Adenosientrifosfaat

ATP bestaan uit 'n adenien aangeheg by die 9-stikstofatoom aan die 1 ' koolstof atoom van 'n suiker ( ribose ), wat op sy beurt by die 5 is aangeheg' koolstofatoom van die suiker tot 'n trifosfaat groep. In sy vele reaksies wat verband hou met metabolisme, bly die adenien- en suikergroepe onveranderd, maar die trifosfaat word in di- en monofosfaat omgeskakel, wat onderskeidelik die afgeleides ADP en AMP gee . Daar word na die drie fosforylgroepe verwys as die alfa (α), beta (β), en, vir die terminale fosfaat, gamma (γ).

In neutrale oplossing bestaan ​​geïoniseerde ATP meestal as ATP ⁴⁻ , met 'n klein deel ATP ³⁻ . ^[4]

Binding van metaalkatione aan ATP

Aangesien dit polionionies is en 'n polifosfaatgroep wat moontlik kan cheleer , bind ATP metaalkatione met 'n hoë affiniteit. Die bindingskonstante vir Mg2+is ( 9 554 ). ^[5] Die binding van 'n tweewaardige katioon , byna altyd magnesium , beïnvloed die interaksie van ATP met verskillende proteïene sterk. As gevolg van die sterkte van die ATP-Mg ²⁺ interaksie, bestaan ​​ATP meestal in die sel as 'n kompleks met Mg²⁺
aan die fosfaat suurstofsentrums gebind. ^{[4] [6]}

'N Tweede magnesiumioon is van kritieke belang vir ATP-binding in die kinasedomein. ^[7] Die teenwoordigheid van Mg ²⁺ reguleer kinase-aktiwiteit. ^[8]

Soute van ATP kan as kleurlose vaste stowwe geïsoleer word. ^[9]

Die siklusse van sintese en agteruitgang van ATP; 2 en 1 onderskeidelik die insette en die uitset van energie voorstel.

ATP is stabiel in waterige oplossings tussen pH 6,8 en 7,4, in die afwesigheid van katalisators. By meer ekstreme pH's hidroliseer dit vinnig na ADP en fosfaat. Lewende selle handhaaf die verhouding ATP tot ADP op 'n punt van tien orde vanaf ewewig, met ATP-konsentrasies vyf keer hoër as die konsentrasie van ADP. ^{[10] [11]} In die konteks van biochemiese reaksies word daar gereeld na die POP-bindings verwys as hoë-energie bindings . ^[12]

Die hidrolise van ATP in ADP en anorganiese fosfaat vrystellings 30.5  kJ / mol van entalpie , met 'n verandering in vrye energie van 3.4 kJ / mol. ^[13] Die energie wat vrygestel is deur die kloue óf 'n fosfaat (P _i ) of pirofosfaat (PP _i ) eenheid van ATP by standaard staat van 1 M is: ^[14]

ATP + H
₂O → ADP + P _i  Δ G ° = −30,5 kJ / mol (−7,3 kcal / mol)

ATP + H
₂O → AMP + PP _i  Δ G ° = −45,6 kJ / mol (−10,9 kcal / mol)

Hierdie verkorte vergelykings kan meer eksplisiet geskryf word (R = adenosyl ):

[RO-P (O) ₂ -OP (O) _2- O-PO ₃ ] ⁴⁻ + H
₂O → [RO-P (O) _2- O-PO ₃ ] ³⁻ + [PO ₄ ] ³⁻ + 2 H ⁺

[RO-P (O) ₂ -OP (O) _2- O-PO ₃ ] ⁴⁻ + H
₂O → [RO-PO ₃ ] ²⁻ + [O ₃ P-O-PO ₃ ] ⁴⁻ + 2 H ⁺

Hierdie beeld toon 'n 360-grade rotasie van 'n enkele gasfase- magnesium- ATP chelaat met 'n lading van -2. Die anioon is op die UB3LYP / 6-311 ++ G (d, p) teoretiese vlak geoptimaliseer en die atoomverbinding is deur die menslike optimiseerder aangepas om die waarskynlike elektroniese struktuur te weerspieël.

Produksie, aërobiese toestande

'N Tipiese intrasellulêre konsentrasie van ATP is moeilik om vas te stel, maar volgens verslae is daar 1–10 μmol per gram weefsel in 'n verskeidenheid eukariote. ^[15] Die affosforilering van ATP en herfosforilering van ADP en AMP kom herhaaldelik voor in die loop van aërobiese metabolisme.

ATP kan vervaardig word deur 'n aantal verskillende sellulêre prosesse; die drie hoofweë in eukariote is (1) glikolise , (2) die sitroensuur siklus / oksidatiewe fosforilering , en (3) beta-oksidasie . Die algehele proses van oksideer glukose na koolstofdioksied , die kombinasie van bane 1 en 2, bekend as sellulêre asemhaling , lewer ongeveer 30 ekwivalente ATP uit elke glukose-molekule. ^[16]

ATP-produksie deur 'n nie- fotosintetiese aërobiese eukarioot kom hoofsaaklik voor in die mitochondria , wat byna 25% van die volume van 'n tipiese sel uitmaak. ^[17]

Glikolise

In glikolise word glukose en gliserol gemetaboliseer tot piruvaat . Glikolise genereer twee ekwivalente ATP deur substraatfosforilering wat deur twee ensieme gekataliseer word, PGK en piruvaatkinase . Daar word ook twee ekwivalente NADH vervaardig wat via die elektrontransportketting geoksideer kan word en wat lei tot die opwekking van addisionele ATP deur ATP-sintase . Die piruvaat wat gegenereer word as 'n eindproduk van glikolise, is 'n substraat vir die Krebs-siklus . ^[18]

Glikolise word beskou as bestaande uit twee fases met elk vyf stappe. In fase 1, "die voorbereidende fase", word glukose omgeskakel na 2 d-gliseraldehied -3-fosfaat (g3p). Een ATP word in stap 1 belê, en 'n ander ATP word in stap 3 belê. Daar word na stap 1 en 3 van glikolise verwys as 'grondstappe'. In Fase 2 word twee ekwivalente g3p omgeskakel na twee piruvate. In stap 7 word twee ATP vervaardig. In stap 10 word twee verdere ekwivalente ATP vervaardig. In stap 7 en 10 word ATP gegenereer uit ADP. 'N Net van twee ATP's word in die glikolisesiklus gevorm. Die glikolise-baan word later geassosieer met die sitroensuur-siklus wat addisionele ekwivalente ATP lewer.

Regulasie

In glikolise word heksokinase direk deur sy produk geïnhibeer, glukose-6-fosfaat, en piruvaatkinase word deur ATP self gerem. Die hoofbeheerpunt vir die glikolitiese baan is fosfofruktokinase (PFK), wat allosteries deur hoë konsentrasies ATP geïnhibeer word en geaktiveer word deur hoë konsentrasies AMP. Die remming van PFK deur ATP is ongewoon, aangesien ATP ook 'n substraat is in die reaksie wat deur PFK gekataliseer word; die aktiewe vorm van die ensiem is 'n tetrameer wat in twee konformasies bestaan, waarvan slegs een die tweede substraat fruktose-6-fosfaat (F6P) bind. Die proteïen het twee bindingspersele vir ATP - die aktiewe plek is toeganklik in beide proteïenkonformasie, maar ATP-binding aan die remmerplek stabiliseer die konformasie wat F6P swak bind. ^{[18] '} n Aantal ander klein molekules kan die ATP-geïnduseerde verskuiwing in ewewigskonformasie vergoed en PFK heraktiveer, insluitend sikliese AMP , ammoniumione , anorganiese fosfaat en fruktose-1,6- en -2,6-bifosfaat. ^[18]

Sitroensuur siklus

In die mitochondrion word pirovaat deur die pirowaatdehidrogenase-kompleks geoksideer na die asetielgroep , wat deur die sitroensuursiklus (ook bekend as die Krebs- siklus) tot koolstofdioksied geoksideer word . Elke "draai" van die sitroensuur-siklus lewer twee molekules koolstofdioksied op, een ekwivalent van ATP guanosientrifosfaat (GTP) deur fosforilering op substraatvlak wat deur succinyl-CoA-sintetase gekataliseer word , aangesien succinyl- CoA omgeskakel word na Succinaat, drie ekwivalente NADH , en een ekwivalent van FADH 2 . NADH en FADH ₂ word herwin (na onderskeidelik NAD ⁺ en FAD ), wat addisionele ATP genereer deur oksidatiewe fosforilering . Die oksidasie van NADH lei tot die sintese van 2-3 ekwivalente ATP, en die oksidasie van een FADH ₂ lewer tussen 1-2 ekwivalente ATP. ^[16] Die meeste sellulêre ATP word deur hierdie proses gegenereer. Alhoewel die sitroensuur siklus nie molekulêre suurstof behels nie , is dit 'n verpligte aërobiese proses omdat O ₂ gebruik word om die NADH en FADH ₂ te herwin en die chemiese energie verskaf wat die proses dryf. ^[19] By gebrek aan suurstof stop die sitroensuur-siklus. ^[17]

Die opwekking van ATP deur die mitochondrion uit sitosoliese NADH is afhanklik van die malaat-aspartaat shuttle (en in mindere mate die glycerol-fosfaat shuttle ) omdat die innerlike mitochondriale membraan ondeurdringbaar is vir NADH en NAD ⁺ . In plaas daarvan om die gegenereerde NADH oor te dra, skakel 'n malaatdehidrogenase- ensiem oxaloacetaat om in malaat , wat na die mitochondriale matriks oorgedra word . Nog 'n malaat dehidrogenase-gekataliseerde reaksie vind in die teenoorgestelde rigting plaas, wat oksaloasetaat en NADH produseer uit die pas vervoerde malaat en die mitochondrion se NAD ⁺ -winkel . 'N Transaminase skakel die oksaloasetaat om in aspartaat om weer oor die membraan en na die intermembraanruimte te vervoer. ^[17]

In oksidatiewe fosforilering stel die deurlaat van elektrone vanaf NADH en FADH ₂ deur die elektrontransportketting die chemiese energie van O ₂ ^{[19] vry} om protone uit die mitochondriale matriks en in die intermembraanruimte te pomp . Hierdie pomp genereer 'n proton-beweegkrag wat die netto-effek is van 'n pH- gradiënt en 'n elektriese potensiaalgradiënt oor die binneste mitochondriale membraan. Vloei van protone deur hierdie potensiële gradiënt - dit wil sê van die intermembraanruimte tot die matriks - lewer ATP deur ATP-sintase . ^[20] Drie ATP word per draai vervaardig.

Alhoewel suurstofverbruik fundamenteel lyk vir die instandhouding van die protonmotiewe , dra dit by tot suurstoftekort ( hipoksie ), intrasellulêre asidose (bemiddel deur verhoogde glikolitiese dosisse en ATP-hidrolise), tot die mitochondriale membraanpotensiaal en dryf die ATP-sintese direk. ^[21]

Die meeste ATP wat in die mitochondria gesintetiseer is, sal gebruik word vir sellulêre prosesse in die sitosol; dit moet dus uitgevoer word vanaf die sintese-plek in die mitochondriale matriks. ATP-uitwaartse beweging word bevoordeel deur die elektrochemiese potensiaal van die membraan omdat die sitosol 'n relatiewe positiewe lading het in vergelyking met die relatief negatiewe matriks. Vir elke ATP wat vervoer word, kos dit 1 H ⁺ . Die vervaardiging van een ATP kos ongeveer 3 H ⁺ . Daarom is die vervaardiging en uitvoer van een ATP 4H ^{+ nodig.} Die binnemembraan bevat 'n antiporter , die ADP / ATP-translokase, wat 'n integrale membraanproteïen is wat gebruik word om pas gesintetiseerde ATP in die matriks vir ADP in die intermembraanruimte uit te ruil . ^[22] Hierdie translokase word aangedryf deur die membraanpotensiaal, aangesien dit lei tot die beweging van ongeveer 4 negatiewe ladings oor die mitochondriale membraan in ruil vir 3 negatiewe ladings wat binne beweeg. Dit is egter ook nodig om fosfaat na die mitochondrion te vervoer; die fosfaatdraer skuif 'n proton met elke fosfaat in, wat die protongradiënt gedeeltelik versprei. Na voltooiing van glikolise, die sitroensuursiklus, die elektrontransportketting en oksidatiewe fosforilering, word ongeveer 30-38 ATP-molekules per glukose vervaardig.

Regulasie

Die sitroensuur-siklus word hoofsaaklik gereguleer deur die beskikbaarheid van sleutelsubstrate, veral die verhouding NAD ⁺ tot NADH en die konsentrasies kalsium , anorganiese fosfaat, ATP, ADP en AMP. Sitraat  - die ioon wat sy naam aan die siklus gee - is 'n terugvoerinhibeerder van sitraat sintase en inhibeer ook PFK, wat 'n direkte verband bied tussen die regulering van die sitroensuur siklus en glikolise. ^[18]

Beta-oksidasie

In die teenwoordigheid van lug en verskillende mede-faktore en ensieme word vetsure in asetiel-CoA omgeskakel . Die baan word beta-oksidasie genoem . Elke siklus van beta-oksidasie verkort die vetsuurketting met twee koolstofatome en lewer een ekwivalent van asetiel-CoA, NADH en FADH ₂ . Die asetiel-CoA word gemetaboliseer deur die sitroensuur siklus om ATP te genereer, terwyl die NADH en FADH ₂ gebruik word deur oksidatiewe fosforilering om ATP te genereer. Tientalle ATP-ekwivalente word gegenereer deur die beta-oksidasie van 'n enkele lang asielketting. ^[23]

Regulasie

In oksidatiewe fosforilering is die belangrikste beheerpunt die reaksie wat deur sitochroom c oksidase gekataliseer word , wat gereguleer word deur die beskikbaarheid van die substraat - die verminderde vorm van sitochroom c . Die hoeveelheid verminderde sitochroom c wat beskikbaar is, hou direk verband met die hoeveelhede ander substrate:

${\ displaystyle {\ frac {1} {2}} {\ ce {NADH}} + {\ ce {cyt}} \ {\ ce {c_ {ox}}} + {\ ce {ADP}} + {\ ce {P_i}} \ rightleftharpoons {\ frac {1} {2}} {\ ce {NAD ^ +}} + {\ ce {cyt}} \ {\ ce {c_ {red}}} + {\ ce { ATP}}}$

wat hierdie vergelyking direk impliseer:

${\ displaystyle {\ frac {[\ mathrm {cyt ~ c_ {red}}]} {[\ mathrm {cyt ~ c_ {ox}}]}} = \ links ({\ frac {[\ \ mathrm {NADH}] } {[\ mathrm {NAD}] ^ {+}}} \ regs) ^ {\ frac {1} {2}} \ links ({\ frac {[\ mathrm {ADP}] [\ mathrm {P_ {i }}]} {[\ mathrm {ATP}]}} \ regs) K _ {\ mathrm {eq}}}$

Dus, 'n hoë verhouding van [NADH] tot [NAD ⁺ ] of 'n hoë verhouding van [ADP] [P _i ] tot [ATP] impliseer 'n hoë hoeveelheid verminderde sitochroom c en 'n hoë vlak van sitochroom c oksidase-aktiwiteit. ^{[18] '} n Bykomende vlak van regulering word ingestel deur die transportsnelhede van ATP en NADH tussen die mitochondriale matriks en die sitoplasma. ^[22]

Ketose

Ketoonliggame kan as brandstof gebruik word, wat 22 ATP- en 2 GTP- molekules per asetoasetaatmolekule lewer wanneer dit in die mitochondria geoksideer word. Ketoonliggame word van die lewer na ander weefsels vervoer , waar asetoasetaat en beta- hidroksibutyraat weer na asetiel-CoA omgeskakel kan word om reduksie-ekwivalente (NADH en FADH ₂ ) te produseer , via die sitroensuur-siklus . Ketoonliggame kan nie deur die lewer as brandstof gebruik word nie, omdat die lewer nie die ensiem β-ketoasiel-CoA-transferase, ook genoem thiolase , ontbreek nie . Asetoasetaat in lae konsentrasies word deur die lewer opgeneem en ondergaan ontgifting deur die metielglikoksale weg wat eindig met laktaat. Acetoasetaat word in hoë konsentrasies deur ander selle as dié in die lewer geabsorbeer en gaan via 1,2-propandiol op 'n ander pad . Alhoewel die pad 'n ander reeks stappe volg wat ATP benodig, kan 1,2-propaaniol in piruvaat verander word. ^[24]

Produksie, anaërobiese toestande

Fermentasie is die metabolisme van organiese verbindings in die afwesigheid van lug. Dit behels fosforilering op substraatvlak in die afwesigheid van 'n respiratoriese elektronvervoerketting . Die vergelyking vir die reaksie van glukose om melksuur te vorm , is:

C
₆H
₁₂O
₆+ 2 ADP + 2 Pi → 2  CH
₃CH (OH) COOH + 2 ATP + 2  H
₂O

Anaërobiese asemhaling is asemhaling in die afwesigheid van O2. Prokariote kan 'n verskeidenheid elektronaanvaarders gebruik. Dit sluit nitraat , sulfaat en koolstofdioksied in.

ATP aanvulling deur nukleosied difosfaat kinases

ATP kan ook gesintetiseer word deur middel van 'n aantal sogenaamde 'aanvullings'-reaksies wat gekataliseer word deur die ensiemfamilies van nukleosied difosfaat kinases (NDK's), wat ander nukleosiede trifosfate as 'n hoë-energie fosfaat skenker gebruik, en die ATP: guanido-fosfotransferase familie.

ATP-produksie tydens fotosintese

In plante word ATP gesintetiseer in die tylakoïedmembraan van die chloroplast . Die proses word fotofosforilering genoem. Die "masjinerie" is soortgelyk aan dié in mitochondria, behalwe dat ligenergie gebruik word om protone oor 'n membraan te pomp om 'n protonmotiewe krag te produseer. ATP-sintase volg dan presies soos in oksidatiewe fosforilering. ^[25] Sommige van die ATP vervaardig in die chloroplaste verbruik in die Calvin-siklus , wat lei tot triose suikers.

ATP-herwinning

Die totale hoeveelheid ATP in die menslike liggaam is ongeveer 0,2  mol . Die meerderheid ATP word deur ADP herwin deur die bogenoemde prosesse. Dus, op enige gegewe tydstip, bly die totale hoeveelheid ATP + ADP redelik konstant.

Die energie wat menslike selle by volwassenes gebruik, benodig die hidrolise van 100 tot 150 mol ATP, wat ongeveer 50 tot 75 kg is. 'N Mens gebruik gewoonlik sy liggaamsmassa ATP in die loop van die dag. Elke ekwivalent van ATP word gedurende 'n enkele dag 1000-1500 keer herwin ( 100 / 0,2 = 500 ). ^[26]

'N Voorbeeld van die Rossmann-vou, 'n strukturele domein van 'n dekarboksilase- ensiem van die bakterie Staphylococcus epidermidis ( PDB : 1G5Q ) met 'n gebinde flavien-mononukleotied- faktor.

Intrasellulêre sein

ATP is betrokke by seintransduksie deur te dien as substraat vir kinases, ensieme wat fosfaatgroepe oordra. Kinases is die mees algemene ATP-bindende proteïene. Hulle deel 'n klein aantal gewone voue. ^[27] Fosforilering van 'n proteïen deur 'n kinase kan 'n kaskade aktiveer, soos die mitogeen-geaktiveerde proteïenkinasekaskade . ^[28]

ATP is ook 'n substraat van adenilaatsiklase , meestal in G-proteïengekoppelde reseptorsignaaltransduksieweë, en word getransformeer na 'n tweede boodskapper , sikliese AMP, wat betrokke is by die aanwending van kalsiumseine deur die vrystelling van kalsium uit intrasellulêre winkels. ^[29] Hierdie vorm van seintransduksie is veral belangrik in die breinfunksie, hoewel dit betrokke is by die regulering van 'n menigte ander sellulêre prosesse. ^[30]

DNA en RNA sintese

ATP is een van vier monomere wat benodig word vir die sintese van RNA . Die proses word bevorder deur RNA-polimerases . ^{[31] '} n Soortgelyke proses vind plaas in die vorming van DNA, behalwe dat ATP eers in die deoksiribonukleotied dATP omgeskakel word . Soos baie kondensasie-reaksies in die natuur, verbruik DNA-replikasie en DNA-transkripsie ook ATP.

Aminosuuraktivering in proteïensintese

Aminoacyl-tRNA sintetase- ensieme verbruik ATP in die binding van tRNA aan aminosure en vorm amino-acyl-tRNA komplekse. Aminoasiel-transferase bind AMP-aminosuur aan tRNA. Die koppelingsreaksie verloop in twee stappe:

1. aa + ATP ⟶ aa-AMP + PP i
2. aa-AMP + tRNA ⟶ aa-tRNA + AMP

Die aminosuur word gekoppel aan die voorlaaste nukleotied aan die 3'-punt van die tRNA (die A in die volgorde CCA) via 'n esterbinding (draai om in illustrasie).

ATP-bindende kassetvervoerder

Die vervoer van chemikalieë uit 'n sel teen 'n gradiënt hou dikwels verband met ATP-hidrolise. Vervoer word bemiddel deur ATP-bindende kassetvervoerders . Die menslike genoom kodeer vir 48 ABC-vervoerders wat gebruik word vir die uitvoer van dwelms, lipiede en ander verbindings. ^[32]

Ekstrasellulêre sein en neurotransmissie

Selle skei ATP af om met ander selle te kommunikeer in 'n proses wat purinergiese sein genoem word . ATP dien in baie dele van die senuweestelsel as 'n neuro-oordraer, moduleer klierslag, beïnvloed vaskulêre suurstoftoevoer, ens. ATP word óf direk oor die selmembraan afgeskei deur kanaalproteïene ^{[33] [34]} óf word in vesikels gepomp ^[35] wat smelt dan met die membraan. Selle bespeur ATP met behulp van die purinergiese reseptorproteïene P2X en P2Y.

Proteïenoplosbaarheid

Daar is onlangs voorgestel dat ATP as 'n biologiese hidrotroop optree ^[36] en daar is getoon dat dit die oplosbaarheid van proteoomwye beïnvloed. ^[37]

Biochemie laboratoriums gebruik dikwels in vitro studies om ATP-afhanklike molekulêre prosesse te ondersoek. ATP-analoë word ook gebruik in X-straalkristallografie om 'n proteïenstruktuur in kompleks met ATP te bepaal, dikwels saam met ander substrate.

Ensieminhibeerders van ATP-afhanklike ensieme soos kinases is nodig om die bindingsplekke en oorgangstoestande wat by ATP-afhanklike reaksies betrokke is, te ondersoek .

Die nuttigste ATP-analoë kan nie gehidroliseer word soos ATP sou wees nie; in plaas daarvan val hulle die ensiem vas in 'n struktuur wat nou verwant is aan die ATP-gebonde toestand. Adenosine 5 ′ - (γ-thiotrifosfaat) is 'n baie algemene ATP-analoog waarin een van die gammafosfaat-oksigen vervang word deur 'n swaelatoom ; hierdie anioon word teen 'n dramaties stadiger tempo gehidroliseer as ATP self en funksioneer as 'n remmer van ATP-afhanklike prosesse. In kristallografiese studies word hidrolise oorgangstoestande gemodelleer deur die gebonde vanadaat ioon.

Wees versigtig met die interpretasie van die resultate van eksperimente met ATP-analoë, aangesien sommige ensieme dit teen aansienlike dosisse met hoë konsentrasie kan hidroliseer. ^[38]

ATP word binneaars gebruik vir sommige hartverwante toestande. ^[39]

ATP is in 1929 ontdek deur Karl Lohmann ^[40] en Jendrassik ^[41] en, onafhanklik, deur Cyrus Fiske en Yellapragada Subba Rao van die Harvard Mediese Skool , ^[42], albei spanne wat teen mekaar meeding om 'n toets vir fosfor te vind.

Daar is voorgestel dat Fritz Albert Lipmann die tussenganger moet wees tussen energie-opbrengende en energie-benodigde reaksies in selle in 1941. ^[43]

Dit is die eerste keer in 1948 deur Alexander Todd in die laboratorium gesintetiseer . ^[44]

Die Nobel-prys in chemie 1997 is verdeel, die een helfte gesamentlik aan Paul D. Boyer en John E. Walker " vir hul toeligting van die ensiematiese meganisme onderliggend aan die sintese van adenosientrifosfaat (ATP) " en die ander helfte aan Jens C. Skou " vir die eerste ontdekking van 'n ioontransporterende ensiem, Na +, K + -ATPase . ' ^[45]

• ATP gebind aan proteïene in die PDB
• ScienceAid: ATP en oefening vir energie
• PubChem-inskrywing vir adenosientrifosfaat
• KEGG-inskrywing vir adenosientrifosfaat