ATP (ADENOSINE TRIPHOSPHATE): CẤU TRÚC, CHỨC NĂNG, THỦY PHÂN - SINH HỌC

Các ATP (adenosine triphosphate) là một phân tử hữu cơ với trái phiếu năng lượng cao được thành lập bởi một chiếc nhẫn của adenine, ribose và ba nhóm phosphate. Nó có một vai trò cơ bản trong quá trình trao đổi chất, vì nó vận chuyển năng lượng cần thiết để giữ cho một loạt các quá trình tế bào hoạt động hiệu quả.

Nó được biết đến rộng rãi bằng thuật ngữ "tiền tệ năng lượng", vì việc hình thành và sử dụng nó diễn ra dễ dàng, cho phép nó nhanh chóng "thanh toán" cho các phản ứng hóa học cần năng lượng.

Nguồn: Người dùng: Mysid (Tự làm bằng bkchem; chỉnh sửa bằng perl.), Via Wikimedia Commons

Mặc dù phân tử đối với mắt thường là nhỏ và đơn giản, nhưng nó lưu trữ một lượng năng lượng đáng kể trong các liên kết của nó. Các nhóm phốt phát có điện tích âm, bị đẩy liên tục, làm cho nó trở thành một liên kết không bền và dễ bị phá vỡ.

Sự thủy phân ATP là sự phân hủy phân tử khi có nước. Bằng quá trình này, năng lượng chứa được giải phóng.

Có hai nguồn chính của ATP: phosphoryl hóa ở mức cơ chất và phosphoryl oxy hóa, nguồn sau là quan trọng nhất và được tế bào sử dụng nhiều nhất.

Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa cặp đôi quá trình oxy hóa FADH ₂ và NADH + H ⁺ trong ty thể và sự phosphoryl hóa ở mức cơ chất xảy ra bên ngoài chuỗi vận chuyển điện tử, trong các con đường như đường phân và chu trình axit tricarboxylic.

Phân tử này có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cần thiết cho hầu hết các quá trình diễn ra bên trong tế bào, từ tổng hợp protein đến vận động. Ngoài ra, nó cho phép lưu thông của các phân tử qua màng và hoạt động trong tín hiệu tế bào.

Kết cấu

ATP, như tên gọi của nó, là một nucleotide có ba phốt phát. Cấu trúc đặc biệt của nó, đặc biệt là hai liên kết pyrophosphat, khiến nó trở thành một hợp chất giàu năng lượng. Nó bao gồm các yếu tố sau:

- Một bazơ nitơ, adenin. Bazơ nitơ là những hợp chất mạch vòng có chứa một hoặc nhiều nitơ trong cấu trúc của chúng. Chúng tôi cũng tìm thấy chúng như các thành phần trong axit nucleic, DNA và RNA.

- Ribose nằm ở trung tâm của phân tử. Nó là một loại đường pentose, vì nó có năm nguyên tử carbon. Công thức hóa học của nó là C ₅ H ₁₀ O ₅ . Carbon 1 của ribose được gắn vào vòng adenin.

- Ba gốc photphat. Hai liên kết cuối cùng là "liên kết năng lượng cao" và được thể hiện trong cấu trúc đồ họa bằng ký hiệu nghiêng: ~. Nhóm phốt phát là một trong những nhóm quan trọng nhất trong hệ thống sinh học. Ba nhóm được gọi là alpha, beta và gamma, từ gần nhất đến xa nhất.

Liên kết này rất bền, vì vậy nó phân chia nhanh chóng, dễ dàng và tự phát khi các điều kiện sinh lý của cơ thể bảo đảm. Điều này xảy ra do các điện tích âm của ba nhóm photphat liên tục cố gắng di chuyển ra xa nhau.

Đặc trưng

ATP đóng một vai trò không thể thiếu trong quá trình chuyển hóa năng lượng của hầu hết các cơ thể sống. Vì lý do này, nó thường được gọi là tiền tệ năng lượng, vì nó có thể được sử dụng liên tục và bổ sung chỉ trong vài phút.

Trực tiếp hoặc gián tiếp, ATP cung cấp năng lượng cho hàng trăm quá trình, ngoài ra còn hoạt động như một chất cho photphat.

Nói chung, ATP đóng vai trò như một phân tử tín hiệu trong các quá trình xảy ra bên trong tế bào, nó cần thiết để tổng hợp các thành phần của DNA và RNA và đối với quá trình tổng hợp các phân tử sinh học khác, nó tham gia vào quá trình vận chuyển màng, trong số những người khác.

Việc sử dụng ATP có thể được chia thành các loại chính: vận chuyển các phân tử qua màng sinh học, tổng hợp các hợp chất khác nhau và cuối cùng là công cơ học.

Các chức năng của ATP rất rộng. Hơn nữa, nó liên quan đến rất nhiều phản ứng nên không thể gọi tên hết được. Do đó, chúng ta sẽ thảo luận về ba ví dụ cụ thể để minh họa cho mỗi cách sử dụng đã đề cập.

Cung cấp năng lượng cho quá trình vận chuyển natri và kali qua màng

Tế bào là một môi trường năng động cao đòi hỏi phải duy trì các nồng độ cụ thể. Hầu hết các phân tử không đi vào tế bào một cách ngẫu nhiên hoặc tình cờ. Để một phân tử hoặc chất đi vào, nó phải được thực hiện bởi chất vận chuyển cụ thể của nó.

Chất vận chuyển là các protein bao quanh màng có chức năng như “người gác cổng” tế bào, kiểm soát dòng chảy của vật liệu. Do đó, màng có tính bán thấm: nó cho phép một số hợp chất đi vào và những hợp chất khác thì không.

Một trong những phương tiện vận chuyển được biết đến nhiều nhất là bơm natri-kali. Cơ chế này được phân loại là vận chuyển tích cực, vì chuyển động của các ion xảy ra ngược lại với nồng độ của chúng và cách duy nhất để thực hiện chuyển động này là đưa năng lượng vào hệ thống, dưới dạng ATP.

Người ta ước tính rằng một phần ba ATP được hình thành trong tế bào được sử dụng để giữ cho máy bơm hoạt động. Các ion natri liên tục được bơm ra khỏi tế bào, trong khi các ion kali được bơm theo hướng ngược lại.

Về mặt logic, việc sử dụng ATP không bị hạn chế trong việc vận chuyển natri và kali. Có những ion khác, chẳng hạn như canxi, magiê, trong số những ion khác, cần tiền năng lượng này để đi vào.

Tham gia vào quá trình tổng hợp protein

Các phân tử protein được tạo thành từ các axit amin, liên kết với nhau bằng liên kết peptit. Để hình thành chúng đòi hỏi phải phá vỡ bốn liên kết năng lượng cao. Nói cách khác, một số lượng đáng kể các phân tử ATP phải được thủy phân để tạo thành một protein có chiều dài trung bình.

Tổng hợp protein xảy ra trong cấu trúc được gọi là ribosome. Chúng có thể giải mã mã mà RNA thông tin có và dịch nó thành chuỗi axit amin, một quá trình phụ thuộc ATP.

Trong các tế bào hoạt động tích cực nhất, quá trình tổng hợp protein có thể chỉ đạo tới 75% ATP được tổng hợp trong công việc quan trọng này.

Mặt khác, tế bào không chỉ tổng hợp protein, nó còn cần lipid, cholesterol và các chất thiết yếu khác và để làm được điều đó, tế bào cần năng lượng chứa trong các liên kết ATP.

Cung cấp năng lượng cho sự vận động

Công cơ học là một trong những chức năng quan trọng nhất của ATP. Ví dụ, để cơ thể chúng ta có thể thực hiện co các sợi cơ, việc cung cấp một lượng lớn năng lượng là cần thiết.

Trong cơ, năng lượng hóa học có thể được chuyển hóa thành cơ năng nhờ sự tổ chức lại của các protein với khả năng co lại để tạo thành cơ năng. Chiều dài của các cấu trúc này được sửa đổi, rút ngắn, tạo ra một lực căng dẫn đến sinh ra chuyển động.

Ở các sinh vật khác, sự vận động của tế bào cũng xảy ra nhờ sự có mặt của ATP. Ví dụ, sự di chuyển của lông mao và roi cho phép dịch chuyển của một số sinh vật đơn bào xảy ra thông qua việc sử dụng ATP.

Một chuyển động cụ thể khác là chuyển động amip liên quan đến sự nhô ra của một chân giả ở các đầu tế bào. Một số loại tế bào sử dụng cơ chế vận động này, bao gồm bạch cầu và nguyên bào sợi.

Trong trường hợp của tế bào mầm, sự vận động là cần thiết cho sự phát triển hiệu quả của phôi. Tế bào phôi di chuyển những khoảng cách quan trọng từ nơi xuất phát của chúng đến vùng mà chúng phải tạo ra các cấu trúc cụ thể.

Thủy phân

Sự thủy phân ATP là một phản ứng liên quan đến sự phân hủy của phân tử khi có nước. Phản ứng được biểu diễn như sau:

ATP + Nước ⇋ ADP + P _i + năng lượng. Trong đó, thuật ngữ P _i dùng để chỉ nhóm photphat vô cơ và ADP là adenosine diphosphat. Lưu ý rằng phản ứng là thuận nghịch.

Sự thủy phân ATP là một hiện tượng liên quan đến việc giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Việc phá vỡ bất kỳ liên kết pyrophosphat nào dẫn đến giải phóng 7 kcal trên mỗi mol - cụ thể là 7,3 từ ATP đến ADP và 8,2 để sản xuất adenosine monophosphat (AMP) từ ATP. Điều này tương đương với 12.000 calo trên mỗi mol ATP.

Tại sao lại xảy ra hiện tượng giải phóng năng lượng?

Bởi vì các sản phẩm thủy phân ổn định hơn nhiều so với hợp chất ban đầu, tức là, ATP.

Cần lưu ý rằng chỉ có sự thủy phân xảy ra trên các liên kết pyrophosphat để tạo ra ADP hoặc AMP dẫn đến việc tạo ra năng lượng với số lượng đáng kể.

Quá trình thủy phân các liên kết khác trong phân tử không cung cấp nhiều năng lượng, ngoại trừ quá trình thủy phân pyrophotphat vô cơ có năng lượng lớn.

Việc giải phóng năng lượng từ các phản ứng này được sử dụng để thực hiện các phản ứng trao đổi chất bên trong tế bào, vì nhiều quá trình này cần năng lượng để hoạt động, cả trong các bước ban đầu của các con đường thoái hóa và trong quá trình sinh tổng hợp các hợp chất. .

Ví dụ, trong quá trình chuyển hóa glucose, các bước ban đầu liên quan đến quá trình phosphoryl hóa phân tử. Trong các bước sau, ATP mới được tạo ra, để thu được lợi nhuận ròng dương.

Theo quan điểm năng lượng, có những phân tử khác có năng lượng giải phóng lớn hơn năng lượng của ATP, bao gồm 1,3-bisphosphoglycerate, carbamylphosphate, creatinine phosphate và phosphoenolpyruvate.

Lấy ATP

ATP có thể được lấy bằng hai con đường: phosphoryl oxy hóa và phosphoryl hóa ở mức cơ chất. Loại thứ nhất cần oxy trong khi loại thứ hai thì không. Khoảng 95% ATP được hình thành xảy ra trong ti thể.

Oxy hóa phosphoryl

Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa bao gồm một quá trình oxy hóa chất dinh dưỡng hai giai đoạn: thu được các coenzyme khử NADH và FADH ₂ có nguồn gốc từ vitamin.

Việc giảm các phân tử này đòi hỏi phải sử dụng hydro từ các chất dinh dưỡng. Trong chất béo, việc sản xuất coenzyme là đáng chú ý, nhờ vào số lượng khổng lồ các hydrogens có trong cấu trúc của chúng, so với peptit hoặc carbohydrate.

Mặc dù có một số con đường sản xuất coenzyme, nhưng con đường quan trọng nhất là chu trình Krebs. Sau đó, các coenzyme bị khử tập trung trong chuỗi hô hấp nằm trong ti thể, chúng chuyển các điện tử cho oxy.

Chuỗi vận chuyển điện tử được tạo thành từ một loạt các protein liên kết màng có chức năng bơm proton (H +) ra bên ngoài (xem hình ảnh). Các proton này đi vào và đi qua màng một lần nữa nhờ một protein khác, ATP synthase, chịu trách nhiệm tổng hợp ATP.

Nói cách khác, chúng ta phải giảm coenzyme, nhiều ADP và oxy tạo ra nước và ATP.

Nguồn: Bởi Bustamante Yess, từ Wikimedia Commons

Chất nền cấp phosphoryl

Quá trình phosphoryl hóa ở mức cơ chất không quan trọng như cơ chế được mô tả ở trên và vì nó không yêu cầu các phân tử oxy nên nó thường liên quan đến quá trình lên men. Bằng cách này, mặc dù rất nhanh, nhưng lại tiết ra ít năng lượng, nếu chúng ta so sánh nó với quá trình oxy hóa thì nó sẽ ít hơn khoảng mười lăm lần.

Trong cơ thể chúng ta, quá trình lên men xảy ra ở cấp độ cơ. Mô này có thể hoạt động mà không cần oxy, vì vậy có thể một phân tử glucose bị phân giải thành axit lactic (ví dụ như khi chúng ta thực hiện một số hoạt động thể thao mệt mỏi).

Trong quá trình lên men, sản phẩm cuối cùng vẫn có thế năng có thể được chiết xuất. Trong trường hợp lên men ở cơ, các nguyên tử trong axit lactic ở cùng mức độ khử của phân tử ban đầu: glucozơ.

Do đó, sản xuất năng lượng xảy ra bằng cách hình thành các phân tử có liên kết năng lượng cao, bao gồm 1,3-bisphosphoglyrate và phosphoenolpyruvate.

Trong quá trình đường phân, ví dụ, quá trình thủy phân các hợp chất này liên quan đến việc tạo ra các phân tử ATP, do đó có thuật ngữ “ở mức cơ chất”.

Chu trình ATP

ATP không bao giờ được lưu trữ. Nó nằm trong một chu kỳ sử dụng và tổng hợp liên tục. Điều này tạo ra sự cân bằng giữa ATP được hình thành và sản phẩm thủy phân của nó, ADP.

Nguồn: Bởi Muessig, từ Wikimedia Commons

Các phân tử năng lượng khác

ATP không phải là phân tử duy nhất bao gồm nucleoside bisphosphate tồn tại trong quá trình trao đổi chất của tế bào. Có một số phân tử có cấu trúc tương tự như ATP có hành vi năng lượng tương đương, mặc dù chúng không phổ biến như ATP.

Ví dụ nổi bật nhất là GTP, guanosine triphosphate, được sử dụng trong chu trình Krebs nổi tiếng và trong con đường tạo gluconeogenic. Những người khác ít được sử dụng hơn là CTP, TTP và UTP.

Người giới thiệu

Guyton, AC, & Hall, JE (2000). Giáo trình sinh lý người.
Hall, JE (2017). Guyton E Hall Chuyên luận về Sinh lý học Y khoa. Elsevier Brazil.
Hernandez, AGD (2010). Chuyên luận về dinh dưỡng: Thành phần và chất lượng dinh dưỡng của thực phẩm. Panamerican Medical Ed.
Lim, MY (2010). Các yếu tố cần thiết trong quá trình trao đổi chất và dinh dưỡng. Elsevier.
Pratt, CW, & Kathleen, C. (2012). Hóa sinh. Biên tập El Manual Moderno.
Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (2007). Cơ bản của Hóa sinh. Biên tập Médica Panaméricana.

ATP (ADENOSINE TRIPHOSPHATE): CẤU TRÚC, CHỨC NĂNG, THỦY PHÂN - SINH HỌC - 2025