Zat terpenting dalam sel makhluk hidup adalah adenosin trifosfat atau adenosin trifosfat. Jika kita memasukkan singkatan nama ini, kita mendapatkan ATP. Zat ini termasuk dalam kelompok nukleosida trifosfat dan memainkan peran utama dalam proses metabolisme sel hidup, menjadi sumber energi yang sangat diperlukan bagi mereka.
Penemu ATP adalah ahli biokimia dari Harvard School of Tropical Medicine - Yellapragada Subbarao, Karl Lohman dan Cyrus Fiske. Penemuan tersebut terjadi pada tahun 1929 dan menjadi tonggak utama dalam biologi sistem kehidupan. Kemudian, pada tahun 1941, ahli biokimia Jerman Fritz Lipmann menemukan bahwa ATP dalam sel merupakan pembawa energi utama.
Struktur ATP
Molekul ini memiliki nama sistematis yang ditulis sebagai berikut: 9-β-D-ribofuranosyladenine-5′-triphosphate, atau 9-β-D-ribofuranosyl-6-amino-purine-5′-triphosphate. Senyawa apa yang menyusun ATP? Secara kimia, ini adalah ester adenosin trifosfat - turunan dari adenin dan ribosa. Zat ini dibentuk dengan menggabungkan adenin, yang merupakan basa nitrogen purin, dengan 1′-karbon ribosa menggunakan ikatan β-N-glikosidik. Molekul asam α-, β-, dan γ-fosfat kemudian ditambahkan secara berurutan ke 5′-karbon ribosa.
Jadi, molekul ATP mengandung senyawa seperti adenin, ribosa dan tiga residu asam fosfat. ATP adalah senyawa khusus yang mengandung ikatan yang melepaskan energi dalam jumlah besar. Ikatan dan zat seperti itu disebut berenergi tinggi. Selama hidrolisis ikatan molekul ATP ini, sejumlah energi dilepaskan dari 40 hingga 60 kJ/mol, dan proses ini disertai dengan eliminasi satu atau dua residu asam fosfat.
Beginilah reaksi kimia ini ditulis:
- 1). ATP + air → ADP + asam fosfat + energi;
- 2). ADP + air →AMP + asam fosfat + energi.
Energi yang dilepaskan selama reaksi ini digunakan dalam proses biokimia lebih lanjut yang memerlukan masukan energi tertentu.
Peran ATP dalam organisme hidup. Fungsinya
Apa fungsi yang dilakukan ATP? Pertama-tama, energi. Seperti disebutkan di atas, peran utama adenosin trifosfat adalah menyediakan energi untuk proses biokimia dalam organisme hidup. Peran ini disebabkan oleh adanya dua ikatan berenergi tinggi, ATP bertindak sebagai sumber energi untuk banyak proses fisiologis dan biokimia yang memerlukan masukan energi besar. Semua proses tersebut merupakan reaksi sintesis zat kompleks dalam tubuh. Ini, pertama-tama, adalah transfer aktif molekul melalui membran sel, termasuk partisipasi dalam penciptaan antarmembran potensi listrik, dan pelaksanaan kontraksi otot.
Selain hal di atas, kami mencantumkan beberapa hal lagi: fungsi ATP yang tidak kalah pentingnya, seperti:
Bagaimana ATP terbentuk di dalam tubuh?
Sintesis asam adenosin trifosfat sedang berlangsung, karena tubuh selalu membutuhkan energi untuk berfungsi normal. Pada saat tertentu, kandungan zat ini sangat sedikit - sekitar 250 gram, yang merupakan “cadangan darurat” untuk “hari hujan”. Selama sakit, terjadi sintesis intensif asam ini, karena banyak energi diperlukan untuk berfungsinya sistem kekebalan tubuh dan sistem ekskresi, serta sistem termoregulasi tubuh, yang diperlukan untuk pertarungan yang efektif dengan timbulnya penyakit.
Sel manakah yang memiliki ATP paling banyak? Ini adalah sel otot dan jaringan saraf, karena proses pertukaran energi terjadi paling intensif di dalamnya. Dan ini jelas, karena otot berpartisipasi dalam gerakan yang memerlukan kontraksi serat otot, dan neuron mengirimkan impuls listrik, yang tanpanya berfungsinya semua sistem tubuh tidak mungkin dilakukan. Oleh karena itu, sangat penting bagi sel untuk tetap tidak berubah dan level tinggi adenosin trifosfat.
Bagaimana molekul adenosin trifosfat terbentuk di dalam tubuh? Mereka dibentuk oleh apa yang disebut fosforilasi ADP (adenosin difosfat). Reaksi kimia ini terlihat seperti ini:
ADP + asam fosfat + energi → ATP + air.
Fosforilasi ADP terjadi dengan partisipasi katalis seperti enzim dan cahaya, dan dilakukan oleh salah satu dari tiga jalan:
Fosforilasi oksidatif dan substrat menggunakan energi zat yang teroksidasi selama sintesis tersebut.
Kesimpulan
Asam adenosin trifosfat- Ini adalah zat yang paling sering diperbarui di dalam tubuh. Berapa lama rata-rata molekul adenosin trifosfat hidup? Dalam tubuh manusia misalnya, umurnya kurang dari satu menit, sehingga satu molekul zat tersebut lahir dan terurai hingga 3000 kali per hari. Hebatnya, pada siang hari tubuh manusia mensintesis sekitar 40 kg zat ini! Kebutuhan akan “energi internal” ini begitu besar bagi kita!
Seluruh siklus sintesis dan penggunaan lebih lanjut ATP sebagai bahan bakar energi untuk proses metabolisme dalam tubuh makhluk hidup mewakili intisari metabolisme energi dalam organisme ini. Jadi, adenosin trifosfat adalah sejenis "baterai" yang menjamin fungsi normal semua sel organisme hidup.
Sumber energi utama sel adalah nutrisi: karbohidrat, lemak dan protein, yang dioksidasi dengan bantuan oksigen. Hampir semua karbohidrat, sebelum mencapai sel-sel tubuh, disebabkan oleh kerja saluran pencernaan dan hati diubah menjadi glukosa. Selain karbohidrat, protein juga dipecah menjadi asam amino dan lipid menjadi asam lemak. Di dalam sel, nutrisi dioksidasi di bawah pengaruh oksigen dan dengan partisipasi enzim yang mengontrol reaksi pelepasan energi dan pemanfaatannya. Hampir semua reaksi oksidatif terjadi di mitokondria, dan energi yang dilepaskan disimpan dalam bentuk senyawa berenergi tinggi - ATP. Selanjutnya, ATP, dan bukan nutrisi, yang digunakan untuk menyediakan energi bagi proses metabolisme intraseluler.
Molekul ATP mengandung: (1) basa nitrogen adenin; (2) ribosa karbohidrat pentosa, (3) tiga residu asam fosfat. Dua fosfat terakhir dihubungkan satu sama lain dan ke seluruh molekul melalui ikatan fosfat berenergi tinggi, yang ditunjukkan pada rumus ATP dengan simbol ~. Tunduk pada karakteristik kondisi fisik dan kimia tubuh, energi setiap ikatan tersebut adalah 12.000 kalori per 1 mol ATP, yang jauh lebih tinggi daripada energi ikatan kimia biasa, itulah sebabnya ikatan fosfat disebut tinggi. energi. Selain itu, koneksi ini mudah dihancurkan, menyediakan energi untuk proses intraseluler segera setelah diperlukan.
Ketika energi dilepaskan, ATP menyumbangkan gugus fosfat dan menjadi adenosin difosfat. Energi yang dilepaskan digunakan untuk hampir semua proses seluler, misalnya dalam reaksi biosintesis dan kontraksi otot.
Pengisian kembali cadangan ATP terjadi dengan menggabungkan kembali ADP dengan residu asam fosfat dengan mengorbankan energi nutrisi. Proses ini diulangi lagi dan lagi. ATP terus-menerus digunakan dan disimpan, oleh karena itu disebut sebagai mata uang energi sel. Waktu pergantian ATP hanya beberapa menit.
Peran mitokondria dalam reaksi kimia pembentukan ATP. Ketika glukosa memasuki sel, ia diubah menjadi asam piruvat di bawah aksi enzim sitoplasma (proses ini disebut glikolisis). Energi yang dilepaskan dalam proses ini digunakan untuk mengubah sejumlah kecil ADP menjadi ATP, yang mewakili kurang dari 5% dari total cadangan energi.
Sintesis ATP 95% dilakukan di mitokondria. Asam piruvat, asam lemak dan asam amino, masing-masing terbentuk dari karbohidrat, lemak dan protein, akhirnya diubah menjadi senyawa yang disebut “asetil-KoA” dalam matriks mitokondria. Senyawa ini, pada gilirannya, mengalami serangkaian reaksi enzimatik di bawah nama yang umum"siklus asam trikarboksilat" atau "siklus Krebs" untuk memberikan energi Anda. Dalam siklus asam trikarboksilat, asetil-KoA dipecah menjadi atom hidrogen dan molekul karbon dioksida. Karbon dioksida dikeluarkan dari mitokondria, kemudian keluar sel melalui difusi dan dikeluarkan dari tubuh melalui paru-paru.
Atom hidrogen secara kimiawi sangat aktif dan oleh karena itu segera bereaksi dengan oksigen yang berdifusi ke dalam mitokondria. Sejumlah besar energi yang dilepaskan dalam reaksi ini digunakan untuk mengubah banyak molekul ADP menjadi ATP. Reaksi-reaksi ini cukup kompleks dan memerlukan partisipasi sejumlah besar enzim yang membentuk krista mitokondria. Pada tahap awal, elektron dipisahkan dari atom hidrogen, dan atom tersebut berubah menjadi ion hidrogen. Prosesnya diakhiri dengan penambahan ion hidrogen ke oksigen. Sebagai hasil dari reaksi ini, air dan sejumlah besar energi terbentuk, yang diperlukan untuk berfungsinya ATP sintetase, protein globular besar yang menonjol dalam bentuk tuberkel pada permukaan krista mitokondria. Di bawah aksi enzim ini, yang menggunakan energi ion hidrogen, ADP diubah menjadi ATP. Molekul ATP baru dikirim dari mitokondria ke seluruh bagian sel, termasuk nukleus, di mana energi senyawa ini digunakan untuk menjalankan berbagai fungsi. Proses sintesis ATP ini umumnya disebut mekanisme kemiosmotik pembentukan ATP.
Organisme apa pun dapat hidup selama mendapat pasokan nutrisi lingkungan luar dan pada saat yang sama, produk dari aktivitas vitalnya dilepaskan ke lingkungan ini. Di dalam sel, terjadi serangkaian transformasi kimia yang sangat kompleks dan berkesinambungan, yang menyebabkan komponen-komponen tubuh sel terbentuk dari nutrisi. Totalitas proses transformasi materi dalam organisme hidup, disertai dengan pembaruan terus-menerus, disebut metabolisme.
Bagian dari metabolisme umum, yang terdiri dari penyerapan, asimilasi nutrisi dan penciptaan komponen struktural sel disebut asimilasi - ini adalah pertukaran konstruktif. Bagian kedua dari pertukaran umum terdiri dari proses disimilasi, yaitu. proses dekomposisi dan oksidasi bahan organik, sebagai hasil sel menerima energi, adalah metabolisme energi. Pertukaran yang konstruktif dan energik membentuk satu kesatuan.
Dalam proses metabolisme konstruktif, sel mensintesis biopolimer tubuhnya dari sejumlah senyawa bermolekul rendah yang cukup terbatas. Reaksi biosintetik terjadi dengan partisipasi berbagai enzim dan membutuhkan energi.
Organisme hidup hanya dapat menggunakan energi yang terikat secara kimia. Setiap zat mempunyai sejumlah energi potensial. Pembawa material utamanya adalah ikatan kimia, yang pemutusan atau transformasinya menyebabkan pelepasan energi. Tingkat energi beberapa obligasi memiliki nilai 8-10 kJ - obligasi ini disebut normal. Obligasi lain mengandung lebih banyak energi secara signifikan - 25-40 kJ - inilah yang disebut obligasi berenergi tinggi. Hampir semua senyawa yang diketahui memiliki ikatan seperti itu mengandung atom fosfor atau belerang, yang lokasinya di dalam molekul ikatan ini terlokalisasi. Salah satu senyawa yang berperan penting dalam kehidupan sel adalah asam adenosin trifosfat (ATP).
Asam adenosin trifosfat (ATP) terdiri dari basa organik adenin (I), karbohidrat ribosa (II) dan tiga residu asam fosfat (III). Kombinasi adenin dan ribosa disebut adenosin. Gugus pirofosfat mempunyai ikatan berenergi tinggi, ditandai dengan ~. Penguraian satu molekul ATP dengan partisipasi air disertai dengan eliminasi satu molekul asam fosfat dan pelepasan energi bebas, yaitu sebesar 33-42 kJ/mol. Semua reaksi yang melibatkan ATP diatur oleh sistem enzim.
Gambar.1. Asam adenosin trifosfat (ATP)
Metabolisme energi di dalam sel. Sintesis ATP
Sintesis ATP terjadi di membran mitokondria selama respirasi, oleh karena itu semua enzim dan kofaktor rantai pernapasan, semua enzim fosforilasi oksidatif terlokalisasi di organel ini.
Sintesis ATP terjadi sedemikian rupa sehingga dua ion H+ dipisahkan dari ADP dan fosfat (P) dengan sisi kanan membran, mengkompensasi hilangnya dua H+ selama reduksi zat B. Salah satu atom oksigen fosfat dipindahkan ke sisi lain membran dan, bergabung dengan dua ion H+ dari kompartemen kiri, membentuk H 2 O Residu fosforil bergabung dengan ADP, membentuk ATP.
Gambar.2. Skema oksidasi dan sintesis ATP di membran mitokondria
Di dalam sel organisme telah banyak dipelajari reaksi biosintetik yang menggunakan energi yang terkandung dalam ATP, dimana terjadi proses karboksilasi dan dekarboksilasi, sintesis ikatan amino, dan pembentukan senyawa berenergi tinggi yang mampu mentransfer energi dari ATP ke reaksi anabolik sintesis zat terjadi. Reaksi-reaksi ini berperan peran penting dalam proses metabolisme organisme tumbuhan.
Dengan partisipasi ATP dan polifosfat nukleosida berenergi tinggi lainnya (GTP, CTP, UGP), aktivasi molekul monosakarida, asam amino, basa nitrogen, dan asilgliserol dapat terjadi melalui sintesis senyawa antara aktif yang merupakan turunan nukleotida. Misalnya, dalam proses sintesis pati dengan partisipasi enzim ADP-glukosa pirofosforilase, suatu bentuk glukosa teraktivasi terbentuk - glukosa adenosin difosfat, yang dengan mudah menjadi donor residu glukosa selama pembentukan struktur molekul. polisakarida ini.
Sintesis ATP terjadi di sel semua organisme selama proses fosforilasi, mis. penambahan fosfat anorganik ke ADP. Energi untuk fosforilasi ADP dihasilkan selama metabolisme energi. Metabolisme energi, atau disimilasi, adalah serangkaian reaksi penguraian zat organik yang disertai dengan pelepasan energi. Tergantung pada habitatnya, disimilasi dapat terjadi dalam dua atau tiga tahap.
Di sebagian besar organisme hidup - aerob yang hidup di lingkungan oksigen - tiga tahap dilakukan selama disimilasi: persiapan, bebas oksigen dan oksigen, di mana zat organik terurai menjadi senyawa anorganik. Pada anaerob yang hidup di lingkungan kekurangan oksigen, atau pada aerob dengan kekurangan oksigen, disimilasi hanya terjadi pada dua tahap pertama dengan pembentukan zat antara. senyawa organik, masih kaya energi.
Tahap pertama - persiapan - terdiri dari pemecahan enzimatik senyawa organik kompleks menjadi lebih sederhana (protein menjadi asam amino, lemak menjadi gliserol dan asam lemak, polisakarida menjadi monosakarida, asam nukleat menjadi nukleotida). Pemecahan substrat makanan organik dilakukan dengan cara tingkat yang berbeda saluran pencernaan organisme multiseluler. Pemecahan zat organik intraseluler terjadi di bawah aksi enzim hidrolitik lisosom. Energi yang dilepaskan dalam hal ini hilang dalam bentuk panas, dan molekul organik kecil yang dihasilkan dapat mengalami penguraian lebih lanjut atau digunakan oleh sel sebagai “bahan bangunan” untuk sintesis senyawa organiknya sendiri.
Tahap kedua - oksidasi tidak lengkap (bebas oksigen) - terjadi langsung di sitoplasma sel, tidak memerlukan oksigen dan terdiri dari pemecahan lebih lanjut substrat organik. Sumber energi utama dalam sel adalah glukosa. Pemecahan glukosa yang tidak lengkap dan bebas oksigen disebut glikolisis.
Glikolisis adalah proses enzimatik multi-tahap yang mengubah glukosa enam karbon menjadi dua molekul asam piruvat tiga karbon (piruvat, PVK) C3H4O3. Selama reaksi glikolisis, sejumlah besar energi dilepaskan - 200 kJ/mol. Sebagian energi ini (60%) dihamburkan sebagai panas, sisanya (40%) digunakan untuk sintesis ATP.
Akibat glikolisis satu molekul glukosa, terbentuk dua molekul PVK, ATP dan air, serta atom hidrogen, yang disimpan oleh sel dalam bentuk NAD H, yaitu. sebagai bagian dari pembawa spesifik - nikotinamida adenin dinukleotida. Nasib lebih lanjut dari produk glikolisis - piruvat dan hidrogen dalam bentuk NADH - dapat berkembang secara berbeda. Dalam ragi atau sel tumbuhan, ketika kekurangan oksigen, fermentasi alkohol terjadi - PVA direduksi menjadi etil alkohol:
Pada sel hewan mengalami kekurangan oksigen untuk sementara waktu, misalnya pada sel otot manusia dengan berlebihan aktivitas fisik, dan juga pada beberapa bakteri, terjadi fermentasi asam laktat, di mana piruvat direduksi menjadi asam laktat. Dengan adanya oksigen di lingkungan, produk glikolisis mengalami penguraian lebih lanjut menjadi produk akhir.
Tahap ketiga - oksidasi lengkap (respirasi) - terjadi dengan partisipasi wajib oksigen. Respirasi aerobik adalah rantai reaksi yang dikendalikan oleh enzim di membran bagian dalam dan matriks mitokondria. Begitu berada di mitokondria, PVK berinteraksi dengan enzim matriks dan membentuk: karbon dioksida, yang dikeluarkan dari sel; atom hidrogen, yang sebagai bagian dari pembawa, diarahkan ke membran bagian dalam; asetil koenzim A (asetil-KoA), yang terlibat dalam siklus asam trikarboksilat (siklus Krebs). Siklus Krebs adalah rantai reaksi berurutan di mana satu molekul asetil-KoA menghasilkan dua molekul CO2, satu molekul ATP dan empat pasang atom hidrogen, yang ditransfer ke molekul pembawa - NAD dan FAD (flavin adenine dinucleotide). Reaksi total glikolisis dan siklus Krebs dapat direpresentasikan sebagai berikut:
Jadi, sebagai hasil dari tahap disimilasi bebas oksigen dan siklus Krebs, molekul glukosa dipecah menjadi karbon dioksida anorganik (CO2), dan energi yang dilepaskan dalam hal ini sebagian dihabiskan untuk sintesis ATP, tetapi adalah terutama disimpan dalam pembawa bermuatan elektron NAD H2 dan FAD H2. Protein pembawa mengangkut atom hidrogen ke membran bagian dalam mitokondria, di mana mereka meneruskannya sepanjang rantai protein yang tertanam di dalam membran. Pengangkutan partikel sepanjang rantai transpor dilakukan sedemikian rupa sehingga proton tetap berada di sisi luar membran dan terakumulasi di ruang antar membran, mengubahnya menjadi reservoir H+, dan elektron ditransfer ke permukaan bagian dalam membran. membran mitokondria, tempat mereka akhirnya bergabung dengan oksigen.
Akibat aktivitas enzim dalam rantai transpor elektron, membran bagian dalam mitokondria bermuatan negatif dari dalam dan positif (akibat H) dari luar, sehingga timbul beda potensial antar permukaannya. Diketahui bahwa molekul enzim ATP sintetase, yang memiliki saluran ion, dibangun di membran bagian dalam mitokondria. Ketika beda potensial melintasi membran mencapai tingkat kritis(200 mV), partikel H+ yang bermuatan positif mulai didorong melalui saluran ATPase oleh gaya medan listrik dan, begitu sampai di permukaan bagian dalam membran, berinteraksi dengan oksigen, membentuk air.
Jalannya reaksi metabolisme yang normal pada tingkat molekuler disebabkan oleh kombinasi harmonis dari proses katabolisme dan anabolisme. Ketika proses katabolik terganggu, pertama-tama timbul kesulitan energi, regenerasi ATP terganggu, serta pasokan substrat anabolik awal yang diperlukan untuk proses biosintetik. Pada gilirannya, kerusakan pada proses anabolik yang bersifat primer atau terkait dengan perubahan proses katabolik menyebabkan terganggunya reproduksi senyawa penting secara fungsional - enzim, hormon, dll.
Terganggunya berbagai mata rantai dalam rantai metabolisme memiliki konsekuensi yang berbeda-beda. Yang paling penting dan mendalam perubahan patologis katabolisme terjadi ketika sistem oksidasi biologis rusak karena blokade enzim respirasi jaringan, hipoksia, dll. atau kerusakan pada mekanisme penggabungan respirasi jaringan dan fosforilasi oksidatif (misalnya, pemisahan respirasi jaringan dan fosforilasi oksidatif pada tirotoksikosis). Dalam kasus ini, sel kehilangan sumber energi utamanya, hampir semua reaksi oksidatif katabolisme terhambat atau kehilangan kemampuan untuk mengakumulasi energi yang dilepaskan dalam molekul ATP. Ketika reaksi dalam siklus asam trikarboksilat dihambat, produksi energi melalui katabolisme berkurang sekitar dua pertiganya.
Peran utama ATP dalam tubuh dikaitkan dengan penyediaan energi untuk berbagai reaksi biokimia. Sebagai pembawa dua ikatan berenergi tinggi, ATP berfungsi sebagai sumber energi langsung untuk banyak proses biokimia dan fisiologis yang memakan energi. Semua ini adalah reaksi sintesis zat kompleks dalam tubuh: pelaksanaan transfer aktif molekul melalui membran biologis, termasuk penciptaan potensi listrik transmembran; pelaksanaan kontraksi otot.
Seperti diketahui dalam bioenergi organisme hidup, ada dua hal utama yang penting:
- a) energi kimia disimpan melalui pembentukan ATP ditambah dengan reaksi katabolik eksergonik oksidasi substrat organik;
- b) energi kimia dimanfaatkan melalui pemecahan ATP, ditambah dengan reaksi endergonik anabolisme dan proses lain yang membutuhkan energi.
Timbul pertanyaan mengapa molekul ATP sesuai dengan molekulnya Peran utama dalam bioenergi. Untuk mengatasinya, perhatikan struktur ATP Struktur ATP - (pada pH 7,0 tetracharge anion).
ATP adalah senyawa yang tidak stabil secara termodinamika. Ketidakstabilan ATP ditentukan, pertama, oleh tolakan elektrostatik di wilayah sekelompok muatan negatif dengan nama yang sama, yang menyebabkan ketegangan di seluruh molekul, tetapi ikatannya paling kuat - P - O - P, dan kedua, oleh resonansi tertentu. Sesuai dengan faktor terakhir, terdapat persaingan antara atom fosfor untuk mendapatkan elektron bergerak yang tidak terbagi dari atom oksigen yang terletak di antara mereka, karena setiap atom fosfor memiliki muatan positif parsial karena pengaruh akseptor elektron yang signifikan dari P=O dan P. - O-kelompok. Dengan demikian, kemungkinan keberadaan ATP ditentukan oleh adanya jumlah energi kimia yang cukup dalam molekul untuk mengkompensasi tekanan fisikokimia tersebut. Molekul ATP mengandung dua ikatan fosfoanhidrida (pirofosfat), yang hidrolisisnya disertai dengan penurunan energi bebas yang signifikan (pada pH 7,0 dan 37 o C).
ATP + H 2 O = ADP + H 3 PO 4 G0I = - 31,0 KJ/mol.
ADP + H 2 O = AMP + H 3 PO 4 G0I = - 31,9 KJ/mol.
Salah satu masalah utama bioenergi adalah biosintesis ATP, yang di alam hidup terjadi melalui fosforilasi ADP.
Fosforilasi ADP merupakan proses endergonik dan memerlukan sumber energi. Seperti disebutkan sebelumnya, dua sumber energi tersebut mendominasi di alam - energi matahari dan energi kimia dari senyawa organik tereduksi. Tumbuhan hijau dan beberapa mikroorganisme mampu mengubah energi kuanta cahaya yang diserap menjadi energi kimia, yang digunakan untuk fosforilasi ADP pada tahap cahaya fotosintesis. Proses regenerasi ATP ini disebut fosforilasi fotosintesis. Transformasi energi oksidasi senyawa organik menjadi ikatan makroenergi ATP dalam kondisi aerobik terjadi terutama melalui fosforilasi oksidatif. Energi bebas yang diperlukan untuk pembentukan ATP dihasilkan dalam rantai oksidatif pernapasan mitokondria.
Jenis sintesis ATP lain yang diketahui, disebut fosforilasi substrat. Berbeda dengan fosforilasi oksidatif yang terkait dengan transfer elektron, donor gugus fosforil teraktivasi (- PO3 H2), yang diperlukan untuk regenerasi ATP, merupakan perantara dalam proses glikolisis dan siklus asam trikarboksilat. Dalam semua kasus ini, proses oksidatif mengarah pada pembentukan senyawa berenergi tinggi: 1,3-difosfogliserat (glikolisis), suksinil-KoA (siklus asam trikarboksilat), yang, dengan partisipasi enzim yang sesuai, mampu mengfoliasi ADP dan membentuk ATP. Transformasi energi pada tingkat substrat adalah satu-satunya cara sintesis ATP pada organisme anaerobik. Proses sintesis ATP ini membantu mempertahankan pekerjaan intensif otot rangka selama periode kelaparan oksigen. Harus diingat bahwa ini adalah satu-satunya jalur sintesis ATP dalam sel darah merah matang yang tidak memiliki mitokondria.
Peran yang sangat penting dalam bioenergi sel dimainkan oleh adenil nukleotida, yang melekat pada dua residu asam fosfat. Zat ini disebut asam adenosin trifosfat (ATP). DI DALAM ikatan kimia energi disimpan antara residu asam fosfat dari molekul ATP, yang dilepaskan selama pemisahan fosfor organik:
ATP= ADP+P+E,
di mana F adalah enzim, E adalah energi pembebasan. Dalam reaksi ini, asam adenosin fosfat (ADP) terbentuk - sisa molekul ATP dan fosfat organik. Semua sel menggunakan energi ATP untuk proses biosintesis, pergerakan, produksi panas, impuls saraf, pendaran (misalnya, bakteri pendar), yaitu untuk semua proses vital.
ATP adalah akumulator energi biologis universal. Energi cahaya yang terkandung dalam makanan yang dikonsumsi disimpan dalam molekul ATP.
Persediaan ATP dalam sel sedikit. Jadi, cadangan ATP di otot cukup untuk 20 – 30 kontraksi. Dengan kerja yang intens namun jangka pendek, otot bekerja semata-mata karena pemecahan ATP yang terkandung di dalamnya. Setelah selesai bekerja, seseorang bernapas dengan berat - selama periode ini, karbohidrat dan zat lain dipecah (energi terakumulasi) dan pasokan ATP dalam sel dipulihkan.
Selain energi, ATP melakukan sejumlah fungsi lain di dalam tubuh fungsi penting:
- · Bersama dengan nukleosida trifosfat lainnya, ATP merupakan produk awal dalam sintesis asam nukleat.
- · Selain itu, ATP memainkan peran penting dalam regulasi banyak proses biokimia. Menjadi efektor alosterik dari sejumlah enzim, ATP, bergabung dengan pusat pengaturannya, meningkatkan atau menekan aktivitasnya.
- · ATP juga merupakan prekursor langsung untuk sintesis siklik adenosin monofosfat, pembawa pesan sekunder transmisi sinyal hormonal ke dalam sel.
Peran ATP sebagai pemancar dalam sinapsis juga diketahui.
Gambar tersebut menunjukkan dua metode Gambar struktur ATP. Adenosin monofosfat (AMP), adenosin difosfat (ADP), dan adenosin trifosfat (ATP) termasuk dalam kelas senyawa yang disebut nukleotida. Molekul nukleotida terdiri dari gula lima karbon, basa nitrogen dan asam fosfat. Dalam molekul AMP, gula diwakili oleh ribosa, dan basanya adalah adenin. Ada dua gugus fosfat dalam molekul ADP, dan tiga dalam molekul ATP.
nilai ATP
Ketika ATP dipecah menjadi ADP dan energi fosfat anorganik (Pn) dilepaskan:
Reaksi terjadi dengan penyerapan air, yaitu mewakili hidrolisis (dalam artikel kami, kami telah sering menemukan jenis reaksi biokimia yang sangat umum ini). Gugus fosfat ketiga yang dipisahkan dari ATP tetap berada di dalam sel dalam bentuk fosfat anorganik (Pn). Hasil energi bebas untuk reaksi ini adalah 30,6 kJ per 1 mol ATP.
Dari ADF dan fosfat, ATP dapat disintesis kembali, tetapi hal ini memerlukan pengeluaran energi sebesar 30,6 kJ per 1 mol ATP yang baru terbentuk.
Dalam reaksi ini, yang disebut reaksi kondensasi, air dilepaskan. Penambahan fosfat ke ADP disebut reaksi fosforilasi. Kedua persamaan di atas dapat digabungkan:
Reaksi reversibel ini dikatalisis oleh enzim yang disebut ATPase.
Semua sel, sebagaimana telah disebutkan, membutuhkan energi untuk melakukan pekerjaannya, dan untuk semua sel organisme mana pun, sumber energi ini adalah sumbernya berfungsi sebagai ATP. Oleh karena itu, ATP disebut sebagai “pembawa energi universal” atau “mata uang energi” sel. Sebuah analogi yang tepat adalah baterai listrik. Ingat mengapa kami tidak menggunakannya. Dengan bantuan mereka, kita dapat menerima cahaya dalam satu hal, suara dalam hal lain, terkadang gerakan mekanis, dan terkadang kita benar-benar membutuhkannya Energi listrik. Kemudahan baterai adalah kita dapat menggunakan sumber energi yang sama - baterai - untuk berbagai keperluan, tergantung di mana kita meletakkannya. ATP memainkan peran yang sama dalam sel. Ini memasok energi untuk beragam proses seperti kontraksi otot, transmisi impuls saraf, transpor aktif zat atau sintesis protein, dan semua jenis aktivitas seluler lainnya. Untuk melakukan ini, ia harus “dihubungkan” ke bagian peralatan sel yang sesuai.
Analoginya bisa dilanjutkan. Baterai harus dibuat terlebih dahulu, dan beberapa di antaranya (yang dapat diisi ulang), seperti , dapat diisi ulang. Ketika baterai diproduksi di pabrik, sejumlah energi harus disimpan di dalamnya (dan dengan demikian dikonsumsi oleh pabrik). Sintesis ATP juga membutuhkan energi; sumbernya adalah oksidasi zat organik selama respirasi. Karena energi dilepaskan selama proses oksidasi menjadi ADP fosforilasi, fosforilasi semacam itu disebut fosforilasi oksidatif. Selama fotosintesis, ATP dihasilkan dari energi cahaya. Proses ini disebut fotofosforilasi (lihat Bagian 7.6.2). Ada juga “pabrik” di dalam sel yang menghasilkan sebagian besar ATP. Ini adalah mitokondria; mereka mengandung “jalur perakitan” kimia tempat ATP dibentuk dalam proses tersebut pernapasan aerobik. Akhirnya, “baterai” yang habis juga diisi ulang di dalam sel: setelah ATP, setelah melepaskan energi yang terkandung di dalamnya, diubah menjadi ADP dan Fn, ia dapat dengan cepat disintesis kembali dari ADP dan Fn karena energi yang diterima dalam proses tersebut. respirasi dari oksidasi bagian baru bahan organik.
jumlah ATP di dalam sangkar di mana saja saat ini sangat kecil. Oleh karena itu, di ATF seseorang seharusnya hanya melihat pembawa energi, dan bukan depotnya. Zat seperti lemak atau glikogen digunakan untuk penyimpanan energi jangka panjang. Sel sangat sensitif terhadap tingkat ATP. Ketika laju penggunaannya meningkat, laju proses pernapasan yang mempertahankan tingkat ini juga meningkat.
Peran ATP sebagai penghubung antara respirasi sel dan proses yang melibatkan konsumsi energi, terlihat dari gambar. Diagram ini terlihat sederhana, namun menggambarkan pola yang sangat penting.
Oleh karena itu dapat dikatakan bahwa secara umum fungsi pernafasan adalah untuk menghasilkan ATP.
Mari kita rangkum secara singkat apa yang dikatakan di atas.
1. Sintesis ATP dari ADP dan fosfat anorganik memerlukan energi 30,6 kJ per 1 mol ATP.
2. ATP terdapat di semua sel hidup dan oleh karena itu merupakan pembawa energi universal. Tidak ada pembawa energi lain yang digunakan. Ini menyederhanakan masalah - peralatan seluler yang diperlukan bisa lebih sederhana dan bekerja lebih efisien dan ekonomis.
3. ATP dengan mudah menyalurkan energi ke bagian mana pun dalam sel untuk proses apa pun yang membutuhkan energi.
4. ATP dengan cepat melepaskan energi. Ini hanya memerlukan satu reaksi - hidrolisis.
5. Laju produksi ATP dari ADP dan fosfat anorganik (laju proses respirasi) mudah diatur sesuai kebutuhan.
6. ATP disintesis selama respirasi karena energi kimia yang dilepaskan selama oksidasi zat organik seperti glukosa, dan selama fotosintesis karena energi matahari. Pembentukan ATP dari ADP dan fosfat anorganik disebut reaksi fosforilasi. Jika energi untuk fosforilasi disuplai melalui oksidasi, maka kita menyebutnya fosforilasi oksidatif (proses ini terjadi selama respirasi), tetapi jika energi cahaya digunakan untuk fosforilasi, maka prosesnya disebut fotofosforilasi (terjadi selama fotosintesis).
