ATP (ADENOSINETRIFOSFAAT): STRUCTUUR, FUNCTIES, HYDROLYSE - BIOLOGIE - 2026

Het ATP (adenosinetrifosfaat) is een organisch molecuul met hoge energie-bindingen gevormd door een ring van adenine-, ribose- en drie fosfaatgroepen. Het speelt een fundamentele rol in het metabolisme, aangezien het de energie transporteert die nodig is om een ​​reeks cellulaire processen efficiënt te laten werken.

Het is algemeen bekend onder de term "energiemunt", aangezien het gemakkelijk wordt gevormd en gebruikt, waardoor het snel kan "betalen" voor chemische reacties die energie vereisen.

Bron: door gebruiker: Mysid (zelfgemaakt in bkchem; bewerkt in perl.), Via Wikimedia Commons

Hoewel het molecuul met het blote oog klein en eenvoudig is, slaat het een aanzienlijke hoeveelheid energie op in zijn bindingen. Fosfaatgroepen hebben negatieve ladingen, die constant afstoten, waardoor het een labiele binding is die gemakkelijk verbroken kan worden.

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: fosforylering op substraatniveau en oxidatieve fosforylering, waarbij de laatste de belangrijkste en meest gebruikte is door de cel.

Oxidatieve fosforylering koppelt de oxidatie van FADH ₂ en NADH + H ⁺ in de mitochondria, en fosforylering op substraatniveau vindt plaats buiten de elektronentransportketen, in routes zoals glycolyse en de tricarbonzuurcyclus.

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

Structuur

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

- Een stikstofhoudende base, adenine. Stikstofbasen 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 pentose-type suiker, omdat het vijf koolstofatomen heeft. De chemische formule is C ₅ H ₁₀ O ₅ . Koolstof 1 van ribose is bevestigd aan de adeninering.

- Drie fosfaatradicalen. De laatste twee zijn de "hoogenergetische bindingen" en worden in de grafische structuren weergegeven door het tilt-symbool: ~. De fosfaatgroep is een van de belangrijkste in biologische systemen. De drie groepen worden alfa, bèta en gamma genoemd, van het dichtst tot het verst.

Deze link is erg labiel, dus het splitst zich snel, gemakkelijk en spontaan wanneer de fysiologische omstandigheden van het lichaam dit rechtvaardigen. Dit komt doordat de negatieve ladingen van de drie fosfaatgroepen constant van elkaar af proberen te bewegen.

Kenmerken

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

ATP levert direct of indirect energie voor honderden processen, naast het optreden als fosfaatdonor.

Over het algemeen fungeert ATP als een signaalmolecuul in de processen die plaatsvinden in de cel, het is noodzakelijk om de componenten van DNA en RNA te synthetiseren en voor de synthese van andere biomoleculen neemt het deel aan de handel via membranen, onder anderen.

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

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

Energievoorziening voor natrium- en kaliumtransport door het membraan

De cel is een zeer dynamische omgeving die het handhaven van specifieke concentraties vereist. De meeste moleculen komen niet willekeurig of toevallig de cel binnen. Om een ​​molecuul of stof binnen te laten, moet het dit doen door zijn specifieke transporteur.

Transporters zijn membraan-overspannende eiwitten die functioneren als cel "poortwachters", die de materiaalstroom regelen. Daarom is het membraan semi-permeabel: het laat bepaalde verbindingen toe en andere niet.

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

Geschat wordt dat een derde van het ATP dat in de cel wordt gevormd, wordt gebruikt om de pomp actief te houden. Natriumionen worden constant uit de cel gepompt, terwijl kaliumionen in omgekeerde richting worden gepompt.

Het gebruik van ATP beperkt zich logischerwijs niet tot het transport van natrium en kalium. Er zijn andere ionen, zoals onder andere calcium, magnesium, die deze energiemunt nodig hebben om binnen te komen.

Deelname aan eiwitsynthese

Eiwitmoleculen bestaan ​​uit aminozuren, met elkaar verbonden door peptidebindingen. Om ze te vormen, moeten vier hoogenergetische bindingen worden verbroken. Met andere woorden, een aanzienlijk aantal ATP-moleculen moet worden gehydrolyseerd voor de vorming van een eiwit van gemiddelde lengte.

Eiwitsynthese vindt plaats in structuren die ribosomen worden genoemd. Deze zijn in staat de code die het boodschapper-RNA heeft te interpreteren en te vertalen naar een aminozuursequentie, een ATP-afhankelijk proces.

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

Aan de andere kant synthetiseert de cel niet alleen eiwitten, maar heeft hij ook lipiden, cholesterol en andere essentiële stoffen nodig en daarvoor heeft hij de energie nodig die in de ATP-bindingen zit.

Zorg voor energie voor voortbeweging

Mechanisch werk is een van de belangrijkste functies van ATP. Om ons lichaam bijvoorbeeld de samentrekking van spiervezels te kunnen laten uitvoeren, is de beschikbaarheid van grote hoeveelheden energie nodig.

In spieren kan chemische energie worden omgezet in mechanische energie dankzij de reorganisatie van de eiwitten met het vermogen om die vorm samen te trekken. De lengte van deze structuren wordt aangepast, ingekort, waardoor een spanning ontstaat die zich vertaalt in het genereren van beweging.

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

Een andere bijzondere beweging is de amoebe die het uitsteeksel van een pseudopod aan de celuiteinden inhoudt. Verschillende celtypen gebruiken dit voortbewegingsmechanisme, waaronder leukocyten en fibroblasten.

In het geval van geslachtscellen is voortbeweging essentieel voor de effectieve ontwikkeling van het embryo. Embryonale cellen leggen belangrijke afstanden af ​​van hun plaats van herkomst tot de regio waar ze specifieke structuren moeten voortbrengen.

Hydrolyse

De hydrolyse van ATP is een reactie waarbij het molecuul wordt afgebroken door de aanwezigheid van water. De reactie wordt als volgt weergegeven:

ATP + Water ⇋ ADP + P _i + energie. Wanneer de term P _i verwijst naar het anorganische fosfaatgroep en ADP adenosinedifosfaat. Merk op dat de reactie omkeerbaar is.

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

Waarom komt deze vrijgave van energie voor?

Omdat de hydrolyseproducten veel stabieler zijn dan de oorspronkelijke verbinding, dat wil zeggen ATP.

Opgemerkt moet worden dat alleen de hydrolyse die plaatsvindt op de pyrofosfaatbindingen om de vorming van ADP of AMP te veroorzaken, leidt tot de opwekking van energie in aanzienlijke hoeveelheden.

De hydrolyse van de andere bindingen in het molecuul levert niet zoveel energie op, met uitzondering van de hydrolyse van anorganisch pyrofosfaat, dat een grote hoeveelheid energie heeft.

Het vrijkomen van energie uit deze reacties wordt gebruikt om metabolische reacties in de cel uit te voeren, aangezien veel van deze processen energie nodig hebben om te functioneren, zowel in de eerste stappen van de afbraakroutes als bij de biosynthese van verbindingen. .

Bij het glucosemetabolisme bijvoorbeeld, omvatten de eerste stappen fosforylering van het molecuul. In de volgende stappen wordt nieuwe ATP gegenereerd om een ​​positieve nettowinst te behalen.

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

ATP verkrijgen

ATP kan op twee manieren worden verkregen: oxidatieve fosforylering en fosforylering op substraatniveau. De eerste heeft zuurstof nodig, de laatste niet. Ongeveer 95% van het gevormde ATP komt voor in de mitochondriën.

Oxidatieve fosforylering

Oxidatieve fosforylering omvat een oxidatieproces van voedingsstoffen in twee fasen: het verkrijgen van verminderde co-enzymen NADH en FADH ₂ afgeleid van vitamines.

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

Hoewel er verschillende routes zijn voor de productie van co-enzym, is de belangrijkste route de Krebs-cyclus. Vervolgens worden de gereduceerde co-enzymen geconcentreerd in de ademhalingsketens in de mitochondriën, die de elektronen overdragen aan zuurstof.

De elektronentransportketen bestaat uit een reeks membraangekoppelde eiwitten die protonen (H +) naar buiten pompen (zie afbeelding). Deze protonen komen binnen en passeren het membraan weer door middel van een ander eiwit, ATP-synthase, dat verantwoordelijk is voor de synthese van ATP.

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

Bron: door Bustamante Yess, van Wikimedia Commons

Fosforylering op substraatniveau

Fosforylering op substraatniveau is niet zo belangrijk als het hierboven beschreven mechanisme en omdat het geen zuurstofmoleculen vereist, wordt het vaak geassocieerd met fermentatie. Op deze manier onttrekt 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 fermentatieprocessen plaats op spierniveau. Dit weefsel kan functioneren zonder zuurstof, dus het is mogelijk dat een glucosemolecuul wordt afgebroken tot melkzuur (bijvoorbeeld wanneer we een uitputtende sportactiviteit doen).

Bij fermentaties heeft het eindproduct nog energiepotentieel dat kan worden gewonnen. In het geval van fermentatie in spieren zijn de koolstofatomen in melkzuur op hetzelfde niveau van reductie als die van het oorspronkelijke molecuul: glucose.

Energieproductie vindt dus plaats door de vorming van moleculen met hoogenergetische bindingen, waaronder 1,3-bisfosfoglyraat 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 bevindt zich in een continue cyclus van gebruik en synthese. Dit creëert een balans tussen het gevormde ATP en het gehydrolyseerde product, ADP.

Bron: door Muessig, van Wikimedia Commons

Andere energiemoleculen

ATP is niet het enige molecuul dat bestaat uit nucleoside-bisfosfaat dat voorkomt in het cellulaire metabolisme. Er zijn een aantal moleculen met structuren die lijken op ATP die een vergelijkbaar energiegedrag hebben, hoewel ze niet zo populair zijn als ATP.

Het meest prominente voorbeeld is GTP, guanosinetrifosfaat, dat wordt gebruikt in de bekende Krebs-cyclus en in de gluconeogene pathway. Anderen die minder worden gebruikt, zijn CTP, TTP en UTP.

Referenties

1. Guyton, AC, & Hall, JE (2000). Leerboek van menselijke fysiologie.
2. Hall, JE (2017). Guyton E Hall verhandeling over medische fysiologie. Elsevier Brazilië.
3. Hernandez, AGD (2010). Verhandeling over voeding: samenstelling en voedingskwaliteit van voedingsmiddelen. Panamerican Medical Ed.
4. Lim, MY (2010). De essentie van metabolisme en voeding. Elsevier.
5. Pratt, CW en Kathleen, C. (2012). Biochemie. Redactioneel El Manual Moderno.
6. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (2007). Fundamentals of Biochemistry. Redactioneel Médica Panaméricana.