Bahan terpenting dalam sel organisma hidup ialah adenosin trifosfat atau adenosin trifosfat. Jika kita masukkan singkatan nama ini, kita dapat ATP. Bahan ini tergolong dalam kumpulan trifosfat nukleosida dan memainkan peranan utama dalam proses metabolik dalam sel hidup, menjadi sumber tenaga yang tidak boleh ditukar ganti untuk mereka.
Penemu ATP adalah ahli biokimia dari Harvard School of Tropical Medicine - Yellapragada Subbarao, Karl Lohman dan Cyrus Fiske. Penemuan itu berlaku pada tahun 1929 dan menjadi peristiwa penting dalam biologi sistem hidup. Kemudian, pada tahun 1941, ahli biokimia Jerman Fritz Lipmann mendapati bahawa ATP dalam sel adalah pembawa utama tenaga.
struktur ATP
Molekul ini mempunyai nama sistematik, yang ditulis seperti berikut: 9-β-D-ribofuranosyladenine-5′-triphosphate, atau 9-β-D-ribofuranosyl-6-amino-purine-5′-triphosphate. Apakah sebatian yang membentuk ATP? Secara kimia, ia adalah ester adenosin trifosfat - terbitan adenin dan ribosa. Bahan ini terbentuk dengan menggabungkan adenine, yang merupakan asas nitrogen purin, dengan 1'-karbon ribosa menggunakan ikatan β-N-glikosidik. Molekul asid α-, β-, dan γ-fosforik kemudiannya ditambah secara berurutan kepada 5'-karbon ribosa.
Oleh itu, molekul ATP mengandungi sebatian seperti adenine, ribosa dan tiga sisa asid fosforik. ATP ialah sebatian khas yang mengandungi ikatan yang membebaskan sejumlah besar tenaga. Ikatan dan bahan sedemikian dipanggil tenaga tinggi. Semasa hidrolisis ikatan molekul ATP ini, sejumlah tenaga dibebaskan dari 40 hingga 60 kJ/mol, dan proses ini disertai dengan penyingkiran satu atau dua sisa asid fosforik.
Ini adalah bagaimana tindak balas kimia ini ditulis:
- 1). ATP + air → ADP + asid fosforik + tenaga;
- 2). ADP + air →AMP + asid fosforik + tenaga.
Tenaga yang dibebaskan semasa tindak balas ini digunakan dalam proses biokimia selanjutnya yang memerlukan input tenaga tertentu.
Peranan ATP dalam organisma hidup. Fungsi-fungsinya
Apakah fungsi yang dilakukan oleh ATP? Pertama sekali, tenaga. Seperti yang dinyatakan di atas, peranan utama adenosin trifosfat adalah untuk menyediakan tenaga untuk proses biokimia dalam organisma hidup. Peranan ini disebabkan oleh fakta bahawa, disebabkan oleh kehadiran dua ikatan tenaga tinggi, ATP bertindak sebagai sumber tenaga untuk banyak proses fisiologi dan biokimia yang memerlukan input tenaga yang besar. Proses sedemikian adalah semua tindak balas sintesis bahan kompleks dalam badan. Ini adalah, pertama sekali, pemindahan aktif molekul melalui membran sel, termasuk penyertaan dalam penciptaan intermembrane potensi elektrik, dan pelaksanaan penguncupan otot.
Sebagai tambahan kepada perkara di atas, kami menyenaraikan beberapa lagi: tidak kurang pentingnya fungsi ATP, seperti:
Bagaimanakah ATP terbentuk dalam badan?
Sintesis asid trifosforik adenosin sedang berjalan, kerana badan sentiasa memerlukan tenaga untuk berfungsi normal. Pada bila-bila masa tertentu, terdapat sangat sedikit bahan ini - kira-kira 250 gram, yang merupakan "rizab kecemasan" untuk "hari hujan." Semasa sakit, terdapat sintesis asid ini yang sengit, kerana banyak tenaga diperlukan untuk fungsi imun dan sistem perkumuhan, serta sistem termoregulasi badan, yang diperlukan untuk perjuangan yang berkesan dengan permulaan penyakit.
Sel yang manakah mempunyai ATP paling banyak? Ini adalah sel otot dan tisu saraf, kerana proses pertukaran tenaga berlaku paling intensif di dalamnya. Dan ini jelas, kerana otot mengambil bahagian dalam pergerakan yang memerlukan penguncupan serat otot, dan neuron menghantar impuls elektrik, tanpanya fungsi semua sistem badan adalah mustahil. Oleh itu, adalah sangat penting bagi sel untuk mengekalkan tidak berubah dan tahap tinggi adenosin trifosfat.
Bagaimanakah molekul adenosin trifosfat boleh terbentuk di dalam badan? Mereka dibentuk oleh apa yang dipanggil fosforilasi ADP (adenosin difosfat). Tindak balas kimia ini kelihatan seperti ini:
ADP + asid fosforik + tenaga → ATP + air.
Fosforilasi ADP berlaku dengan penyertaan pemangkin seperti enzim dan cahaya, dan dijalankan oleh salah satu daripada tiga cara:
Kedua-dua fosforilasi oksidatif dan substrat menggunakan tenaga bahan yang teroksida semasa sintesis tersebut.
Kesimpulan
Asid trifosforik adenosin- Ini adalah bahan yang paling kerap diperbaharui dalam badan. Berapa lama molekul adenosin trifosfat hidup secara purata? Dalam tubuh manusia, sebagai contoh, jangka hayatnya kurang daripada satu minit, jadi satu molekul bahan tersebut dilahirkan dan mereput sehingga 3000 kali sehari. Hebatnya, pada siang hari badan manusia mensintesis kira-kira 40 kg bahan ini! Keperluan untuk "tenaga dalaman" ini sangat besar untuk kami!
Keseluruhan kitaran sintesis dan penggunaan selanjutnya ATP sebagai bahan api tenaga untuk proses metabolik dalam badan makhluk hidup mewakili intipati metabolisme tenaga dalam organisma ini. Oleh itu, adenosin trifosfat adalah sejenis "bateri" yang memastikan fungsi normal semua sel organisma hidup.
Sumber tenaga utama untuk sel adalah nutrien: karbohidrat, lemak dan protein, yang teroksida dengan bantuan oksigen. Hampir semua karbohidrat, sebelum sampai ke sel-sel badan, kerana kerja saluran gastrousus dan hati ditukar kepada glukosa. Bersama-sama dengan karbohidrat, protein juga dipecahkan kepada asid amino dan lipid kepada asid lemak. Di dalam sel, nutrien dioksidakan di bawah pengaruh oksigen dan dengan penyertaan enzim yang mengawal tindak balas pembebasan tenaga dan penggunaannya. Hampir semua tindak balas oksidatif berlaku dalam mitokondria, dan tenaga yang dibebaskan disimpan dalam bentuk sebatian tenaga tinggi - ATP. Selepas itu, ia adalah ATP, dan bukan nutrien, yang digunakan untuk menyediakan proses metabolik intraselular dengan tenaga.
Molekul ATP mengandungi: (1) adenine bes nitrogen; (2) ribosa karbohidrat pentosa, (3) tiga sisa asid fosforik. Dua fosfat terakhir disambungkan antara satu sama lain dan ke seluruh molekul dengan ikatan fosfat bertenaga tinggi, ditunjukkan pada formula ATP dengan simbol ~. Tertakluk kepada ciri-ciri keadaan fizikal dan kimia badan, tenaga setiap ikatan tersebut ialah 12,000 kalori setiap 1 mol ATP, yang berkali ganda lebih tinggi daripada tenaga ikatan kimia biasa, itulah sebabnya ikatan fosfat dipanggil tinggi- tenaga. Selain itu, sambungan ini mudah dimusnahkan, menyediakan proses intraselular dengan tenaga sebaik sahaja keperluan timbul.
Apabila tenaga dibebaskan, ATP menderma kumpulan fosfat dan menjadi adenosin difosfat. Tenaga yang dibebaskan digunakan untuk hampir semua proses selular, contohnya dalam tindak balas biosintesis dan penguncupan otot.
Penambahan semula rizab ATP berlaku dengan menggabungkan semula ADP dengan sisa asid fosforik dengan mengorbankan tenaga nutrien. Proses ini diulang lagi dan lagi. ATP sentiasa digunakan dan disimpan, itulah sebabnya ia dipanggil mata wang tenaga sel. Masa pusing ganti ATP hanya beberapa minit.
Peranan mitokondria dalam tindak balas kimia Pembentukan ATP. Apabila glukosa memasuki sel, ia ditukar kepada asid piruvik di bawah tindakan enzim sitoplasma (proses ini dipanggil glikolisis). Tenaga yang dikeluarkan dalam proses ini dibelanjakan untuk menukar sejumlah kecil ADP kepada ATP, yang mewakili kurang daripada 5% daripada jumlah rizab tenaga.
Sintesis ATP adalah 95% dijalankan dalam mitokondria. Asid piruvat, asid lemak dan asid amino, masing-masing terbentuk daripada karbohidrat, lemak dan protein, akhirnya ditukar menjadi sebatian yang dipanggil "acetyl-CoA" dalam matriks mitokondria. Sebatian ini, seterusnya, mengalami satu siri tindak balas enzimatik di bawah nama yang selalu digunakan"kitaran asid trikarboksilik" atau "kitaran Krebs" untuk memberikan tenaganya. Dalam kitaran asid trikarboksilik, asetil-KoA dipecahkan kepada atom hidrogen dan molekul karbon dioksida. Karbon dioksida dikeluarkan dari mitokondria, kemudian keluar dari sel melalui resapan dan dikeluarkan dari badan melalui paru-paru.
Atom hidrogen secara kimia sangat aktif dan oleh itu segera bertindak balas dengan oksigen yang meresap ke dalam mitokondria. Jumlah tenaga yang besar yang dikeluarkan dalam tindak balas ini digunakan untuk menukar banyak molekul ADP kepada ATP. Tindak balas ini agak kompleks dan memerlukan penyertaan sejumlah besar enzim yang merupakan sebahagian daripada krista mitokondria. Pada peringkat awal, elektron dipisahkan daripada atom hidrogen, dan atom bertukar menjadi ion hidrogen. Proses ini berakhir dengan penambahan ion hidrogen kepada oksigen. Hasil daripada tindak balas ini, air dan sejumlah besar tenaga terbentuk, yang diperlukan untuk operasi ATP synthetase, protein globular besar yang menonjol dalam bentuk tuberkel pada permukaan krista mitokondria. Di bawah tindakan enzim ini, yang menggunakan tenaga ion hidrogen, ADP ditukar menjadi ATP. Molekul ATP baru dihantar dari mitokondria ke semua bahagian sel, termasuk nukleus, di mana tenaga sebatian ini digunakan untuk menyediakan pelbagai fungsi. Proses sintesis ATP ini secara amnya dipanggil mekanisme kemiosmotik pembentukan ATP.
Mana-mana organisma boleh wujud selagi nutrien dibekalkan daripada persekitaran luaran dan sementara produk aktiviti pentingnya dilepaskan ke dalam persekitaran ini. Di dalam sel, satu set transformasi kimia yang berterusan dan sangat kompleks berlaku, yang mana komponen badan sel terbentuk daripada nutrien. Set proses transformasi jirim dalam organisma hidup, disertai dengan pembaharuan berterusannya, dipanggil metabolisme.
Sebahagian daripada metabolisme umum, yang terdiri daripada penyerapan, asimilasi nutrien dan penciptaan komponen struktur sel dipanggil asimilasi - ini adalah pertukaran yang membina. Bahagian kedua pertukaran umum terdiri daripada proses disimilasi, i.e. proses penguraian dan pengoksidaan bahan organik, akibatnya sel menerima tenaga, adalah metabolisme tenaga. Pertukaran konstruktif dan tenaga membentuk satu keseluruhan.
Dalam proses metabolisme yang membina, sel mensintesis biopolimer badannya daripada bilangan sebatian molekul rendah yang agak terhad. Tindak balas biosintetik berlaku dengan penyertaan pelbagai enzim dan memerlukan tenaga.
Organisma hidup hanya boleh menggunakan tenaga terikat secara kimia. Setiap bahan mempunyai sejumlah tenaga potensi tertentu. Pembawa bahan utamanya ialah ikatan kimia, pecah atau transformasi yang membawa kepada pembebasan tenaga. Tahap tenaga sesetengah ikatan mempunyai nilai 8-10 kJ - ikatan ini dipanggil normal. Ikatan lain mengandungi lebih banyak tenaga - 25-40 kJ - ini adalah apa yang dipanggil ikatan tenaga tinggi. Hampir semua sebatian yang diketahui yang mempunyai ikatan sedemikian mengandungi atom fosforus atau sulfur, di lokasi yang dalam molekul ikatan ini disetempat. Salah satu sebatian yang memainkan peranan penting dalam kehidupan sel ialah asid trifosforik adenosin (ATP).
Adenosine triphosphoric acid (ATP) terdiri daripada adenine bes organik (I), ribosa karbohidrat (II) dan tiga sisa asid fosforik (III). Gabungan adenine dan ribosa dipanggil adenosin. Kumpulan pirofosfat mempunyai ikatan tenaga tinggi, ditunjukkan oleh ~. Penguraian satu molekul ATP dengan penyertaan air disertai dengan penyingkiran satu molekul asid fosforik dan pembebasan tenaga bebas, yang bersamaan dengan 33-42 kJ/mol. Semua tindak balas yang melibatkan ATP dikawal oleh sistem enzim.
Rajah 1. Asid trifosforik adenosin (ATP)
Metabolisme tenaga dalam sel. sintesis ATP
Sintesis ATP berlaku dalam membran mitokondria semasa pernafasan, oleh itu semua enzim dan kofaktor rantai pernafasan, semua enzim fosforilasi oksidatif disetempat dalam organel ini.
Sintesis ATP berlaku sedemikian rupa sehingga dua ion H + dipisahkan daripada ADP dan fosfat (P) dengan sebelah kanan membran, mengimbangi kehilangan dua H + semasa pengurangan bahan B. Satu daripada atom oksigen fosfat dipindahkan ke bahagian lain membran dan, bergabung dengan dua ion H + dari petak kiri, membentuk H 2 O Sisa fosforil bergabung dengan ADP, membentuk ATP.
Rajah.2. Skim pengoksidaan dan sintesis ATP dalam membran mitokondria
Dalam sel organisma, banyak tindak balas biosintetik telah dikaji yang menggunakan tenaga yang terkandung dalam ATP, di mana proses karboksilasi dan dekarboksilasi, sintesis ikatan amida, dan pembentukan sebatian tenaga tinggi yang mampu memindahkan tenaga daripada ATP ke tindak balas anabolik sintesis bahan berlaku. Reaksi ini bermain peranan penting dalam proses metabolik organisma tumbuhan.
Dengan penyertaan ATP dan polifosfat nukleosida bertenaga tinggi lain (GTP, CTP, UGP), pengaktifan molekul monosakarida, asid amino, bes nitrogen, dan asilgliserol boleh berlaku melalui sintesis sebatian perantaraan aktif yang merupakan terbitan nukleotida. Sebagai contoh, dalam proses sintesis kanji dengan penyertaan enzim ADP-glukosa pyrophosphorylase, bentuk glukosa yang diaktifkan terbentuk - glukosa adenosin difosfat, yang dengan mudah menjadi penderma sisa glukosa semasa pembentukan struktur molekul. polisakarida ini.
Sintesis ATP berlaku dalam sel semua organisma semasa proses fosforilasi, i.e. penambahan fosfat bukan organik kepada ADP. Tenaga untuk fosforilasi ADP dijana semasa metabolisme tenaga. Metabolisme tenaga, atau disimilasi, adalah satu set tindak balas pemecahan bahan organik, disertai dengan pembebasan tenaga. Bergantung pada habitat, disimilasi boleh berlaku dalam dua atau tiga peringkat.
Dalam kebanyakan organisma hidup - aerob yang hidup dalam persekitaran oksigen - tiga peringkat dijalankan semasa disimilasi: persediaan, bebas oksigen dan oksigen, semasa bahan organik terurai menjadi sebatian tak organik. Dalam anaerobes yang hidup dalam persekitaran yang kekurangan oksigen, atau dalam aerobes dengan kekurangan oksigen, disimilasi hanya berlaku dalam dua peringkat pertama dengan pembentukan perantaraan. sebatian organik, masih kaya dengan tenaga.
Peringkat pertama - persediaan - terdiri daripada penguraian enzimatik sebatian organik kompleks kepada yang lebih mudah (protein menjadi asid amino, lemak menjadi gliserol dan asid lemak, polisakarida menjadi monosakarida, asid nukleik menjadi nukleotida). Pecahan substrat makanan organik dijalankan oleh tahap yang berbeza saluran gastrousus organisma multiselular. Pecahan intraselular bahan organik berlaku di bawah tindakan enzim hidrolitik lisosom. Tenaga yang dikeluarkan dalam kes ini dilesapkan dalam bentuk haba, dan molekul organik kecil yang terhasil boleh mengalami pemecahan selanjutnya atau digunakan oleh sel sebagai "bahan binaan" untuk sintesis sebatian organiknya sendiri.
Peringkat kedua - pengoksidaan tidak lengkap (bebas oksigen) - berlaku secara langsung dalam sitoplasma sel, tidak memerlukan kehadiran oksigen dan terdiri daripada pecahan selanjutnya substrat organik. Sumber tenaga utama dalam sel ialah glukosa. Pemecahan glukosa yang bebas oksigen dan tidak lengkap dipanggil glikolisis.
Glikolisis ialah proses enzimatik pelbagai peringkat untuk menukar glukosa enam karbon kepada dua molekul tiga karbon asid piruvik (piruvat, PVK) C3H4O3. Semasa tindak balas glikolisis, sejumlah besar tenaga dibebaskan - 200 kJ/mol. Sebahagian daripada tenaga ini (60%) dilesapkan sebagai haba, selebihnya (40%) digunakan untuk sintesis ATP.
Hasil daripada glikolisis satu molekul glukosa, dua molekul PVK, ATP dan air terbentuk, serta atom hidrogen, yang disimpan oleh sel dalam bentuk NAD H, i.e. sebagai sebahagian daripada pembawa tertentu - nicotinamide adenine dinucleotide. Nasib selanjutnya produk glikolisis - piruvat dan hidrogen dalam bentuk NADH - boleh berkembang secara berbeza. Dalam yis atau dalam sel tumbuhan, apabila terdapat kekurangan oksigen, penapaian alkohol berlaku - PVA dikurangkan kepada etil alkohol:
Pada sel haiwan mengalami kekurangan oksigen sementara, contohnya pada sel otot manusia dengan berlebihan aktiviti fizikal, dan juga dalam sesetengah bakteria, penapaian asid laktik berlaku, di mana piruvat dikurangkan kepada asid laktik. Dengan kehadiran oksigen dalam persekitaran, produk glikolisis mengalami pemecahan selanjutnya kepada produk akhir.
Peringkat ketiga - pengoksidaan lengkap (pernafasan) - berlaku dengan penyertaan wajib oksigen. Respirasi aerobik ialah rantaian tindak balas yang dikawal oleh enzim dalam membran dalam dan matriks mitokondria. Sekali dalam mitokondria, PVK berinteraksi dengan enzim matriks dan membentuk: karbon dioksida, yang dikeluarkan daripada sel; atom hidrogen, yang, sebagai sebahagian daripada pembawa, diarahkan ke membran dalam; asetil koenzim A (acetyl-CoA), yang terlibat dalam kitaran asid trikarboksilik (kitaran Krebs). Kitaran Krebs ialah rantaian tindak balas berjujukan di mana satu molekul asetil-KoA menghasilkan dua molekul CO2, molekul ATP dan empat pasang atom hidrogen, yang dipindahkan ke molekul pembawa - NAD dan FAD (flavin adenine dinucleotide). Jumlah tindak balas glikolisis dan kitaran Krebs boleh diwakili seperti berikut:
Oleh itu, hasil daripada peringkat pemisahan bebas oksigen dan kitaran Krebs, molekul glukosa dipecahkan kepada karbon dioksida tak organik (CO2), dan tenaga yang dikeluarkan dalam kes ini sebahagiannya dibelanjakan untuk sintesis ATP, tetapi adalah terutamanya disimpan dalam pembawa muatan elektron NAD H2 dan FAD H2. Protein pembawa mengangkut atom hidrogen ke membran dalam mitokondria, di mana ia menyalurkannya di sepanjang rantaian protein yang dibina ke dalam membran. Pengangkutan zarah di sepanjang rantai pengangkutan dilakukan sedemikian rupa sehingga proton kekal di bahagian luar membran dan terkumpul di ruang antara membran, mengubahnya menjadi takungan H+, dan elektron dipindahkan ke permukaan dalaman bahagian dalam. membran mitokondria, di mana mereka akhirnya bergabung dengan oksigen.
Hasil daripada aktiviti enzim dalam rantai pengangkutan elektron, membran mitokondria dalam dicas secara negatif dari dalam dan secara positif (disebabkan oleh H) dari luar, supaya perbezaan potensi dicipta antara permukaannya. Adalah diketahui bahawa molekul enzim ATP synthetase, yang mempunyai saluran ion, dibina ke dalam membran dalaman mitokondria. Apabila beza keupayaan merentasi membran mencapai tahap kritikal(200 mV), zarah H+ bercas positif mula ditolak melalui saluran ATPase oleh daya medan elektrik dan, sekali pada permukaan dalaman membran, berinteraksi dengan oksigen, membentuk air.
Perjalanan normal tindak balas metabolik pada tahap molekul adalah disebabkan oleh gabungan harmoni proses katabolisme dan anabolisme. Apabila proses katabolik terganggu, pertama sekali, kesukaran tenaga timbul, penjanaan semula ATP terganggu, serta bekalan substrat anabolik awal yang diperlukan untuk proses biosintetik. Sebaliknya, kerosakan pada proses anabolik yang utama atau dikaitkan dengan perubahan dalam proses katabolik membawa kepada gangguan pembiakan sebatian penting yang berfungsi - enzim, hormon, dll.
Gangguan pelbagai pautan dalam rantai metabolik mempunyai akibat yang tidak sama rata. Yang paling ketara, dalam perubahan patologi katabolisme berlaku apabila sistem pengoksidaan biologi rosak akibat sekatan enzim pernafasan tisu, hipoksia, dan lain-lain atau kerosakan pada mekanisme gandingan respirasi tisu dan fosforilasi oksidatif (contohnya, pemisahan pernafasan tisu dan fosforilasi oksidatif dalam tirotoksikosis). Dalam kes ini, sel kehilangan sumber tenaga utamanya, hampir semua tindak balas oksidatif katabolisme disekat atau kehilangan keupayaan untuk mengumpul tenaga yang dibebaskan dalam molekul ATP. Apabila tindak balas dalam kitaran asid trikarboksilik dihalang, pengeluaran tenaga melalui katabolisme berkurangan kira-kira dua pertiga.
Peranan utama ATP dalam badan dikaitkan dengan menyediakan tenaga untuk pelbagai tindak balas biokimia. Sebagai pembawa dua ikatan tenaga tinggi, ATP berfungsi sebagai sumber tenaga langsung untuk banyak proses biokimia dan fisiologi yang memakan tenaga. Semua ini adalah tindak balas sintesis bahan kompleks dalam badan: pelaksanaan pemindahan aktif molekul melalui membran biologi, termasuk penciptaan potensi elektrik transmembran; pelaksanaan penguncupan otot.
Seperti yang diketahui dalam biotenaga organisma hidup, dua perkara utama adalah penting:
- a) tenaga kimia disimpan melalui pembentukan ATP ditambah dengan tindak balas katabolik eksergonik pengoksidaan substrat organik;
- b) tenaga kimia digunakan melalui pemecahan ATP, ditambah dengan tindak balas endergonik anabolisme dan proses lain yang memerlukan tenaga.
Timbul persoalan mengapa molekul ATP sepadan dengannya peranan pusat dalam biotenaga. Untuk menyelesaikannya, pertimbangkan struktur ATP Struktur ATP - (pada pH 7.0 tetracas anion).
ATP ialah sebatian tidak stabil secara termodinamik. Ketidakstabilan ATP ditentukan, pertama, oleh tolakan elektrostatik di kawasan kelompok cas negatif dengan nama yang sama, yang membawa kepada ketegangan dalam keseluruhan molekul, tetapi ikatan terkuat ialah P-O-P, dan kedua, oleh resonans tertentu. Selaras dengan faktor terakhir, terdapat persaingan antara atom fosforus untuk elektron mudah alih yang tidak dikongsi bagi atom oksigen yang terletak di antara mereka, kerana setiap atom fosforus mempunyai cas positif separa disebabkan oleh pengaruh penerima elektron yang ketara P=O dan P - kumpulan O. Oleh itu, kemungkinan kewujudan ATP ditentukan oleh kehadiran jumlah tenaga kimia yang mencukupi dalam molekul untuk mengimbangi tegasan fizikokimia ini. Molekul ATP mengandungi dua ikatan fosfoanhidrida (pirofosfat), yang hidrolisisnya disertai dengan penurunan ketara dalam tenaga bebas (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 biotenaga ialah biosintesis ATP, yang dalam alam semula jadi berlaku melalui fosforilasi ADP.
Fosforilasi ADP ialah proses endergonik dan memerlukan sumber tenaga. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, dua sumber tenaga sedemikian mendominasi alam semula jadi - tenaga suria dan tenaga kimia sebatian organik yang dikurangkan. Tumbuhan hijau dan beberapa mikroorganisma mampu mengubah tenaga kuanta cahaya yang diserap menjadi tenaga kimia, yang dibelanjakan untuk fosforilasi ADP dalam peringkat cahaya fotosintesis. Proses penjanaan semula ATP ini dipanggil fosforilasi fotosintesis. Transformasi tenaga pengoksidaan sebatian organik kepada ikatan makroenergetik ATP dalam keadaan aerobik berlaku terutamanya melalui fosforilasi oksidatif. Tenaga bebas yang diperlukan untuk pembentukan ATP dijana dalam rantaian oksidatif pernafasan mitokondria.
Satu lagi jenis sintesis ATP dikenali, dipanggil fosforilasi substrat. Berbeza dengan fosforilasi oksidatif yang dikaitkan dengan pemindahan elektron, penderma kumpulan fosforil yang diaktifkan (- PO3 H2), yang diperlukan untuk penjanaan semula ATP, adalah perantaraan proses glikolisis dan kitaran asid trikarboksilik. Dalam semua kes ini, proses oksidatif membawa kepada pembentukan sebatian tenaga tinggi: 1,3-diphosphoglycerate (glikolisis), succinyl-CoA (kitaran asid trikarboksilik), yang, dengan penyertaan enzim yang sesuai, mampu memfolylasi ADP dan membentuk ATP. Transformasi tenaga pada tahap substrat adalah satu-satunya cara sintesis ATP dalam organisma anaerobik. Proses sintesis ATP ini membantu mengekalkan kerja intensif otot rangka semasa period kebuluran oksigen. Perlu diingat bahawa ia adalah satu-satunya laluan untuk sintesis ATP dalam sel darah merah matang yang tidak mempunyai mitokondria.
Peranan yang sangat penting dalam bioenergetik sel dimainkan oleh adenil nukleotida, yang mana dua residu asid fosforik dilampirkan. Bahan ini dipanggil asid trifosforik adenosin (ATP). Tenaga disimpan dalam ikatan kimia antara residu asid fosforik molekul ATP, yang dibebaskan apabila fosforit organik dipisahkan:
ATP= ADP+P+E,
di mana F ialah enzim, E ialah tenaga pembebasan. Dalam tindak balas ini, asid fosfat adenosin (ADP) terbentuk - baki molekul ATP dan fosfat organik. Semua sel menggunakan tenaga ATP untuk proses biosintesis, pergerakan, pengeluaran haba, impuls saraf, luminescence (contohnya, bakteria luminescent), iaitu, untuk semua proses penting.
ATP ialah penumpuk tenaga biologi sejagat. Tenaga cahaya yang terkandung dalam makanan yang diambil disimpan dalam molekul ATP.
Bekalan ATP dalam sel adalah kecil. Jadi, rizab ATP dalam otot cukup untuk 20 - 30 kontraksi. Dengan kerja yang sengit, tetapi jangka pendek, otot bekerja secara eksklusif kerana pecahan ATP yang terkandung di dalamnya. Selepas menyelesaikan kerja, seseorang bernafas dengan berat - dalam tempoh ini, karbohidrat dan bahan lain dipecahkan (tenaga terkumpul) dan bekalan ATP dalam sel dipulihkan.
Sebagai tambahan kepada tenaga, ATP melakukan beberapa fungsi lain dalam badan, tidak kurang fungsi penting:
- · Bersama-sama dengan trifosfat nukleosida lain, ATP ialah produk permulaan dalam sintesis asid nukleik.
- · Selain itu, ATP memainkan peranan penting dalam pengawalseliaan banyak proses biokimia. Sebagai efektor alosterik beberapa enzim, ATP, menyertai pusat pengawalseliaan mereka, meningkatkan atau menyekat aktiviti mereka.
- · ATP juga merupakan prekursor langsung untuk sintesis adenosin monofosfat kitaran, penghantar sekunder penghantaran isyarat hormon ke dalam sel.
Peranan ATP sebagai penghantar dalam sinaps juga diketahui.
Rajah menunjukkan dua kaedah Imej struktur ATP. Adenosine monophosphate (AMP), adenosine diphosphate (ADP), dan adenosine triphosphate (ATP) tergolong dalam kelas sebatian yang dipanggil nukleotida. Molekul nukleotida terdiri daripada gula lima karbon, bes nitrogen dan asid fosforik. Dalam molekul AMP, gula diwakili oleh ribosa, dan asasnya adalah adenine. Terdapat dua kumpulan fosfat dalam molekul ADP, dan tiga dalam molekul ATP.
nilai ATP
Apabila ATP dipecahkan kepada ADP dan tenaga fosfat tak organik (Pn) dibebaskan:
Tindak balas berlaku dengan penyerapan air, iaitu ia mewakili hidrolisis (dalam artikel kami, kami telah menemui jenis tindak balas biokimia yang sangat biasa ini berkali-kali). Kumpulan fosfat ketiga berpecah daripada ATP kekal dalam sel dalam bentuk fosfat tak organik (Pn). Hasil tenaga bebas untuk tindak balas ini ialah 30.6 kJ setiap 1 mol ATP.
Daripada ADF dan fosfat, ATP boleh disintesis semula, tetapi ini memerlukan perbelanjaan 30.6 kJ tenaga setiap 1 mol ATP yang baru terbentuk.
Dalam tindak balas ini, dipanggil tindak balas pemeluwapan, air dibebaskan. Penambahan fosfat kepada ADP dipanggil tindak balas fosforilasi. Kedua-dua persamaan di atas boleh digabungkan:
Tindak balas boleh balik ini dimangkinkan oleh enzim yang dipanggil ATPase.
Semua sel, seperti yang telah disebutkan, memerlukan tenaga untuk melaksanakan kerja mereka, dan untuk semua sel mana-mana organisma sumber tenaga ini adalah berfungsi sebagai ATP. Oleh itu, ATP dipanggil "pembawa tenaga sejagat" atau "mata wang tenaga" sel. Analogi yang tepat ialah bateri elektrik. Ingat mengapa kita tidak menggunakannya. Dengan bantuan mereka, dalam satu kes kita boleh menerima cahaya, dalam kes lain bunyi, kadang-kadang pergerakan mekanikal, dan kadang-kadang kita memerlukan tenaga elektrik sebenar daripada mereka. Kemudahan bateri ialah kita boleh menggunakan sumber tenaga yang sama - bateri - untuk pelbagai tujuan, bergantung pada tempat kita meletakkannya. ATP memainkan peranan yang sama dalam sel. Ia membekalkan tenaga untuk pelbagai proses seperti pengecutan otot, penghantaran impuls saraf, pengangkutan aktif bahan atau sintesis protein, dan semua jenis aktiviti selular yang lain. Untuk melakukan ini, ia mesti hanya "disambungkan" ke bahagian yang sepadan dengan radas sel.
Analoginya boleh diteruskan. Bateri mesti dikeluarkan dahulu, dan sebahagian daripadanya (yang boleh dicas semula), seperti , boleh dicas semula. Apabila bateri dihasilkan di kilang, sejumlah tenaga mesti disimpan di dalamnya (dan dengan itu digunakan oleh kilang). Sintesis ATP juga memerlukan tenaga; sumbernya ialah pengoksidaan bahan organik semasa respirasi. Oleh kerana tenaga dibebaskan semasa proses pengoksidaan untuk memfosforilasi ADP, fosforilasi sedemikian dipanggil fosforilasi oksidatif. Semasa fotosintesis, ATP dihasilkan daripada tenaga cahaya. Proses ini dipanggil fotofosforilasi (lihat Bahagian 7.6.2). Terdapat juga "kilang" dalam sel yang menghasilkan kebanyakan ATP. Ini adalah mitokondria; ia mengandungi "garisan pemasangan" kimia di mana ATP terbentuk dalam proses pernafasan aerobik. Akhirnya, "bateri" yang dilepaskan juga dicas semula dalam sel: selepas ATP, setelah melepaskan tenaga yang terkandung di dalamnya, ditukar kepada ADP dan Fn, ia boleh disintesis semula dengan cepat dari ADP dan Fn kerana tenaga yang diterima dalam proses pernafasan daripada pengoksidaan bahagian baharu bahan organik.
kuantiti ATP dalam sangkar di mana sahaja masa ini sangat kecil. Oleh itu, dalam ATF seseorang harus melihat hanya pembawa tenaga, dan bukan depotnya. Bahan seperti lemak atau glikogen digunakan untuk penyimpanan tenaga jangka panjang. Sel sangat sensitif kepada tahap ATP. Apabila kadar penggunaannya meningkat, kadar proses pernafasan yang mengekalkan tahap ini juga meningkat.
Peranan ATP sebagai penghubung penghubung antara respirasi selular dan proses yang melibatkan penggunaan tenaga, dapat dilihat dari rajah. Gambar rajah ini kelihatan mudah, tetapi ia menggambarkan corak yang sangat penting.
Oleh itu boleh dikatakan bahawa, secara umum, fungsi pernafasan adalah untuk menghasilkan ATP.
Mari kita ringkaskan secara ringkas apa yang dinyatakan di atas.
1. Sintesis ATP daripada ADP dan fosfat tak organik memerlukan 30.6 kJ tenaga bagi setiap 1 mol ATP.
2. ATP terdapat dalam semua sel hidup dan oleh itu merupakan pembawa tenaga sejagat. Tiada pembawa tenaga lain digunakan. Ini memudahkan perkara - radas selular yang diperlukan boleh menjadi lebih ringkas dan berfungsi dengan lebih cekap dan menjimatkan.
3. ATP dengan mudah menghantar tenaga ke mana-mana bahagian sel kepada sebarang proses yang memerlukan tenaga.
4. ATP cepat membebaskan tenaga. Ini hanya memerlukan satu tindak balas - hidrolisis.
5. Kadar pengeluaran ATP daripada ADP dan fosfat tak organik (kadar proses respirasi) mudah diselaraskan mengikut keperluan.
6. ATP disintesis semasa respirasi disebabkan oleh tenaga kimia yang dibebaskan semasa pengoksidaan bahan organik seperti glukosa, dan semasa fotosintesis disebabkan oleh tenaga suria. Pembentukan ATP daripada ADP dan fosfat tak organik dipanggil tindak balas fosforilasi. Jika tenaga untuk fosforilasi dibekalkan oleh pengoksidaan, maka kita bercakap tentang fosforilasi oksidatif (proses ini berlaku semasa pernafasan), tetapi jika tenaga cahaya digunakan untuk fosforilasi, maka proses itu dipanggil fotofosforilasi (ini berlaku semasa fotosintesis).
