Biologie pentru neinițiațiatori I
Rezultatele învățării
- Descrieți modul în care celulele stochează și transferă energia liberă folosind ATP
Orice celulă vie nu poate stoca cantități semnificative de energie liberă. Excesul de energie liberă ar duce la o creștere a căldurii în celulă, ceea ce ar duce la o mișcare termică excesivă care ar putea deteriora și apoi distruge celula. Mai degrabă, o celulă trebuie să fie capabilă să gestioneze această energie într-un mod care să îi permită celulei să stocheze energia în condiții de siguranță și să o elibereze pentru a o utiliza doar atunci când este necesar. Celulele vii realizează acest lucru prin utilizarea compusului adenozin trifosfat (ATP). ATP este adesea numit „moneda energetică” a celulei și, ca și moneda, acest compus versatil poate fi folosit pentru a satisface orice nevoie de energie a celulei. Cum? Funcționează în mod similar cu o baterie reîncărcabilă.
Când ATP este descompus, de obicei prin îndepărtarea grupei sale terminale de fosfat, se eliberează energie. Energia este utilizată pentru a efectua muncă de către celulă, de obicei prin legarea fosfatului eliberat de o altă moleculă, activând-o. De exemplu, în cadrul lucrului mecanic al contracției musculare, ATP furnizează energia necesară pentru a mișca proteinele musculare contractile. Amintiți-vă de activitatea de transport activ a pompei sodiu-potasiu din membranele celulare. ATP modifică structura proteinei integrale care funcționează ca pompă, schimbându-i afinitatea pentru sodiu și potasiu. În acest fel, celula efectuează muncă, pompând ioni împotriva gradienților electrochimici.
Structura și funcția ATP
Figura 1. ATP (adenozin trifosfat) are trei grupe fosfat care pot fi îndepărtate prin hidroliză pentru a forma ADP (adenozin difosfat) sau AMP (adenozin monofosfat). sarcinile negative de pe grupa fosfat se resping în mod natural, necesitând energie pentru a le lega între ele și eliberând energie atunci când aceste legături sunt rupte.
În centrul ATP se află o moleculă de adenozin monofosfat (AMP), care este compusă dintr-o moleculă de adenină legată de o moleculă de riboză și de o singură grupare fosfat (figura 1). Riboza este un zahăr cu cinci atomi de carbon care se găsește în ARN, iar AMP este una dintre nucleotidele din ARN. Adăugarea unei a doua grupe fosfat la această moleculă de bază are ca rezultat formarea adenozin difosfat (ADP); adăugarea unei a treia grupe fosfat formează adenozin trifosfat (ATP).
Adăugarea unei grupe fosfat la o moleculă necesită energie. Grupurile fosfat sunt încărcate negativ și, prin urmare, se resping între ele atunci când sunt dispuse în serie, așa cum sunt în ADP și ATP. Această repulsie face ca moleculele ADP și ATP să fie inerent instabile. Eliberarea uneia sau a două grupări fosfat din ATP, un proces numit defosforilare, eliberează energie.
Energie din ATP
Hidroliza este procesul de descompunere a macromoleculelor complexe. În timpul hidrolizei, apa este scindată, sau lizată, iar atomul de hidrogen (H+) și o grupare hidroxil (OH-) rezultată sunt adăugate la molecula mai mare. Hidroliza ATP produce ADP, împreună cu un ion fosfat anorganic (Pi) și eliberarea de energie liberă. Pentru desfășurarea proceselor vitale, ATP este descompus continuu în ADP și, asemenea unei baterii reîncărcabile, ADP este regenerat continuu în ATP prin reatașarea unei a treia grupe fosfat. Apa, care a fost descompusă în atomul său de hidrogen și în grupa hidroxil în timpul hidrolizei ATP, este regenerată atunci când un al treilea fosfat este adăugat la molecula de ADP, reformând ATP.
Evident, energia trebuie să fie infuzată în sistem pentru a regenera ATP. De unde provine această energie? La aproape toate ființele vii de pe Pământ, energia provine din metabolismul glucozei. În acest fel, ATP este o legătură directă între setul limitat de căi exergonice ale catabolismului glucozei și multitudinea de căi endergonice care alimentează celulele vii.
Fosforilarea
Reamintim că, în unele reacții chimice, enzimele se pot lega de mai multe substraturi care reacționează între ele pe enzimă, formând un complex intermediar. Un complex intermediar este o structură temporară și permite unuia dintre substraturi (cum ar fi ATP) și reactanților să reacționeze mai ușor unul cu celălalt; în reacțiile care implică ATP, ATP este unul dintre substraturi, iar ADP este un produs. În timpul unei reacții chimice endergonice, ATP formează un complex intermediar cu substratul și enzima din reacție. Acest complex intermediar permite ATP-ului să transfere cea de-a treia grupare fosfat, cu energia sa, către substrat, un proces numit fosforilare. Fosforilarea se referă la adăugarea de fosfat (~P). Acest lucru este ilustrat de următoarea reacție generică:
A + enzimă + ATP → → B + enzimă + ADP + ion fosfat
Când complexul intermediar se rupe, energia este folosită pentru a modifica substratul și a-l transforma într-un produs al reacției. Molecula de ADP și un ion fosfat liber sunt eliberate în mediu și sunt disponibile pentru reciclare prin metabolismul celular.
Figura 2. În reacțiile de fosforilare, fosfatul gamma al ATP este atașat de o proteină.
Fosforilarea substratului
ATP este generat prin două mecanisme în timpul descompunerii glucozei. Câteva molecule de ATP sunt generate (adică regenerate din ADP) ca rezultat direct al reacțiilor chimice care au loc în căile catabolice. O grupare fosfat este îndepărtată de la un reactant intermediar din cale, iar energia liberă a reacției este utilizată pentru a adăuga al treilea fosfat la o moleculă de ADP disponibilă, producând ATP (figura 2). Această metodă foarte directă de fosforilare se numește fosforilare la nivelul substratului.
Fosforilarea oxidativă
Cei mai mulți ATP generați în timpul catabolismului glucozei provin însă dintr-un proces mult mai complex, chimioza, care are loc în mitocondriile (figura 3) dintr-o celulă eucariotă sau în membrana plasmatică a unei celule procariote.
Figura 3. Mitocondria (Credit: modificare a lucrării realizate de Mariana Ruiz Villareal)
Chemiosmoza, un proces de producere a ATP în metabolismul celular, este utilizat pentru a genera 90 la sută din ATP-ul realizat în timpul catabolismului glucozei și este, de asemenea, metoda utilizată în reacțiile luminoase ale fotosintezei pentru a valorifica energia luminii solare. Producerea de ATP folosind procesul de chemiosloză se numește fosforilare oxidativă datorită implicării oxigenului în acest proces.
În rezumat: ATP în sistemele vii
ATP funcționează ca monedă de schimb energetică pentru celule. Acesta permite celulei să stocheze energie pentru scurt timp și să o transporte în interiorul celulei pentru a susține reacțiile chimice endergonice. Structura ATP este cea a unei nucleotide de ARN cu trei fosfați atașați. Pe măsură ce ATP este utilizat ca sursă de energie, una sau două grupe de fosfat sunt detașate și se produce fie ADP, fie AMP. Energia derivată din catabolismul glucozei este utilizată pentru a transforma ADP în ATP. Atunci când ATP este utilizat într-o reacție, cel de-al treilea fosfat este atașat temporar la un substrat într-un proces numit fosforilare. Cele două procese de regenerare a ATP care sunt utilizate împreună cu catabolismul glucozei sunt fosforilarea la nivel de substrat și fosforilarea oxidativă prin procesul de chemiosmoză.
Try It
Contribuie!
Îmbunătățiți această paginăÎnvățați mai multe