Аденозинтрифосфат (АТФ) — молекулата на енергията в клетката
Аденозинтрифосфат (АТФ) — ключовата молекула за енергия в клетката: структура, синтез и роля в обмяната на веществата за поддържане на живот.
Аденозинтрифосфатът (АТФ) е основният универсален носител на химична енергия в клетките. Той е и нуклеотид, и често действа като коензим при ензимни реакции, свързани с пренос на фосфатни групи. Поради способността си да пренася енергия между различни метаболитни пътища, АТФ често е наричан "молекулярната парична единица" — тя осигурява енергия за широк спектър от процеси в клетъчната обмяна на веществата.
Структура и основни свойства
АТФ се състои от аденинова база (аденин), рибозен захар и три последователни фосфатни групи. В клетките физиологичната форма обикновено е комплекс с Mg2+ (Mg-АТФ). Енергията, която клетката използва, се освобождава при хидролизата на третата (терминална) фосфатна връзка, когато АТФ се превръща в аденозин дифосфат (ADP) и неорганичен фосфат (Pi) или в аденозин монофосфат (AMP) и пирофосфат (PPi).
Синтез на АТФ
- Окислително фосфорилиране (вътре в митохондриите): протонният градиент през вътрешната митохондриална мембрана задвижва АТФ-синтазата, която синтезира АТФ от ADP и неорганичен фосфат. Този процес следва химизомотичната теория (Mitchell) и е основният източник на АТФ при аеробните организми.
- Фотосинтетична фосфорилизация: при растения и някои бактерии аналогичен механизъм в хлоропластите използва слънчевата енергия за генериране на протонен градиент и синтез на АТФ.
- Гликолиза и субстратно-фосфорилиране: част от АТФ се формира директно в цитозола при разграждане на глюкозата (например в гликолизата) и в някои етапи на цикъла на Кребс чрез ензимни реакции, които прехвърлят фосфатна група върху ADP.
Разграждане и цикъл на употреба
АТФ се „използва“ чрез ензимно-катализирани реакции (напр. ATP-хидролази, кинази), които освобождават енергия за вътреклетъчни процеси. Обратно, ADP и AMP се рециклират обратно в АТФ чрез посочените синтетични пътища. Поради това в клетките не се складира голямо количество свободен АТФ — той се синтезира и разгражда непрекъснато. При човека дневният оборот на АТФ е огромен — организмът синтезира и разпада десетки килограми АТФ всеки ден в рамките на нормалния метаболизъм.
Функции в клетката
- Осигурява енергия за механична работа — напр. свиване на мускулни влакна (взаимодействие актин-миозин).
- Драйвира активния транспорт — пумпите (като Na+/K+ АТФаза) използват енергията от разграждането на АТФ за пренос на йони срещу градиента.
- Участва в биосинтетични реакции — синтези на нуклеотиди, белтъци, липиди и други макромолекули.
- Фосфорилиране на протеини — киназите прехвърлят фосфатни групи от АТФ към субстрати, регулирайки активността на множество ензими и сигнални пътища.
- Предшественик при синтеза на РНК — аденозиновата част от АТФ влиза в структурата на рибонуклеиновите киселини.
- Роля в сигнализацията — аденилатциклаза преобразува АТФ в цикличен AMP (cAMP), втори пратеник в много сигнални пътища.
Енергийна стойност
Стандартната свободна енергия на хидролиза на АТФ до ADP и Pi е около -30,5 kJ/mol при стандартни условия; в клетъчни условия тази стойност обикновено е по-голяма (приблизително -50 до -60 kJ/mol), в зависимост от концентрациите на реагентите и наличието на Mg2+. Тези стойности определят колко енергия е налична за извършване на биохимична работа при специфични физиологични условия.
Клинични и експериментални бележки
- Поради ключовата си роля в енергетиката, нарушения в синтеза на АТФ (например митохондриални болести) водят до сериозни метаболитни и неврологични проблеми.
- АТФ се използва като маркер за жизнеспособност на клетки в лабораторни тестове (напр. люциферазни реакции за детекция на ATP).
В обобщение, АТФ е централен мономер в клетъчната енергетика и метаболизъм — той доставя, пренася и освобождава енергия там, където е необходима, и чрез бързия си цикъл на синтез и разграждане позволява на клетките да поддържат динамичното си функциониране.
Молекулна структура на АТФ.
Употреба
Молекулата на АТФ е много гъвкава, което означава, че може да се използва за много неща. Енергията се съхранява в нейните химични връзки.
Когато АТФ се свърже с друг фосфат, се натрупва енергия, която може да се използва по-късно. С други думи, когато се осъществява връзка, се съхранява енергия. Това е ендотермична реакция.
Когато АТФ разкъсва връзката с фосфатната група и се превръща в АДФ, се освобождава енергия. С други думи, при разкъсване на връзката се освобождава енергия. Това е екзотермична реакция.
Обменът на АТФ фосфати е почти безкраен цикъл, който спира само когато клетката умре.
Функции в клетките
АТФ е основният източник на енергия за повечето клетъчни функции. Това включва синтеза на макромолекули, включително ДНК и РНК (вж. по-долу), и протеини. АТФ играе решаваща роля и в активното пренасяне на макромолекули през клетъчните мембрани, напр. екзоцитоза и ендоцитоза.
Синтез на ДНК и РНК
Във всички познати организми дезоксирибонуклеотидите, които съставляват ДНК, се синтезират чрез действието на ензимите рибонуклеотид редуктаза (RNR) върху съответните рибонуклеотиди. Тези ензими редуцират захарния остатък от рибоза до дезоксирибоза, като премахват кислорода.
При синтеза на нуклеиновата киселина РНК АТФ е един от четирите нуклеотида, включени директно в молекулите на РНК от РНК полимеразите. Енергията, която задвижва тази полимеризация, идва от отцепването на пирофосфат (две фосфатни групи). Танцът е подобен при биосинтезата на ДНК, с изключение на това, че АТФ се редуцира до дезоксирибонуклеотида dATP, преди да се включи в ДНК.
История
- АТФ е открит през 1929 г. от Карл Ломан и Йендрашик, а независимо от тях - от Сайръс Фиск и Йелапрагада Суба Рао от Харвардския медицински институт. Двата екипа се съревновават помежду си в намирането на метод за определяне на фосфора.
- През 1941 г. Фриц Алберт Липман го предлага като междинно звено между реакциите в клетките, при които се отделя енергия, и тези, при които се изисква енергия.
- За първи път е синтезиран (създаден) в лаборатория от Александър Тод през 1948 г.
- Нобеловата награда за химия за 1997 г. е разделена, като едната половина е присъдена на Пол Д. Бойер и Джон Е. Уокър за изясняване на ензимния механизъм, който е в основата на синтеза на аденозинтрифосфат (АТФ), а другата половина - на Йенс С. Скоу за първото откриване на ензим за пренос на йони, Na+, K+ -АТФаза.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява аденозин трифосфатът?
О: Аденозин трифосфатът (АТФ) е химично вещество, което се използва от живите същества за съхраняване и пренос на енергия.
В: Какво е предназначението на АТФ в живите същества?
О: Целта на АТФ в живите организми е да съхранява енергия и да я пренася до клетките, които се нуждаят от нея.
В: Как клетките получават енергия?
О: Клетките получават енергия от разпадането на молекулите на АТФ, за да освободят натрупаната енергия.
В: Всички живи същества ли произвеждат АТФ?
О: Да, всички живи същества произвеждат АТФ, за да съхраняват и пренасят енергия.
В: Защо АТФ е необходим на клетките, които работят по-усилено?
О: АТФ е необходим за клетките, които работят по-усилено, защото се нуждаят от повече енергия, за да функционират, а АТФ е молекулата, която осигурява тази енергия.
В: Могат ли живите същества да оцелеят без АТФ?
О: Не, живите същества не могат да оцелеят без АТФ, защото той е молекулата, която осигурява енергия за всички клетъчни процеси.
В: Какво се случва, когато молекулите на АТФ се разпаднат?
О: Когато молекулите на АТФ се разпадат, натрупаната енергия се освобождава и се използва от клетката за различни процеси.
обискирам