Biologia dla niespecjalistów I

Żywe komórki nie mogą przechowywać znacznych ilości wolnej energii. Nadmiar wolnej energii spowodowałby wzrost ciepła w komórce, co doprowadziłoby do nadmiernego ruchu termicznego, który mógłby uszkodzić, a następnie zniszczyć komórkę. Komórka musi być raczej w stanie radzić sobie z tą energią w sposób, który umożliwia jej bezpieczne przechowywanie i uwalnianie do użytku tylko w razie potrzeby. Żywe komórki osiągają to za pomocą związku adenozynotrójfosforanu (ATP). ATP jest często nazywane „walutą energetyczną” komórki i, podobnie jak waluta, ten uniwersalny związek może być użyty do zaspokojenia każdego zapotrzebowania energetycznego komórki. W jaki sposób? Działa on podobnie do baterii akumulatorowej.

Gdy ATP jest rozkładany, zwykle przez usunięcie końcowej grupy fosforanowej, uwalniana jest energia. Energia ta jest wykorzystywana do wykonywania pracy przez komórkę, zwykle przez uwolniony fosforan wiążący się z inną cząsteczką, aktywując ją. Na przykład, w mechanicznej pracy skurczu mięśnia, ATP dostarcza energii do poruszania kurczliwych białek mięśniowych. Przypomnijmy sobie aktywną pracę transportową pompy sodowo-potasowej w błonach komórkowych. ATP zmienia strukturę białka integralnego, które pełni funkcję pompy, zmieniając jego powinowactwo do sodu i potasu. W ten sposób komórka wykonuje pracę, pompując jony wbrew ich gradientom elektrochemicznym.

Struktura i funkcja ATP

Rysunek 1. ATP (adenozynotrifosforan) ma trzy grupy fosforanowe, które mogą być usunięte przez hydrolizę, tworząc ADP (adenozyno-difosforan) lub AMP (adenozyno-monofosforan).Ujemne ładunki na grupie fosforanowej naturalnie odpychają się od siebie, wymagając energii do ich połączenia i uwalniając energię, gdy te wiązania są zerwane.

Sercem ATP jest cząsteczka monofosforanu adenozyny (AMP), która składa się z cząsteczki adeniny połączonej z cząsteczką rybozy i z pojedynczą grupą fosforanową (rysunek 1). Ryboza jest pięciowęglowym cukrem występującym w RNA, a AMP jest jednym z nukleotydów w RNA. Dodanie drugiej grupy fosforanowej do tej podstawowej cząsteczki powoduje powstanie difosforanu adenozyny (ADP); dodanie trzeciej grupy fosforanowej powoduje powstanie trifosforanu adenozyny (ATP).

Dodanie grupy fosforanowej do cząsteczki wymaga energii. Grupy fosforanowe są naładowane ujemnie i dlatego odpychają się wzajemnie, gdy są ułożone w szeregu, jak to jest w ADP i ATP. To odpychanie sprawia, że cząsteczki ADP i ATP są z natury niestabilne. Uwolnienie jednej lub dwóch grup fosforanowych z ATP, proces zwany deposforylacją, uwalnia energię.

Energia z ATP

Hydroliza jest procesem rozpadu złożonych makrocząsteczek. Podczas hydrolizy woda jest rozszczepiana, lub lizowana, a powstały atom wodoru (H+) i grupa hydroksylowa (OH-) są dodawane do większej cząsteczki. W wyniku hydrolizy ATP powstaje ADP wraz z nieorganicznym jonem fosforanowym (Pi) oraz uwalniana jest wolna energia. W celu przeprowadzenia procesów życiowych ATP jest stale rozkładane do ADP i jak akumulator ADP jest stale regenerowane do ATP poprzez ponowne przyłączenie trzeciej grupy fosforanowej. Woda, która została rozbita na atom wodoru i grupę hydroksylową podczas hydrolizy ATP, jest regenerowana, gdy trzeci fosforan jest dodawany do cząsteczki ADP, reformując ATP.

Oczywiście, energia musi być wprowadzona do systemu, aby zregenerować ATP. Skąd ta energia pochodzi? W prawie każdej żywej istocie na ziemi energia pochodzi z metabolizmu glukozy. W ten sposób ATP jest bezpośrednim łącznikiem pomiędzy ograniczonym zestawem egzergonicznych szlaków katabolizmu glukozy a mnogością endergonicznych szlaków, które zasilają żywe komórki.

Fosforylacja

Przypomnijmy, że w niektórych reakcjach chemicznych enzymy mogą wiązać się z kilkoma substratami, które reagują ze sobą na enzymie, tworząc kompleks pośredni. Kompleks pośredni jest strukturą tymczasową i pozwala jednemu z substratów (np. ATP) i reagentów na łatwiejsze reagowanie ze sobą; w reakcjach z udziałem ATP, ATP jest jednym z substratów, a ADP jest produktem. Podczas endergonicznej reakcji chemicznej, ATP tworzy kompleks pośredni z substratem i enzymem w reakcji. Ten kompleks pośredni umożliwia ATP przeniesienie trzeciej grupy fosforanowej, wraz z jej energią, do substratu, proces zwany fosforylacją. Fosforylacja odnosi się do dodania fosforanu (~P). Ilustruje to następująca reakcja ogólna:

A + enzym + ATP → → B + enzym + ADP + jon fosforanowy

Gdy kompleks pośredni rozpada się, energia jest wykorzystywana do modyfikacji substratu i przekształcenia go w produkt reakcji. Cząsteczka ADP i wolny jon fosforanowy są uwalniane do środowiska i są dostępne do recyklingu poprzez metabolizm komórkowy.

Rysunek 2. W reakcjach fosforylacji, fosforan gamma ATP jest przyłączany do białka.

Fosforylacja substratu

ATP jest generowany przez dwa mechanizmy podczas rozkładu glukozy. Kilka cząsteczek ATP jest generowanych (czyli regenerowanych z ADP) jako bezpośredni wynik reakcji chemicznych, które zachodzą w szlakach katabolicznych. Grupa fosforanowa jest usuwana z pośredniego reagenta w szlaku, a energia swobodna reakcji jest wykorzystywana do dodania trzeciego fosforanu do dostępnej cząsteczki ADP, wytwarzając ATP (rysunek 2). Ta bardzo bezpośrednia metoda fosforylacji nazywana jest fosforylacją na poziomie substratu.

Fosforylacja utleniająca

Większość ATP wytwarzanego podczas katabolizmu glukozy pochodzi jednak z dużo bardziej złożonego procesu, chemiosmozy, który zachodzi w mitochondriach (Rysunek 3) w komórce eukariotycznej lub w błonie plazmatycznej komórki prokariotycznej.

Rysunek 3. Mitochondria (Credit: modification of work by Mariana Ruiz Villareal)

Chemiosmoza, proces produkcji ATP w metabolizmie komórkowym, jest wykorzystywana do generowania 90 procent ATP wytwarzanego podczas katabolizmu glukozy, a także jest metodą stosowaną w reakcjach świetlnych fotosyntezy w celu wykorzystania energii światła słonecznego. Produkcja ATP przy użyciu procesu chemiosmozy nazywana jest fosforylacją oksydacyjną ze względu na udział tlenu w tym procesie.

Wnieś swój wkład!

Popraw tę stronęDowiedz się więcej