים קרובות מטבע אנרגיה, שכן ניתן לבזבז אותו באופן רציף ולחדש אותו תוך מספר דקות בלבד.

במישרין או בעקיפין, ATP מספקת אנרגיה למאות תהליכים, בנוסף לפעולה כתורמת פוספט.

באופן כללי, ATP משמש כמולקולת איתות בתהליכים המתרחשים בתוך התא, יש צורך לסנתז את מרכיבי ה- DNA וה- RNA ולסינתזה של ביו-מולקולות אחרות, הוא משתתף בסחר באמצעות קרומים, בין היתר.

ניתן לחלק את השימושים ב- ATP לקטגוריות עיקריות: הובלת מולקולות דרך ממברנות ביולוגיות, סינתזה של תרכובות שונות ולבסוף, עבודה מכנית.

הפונקציות של ATP רחבות מאוד. יתר על כן, הוא מעורב בתגובות כה רבות שאי אפשר לנקוב בשם כולם. לכן נדון בשלוש דוגמאות ספציפיות להמחשת כל אחד משלושת השימושים שהוזכרו.

אספקת אנרגיה להובלת נתרן ואשלגן על פני הממברנה

התא הוא סביבה דינאמית מאוד הדורשת שמירה על ריכוזים ספציפיים. מרבית המולקולות אינן נכנסות לתא באופן אקראי או במקרה. כדי להיכנס מולקולה או חומר, עליה לעשות זאת על ידי הטרנספורטר הספציפי שלה.

הובלות הינן חלבונים המתפשטים על קרום המתפקדים כ"שומרי הסף "של התאים, ושולטים על זרימת החומרים. לפיכך, הממברנה חדירה למחצה: היא מאפשרת להיכנס לתרכובות מסוימות ואחרות אינן נכנסות.

אחד התובנות הידועות ביותר הוא משאבת נתרן אשלגן. מנגנון זה מסווג כתחבורה פעילה, מכיוון שתנועת יונים מתרחשת כנגד ריכוזיהם והדרך היחידה לבצע תנועה זו היא על ידי הכנסת אנרגיה למערכת, בצורה של ATP.

ההערכה היא כי שליש מה- ATP הנוצר בתא משמש לשמירת הפעילות של המשאבה. יוני נתרן נשאבים ללא הפסקה מהתא, ואילו יוני אשלגן נשאבים בכיוון ההפוך.

באופן הגיוני, השימוש ב- ATP אינו מוגבל להובלת נתרן ואשלגן. ישנם יונים אחרים, כמו סידן, מגנזיום, בין השאר, הזקוקים למטבע אנרגיה זה כדי להיכנס.

השתתפות בסינתזת חלבון

מולקולות חלבון מורכבות מחומצות אמינו, המקושרות זו לזו באמצעות קשרי פפטיד. כדי ליצור אותם דורש שבירה של ארבעה קשרים בעלי אנרגיה גבוהה. במילים אחרות, יש צורך להפחית מספר ניכר של מולקולות ATP לצורך יצירת חלבון באורך ממוצע.

סינתזת חלבון מתרחשת במבנים הנקראים ריבוזומים. אלה מסוגלים לפרש את הקוד שיש ל- RNA המסנג'ר ולתרגם אותו לרצף חומצות אמינו, תהליך התלוי ב- ATP.

בתאים הפעילים ביותר, סינתזת חלבון יכולה לכוון עד 75% מה- ATP המסונתז בעבודה חשובה זו.

מצד שני, התא לא רק מסנתז חלבונים, הוא גם זקוק לליפידים, כולסטרול וחומרים חיוניים אחרים וכדי לעשות זאת הוא דורש את האנרגיה הכלולה בקשרי ה- ATP.

ספק אנרגיה לתנועה

עבודה מכנית היא אחת הפונקציות החשובות ביותר של ATP. לדוגמא, על מנת שגופנו יוכל להתכווץ בסיבי שריר הוא דורש זמינות של כמויות אנרגיה גדולות.

בשריר ניתן להפוך אנרגיה כימית לאנרגיה מכנית הודות לארגון מחדש של החלבונים עם יכולת התכווצות המהווים אותה. אורכם של מבנים אלה משתנה, מתקצר, מה שיוצר מתח שמתורגם לדור התנועה.

באורגניזמים אחרים תנועת התאים מתרחשת גם הודות לנוכחות ATP. לדוגמה, התנועה של ציצית והפללה המאפשרת עקירה של אורגניזמים חד-תאיים מסוימים מתרחשת באמצעות ATP.

תנועה מסוימת נוספת היא התנועה האמיבית שכוללת בליטה של ​​פסאודופוד בקצות התא. מספר סוגי תאים משתמשים במנגנון תנועה זה, כולל לויקוציטים ופיברובלסטים.

במקרה של תאי נבט, תנועה חיונית להתפתחות יעילה של העובר. תאים עובריים עוברים מרחקים חשובים ממקום מוצאם לאזור בו הם חייבים מקורם במבנים ספציפיים.

הִידרוֹלִיזָה

הידרוליזה של ATP היא תגובה הכרוכה בפירוק המולקולה על ידי נוכחות מים. התגובה מיוצגת באופן הבא:

ATP + מים energy ADP + P _i + אנרגיה. איפה, המונח P _i מתייחס לקבוצת פוספט אנאורגני ADP הוא דיפוספט אדנוזין. שימו לב שהתגובה הפיכה.

הידרוליזה של ATP היא תופעה שכוללת שחרור של כמות עצומה של אנרגיה. שבירה של כל אחד מקשרי הפירופוספט גורמת לשחרור של 7 קק"ל לשומה - במיוחד 7.3 מ- ATP ל- ADP ו- 8.2 לייצור אדנוזין מונופוספט (AMP) מ- ATP. זה שווה ל 12,000 קלוריות לשומה של ATP.

מדוע שחרור אנרגיה זה מתרחש?

מכיוון שמוצרי ההידרוליזה יציבים בהרבה מהתרכובת הראשונית, כלומר ATP.

יש להזכיר שרק ההידרוליזה המתרחשת על קשרי הפירופוספט על מנת להביא ליצירת ADP או AMP מובילה לייצור אנרגיה בכמויות משמעותיות.

ההידרוליזה של הקשרים האחרים במולקולה אינה מספקת אנרגיה רבה, למעט הידרוליזה של פירופוספט אנאורגני, שיש לו אנרגיה רבה.

שחרור האנרגיה מתגובות אלה משמש לביצוע תגובות מטבוליות בתוך התא, מכיוון שרבים מתהליכים אלה זקוקים לאנרגיה כדי לתפקד, הן בשלבים הראשוניים של דרכי ההידרדרות והן בסינתזה של תרכובות. .

לדוגמה, במטבוליזם של גלוקוז, השלבים הראשונים כוללים זרחן של המולקולה. בשלבים הבאים נוצר ATP חדש, לקבלת רווח נקי חיובי.

מבחינת האנרגיה, יש מולקולות אחרות אשר אנרגיית השחרור שלה גדולה מזו של ATP, כולל 1,3-ביספוספוגליצרט, קרבמילפוספט, קריאטינין פוספט ופוספינולפירובט.

השגת ATP

ניתן להשיג ATP בשני דרכים: זרחן חמצוני ופוספורילציה ברמת המצע. הראשון זקוק לחמצן ואילו האחרון לא. כ- 95% מה- ATP שנוצר מתרחש במיטוכונדריה.

זרחן חמצוני

זרחן חמצוני כרוך בתהליך חמצון דו-שלבי של התזונה: קבלת קואנזימים מופחתים NADH ו- FADH ₂ שמקורם בוויטמינים.

הפחתה של מולקולות אלה מחייבת שימוש בהידרוגנים מחומרים מזינים. בייצור שומנים ייצור הקואנזימים ראוי לציון, הודות לכמות העצומה של הידרוגנים שיש להם במבנה שלהם, לעומת פפטידים או פחמימות.

למרות שיש כמה מסלולי ייצור של קו-אנזים, המסלול החשוב ביותר הוא מחזור קרבס. בהמשך, הקואנזימים המופחתים מרוכזים בשרשראות הנשימה הממוקמות במיטוכונדריה, שמעבירים את האלקטרונים לחמצן.

שרשרת ההובלה האלקטרונית מורכבת מסדרה של חלבונים צמודי קרום השואבים פרוטונים (H +) כלפי חוץ (ראו תמונה). פרוטונים אלה נכנסים וחוצים את הממברנה שוב באמצעות חלבון אחר, ATP synthase, האחראי על הסינתזה של ATP.

במילים אחרות, עלינו להפחית קואנזימים, יותר ADP וחמצן מייצרים מים ו- ATP.

מקור: מאת Bustamante Yess, מ- Wikimedia Commons

זרחן ברמה המצעית

זרחן ברמת המצע אינו חשוב כמו המנגנון שתואר לעיל, מכיוון שהוא אינו דורש מולקולות חמצן, הוא לרוב קשור לתסיסה. בדרך זו, למרות שהיא מהירה מאוד, מפיקה מעט אנרגיה, אם נשווה אותה לתהליך החמצון, היא תהיה פי חמש עשרה פחות.

בגופנו, תהליכי תסיסה מתרחשים ברמת השריר. רקמה זו יכולה לתפקד ללא חמצן, ולכן יתכן שמולקולת גלוקוז מבוטלת לחומצה לקטית (כאשר אנו מבצעים פעילות ספורטיבית ממצה, למשל).

בתסיסה, למוצר הסופי יש עדיין פוטנציאל אנרגטי שניתן לחלץ. במקרה של תסיסה בשרירים, הפחמימות בחומצה לקטית נמצאות באותה רמת הפחתה כמו זו של המולקולה הראשונית: גלוקוזה.

לפיכך, ייצור אנרגיה מתרחש על ידי היווצרות מולקולות שיש להן קשרים בעלי אנרגיה גבוהה, כולל 1,3-ביספוספוגליאט ופוספינולפירובט.

בגליוקוליזה, למשל, ההידרוליזה של תרכובות אלה קשורה לייצור מולקולות ATP, ומכאן המונח "ברמת המצע".

מחזור ATP

ATP לא נשמר אף פעם. זה נמצא במחזור מתמשך של שימוש וסינתזה. זה יוצר איזון בין ה- ATP שנוצר למוצר ההידרוליזה שלו, ADP.

מקור: מאת Muessig, מ- Wikimedia Commons

מולקולות אנרגיה אחרות

ATP אינו המולקולה היחידה המורכבת מ נוקלאוזיד ביספוספט שקיימת בחילוף חומרים סלולרי. יש מספר מולקולות עם מבנים הדומים ל- ATP שיש להם התנהגות אנרגטית דומה, אם כי הם אינם פופולריים כמו ATP.

הדוגמה הבולטת ביותר היא GTP, גואנוזין טריפוספט, המשמש במחזור הקרבס הידוע ובמסלול הגלוקונוגני. אחרים פחות משמשים הם CTP, TTP ו- UTP.

הפניות

1. גייטון, AC, & Hall, JE (2000). ספר לימוד לפיזיולוגיה אנושית.
2. הול, JE (2017). חוג גייטון אי הול על פיזיולוגיה רפואית. אלזביברזיל.
3. הרננדז, AGD (2010). מסה על תזונה: הרכב ואיכות התזונה של המזונות. פנמריקנית רפואית אד.
4. לימ, MY (2010). יסודות המטבוליזם והתזונה. אלזביאר.
5. Pratt, CW, & Kathleen, C. (2012). בִּיוֹכִימִיָה. עריכה El Manual Moderno.
6. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (2007). יסודות הביוכימיה. עורכת המדיקה פאנמריקנה.