Adenosintrifosfát | |
![]() Struktura adenosintrifosfátu ATP 4– , dominantní druhy ve vodném roztoku ![]() ![]() |
|
Identifikace | |
---|---|
Název IUPAC | adenosin-5 '- (tetrahydrogen trifosfát) |
Synonyma |
Adenosin-5'-trifosfát |
N O CAS | |
Ne o ECHA | 100 000 258 |
Ne o EC | 200-283-2 |
DrugBank | DB00171 |
PubChem | 5957 |
ChEBI | 15422 |
ÚSMĚVY |
Nc1ncnc2n (cnc12) [C @ @ H] 10 [C @ H] (COP (O) (= O) OP (O) (= O) OP (O) (O) = O) [C @ H] ( O) [C @ H] 10 , |
InChI |
Std. InChI: InChI = 1S / C10H16N5O13P3 / c11-8-5-9 (13-2-12-8) 15 (3-14-5) 10-7 (17) 6 (16) 4 (26-10) 1-25-30 (21,22) 28-31 (23,24) 27-29 (18,19) 20 / h2-4,6-7,10-16H17, 1H2, (H, 21,22) (H, 23,24) (H2,11,12 , 13) (H2,18,19,20) / t4-, 6-, 7-, 10- / ml / s1 standardní InChIKey: ZKHQWZAMYRWXGA-KQYNXXCUSA-N |
Chemické vlastnosti | |
Vzorec |
C 10 H 16 N 5 O 13 P 3 [izomery] |
Molární hmotnost | 507,181 ± 0,014 g / mol C 23,68%, H 3,18%, N 13,81%, O 41,01%, P 18,32%, |
Jednotky SI a STP, pokud není uvedeno jinak. | |
Adenosin trifosfát , nebo ATP , je nukleotid vytvořen z nukleosidu na trifosfát . V biochemii všech známých živých bytostí, ATP poskytuje energii potřebnou pro chemických reakcí v metabolismu , pro pohyb , pro buněčné dělení , nebo pro aktivní transport z chemických látek přes biologické membrány . Za účelem uvolnění této energie, ATP molekula je štěpen pomocí hydrolýzy , do adenosin difosfát (ADP) a fosfátu , reakci, který je doprovázen změnou standardní volné enthalpie ? G 0 ' o -30,5 kJ mol -1 . Tyto buňky pak regeneruje ATP z ADP v podstatě třemi způsoby: oxidativní fosforylace v rámci buněčného dýchání , pro fotofosforylace jako součást fotosyntézy , a fosforylace na substrátu v určitých exergonické chemických reakcích , například při glykolýze nebo Krebsova cyklu . To znamená, že lidské tělo obsahuje kdykoliv jen asi 250 g ATP, ale spotřebuje a regeneruje každý den v pořadí podle své vlastní váhy v ATP.
ATP molekula je trifosfát skupina navázaná na atom ze uhlíku 5 ‚části zbytku z ribózy , je pentóza , včetně atomu uhlíku 1‘ je vázán na atom dusíku, 9 ‚zbytku z adeninu , a báze purin . Dvě vazby fosfoanhydridu P - O - P trifosfátové skupiny jsou vazby s vysokým přenosovým potenciálem, to znamená, že jejich štěpením hydrolýzou se uvolňuje velké množství energie: jedná se o exergonickou reakci . Spojení takové exergonické reakce s endergonickou reakcí , to znamená takovou, která absorbuje energii, je schopné termodynamicky umožnit tuto reakci . Tímto způsobem mohou metabolické reakce, které vyžadují přísun energie, jako jsou biosyntetické reakce , ke kterým spontánně dochází velmi pomalu nebo vůbec, mohou v buňkách probíhat mnohem rychleji.
ATP je prekurzorem řady enzymů kofaktorů důležitých jako NAD + nebo CoA . Je to také koenzym přenosu fosfátové skupiny nekovalentně asociovaný s enzymy z rodiny kináz . Ty se podílejí na přenosu některých buněk signálních drah , které fosforylaci všech cílových proteinů a enzymů, jejichž aktivita je regulována tak, nebo fosforylací lipidů . ATP je také substrátem pro adenylátcyklázu , která ji převádí na cyklický AMP . Toto je intracelulární sekundární posel, který přebírá zejména hormony, jako je glukagon a adrenalin, aby působil na metabolismus glykogenu , sacharidů a lipidů obecně. Poměr mezi koncentrací ATP a koncentrací AMP používají buňky k určení jejich energetické zátěže, to znamená množství energie, které mají, což jim umožňuje v závislosti na konkrétním případě nasměrovat svůj metabolismus na produkci nebo ukládání metabolické energie. Kromě toho, ATP je používán RNA polymeráz v procesu transkripce z DNA na ribozomální RNA a do messenger RNA .
ATP byl objeven v roce 1929 v německém biochemik Karl Lohmann a paralelně, američtí biochemiků Cyrus Fiske a indické Yellapragada Subbarao (in) . Byl to Němec Fritz Albert Lipmann, kdo navrhl, aby hrál roli prostředníka mezi reakcemi, které uvolňují energii, a reakcemi, které ji absorbují. ATP poprvé syntetizoval v laboratoři v roce 1948 Alexander Robert Todd .
ATP se skládá z adeninu , ribózy a tří fosfátových skupin tvořících trifosfátovou skupinu . Tyto tři fosfátové skupiny jsou od ribózy směrem ven označeny řeckými písmeny α ( alfa ), β ( beta ) a γ ( gama ). ATP je tedy úzce souvisí s AMP , jeden z monomerů z RNA , a na vlhko , jeden z monomerů DNA . ATP je velmi rozpustný ve vodě. Zůstává relativně stabilní ve vodném roztoku pro pH mezi 6,8 a 7,4, ale rychle se hydrolyzuje při kyselějším nebo zásaditějším pH . Proto se ATP nejlépe skladuje jako bezvodá sůl .
ATP je naproti tomu nestabilní, jakmile již není v pufrovém roztoku s neutrálním pH. Poté hydrolyzuje na ADP a fosfát. Je to proto, že vodíkové vazby mezi molekulami vody na jedné straně a ADP a fosfátem na druhé straně jsou silnější než vazby fosfoanhydridu P - O - P, které navzájem spojují fosfátové skupiny v molekule ATP. Proto má ATP tendenci disociovat téměř úplně na ADP a fosfát po delší nebo kratší době, když je v roztoku ve vodě.
V neutrálním vodném roztoku je rozpuštěný ATP ionizován čtyřikrát za vzniku ATP 4– aniontu s malým podílem ATP 3– iontů .
Vzhledem k tomu, ATP má několik negativně nabité skupiny v neutrálním roztoku, může vázat prostřednictvím chelátu na kationty kovu s vysokou afinitou. Molární hodnota vazebné konstanty pro některé z těchto běžných kovových kationtů je následující:
Tyto interakce jsou dostatečně silné, že většina ATP 4– je přítomna v buňkách komplexovaných s Mg 2+ .
Když je termodynamický systém daleko od rovnováhy, má volnou entalpii, která mu umožňuje vykonávat práci v termodynamickém smyslu . Živé buňky udržují poměr koncentrace mezi ATP a ADP blízký 5, což je asi o deset řádů vyšší než poměr koncentrace, který je stanoven v rovnováze, kde je téměř veškerý ATP disociován v ADP a fosfátu. Díky této odchylce od rovnováhy uvolňuje hydrolýza ATP na ADP a fosfát velké množství energie.
Energie této molekuly uvolňuje hydrolýza dvou fosfoanhydridových vazeb vázajících sousední fosfátové skupiny ATP. Z tohoto důvodu se z důvodu pohodlí, ale nesprávně, tyto fosfoanhydridové vazby často označují jako energeticky bohaté vazby. Tato charakteristika je však zavádějící, protože tyto vazby samy o sobě neobsahují více energie než ostatní a jejich roztržení vyžaduje příspěvek energie aktivace, jako je tomu v případě roztržení jakékoli jiné vazby; je to pouze jejich molekulární prostředí, kde je jejich hydrolýza exergonická se standardní variací volné entalpie −30,5 kJ mol −1 (negativní, protože se během reakce uvolňuje energie):
ATP + 2 H 2 O→ ADP + Pi + H 3 O + : ΔG 0 ′ = −30,5 kJ mol −1 .Naopak fosforylační reakce ADP na ATP je endergonická se standardní změnou volné entalpie 30,5 kJ mol −1 (pozitivní, protože energie je během reakce absorbována):
ADP + Pi + H 3 O +→ ATP + 2 H 2 O : ΔG 0 ′ = 30,5 kJ mol −1 .Hydrolýzní reakce ATP na AMP a pyrofosfát HP 2 O 7 3-je více exergonický, se standardní variací volné entalpie −45,6 kJ mol −1 :
ATP + 2 H 2 O→ AMP + PPi + H 3 O + : ΔG 0 ′ = −45,6 kJ mol −1 .ATP se v buňkách spotřebovává biochemickými a fyziologickými procesy, které vyžadují energii známou jako endergonické , a nepřetržitě se regeneruje procesy, které uvolňují energii známou jako exergonická . Tímto způsobem ATP umožňuje přenos energie mezi prostorově oddělenými procesy. Je hlavním zdrojem energie pro drtivou většinu buněčných funkcí, jako je metabolismus , biosyntéza , aktivní transport přes biologické membrány nebo dokonce pohyblivost buněk a pohyb složitých organismů ( svalová kontrakce ).
ATP se také podílí na udržování buněčné struktury i na její mobilitě usnadňováním montáže a demontáže prvků cytoskeletu . Stejně tak poskytuje energii pro svalovou kontrakci tím, že katalyzuje zkracování vláken aktinu a myosinu , což je nezbytná potřeba zvířat , nezbytná pro jejich pohyb a dýchání - a to jak z hlediska ventilace plic, tak z hlediska fungování jejich srdce , odpovědné za cirkulaci jejich okysličené krve po celém těle .
ATP účastní mechanismů buněčné signalizaci v právě rozpoznává purinergních receptory (v) , které jsou možná nejhojnější receptory v tkáních, o savců . U lidí je tato role buněčné signalizace důležitá jak v centrálním nervovém systému, tak v periferním nervovém systému . P2-purinergní receptory se tak aktivují uvolňováním ATP ze synapsí , axonů a gliových buněk . Tyto P2Y receptory (v) jsou například receptory spřažené s G proteinem , které modulovat intracelulární hladiny vápníku a někdy, že z cyklického AMP .
Uvnitř buněk je ATP využíván kinázami jako zdroje fosfátových skupin k provádění fosforylací . Fosforylace proteinů a membránových lipidů jsou běžné formy signální transdukce . Například aktivace proteinů je pozorována kaskádovou fosforylací s MAP kinázami . ATP je také substrátem pro adenylátcyklázu , která produkuje cyklický AMP , sekundární posel, který spouští uvolňování vápníku z jeho intracelulárních úložných bodů. Tato forma signální transdukce je zvláště důležitá pro fungování mozku , i když je také zapojena do mnoha dalších buněčných procesů.
U všech známých živých bytostí jsou deoxyribonukleotidy tvořící DNA produkovány ribonukleotid reduktázou (RNR) z odpovídajících ribonukleotidů . Tyto enzymy snižují se zbytek z ribózy v deoxyribóza se skupinou sulfhydrylovou -SH zbytku cysteinu , které tvoří disulfidovou vazbu s jiným cysteinovým zbytkem v reakci. Jejich redukovaná forma se regeneruje působením thioredoxinu nebo glutaredoxinu .
Regulace ribonukleotidreduktáz a souvisejících enzymů udržuje rovnováhu v buňce mezi deoxyribonukleotidy a ribonukleotidy navzájem. Příliš nízká koncentrace deoxyribonukleotidů inhibuje opravu a replikaci DNA , což nakonec buňku zabíjí, zatímco abnormální vztah mezi koncentracemi různých deoxyribonukleotidů je mutagenní vzhledem ke zvýšené pravděpodobnosti „ Při replikaci DNA polymerázami DNA začleňte chybnou nukleovou bázi . Regulace nebo rozdíly ve specificitě ribonukleotidreduktáz jsou pravděpodobně na počátku změny této rovnováhy v rámci skupiny deoxyribonukleotidů pozorovaných v situaci buněčného stresu , jako je hypoxie .
Během transkripce DNA na ribozomální RNA a messengerovou RNA je ATP jedním ze čtyř nukleotidů zabudovaných do RNA pomocí RNA polymeráz . Energie potřebná k podpoře této polymerace pochází z hydrolýzy pyrofosfátové skupiny ATP. Proces je stejný jako u biosyntézy DNA s tím rozdílem, že místo deoxyadenosintrifosfátu (dATP) se používá ATP .
Intracelulární koncentrace ATP je typicky řádově 1 až 10 mmol / l . ATP může být regenerován z ADP pomocí energie uvolněná oxidací ze sacharidů nebo tuků prostřednictvím souboru postupů zvaných buněčné dýchání . Pro každou molekulu oxidované glukózy lze vyrobit asi 30 molekul ATP . Osy (cukry) jsou již částečně oxidované molekuly, takže mastná kyselina může generovat více molekul ATP na atom uhlíku (16 pro palmitát a 6 pro glukózu) a tvoří hlavní část zásob a dodávek energie pro tělo; ale cukry, které jsou rozpustné ve vodě, jsou snadněji dostupné a oxidované. Většina ATP produkovaného jiných než fotosyntetických eukaryot pochází z oxidativní fosforylace v rámci mitochondriích . Β-oxidace a Krebsův cyklus také probíhá v mitochondriích, které může zaujímat až čtvrtinu objemu buňky; zbytek ATP produkovaný těmito organismy se regeneruje fosforylací na úrovni substrátu , například během glykolýzy nebo fermentací v cytoplazmě . Tyto rostliny a fotosyntetických bakterií , zase produkují ATP v podstatě fotofosforylace .
Glukózy se převede na pyruvát prostřednictvím metabolické dráhy zvané glykolýza . Většina živých bytostí realizoval tuto transformaci v cytoplazmě svých buněk , ale někteří prvoci , jako jsou ty ze třídy z bičivky , jednání v organely specializované volal glycosome . Pro každou molekulu glukózy oxidované touto cestou se produkují dvě molekuly ATP na úrovni dvou enzymů, které provádějí fosforylaci na úrovni substrátu : fosfoglycerátkinázy a pyruvátkinázy . Dvě molekuly NADH jsou také produkovány z NAD + , které mohou být oxidovány dýchacím řetězcem a produkovat další molekuly ATP. Pyruvát produkovaný na konci glykolýzy je substrátem Krebsova cyklu .
V mitochondriích , pyruvát je oxidován pomocí komplexu pyruvát dehydrogenázy za vzniku acetyl-CoA . Ten se oxiduje na CO 2, NADH a FADH 2podle Krebsova cyklu , také s výrobou GTP , což je energeticky ekvivalentní ATP.
NADH a FADH 2přenášejí své elektrony s vysokým přenosovým potenciálem do dýchacího řetězce , který produkuje další molekuly ATP oxidační fosforylací , a to rychlostí 2 až 3 molekuly ATP na molekulu NADH a 1 až 2 molekuly ATP na FADH 2. Tímto způsobem se vyrábí většina ATP v nefotosyntetických buňkách . Ačkoli Krebsův cyklus přímo nevyžaduje přítomnost kyslíku O 2bez ní nemůže fungovat, protože je to kyslík, který slouží jako konečný akceptor elektronů v dýchacím řetězci a umožňuje regeneraci NAD + a FAD z NADH a FADH 2produkovaný Krebsovým cyklem: v nepřítomnosti kyslíku druhý přestává fungovat pro nedostatek NAD + a FAD.
Tok elektronů dýchacím řetězcem umožňuje odčerpávání protonů z mitochondriální matrice , která generuje elektrochemický potenciál membrány přes vnitřní mitochondriální membránu díky výslednému gradientu koncentrace protonů . Rozptýlení tohoto membránového elektrochemického potenciálu ATP syntázy poskytuje energii potřebnou pro fosforylaci z ADP na ATP: to se nazývá chemiosmotickému spojení mezi respiračního řetězce a fosforylaci ADP. ATP syntáza je komplexní enzym, který má molekulární rotor poháněný refluxem protonů z mitochondriálního mezimembránového prostoru a který přenáší jeho energii na úroveň fosforylace ADP.
Regenerace ATP v mitochondriích z NADH produkovaného v cytosolu zahrnuje průchod vnitřní mitochondriální membrány přes NADH do mitochondriální matrice a NAD + v opačném směru. Tyto molekuly ve skutečnosti nemohou tuto membránu překonat samy, takže ji překračují jejich elektrony s vysokým přenosovým potenciálem. Eukaryontní Použití v podstatě dva způsoby, jak toho dosáhnout: shuttle malát-aspartátové a, v menší míře, v kyvadlová doprava z glycerol-3-fosfát .
Podobně jako u NAD + se ATP regenerovaný v mitochondriích konzumuje hlavně v cytoplazmě a v jádru , kde se tvoří ADP, který musí být fosforylován na ATP v buňkách. Tyto materiálové toky zahrnují cirkulaci ADP vnitřní mitochondriální membránou z cytosolu do mitochondriální matrice, zatímco ATP regenerovaný v mitochondriích prochází touto membránou v opačném směru, aby byl spotřebován v cytosolu a v jádru. Protože vnitřní mitochondriální membrána je také nepropustná pro ADP a ATP, musí si tyto molekuly vypůjčit integrální membránové proteiny zvané ATP / ADP translocases, aby ji překročily.
V rostlinách , ATP je produkován fotofosforylace v membráně z thylakoids uvnitř chloroplastů . Princip je podobný jako prováděny v souvislosti s oxidační fosforylace , s chemiosmotickému spojkou stejné povahy, s tím rozdílem, že energie pochází z fotonů zachycených pomocí fotosyntetických pigmentů a nikoli z oxidace ze sacharidů a lipidů . Část této ATP se spotřebovává v chloroplastu k produkci sacharidů během Calvinova cyklu .
Zásoby ATP těla nepřesahují několik sekund spotřeby. V zásadě se ATP neustále recykluje a jakýkoli proces, který rychle blokuje jeho regeneraci, způsobí smrt kontaminovaného organismu. To je například případ určitých bojových plynů určených k tomuto účelu, nebo jedů, jako je například kyanid , které blokují cytochrom c oxidázy z dýchacího řetězce v mitochondriích , nebo arsenu , který nahrazuje fosfor a činí nepoužitelné molekuly fosforu.
Kreatinu může hrát jako akumulátor ukládání transfer vysoký potenciál fosfátovou skupinu z ATP molekulu, která může být následně převedena na ADP molekuly k regeneraci ATP:
![]() |
+ ATP ADP + |
![]() |
Kreatin | Fosfokreatin | |
Kreatinkináza - EC |
ATP jako takový nemůže být uložen v buňkách, takže metabolická energie je uložena například jako lipidy v tukové tkáni nebo sacharidy, jako je glykogen u zvířat nebo škrob u rostlin .
Produkce ATP v buňkách z eukaryotického aerobic je pevně regulována alosterické , podle zpětné vazby a na základě koncentrace substrátů různých enzymů v glykolýzy a oxidativní fosforylace . Kontrolní body se nacházejí v reakcích, které jsou tak termodynamicky příznivé, že jsou za fyziologických podmínek ve skutečnosti nevratné.
Hexokinasy je přímo inhibována produktem reakce se katalyzuje , zejména glukóza-6-fosfát , vzhledem k tomu, pyruvát kináza je inhibována samotnou ATP. Hlavním bodem regulace glykolýzy je fosfofruktokináza (PFK), která je alostericky inhibována, když je hojný ATP, ale je aktivován, když je hojný AMP . Inhibice tohoto enzymu ATP je neobvyklá, protože ATP je substrátem pro reakci, kterou katalyzuje. Biologicky aktivní formou tohoto enzymu je tetramer, který existuje ve dvou možných konformacích, z nichž pouze jedna se může vázat na fruktóza-6-fosfát , který je druhým substrátem tohoto enzymu. Protein má dvě vazebná místa ATP: ZAŘÍZENÍ aktivní místo je přístupná v obou konformaci, ale ATP vázající se na stránky inhibiční stabilizuje konformaci, která se váže pouze slabě na fruktóza-6-fosfát. Určitý počet dalších malých molekul je schopen kompenzovat inhibiční účinek ATP a tím reaktivovat fosfofruktokinázu; to je například případ cyklického AMP , iontů amonných , fosforečnanů iontů , 1,6-bisfosfátu fruktózy a 2,6-bisfosfátu fruktózy .
Krebsův cyklus je v podstatě regulována dostupností svých hlavních substrátů , zejména poměr mezi koncentrací NAD + a NADH , stejně jako koncentrace vápníku , fosfátu , ATP, ADP a AMP . Citrát je inhibitor v citrát syntázy působící prostřednictvím zpětné vazby a inhibitoru fosfofruktokinázy , která se váže na regulaci Krebsova cyklu k tomu glykolýzy .
Regulace oxidační fosforylace je v zásadě založena na cytochrom c oxidáze , která je regulována dostupností jejího substrátu, konkrétně sníženého cytochromu c . Množství dostupného redukovaného cytochromu c závisí přímo na množství dalších substrátů:
1 / 2 NADH + oxidovaný cyt c + ADP + Pi 1 / 2 NAD + + snižuje cyt c + ATP,tedy rovnice níže, odvozená z této rovnováhy:
Vysoký poměr koncentrace [NADH] / [NAD + ] nebo vysoký poměr koncentrace [ADP] [Pi] / [ATP] (na pravé straně této rovnosti) tedy znamená [ snížený poměr cyt c ] / koncentrace [ oxidovaný cyt c ] (levá končetina), tj. vysoká koncentrace redukovaného cytochromu c a silná aktivita cytochromu c oxidázy.
Další úroveň regulace zavádí rychlost transportu ATP a NADH mezi mitochondriální matricí a cytosolem .
Některé proteiny, které se vážou na ATP, mají charakteristické složení, které se nazývá Rossmannův složení , obecný strukturní motiv proteinů, které se vážou k nukleotidům , jako jsou ty, které se vážou k NAD . Nejběžnější proteiny vázající ATP, nazývané kinázy , mají několik společných strukturních rysů. Tyto proteinové kinázy , které jsou největší skupina kináz a jejich podíl na specializované konstrukční znaky v ATP vazba a fosfátové skupiny převody.
ATP obecně vyžaduje přítomnost dvojmocného kationtu pro vytvoření komplexu s proteiny . Je to téměř vždy kation hořčíku Mg 2+ , který se váže na fosfátové skupiny ATP. Tato kationt významně snižuje disociační konstantu ATP - komplex proteinů bez ovlivnění schopnosti enzymu na katalyzovat její chemické reakce , jakmile ATP je vázán. Přítomnost hořčíkových kationtů může představovat mechanismus pro regulaci kináz.
In vitro jsou experimenty často používány ke studiu biochemických procesů zahrnujících ATP a inhibitory z enzymů s použitím ATP, jako jsou kinázy , jsou užitečné nástroje pro zkoumání vazebných a přechodové stavy. Zapojené v reakcích, které zahrnují ATP. Používají se také jako ATP v rentgenové krystalografii ke stanovení struktury proteinů tvořících komplex s ATP, často v kombinaci s jinými substráty. Nejužitečnějšími analogy ATP jsou ty, které nehydrolyzují, jako by to bylo u ATP, a blokují enzym ve stavu blízkém komplexu ATP - enzym. Adenosin-5 ‚- [γ-thio] trifosfátu (ATPγS), například, je analog ATP velmi často používán v laboratoři: jeden z atomů kyslíku z fosforečnanu y je nahrazen atomem síry , a ATPγS hydrolyzuje podstatně pomaleji než ATP, takže působí jako inhibitor procesů závislých na hydrolýze molekuly ATP. Existují však enzymy schopné hydrolýzy při poměrně vysokých rychlostech, pokud jsou v dostatečné koncentraci, což znamená, že je nutné interpretovat výsledky získané s takovými inhibitory opatrně.
V krystalografii jsou přechodové stavy hydrolýzy studovány pomocí komplexů vanadičnanových iontů .