ATP (ADENOSIN TRIFOSFAT): STRUKTUR, FUNGSI, HIDROLISIS - BIOLOGI - 2025

The ATP (adenosina trifosfat) adalah molekul organik dengan bon tenaga yang tinggi yang dibentuk oleh cincin adenina, ribosa dan tiga kumpulan fosfat. Ini memiliki peranan mendasar dalam metabolisme, kerana mengangkut tenaga yang diperlukan untuk memastikan serangkaian proses sel berfungsi dengan cekap.

Ia terkenal dengan istilah "mata wang tenaga", kerana pembentukan dan penggunaannya berlaku dengan mudah, yang memungkinkannya dengan cepat "membayar" untuk tindak balas kimia yang memerlukan tenaga.

Sumber: Oleh Pengguna: Mysid (Dibuat sendiri dalam bkchem; diedit dalam perl.), Melalui Wikimedia Commons

Walaupun molekul ke mata kasar kecil dan sederhana, ia menyimpan sejumlah besar tenaga dalam ikatannya. Kumpulan fosfat mempunyai cas negatif, yang terus menerus menolak, menjadikannya ikatan labil yang mudah putus.

Hidrolisis ATP adalah pemecahan molekul dengan adanya air. Dengan proses ini tenaga terkandung dibebaskan.

Terdapat dua sumber utama ATP: fosforilasi pada tahap substrat dan fosforilasi oksidatif, yang terakhir adalah yang paling penting dan paling banyak digunakan oleh sel.

Fosforilasi oksidatif menghubungkan pengoksidaan FADH ₂ dan NADH + H ⁺ dalam mitokondria dan fosforilasi pada tahap substrat berlaku di luar rantai pengangkutan elektron, dalam laluan seperti glikolisis dan kitaran asid trikarboksilat.

Molekul ini bertanggungjawab untuk menyediakan tenaga yang diperlukan untuk sebahagian besar proses yang berlaku di dalam sel, dari sintesis protein hingga pergerakan. Di samping itu, ia membenarkan lalu lintas molekul melalui membran dan bertindak dalam pemberian isyarat sel.

Struktur

ATP, seperti namanya, adalah nukleotida dengan tiga fosfat. Strukturnya yang khas, khususnya dua ikatan pirofosfat, menjadikannya sebatian yang kaya dengan tenaga. Ia terdiri daripada unsur-unsur berikut:

- Asas nitrogen, adenin. Asas nitrogen adalah sebatian siklik yang mengandungi satu atau lebih nitrogen dalam strukturnya. Kami juga menganggapnya sebagai komponen dalam asid nukleik, DNA, dan RNA.

- Ribose terletak di tengah molekul. Ini adalah gula jenis pentosa, kerana mempunyai lima atom karbon. Formula kimianya ialah C ₅ H ₁₀ O ₅ . Karbon 1 ribosa dilekatkan pada cincin adenin.

- Tiga radikal fosfat. Dua yang terakhir adalah "ikatan tenaga tinggi" dan ditunjukkan dalam struktur grafik dengan simbol kecondongan: ~. Kumpulan fosfat adalah salah satu yang paling penting dalam sistem biologi. Ketiga-tiga kumpulan tersebut disebut alpha, beta dan gamma, dari paling dekat hingga paling jauh.

Pautan ini sangat rapuh, jadi ia terputus dengan cepat, mudah dan spontan apabila keadaan fisiologi badan membenarkannya. Ini berlaku kerana cas negatif ketiga-tiga kumpulan fosfat sentiasa berusaha menjauh antara satu sama lain.

ciri-ciri

ATP memainkan peranan yang sangat diperlukan dalam metabolisme tenaga hampir semua organisma hidup. Atas sebab ini, ia sering disebut sebagai mata wang tenaga, kerana dapat terus dibelanjakan dan diisi kembali hanya dalam beberapa menit.

Secara langsung atau tidak langsung, ATP memberikan tenaga untuk beratus-ratus proses, selain bertindak sebagai penderma fosfat.

Secara umum, ATP bertindak sebagai molekul isyarat dalam proses yang berlaku di dalam sel, perlu untuk mensintesis komponen DNA dan RNA dan untuk sintesis biomolekul lain, ia mengambil bahagian dalam perdagangan melalui membran antara lain.

Penggunaan ATP dapat dibahagikan kepada kategori utama: pengangkutan molekul melalui membran biologi, sintesis pelbagai sebatian dan akhirnya, kerja mekanikal.

Fungsi ATP sangat luas. Lebih jauh lagi, ia terlibat dalam begitu banyak reaksi sehingga mustahil untuk menamakan semuanya. Oleh itu, kami akan membincangkan tiga contoh khusus untuk memberi contoh setiap tiga penggunaan yang disebutkan.

Bekalan tenaga untuk pengangkutan natrium dan kalium melintasi membran

Sel adalah persekitaran yang sangat dinamik yang memerlukan mengekalkan kepekatan tertentu. Sebilangan besar molekul tidak memasuki sel secara rawak atau kebetulan. Agar molekul atau bahan masuk, ia mesti dilakukan oleh pengangkut spesifiknya.

Pengangkut adalah protein membran membran yang berfungsi sebagai "penjaga pintu" sel, mengendalikan aliran bahan. Oleh itu, membran separa telap: ia membenarkan sebatian tertentu masuk dan yang lain tidak.

Salah satu pengangkutan yang paling terkenal adalah pam natrium-kalium. Mekanisme ini diklasifikasikan sebagai pengangkutan aktif, kerana pergerakan ion berlaku terhadap kepekatannya dan satu-satunya cara untuk melakukan pergerakan ini adalah dengan memasukkan tenaga ke dalam sistem, dalam bentuk ATP.

Dianggarkan bahawa satu pertiga dari ATP yang terbentuk di dalam sel digunakan untuk memastikan pam tetap aktif. Ion natrium sentiasa dipompa keluar dari sel, sementara ion kalium dipam ke arah terbalik.

Secara logiknya, penggunaan ATP tidak terhad kepada pengangkutan natrium dan kalium. Terdapat ion lain, seperti kalsium, magnesium, antara lain, yang memerlukan mata wang tenaga ini untuk masuk.

Penyertaan dalam sintesis protein

Molekul protein terdiri daripada asid amino, dihubungkan bersama oleh ikatan peptida. Untuk membentuknya memerlukan pemutusan empat ikatan tenaga tinggi. Dengan kata lain, sebilangan besar molekul ATP mesti dihidrolisiskan untuk pembentukan protein dengan panjang purata.

Sintesis protein berlaku dalam struktur yang disebut ribosom. Ini dapat menafsirkan kod yang dimiliki RNA messenger dan menerjemahkannya ke dalam urutan asid amino, proses yang bergantung pada ATP.

Dalam sel yang paling aktif, sintesis protein dapat mengarahkan sehingga 75% ATP yang disintesis dalam karya penting ini.

Sebaliknya, sel tidak hanya mensintesis protein, tetapi juga memerlukan lipid, kolesterol, dan bahan penting lain dan untuk melakukannya memerlukan tenaga yang terkandung dalam ikatan ATP.

Membekalkan tenaga untuk pergerakan

Kerja mekanikal adalah salah satu fungsi terpenting ATP. Sebagai contoh, agar badan kita dapat mengecutkan serat otot, ia memerlukan ketersediaan sejumlah besar tenaga.

Dalam otot, tenaga kimia dapat diubah menjadi tenaga mekanikal berkat penyusunan semula protein dengan kemampuan untuk menguncupnya. Panjang struktur ini diubah suai, dipendekkan, yang menimbulkan ketegangan yang diterjemahkan ke dalam generasi pergerakan.

Pada organisma lain, pergerakan sel juga berlaku berkat kehadiran ATP. Sebagai contoh, pergerakan silia dan flagela yang memungkinkan perpindahan organisma uniselular tertentu berlaku melalui penggunaan ATP.

Pergerakan tertentu yang lain adalah amuba yang melibatkan penonjolan pseudopod di hujung sel. Beberapa jenis sel menggunakan mekanisme pergerakan ini, termasuk leukosit dan fibroblas.

Bagi sel kuman, pergerakan adalah penting untuk perkembangan embrio yang berkesan. Sel-sel embrio menempuh jarak yang penting dari tempat asalnya ke wilayah di mana mereka mesti berasal dari struktur tertentu.

Hidrolisis

Hidrolisis ATP adalah tindak balas yang melibatkan pemecahan molekul dengan adanya air. Reaksi ditunjukkan seperti berikut:

ATP + Air ⇋ Tenaga ADP + P _i +. Di mana, istilah P _i merujuk kepada kumpulan fosfat anorganik dan ADP adalah adenosin difosfat. Perhatikan bahawa tindak balas boleh dibalikkan.

Hidrolisis ATP adalah fenomena yang melibatkan pembebasan sejumlah besar tenaga. Pecahan mana-mana ikatan pirofosfat menghasilkan pelepasan 7 kcal per mol - khususnya 7.3 dari ATP ke ADP dan 8.2 untuk pengeluaran adenosin monofosfat (AMP) dari ATP. Ini bersamaan dengan 12,000 kalori setiap mol ATP.

Mengapa pembebasan tenaga ini berlaku?

Kerana produk hidrolisis jauh lebih stabil daripada sebatian awal, iaitu ATP.

Perlu disebutkan bahawa hanya hidrolisis yang berlaku pada ikatan pirofosfat yang menimbulkan pembentukan ADP atau AMP yang membawa kepada penjanaan tenaga dalam jumlah yang banyak.

Hidrolisis ikatan lain dalam molekul tidak memberikan tenaga sebanyak, kecuali hidrolisis pirofosfat anorganik, yang mempunyai sejumlah besar tenaga.

Pelepasan tenaga dari tindak balas ini digunakan untuk melakukan reaksi metabolik di dalam sel, kerana banyak proses ini memerlukan tenaga untuk berfungsi, baik pada langkah awal laluan degradasi dan dalam biosintesis sebatian. .

Sebagai contoh, dalam metabolisme glukosa, langkah awal melibatkan fosforilasi molekul. Dalam langkah-langkah berikut, ATP baru dihasilkan, untuk memperoleh keuntungan bersih positif.

Dari sudut tenaga, terdapat molekul lain yang tenaga pelepasannya lebih besar daripada ATP, termasuk 1,3-bisphosphoglycerate, carbamylphosphate, creatinine fosfat dan phosphoenolpyruvate.

Memperoleh ATP

ATP dapat diperoleh melalui dua laluan: fosforilasi oksidatif dan fosforilasi pada tahap substrat. Yang pertama memerlukan oksigen sementara yang kedua tidak. Kira-kira 95% ATP yang terbentuk berlaku di mitokondria.

Fosforilasi oksidatif

Fosforilasi oksidatif melibatkan proses pengoksidaan nutrien dua fasa: memperoleh koenzim berkurang NADH dan FADH _{2 yang} berasal dari vitamin.

Pengurangan molekul ini memerlukan penggunaan hidrogen dari nutrien. Dalam lemak, penghasilan koenzim sangat luar biasa, berkat jumlah hidrogen yang banyak dalam strukturnya, dibandingkan dengan peptida atau karbohidrat.

Walaupun terdapat beberapa laluan pengeluaran koenzim, laluan yang paling penting adalah kitaran Krebs. Selepas itu, koenzim yang dikurangkan tertumpu pada rantai pernafasan yang terletak di mitokondria, yang memindahkan elektron ke oksigen.

Rantai pengangkutan elektron terdiri daripada rangkaian protein yang berpasangan membran yang mengepam proton (H +) ke luar (lihat gambar). Proton ini memasuki dan melintasi membran sekali lagi dengan menggunakan protein lain, ATP synthase, yang bertanggungjawab untuk sintesis ATP.

Dengan kata lain, kita harus mengurangkan koenzim, lebih banyak ADP dan oksigen menghasilkan air dan ATP.

Sumber: Oleh Bustamante Yess, dari Wikimedia Commons

Fosforilasi tahap substrat

Fosforilasi pada tahap substrat tidak sepenting mekanisme yang dijelaskan di atas dan, kerana ia tidak memerlukan molekul oksigen, ia sering dikaitkan dengan penapaian. Dengan cara ini, walaupun sangat cepat, mengeluarkan sedikit tenaga, jika kita membandingkannya dengan proses pengoksidaan, kira-kira lima belas kali lebih sedikit.

Di dalam badan kita, proses penapaian berlaku pada tahap otot. Tisu ini dapat berfungsi tanpa oksigen, jadi mungkin molekul glukosa terdegradasi menjadi asid laktik (ketika kita melakukan beberapa aktiviti sukan yang lengkap, misalnya).

Dalam penapaian, produk akhir masih mempunyai potensi tenaga yang dapat diekstraksi. Sekiranya fermentasi otot, karbon dalam asid laktik berada pada tahap pengurangan yang sama dengan molekul awal: glukosa.

Oleh itu, pengeluaran tenaga berlaku dengan pembentukan molekul yang mempunyai ikatan tenaga tinggi, termasuk 1,3-bisphosphoglyrate dan phosphoenolpyruvate.

Dalam glikolisis, misalnya, hidrolisis sebatian ini dihubungkan dengan penghasilan molekul ATP, maka istilah "pada tingkat substrat".

Kitaran ATP

ATP tidak pernah disimpan. Ia berada dalam kitaran penggunaan dan sintesis berterusan. Ini mewujudkan keseimbangan antara ATP yang terbentuk dan produk hidrolisisnya, ADP.

Sumber: Oleh Muessig, dari Wikimedia Commons

Molekul tenaga lain

ATP bukan satu-satunya molekul yang terdiri daripada nukleosida bifosfat yang wujud dalam metabolisme sel. Terdapat sebilangan molekul dengan struktur yang serupa dengan ATP yang mempunyai tingkah laku tenaga yang setanding, walaupun tidak sepopuler ATP.

Contoh yang paling menonjol adalah GTP, guanosine triphosphate, yang digunakan dalam kitaran Krebs yang terkenal dan di jalur glukoneogenik. Yang lain yang kurang digunakan adalah CTP, TTP dan UTP.

Rujukan

1. Guyton, AC, & Hall, JE (2000). Buku teks fisiologi manusia.
2. Dewan, JE (2017). Guyton E Hall Treatise On Medical Physiology. Elsevier Brazil.
3. Hernandez, AGD (2010). Rawatan mengenai pemakanan: Komposisi dan kualiti pemakanan makanan. Panamerican Medical Ed.
4. Lim, MY (2010). Yang penting dalam metabolisme dan pemakanan. Elsevier.
5. Pratt, CW, & Kathleen, C. (2012). Biokimia. Editorial El Manual Moderno.
6. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (2007). Asas Biokimia. Editorial Médica Panaméricana.