ATP (adenozīna trifosfāts) — šūnu enerģijas avots un koenzīms
Adenozīna trifosfāts (ATP) ir nukleotīds, ko šūnās izmanto kā koenzīmu. To bieži dēvē par "molekulāro naudas vienību": ATP transportē ķīmisko enerģiju šūnās, lai nodrošinātu vielmaiņu.
Katra šūna izmanto ATP, lai iegūtu enerģiju. To veido bāze (adenīns) un trīs fosfātu grupas. Viena ATP molekula satur trīs fosfātu grupas, un to ražo ATP sintēze no neorganiskā fosfāta un adenozīna difosfāta (ADP, di nozīmē divas fosfātu grupas) vai adenozīna monofosfāta (AMP).
ATP uzbūve un enerģijas avots
ATP sastāv no trim daļām: azotvielas bāzes adenīna, cukura molekulas ribozes un trīs fosfātu grupām, kas savienotas ķēdē. Enerģija galvenokārt atrodas saistēs starp fosfātu grupām; izmantojot ūdens molekulu, ATP var hidrolizēties uz ADP + Pi (inorganisko fosfātu) vai uz AMP + Pi, atbrīvojot enerģiju, ko šūna izmanto dažādos procesiem. Standarta brīvās enerģijas izmaiņa ATP hidrolīzē ir aptuveni -30,5 kJ/mol, bet šūnās tas var ievērojami atšķirties atkarībā no apstākļiem.
ATP ražošanas ceļi
- Oksidatīvā fosforilēšana (elpošana): mitohondrijos elektronu transporta ķēde rada protonu gradientu, ko izmanto ATP sintāze (ATP sintēze) lielākajai daļai ATP ražošanas.
- Substrāta līmeņa fosforilēšana: dažos vielmaiņas soļos (piem., glikolīzē vai Krebs ciklā) fosfāts tieši pārnests uz ADP veidojot ATP.
- Fotofosforilēšana: fotosintēzes laikā hloroplastos gaismas enerģija tiek pārvērsta ķīmiskajā enerģijā un veido ATP augiem, aļģēm un citām fototrofām organismiem.
ATP kā koenzīms un šūnu funkciju nodrošinātājs
ATP nav tikai enerģijas "valūta" — tas arī darbojas kā koenzīms vai donors fosfāta grupām daudzos enzymatiskos procesos. Piemēri, kur ATP ir būtisks:
- Muskuļu kontrakcija (miozīna un aktīna mijiedarbība)
- Aktīvā transports pāri membrānām (piem., Na+/K+ pumpis)
- Makromolekulu sintēze (olbaltumvielu, lipīdu, nukleīnskābju sintēze)
- Šūnu signāls — kināzes pievieno fosfātgrupas proteīniem, mainot to aktivitāti
- Signalizējošas molekulas rašanās (piem., cAMP tiek sintezēts no ATP)
ATP cikls šūnā
ATP tiek pastāvīgi atjaunots: kad ATP hidrolizējas uz ADP + Pi, šie produkti atkārtoti izmantojami ATP sintēzē. Šis ātrais cikls nozīmē, ka šūnā saglabātais ATP daudzums ir salīdzinoši neliels, taču tiek sintezēts un patērēts miljoniem reižu minūtē. Pieauguša cilvēka organismā kopējais dienā atjaunotais ATP daudzums ir apmēram vairāki desmiti kilogramu — tas parāda, cik intensīvi šūnas izmanto šo molekulu.
Medicīniska un praktiska nozīme
ATP līmenis ir kritisks šūnu dzīvotspējai. Piemēram, traucēta mitohondriju funkcija vai skābekļa trūkums samazina ATP ražošanu, kas var izsaukt šūnu bojāeju vai audu funkcijas zudumu (piem., ishemija sirdī vai smadzenēs). Zinātnē ATP daudzumu mēra ar lūciferāzes assay, kas izmanto gaišuciņu reakciju no pūces kādām, lai kvantitatīvi noteiktu ATP koncentrāciju.
Evolūcija un plaša izplatība
ATP ir universāla enerģijas molekula gandrīz visos dzīvajos organismos — tas liecina par tās fundamentālo lomu bioloģijā. Tā vienkāršā un efektīvā enerģijas glabāšanas un pārvades funkcija padara to par pamatu daudzām dzīvības procesiem un vielmaiņas ceļiem.
Īss kopsavilkums: ATP ir galvenais šūnu enerģijas avots un koenzīms — tā hidrolīze nodrošina enerģiju darbībām, bet ATP sintēze atjauno šo "enerģijas valūtu". Tā klātbūtne un dinamiska pārveide ir būtiska visām šūnu funkcijām un dzīves procesiem.
ATP molekulārā struktūra.
Lietošana
ATP molekula ir ļoti daudzpusīga, tas nozīmē, ka to var izmantot daudzām vajadzībām. Tās ķīmiskajās saitēs ir uzkrāta enerģija.
Kad ATP saistās ar citu fosfātu, tiek uzkrāta enerģija, ko var izmantot vēlāk. Citiem vārdiem sakot, izveidojot saiti, tiek uzkrāta enerģija. Tā ir endotermiska reakcija.
Kad ATP pārrauj saiti ar fosfātu grupu un kļūst par ADP, izdalās enerģija. Citiem vārdiem sakot, kad tiek pārrauta saite, atbrīvojas enerģija. Tā ir eksotermiska reakcija.
ATP fosfātu apmaiņa ir gandrīz nebeidzams cikls, kas apstājas tikai tad, kad šūna iet bojā.
Funkcijas šūnās
ATP ir galvenais enerģijas avots lielākajai daļai šūnu funkciju. Tas ietver makromolekulu, tostarp DNS un RNS (sk. tālāk), un olbaltumvielu sintēzi. ATP ir būtiska nozīme arī makromolekulu aktīvā transportēšanā caur šūnu membrānām, piemēram, eksocitoze un endocitoze.
DNS un RNS sintēze
Visos zināmajos organismos deoksiribonukleotīdus, kas veido DNS, sintezē, ribonukleotīdu reduktāzes (RNR) fermentiem iedarbojoties uz attiecīgajiem ribonukleotīdiem. Šie fermenti reducē cukura atlikumu no ribozes uz deoksiribozi, atdalot skābekli.
Nukleīnskābes RNS sintēzē ATP ir viens no četriem nukleotīdiem, ko RNS polimerāzes tieši iekļauj RNS molekulās. Šo polimerizāciju virza enerģija, kas rodas, atdalot pirofosfātu (divas fosfātu grupas). DNS biosintēzes process ir līdzīgs, izņemot to, ka ATP pirms iekļaušanas DNS tiek reducēts līdz deoksiribonukleotīdam dATP.
Vēsture
- ATP 1929. gadā atklāja Karls Lohmans un Jendrassiks, kā arī neatkarīgi no tiem - Sairuss Fiske un Yellapragada Subba Rao no Hārvarda Medicīnas skolas. Abas komandas sacentās savā starpā, lai atrastu fosfora noteikšanas metodi.
- To kā starpposmu starp enerģiju dodošajām un enerģiju patērējošajām reakcijām šūnās 1941. gadā ierosināja Fricis Alberts Lipmans (Fritz Albert Lipmann).
- Pirmo reizi to 1948. gadā laboratorijā sintezēja (radīja) Aleksandrs Tods.
- 1997. gada Nobela prēmija ķīmijā tika sadalīta - puse tika piešķirta gan Polam D. Boijeram (Paul D. Boyer), gan Džonam E. Vokeram (John E. Walker) par adenozīna trifosfāta (ATP) sintēzes fermentu mehānisma noskaidrošanu, bet otra puse - Jensam Skū (Jens C. Skou) par jonus transportējošā enzīma Na+, K+ -ATPāzes atklāšanu.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir adenozīna trifosfāts?
A: Adenozīna trifosfāts (ATP) ir ķīmiska viela, ko dzīvās būtnes izmanto enerģijas uzkrāšanai un pārnesei.
J: Kāds ir ATP mērķis dzīvās organismos?
A: ATP mērķis dzīvās organismos ir uzglabāt enerģiju un nodot to šūnām, kurām tā nepieciešama.
J: Kā šūnas iegūst enerģiju?
A. Šūnas iegūst enerģiju, sadalot ATP molekulas, lai atbrīvotu uzkrāto enerģiju.
Vai visas dzīvās radības ražo ATP?
A: Jā, visas dzīvās būtnes ražo ATP, lai uzglabātu un pārnestu enerģiju.
J: Kāpēc ATP ir nepieciešams šūnām, kas strādā intensīvāk?
A: ATP ir nepieciešams šūnām, kas strādā intensīvāk, jo to darbībai ir nepieciešams vairāk enerģijas, un ATP ir molekula, kas nodrošina šo enerģiju.
J: Vai dzīvas būtnes var izdzīvot bez ATP?
At: Nē, dzīvas būtnes nevar izdzīvot bez ATP, jo tā ir molekula, kas nodrošina enerģiju visiem šūnu procesiem.
J: Kas notiek, kad ATP molekulas sadalās?
A: Kad ATP molekulas sadalās, uzkrātā enerģija izdalās un šūnā tiek izmantota dažādiem procesiem.
