Biológia nem szakmabelieknek I

admin

Egy élő sejt nem képes jelentős mennyiségű szabad energiát tárolni. A felesleges szabad energia a sejtben a hő növekedését eredményezné, ami túlzott hőmozgást eredményezne, ami károsíthatja, majd elpusztíthatja a sejtet. A sejtnek inkább képesnek kell lennie arra, hogy ezt az energiát úgy kezelje, hogy a sejt biztonságosan tárolja az energiát, és csak szükség esetén szabadítsa fel felhasználásra. Az élő sejtek ezt az adenozin-trifoszfát (ATP) vegyület segítségével érik el. Az ATP-t gyakran nevezik a sejt “energiapénzének”, és a pénzhez hasonlóan ez a sokoldalú vegyület is felhasználható a sejt bármely energiaszükségletének kielégítésére. Hogyan? Hasonlóan működik, mint egy újratölthető akkumulátor.

Amikor az ATP lebomlik, általában a terminális foszfátcsoport eltávolításával, energia szabadul fel. Az energiát a sejt munkára használja fel, általában úgy, hogy a felszabaduló foszfát egy másik molekulához kötődik, és aktiválja azt. Például az izomösszehúzódás mechanikai munkája során az ATP szolgáltatja az energiát az összehúzódó izomfehérjék mozgatásához. Emlékezzünk vissza a nátrium-káliumpának a sejtmembránokban végzett aktív transzportmunkájára. Az ATP megváltoztatja a pumpaként működő integrálfehérje szerkezetét, megváltoztatva annak nátrium- és kálium-affinitását. Ily módon a sejt munkát végez, az ionokat az elektrokémiai gradiensükkel szemben pumpálja.

ATP szerkezete és működése

Ez az ábra az ATP molekuláris szerkezetét mutatja. Ez a molekula egy adenin nukleotid, amelyhez három foszfátcsoportból álló lánc kapcsolódik. A foszfátcsoportokat alfa-, béta- és gamma-csoportoknak nevezzük a ribózcukortól való növekvő távolságuk sorrendjében, amelyhez kapcsolódnak.

1. ábra. Az ATP (adenozin-trifoszfát) három foszfátcsoportot tartalmaz, amelyek hidrolízissel eltávolíthatók, így ADP (adenozin-difoszfát) vagy AMP (adenozin-monofoszfát) keletkezik. a foszfátcsoport negatív töltései természetesen taszítják egymást, így energiát igényel a kötésük, és energia szabadul fel, amikor ezek a kötések felszakadnak.

Az ATP középpontjában egy adenozin-monofoszfát (AMP) molekula áll, amely egy ribózmolekulához és egyetlen foszfátcsoporthoz kötött adeninmolekulából áll (1. ábra). A ribóz az RNS-ben található öt szénatomos cukor, az AMP pedig az RNS egyik nukleotidja. Egy második foszfátcsoport hozzáadása ehhez a magmolekulához adenozin-difoszfát (ADP) képződését eredményezi; egy harmadik foszfátcsoport hozzáadásával pedig adenozin-trifoszfát (ATP) keletkezik.

A foszfátcsoport hozzáadása egy molekulához energiát igényel. A foszfátcsoportok negatív töltésűek, ezért sorba rendeződve taszítják egymást, mint az ADP-ben és az ATP-ben. Ez a taszítás az ADP és az ATP molekulákat eredendően instabillá teszi. Az ATP-ből egy vagy két foszfátcsoport felszabadítása, a defoszforilációnak nevezett folyamat energiát szabadít fel.

Energia az ATP-ből

A hidrolízis az összetett makromolekulák szétbontásának folyamata. A hidrolízis során a víz kettéválik, vagyis lizálódik, és a keletkező hidrogénatom (H+) és hidroxilcsoport (OH-) hozzáadódik a nagyobb molekulához. Az ATP hidrolízise során ADP keletkezik, egy szervetlen foszfátionnal (Pi) együtt, és szabad energia szabadul fel. Az életfolyamatok elvégzéséhez az ATP folyamatosan ADP-re bomlik, és mint egy újratölthető akkumulátor, az ADP egy harmadik foszfátcsoport újracsatolásával folyamatosan ATP-vé regenerálódik. Az ATP hidrolízise során hidrogénatomra és hidroxilcsoportra bomlott víz regenerálódik, amikor egy harmadik foszfátot adunk az ADP molekulához, újraalkotva az ATP-t.

Az ATP regenerálásához nyilvánvalóan energiát kell juttatni a rendszerbe. Honnan származik ez az energia? A Földön szinte minden élőlényben az energia a glükóz anyagcseréjéből származik. Ily módon az ATP közvetlen kapcsolatot jelent a glükóz katabolizmusának korlátozott számú exergonikus útvonala és az élő sejteket működtető endergonikus útvonalak sokasága között.

Foszforiláció

Memlékezzünk, hogy egyes kémiai reakciókban az enzimek több szubsztráthoz is kapcsolódhatnak, amelyek egymással reagálnak az enzimen, köztes komplexet alkotva. A köztes komplex egy átmeneti szerkezet, és lehetővé teszi, hogy az egyik szubsztrát (például az ATP) és a reakciópartnerek könnyebben reagáljanak egymással; az ATP-t érintő reakciókban az ATP az egyik szubsztrát, az ADP pedig a termék. Az endergonikus kémiai reakció során az ATP köztes komplexet képez a reakcióban résztvevő szubsztráttal és enzimmel. Ez a köztes komplex lehetővé teszi, hogy az ATP a harmadik foszfátcsoportját energiával együtt átadja a szubsztrátnak, ezt a folyamatot foszforilációnak nevezzük. A foszforiláció a foszfát (~P) hozzáadására utal. Ezt szemlélteti a következő általános reakció:

A + enzim + ATP → → B + enzim + ADP + foszfátion

A köztes komplex szétesésekor az energiát a szubsztrát módosítására és a reakció termékévé alakítására használják fel. Az ADP molekula és a szabad foszfátion a közegbe kerül, és a sejt anyagcseréje révén újrahasznosítható.

Ez az ábra egy szubsztrát szintű foszforilációs reakciót mutat, amelyben az ATP gamma-foszfátja egy fehérjéhez kapcsolódik.

2. ábra. Foszforilációs reakciókban az ATP gamma-foszfátja kötődik egy fehérjéhez.

Szubsztrát foszforiláció

Az ATP két mechanizmuson keresztül keletkezik a glükóz lebontása során. Néhány ATP-molekula a katabolikus útvonalakon lejátszódó kémiai reakciók közvetlen eredményeként keletkezik (azaz regenerálódik ADP-ből). Az útvonal egyik köztes reaktánsáról eltávolítanak egy foszfátcsoportot, és a reakció szabad energiáját arra használják fel, hogy a harmadik foszfátot hozzáadják egy rendelkezésre álló ADP-molekulához, így ATP keletkezik (2. ábra). A foszforilációnak ezt a nagyon közvetlen módszerét szubsztrát-szintű foszforilációnak nevezzük.

Oxidatív foszforiláció

A glükóz katabolizmusa során keletkező ATP nagy része azonban egy sokkal összetettebb folyamatból, a kemoszmózisból származik, amely az eukarióta sejtek mitokondriumaiban (3. ábra) vagy a prokarióta sejtek plazmamembránjában zajlik.

Az ábra a mitokondrium szerkezetét mutatja, amely egy külső és egy belső membránnal rendelkezik. A belső membránnak sok redője van, amelyeket cristáknak nevezünk. A külső és a belső membrán közötti teret intermembrán térnek, a mitokondrium központi terét pedig mátrixnak nevezzük. Az ATP-szintáz enzimek és az elektrontranszportlánc a belső membránban található

3. ábra. A mitokondrium (Credit: Mariana Ruiz Villareal munkájának módosítása)

A sejtek anyagcseréjében az ATP-termelés folyamataként a glükóz katabolizmusa során keletkező ATP 90 százalékát a kemoszómia állítja elő, és a fotoszintézis fényreakcióiban is ezt a módszert alkalmazzák a napfény energiájának hasznosítására. Az ATP-nek a kemozmózis folyamatával történő előállítását oxidatív foszforilációnak nevezik, mivel a folyamatban oxigén is részt vesz.

Összefoglalva: ATP az élő rendszerekben

Az ATP a sejtek energiapénzeként funkcionál. Lehetővé teszi a sejt számára, hogy az energiát rövid ideig tárolja és a sejten belül szállítsa az endergonikus kémiai reakciók támogatására. Az ATP szerkezete egy RNS-nukleotid, amelyhez három foszfát kapcsolódik. Az ATP energiafelhasználása során egy vagy két foszfátcsoport leválik, és ADP vagy AMP keletkezik. A glükóz katabolizmusából származó energiát az ADP ATP-vé történő átalakítására használják fel. Amikor az ATP-t egy reakcióban használják fel, a foszforilációnak nevezett folyamat során a harmadik foszfát ideiglenesen egy szubsztráthoz kapcsolódik. A glükózkatabolizmussal együtt alkalmazott két ATP-regenerációs folyamat a szubsztrát-szintű foszforiláció és az oxidatív foszforiláció a kemoszmózis folyamatán keresztül.

Kipróbáld

Tegyél hozzá!

Van ötleted a tartalom javítására? Örülnénk a hozzájárulásodnak.

Az oldal javításaTudj meg többet