Τι είναι το ATP στη Βιολογία;

Βασικές έννοιες

Σε αυτό το σεμινάριο, απαντάμε στην ερώτηση "Τι είναι το ATP στη Βιολογία;" Εδώ, θα μάθετε τι είναι ATP στη βιολογία μαζί με τη δομή και τον κύκλο παραγωγής του. Θα μάθετε επίσης πώς ATP απελευθερώνει ενέργεια.

Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα

• Δίπλωμα πρωτεΐνης
• Συζευγμένος υποδοχέας GPCR-G
• Πρωτεΐνες και αμινοξέα
• Φωτοσύνθεση

Τι είναι το ATP στη Βιολογία;

Το ATP στη βιολογία είναι ένα μόριο που μεταφέρει ενέργεια μέσα στα κύτταρα. Διαφορετικά γνωστό ως τριφωσφορική αδενοσίνη, οι βιοχημικοί συνήθως αναφέρονται στο ATP ως το «ενεργειακό νόμισμα» ενός κυττάρου, καθώς χρησιμεύει ως η κύρια κυτταρική μονάδα ενέργειας. Πολλές μεταβολικές διεργασίες περιλαμβάνουν ATP, το οποίο μπορείτε να βρείτε παρακάτω:

• Αερόβια αναπνοή
• Ζύμωση
• Κυτταρική διαίρεση
• Φωτοφωσφορυλίωση
• Κινητικότητα
• Ενδοκυττάρωση και εξωκυττάρωση
• Φωτοσύνθεση
• Πρωτεϊνοσύνθεση

Εκτός από αυτές τις μεταβολικές λειτουργίες, το ATP χρησιμεύει σε μονοπάτια μεταγωγής σήματος που περιλαμβάνουν κυτταρική επικοινωνία και ενσωματώνεται στο DNA κατά τη σύνθεση του DNA.

Γιατί το ATP είναι σημαντικό στις μεταβολικές διεργασίες;

Το ATP είναι η μόνη πηγή ενέργειας στο σώμα μας που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε άμεσα. Οποιαδήποτε μορφή πρόσληψης διατροφής στο σώμα μετατρέπεται σε ATP πριν χρησιμοποιηθεί για άλλες λειτουργίες. Το ATP δεν είναι μόνο μια πηγή ενέργειας, καθώς είναι υπεύθυνη για τη διεξαγωγή πολλών άλλων ζωτικών λειτουργιών, όπως η μεταφορά μακρομορίων μέσα και έξω από το κύτταρο και το να είναι ένα εξωκυτταρικό ή ενδοκυτταρικό μόριο σηματοδότησης.

Πώς παράγεται βιολογικά το ATP;

Υπάρχουν πολλές διαδικασίες που μπορούν να παράγουν ATP στο σώμα. Η παραγωγή ΑΤΡ μπορεί να συμβεί παρουσία οξυγόνου ή σε αναερόβιες συνθήκες. Θα εξετάσουμε τις δύο κύριες διαδικασίες που είναι υπεύθυνες για την παραγωγή ATP, την κυτταρική αναπνοή και την αναερόβια αναπνοή.

Κυτταρική αναπνοή

Η κυτταρική αναπνοή είναι η διαδικασία όπου η γλυκόζη μετατρέπεται σε ATP. Η γλυκόζη καταβολίζεται σε ακετυλο-CoA το οποίο παράγει φορείς ηλεκτρονίων που οξειδώνονται κατά την οξειδωτική φωσφορυλίωση.

Κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης, η διάσπαση της γλυκόζης παράγει δύο ΑΤΡ μέσω της φωσφορυλίωσης του υποστρώματος. Ωστόσο, το κύτταρο παράγει ATP σε πολλά άλλα στάδια της κυτταρικής αναπνοής. Για παράδειγμα, το ATP σχηματίζεται κατά τη διάρκεια του κύκλου του κιτρικού οξέος που αποδίδει ένα ισοδύναμο ΑΤΡ. Τα μιτοχόνδρια παράγουν το μεγαλύτερο ATP αργότερα στην κυτταρική αναπνοή, από πρωτόνια που κινούνται κατά μήκος της ηλεκτροχημικής βαθμίδας για να τροφοδοτήσουν τη συνθάση ATP. Η συνολική ποσότητα του ATP ποικίλλει ανάλογα με τους φορείς ηλεκτρονίων. Ένα μόριο NADH παράγει δυόμισι ATP, ενώ ένα FADH₂ μόριο παράγει ενάμιση ATP.

Αναερόβια αναπνοή

Η αναερόβια αναπνοή συμβαίνει όταν το οξυγόνο δεν είναι διαθέσιμο κατά τη διάρκεια της κυτταρικής αναπνοής. Αυτή η διαδικασία αποδίδει μόνο δύο μόρια ATP ανά μόριο γλυκόζης. Αυτό συμβαίνει επειδή η έλλειψη οξυγόνου αναγκάζει την κυτταρική αναπνοή να υποστεί ζύμωση γαλακτικού οξέος, όπου τα μόρια NADH οξειδώνονται για να συνεχιστεί η αντίδραση.

Δομή ATP

Ένα μόριο ATP στη βιολογία αποτελείται από αδενοσίνη και τρεις φωσφορικές ομάδες. Για να εξηγήσουμε περαιτέρω, η αδενοσίνη περιλαμβάνει μια βάση πουρίνης και σάκχαρο ριβόζης. Η βάση πουρίνης συνδέεται με το 1' άτομο άνθρακα της ριβόζης ενώ οι τρεις φωσφορικές ομάδες συνδέονται με το 5' άτομο άνθρακα της ριβόζης. Το μόριο παρακάτω απεικονίζει τη δομή της τριφωσφορικής αδενοσίνης.

Λόγω της δομής της τριφωσφορικής αδενοσίνης, είναι διαλυτό στο νερό και έχει υψηλή περιεκτικότητα σε ενέργεια λόγω δύο δεσμών φωσφοανυδρίτη που συνδέουν τις τρεις φωσφορικές ομάδες.

Πώς απελευθερώνεται ενέργεια στο ATP;

Το ATP μπορεί να αναφέρεται ως «ενεργειακό νόμισμα» του κυττάρου επειδή παρέχει μια απελευθερώσιμη ενέργεια στον δεσμό μεταξύ της δεύτερης και της τρίτης φωσφορικής ομάδας προκαλώντας μια εξώθερμη αντίδραση.

Αυτοί οι δεσμοί μεταξύ φωσφορικών ομάδων είναι υψηλής ενέργειας επειδή τα ηλεκτραρνητικά φορτία τους απωθούν το ένα το άλλο. Μέσω των μεταβολικών διεργασιών, η απώλεια μιας φωσφορικής ομάδας υδρολύει το ATP σε ADP. Οι μηχανισμοί ανάδρασης ελέγχουν αυτές τις αντιδράσεις για να διατηρήσουν ένα σταθερό επίπεδο ATP εντός του κυττάρου.

Τι είναι το ATP Energy;

Οι βιοχημικοί ονομάζουν την ενέργεια που παράγεται στα κύτταρα από την τριφωσφορική αδενοσίνη «ΑΤΡ ενέργεια». Αυτή η ενέργεια είναι απαραίτητη για πολλές διεργασίες στη βιολογία, όπως η μυϊκή σύσπαση και τα νευρικά ερεθίσματα. Στη βιολογία, το ATP παράγει ενέργεια από τη διάσπαση τροφών υψηλής ενέργειας μέσα στα κύτταρα καθώς και από τη μετατροπή από ATP σε ADP.

Κύκλος ATP

Λόγω των δύο εξωτερικών φωσφορικών αλάτων του ATP που έχουν δεσμούς φωσφοανυδρίτη υψηλής ενέργειας, οι δεσμοί τους είναι εύκολα μεταφερόμενοι. Δεδομένου ότι το τελικό φωσφορικό άλας μπορεί να υδρολυθεί για να σχηματίσει ATP σε ADP, αυτό δημιουργεί τον κύκλο ATP. Με τη σειρά τους, τα ένζυμα μπορούν να φωσφορυλιώσουν το ADP για να παράγουν ATP.

Λειτουργίες ATP στη Βιολογία

Η υδρόλυση του ATP είναι αυτή που παρέχει ενέργεια που απαιτείται για πολλές διεργασίες σε οργανισμούς και κύτταρα. Ορισμένες λειτουργίες περιλαμβάνουν την ενδοκυτταρική σηματοδότηση, τη σύνθεση DNA και RNA (συμπεριλαμβανομένης της μοριακής κλωνοποίησης και της PCR) , τη συναπτική σηματοδότηση, την ενεργή μεταφορά και τη μυϊκή σύσπαση.

ATP στην ενδοκυτταρική σηματοδότηση

Οποιαδήποτε μορφή μεταγωγής σήματος βασίζεται στο ATP. Το ATP χρησιμεύει ως υπόστρωμα για τις κινάσες (πρωτεΐνες που δεσμεύουν το ATP). Τα ιόντα μαγνησίου που βρίσκονται σε ένα σύμπλεγμα με ATP στο κύτταρο ρυθμίζουν αυτές τις κινάσες. Το μαγνήσιο συνδέεται με τα φωσφορικά κέντρα οξυγόνου. Εκτός από τη βοήθεια στη ρύθμιση της δραστηριότητας της κινάσης, το ATP λειτουργεί ως έναυσμα για την απελευθέρωση ενδοκυτταρικού αγγελιοφόρου. Αυτοί οι αγγελιοφόροι περιλαμβάνουν ορμόνες, ένζυμα και νευροδιαβιβαστές για να αναφέρουμε μερικά.

ATP στη σύνθεση DNA και RNA

Η σύνθεση DNA και RNA απαιτεί ATP για να συμβεί. Το ATP είναι ένα από τα τέσσερα μονομερή νουκλεοτιδίων-τριφωσφορικών που απαιτούνται στη σύνθεση RNA. Στη σύνθεση του DNA απαιτείται παρόμοιος μηχανισμός, εκτός από το ότι το ATP πρέπει πρώτα να χάσει ένα άτομο οξυγόνου από το σάκχαρο για να παραχθεί ένα δεοξυριβονουκλεοτίδιο, το dATP.

ATP σε νευροδιαβίβαση

Ο εγκέφαλος καταναλώνει το περισσότερο ATP από οπουδήποτε αλλού στο σώμα, λόγω της μεγάλης ποσότητας ενέργειας που απαιτείται για τη διατήρηση των συγκεντρώσεων ιόντων για τη νευρωνική σηματοδότηση και τη συναπτική μετάδοση. Στο προσυναπτικό τερματικό, ο νευρώνας απαιτεί ATP για να δημιουργήσει βαθμίδες ιόντων για να τοποθετήσει τους νευροδιαβιβαστές στα κυστίδια. Αυτό είναι σημαντικό επειδή η νευρωνική σηματοδότηση εξαρτάται από τα δυναμικά δράσης που μπορούν να φτάσουν στο προσυναπτικό τερματικό για να σηματοδοτήσουν την απελευθέρωση φορτισμένων κυστιδίων. Αυτή η διαδικασία εξαρτάται από το ότι το ATP αποκαθιστά τη συγκέντρωση ιόντων στον άξονα μετά από ένα δυναμικό δράσης για να επιτρέψει την εμφάνιση άλλου σήματος. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, ένα μόριο ATP υδρολύεται, τρία ιόντα νατρίου εξέρχονται από το κύτταρο και δύο ιόντα καλίου εισέρχονται στο κύτταρο.

ATP στη μυϊκή συστολή

Οι μυϊκές συσπάσεις είναι απαραίτητες για την καθημερινή ζωή και δεν θα μπορούσαν να συμβούν χωρίς ATP. Υπάρχουν τρεις κύριοι ρόλοι που εκτελεί το ATP στις μυϊκές συσπάσεις. Πρώτον, το ATP δημιουργεί δύναμη ενάντια στα παρακείμενα νήματα ακτίνης μετακινώντας τις διασταυρούμενες γέφυρες μυοσίνης. Δεύτερον, το ATP αντλεί ιόντα ασβεστίου από το μυόπλασμα κατά μήκος του σαρκοπλασμικού δικτύου χρησιμοποιώντας ενεργή μεταφορά για να μετακινήσει το ασβέστιο ενάντια στη βαθμίδα συγκέντρωσής του. Τέλος, το ATP συμμετέχει στην ενεργό μεταφορά ιόντων νατρίου και καλίου κατά μήκος του σαρκολήματος προκειμένου να απελευθερώσει ιόντα ασβεστίου όταν εμφανίζεται ένα δυναμικό δράσης.

Περαιτέρω ανάγνωση

• Αντίδραση Diels-Alder
• Προθέματα χημείας
• Αντίδραση συμπύκνωσης Aldol