Biologie pro nematuranty I

Živá buňka nemůže uchovávat významné množství volné energie. Přebytek volné energie by vedl ke zvýšení tepla v buňce, což by mělo za následek nadměrný tepelný pohyb, který by mohl buňku poškodit a následně zničit. Buňka musí být naopak schopna s touto energií nakládat způsobem, který jí umožní energii bezpečně skladovat a uvolňovat ji k použití pouze podle potřeby. Živé buňky toho dosahují pomocí sloučeniny adenosintrifosfátu (ATP). ATP se často nazývá „energetickou měnou“ buňky a podobně jako měnu lze tuto univerzální sloučeninu použít k naplnění jakékoli energetické potřeby buňky. Jak? Funguje podobně jako dobíjecí baterie.

Při rozkladu ATP, obvykle odstraněním jeho koncové fosfátové skupiny, se uvolňuje energie. Tuto energii buňka využije k vykonání práce, obvykle tak, že se uvolněný fosfát naváže na jinou molekulu a aktivuje ji. Například při mechanické práci při svalové kontrakci dodává ATP energii k pohybu kontraktilních svalových bílkovin. Připomeňte si aktivní transportní práci sodíko-draselné pumpy v buněčných membránách. ATP mění strukturu integrálního proteinu, který funguje jako pumpa, a mění jeho afinitu k sodíku a draslíku. Tímto způsobem buňka vykonává práci a čerpá ionty proti jejich elektrochemickému gradientu.

Struktura a funkce ATP

Obrázek 1. ATP (adenosintrifosfát) má tři fosfátové skupiny, které mohou být odstraněny hydrolýzou za vzniku ADP (adenosindifosfátu) nebo AMP (adenosinmonofosfátu). záporné náboje na fosfátových skupinách se přirozeně odpuzují, což vyžaduje energii k jejich spojení a uvolnění energie při přerušení těchto vazeb.

Srdcem ATP je molekula adenosinmonofosfátu (AMP), která se skládá z molekuly adeninu vázané na molekulu ribózy a na jednu fosfátovou skupinu (obrázek 1). Ribóza je pětiuhlíkatý cukr, který se nachází v RNA, a AMP je jedním z nukleotidů v RNA. Přidáním druhé fosfátové skupiny k této základní molekule vzniká adenosindifosfát (ADP); přidáním třetí fosfátové skupiny vzniká adenosintrifosfát (ATP).

Přidání fosfátové skupiny k molekule vyžaduje energii. Fosfátové skupiny jsou záporně nabité, a proto se vzájemně odpuzují, jsou-li uspořádány v sérii, jako je tomu u ADP a ATP. Toto odpuzování způsobuje, že molekuly ADP a ATP jsou ze své podstaty nestabilní. Uvolněním jedné nebo dvou fosfátových skupin z ATP, což je proces nazývaný defosforylace, se uvolňuje energie.

Energie z ATP

Hydrolýza je proces rozpadu složitých makromolekul. Při hydrolýze dochází ke štěpení neboli lyzování vody a k větší molekule se přidává vzniklý atom vodíku (H+) a hydroxylová skupina (OH-). Hydrolýzou ATP vzniká ADP spolu s anorganickým fosfátovým iontem (Pi) a uvolněním volné energie. K provádění životních procesů se ATP neustále rozkládá na ADP a podobně jako dobíjecí baterie se ADP neustále regeneruje na ATP opětovným připojením třetí fosfátové skupiny. Voda, která se během hydrolýzy ATP rozpadla na atom vodíku a hydroxylovou skupinu, se regeneruje, když se k molekule ADP přidá třetí fosfát, čímž se ATP reformuje.

Je zřejmé, že k regeneraci ATP musí být do systému dodána energie. Odkud se tato energie bere? Téměř u všech živých organismů na Zemi pochází energie z metabolismu glukózy. ATP je tak přímým spojovacím článkem mezi omezeným souborem exergonických drah katabolismu glukózy a množstvím endergonických drah, které pohánějí živé buňky.

Fosforylace

Připomeňte si, že při některých chemických reakcích se enzymy mohou vázat na několik substrátů, které na enzymu vzájemně reagují a vytvářejí meziproduktový komplex. Mezikomplex je dočasná struktura a umožňuje jednomu ze substrátů (například ATP) a reaktantům snadněji vzájemně reagovat; v reakcích zahrnujících ATP je ATP jedním ze substrátů a ADP je produktem. Během endergonické chemické reakce tvoří ATP se substrátem a enzymem v reakci meziproduktový komplex. Tento mezikomplex umožňuje ATP přenést svou třetí fosfátovou skupinu s její energií na substrát, což je proces nazývaný fosforylace. Fosforylace znamená přidání fosfátu (~P). To ilustruje následující obecná reakce:

A + enzym + ATP → → → B + enzym + ADP + fosfátový iont

Když se meziproduktový komplex rozpadne, energie se použije k úpravě substrátu a jeho přeměně na produkt reakce. Molekula ADP a volný fosfátový iont se uvolní do prostředí a jsou k dispozici pro recyklaci prostřednictvím buněčného metabolismu.

Obrázek 2: Fosforylace na úrovni substrátu. Při fosforylačních reakcích je gama fosfát ATP navázán na bílkovinu.

Fosforylace na úrovni substrátu

ATP vzniká dvěma mechanismy při odbourávání glukózy. Několik molekul ATP vzniká (tj. regeneruje se z ADP) jako přímý výsledek chemických reakcí probíhajících v katabolických drahách. Z meziproduktu reagujícího v dráze je odstraněna fosfátová skupina a volná energie reakce je využita k přidání třetího fosfátu k dostupné molekule ADP, čímž vzniká ATP (obrázek 2). Tento velmi přímý způsob fosforylace se nazývá fosforylace na substrátové úrovni.

Oxidativní fosforylace

Většina ATP vznikajícího při katabolismu glukózy však pochází z mnohem složitějšího procesu, chemiosmózy, která probíhá v mitochondriích (obrázek 3) v eukaryotické buňce nebo v plazmatické membráně prokaryotické buňky.

Obrázek 3. Mitochondrie (Kredit: úprava práce Mariany Ruiz Villareal)

Chemiosmóza, proces výroby ATP v buněčném metabolismu, se používá k výrobě 90 % ATP vytvořeného při katabolismu glukózy a je také metodou používanou při světelných reakcích fotosyntézy k využití energie slunečního světla. Výroba ATP pomocí procesu chemiosmózy se nazývá oxidační fosforylace, protože se na tomto procesu podílí kyslík.

Přispějte!

Vylepšit tuto stránkuZjistit více