Adenosintrifosfat | |
![]() Struktur af adenosintriphosphat ATP 4– , dominerende art i vandig opløsning ![]() ![]() |
|
Identifikation | |
---|---|
IUPAC navn | adenosin-5 '- (tetrahydrogen triphosphat) |
Synonymer |
Adenosin-5'-triphosphat |
N o CAS | |
N o ECHA | 100.000.258 |
N o EF | 200-283-2 |
DrugBank | DB00171 |
PubChem | 5957 |
ChEBI | 15422 |
SMILE |
Nc1ncnc2n (cnc12) [C @ @ H] 1O [C @ H] (COP (O) (= O) OP (O) (= O) OP (O) (O) = O) [C @ @ H] ( O) [C @ H] 1O , |
InChI |
Std. InChI: InChI = 1S / C10H16N5O13P3 / c11-8-5-9 (13-2-12-8) 15 (3-14-5) 10-7 (17) 6 (16) 4 (26-10) 1-25-30 (21.22) 28-31 (23.24) 27-29 (18.19) 20 / h2-4.6-7.10,16-17H, 1H2, (H, 21.22) (H, 23.24) (H2,11,12 , 13) (H2,18,19,20) / t4-, 6-, 7-, 10- / m1 / s1 Std. InChIKey: ZKHQWZAMYRWXGA-KQYNXXCUSA-N |
Kemiske egenskaber | |
Formel |
C 10 H 16 N 5 O 13 P 3 [isomerer] |
Molar masse | 507,181 ± 0,014 g / mol C 23,68%, H 3,18%, N 13,81%, O 41,01%, P 18,32%, |
Enheder af SI og STP, medmindre andet er angivet. | |
Den adenosintriphosphat eller ATP , er en nukleotid dannet af et nukleosid til et triphosphat . I biokemi af alle kendte levende væsener tilvejebringer ATP den nødvendige energi til kemiske reaktioner i stofskiftet , til bevægelse , til celledeling eller til aktiv transport af kemiske arter over biologiske membraner . For at frigøre denne energi spaltes ATP-molekylet ved hydrolyse i adenosindiphosphat (ADP) og fosfat , en reaktion, der ledsages af en ændring i standardfri entalpi ΔG 0 ′ på -30,5 kJ mol -1 . De celler derefter regenererer ATP fra ADP grundlæggende tre måder: ved oxidativ phosphorylering i forbindelse med cellulære respiration , for photophosphorylation som en del af fotosyntesen , og ved phosphorylering på substratet under visse eksergoniske kemiske reaktioner , for eksempel under glycolyse eller Krebs 'cyklus . Således indeholder den menneskelige krop til enhver tid kun ca. 250 g ATP, men forbruger og regenererer hver dag i størrelsesordenen af sin egen vægt i ATP.
ATP-molekylet er et triphosphat gruppe bundet til atomet af carbon 5 'for en rest af ribose , en pentose , herunder carbonatomet 1' er bundet til atomet af nitrogen 9 'af en rest af adenin , en basis purin . De to P - O - P phosphoanhydridbindinger i triphosphatgruppen er bindinger med højt overførselspotentiale, det vil sige, at deres spaltning ved hydrolyse frigiver en stor mængde energi: dette er en exergonisk reaktion . Koblingen af en sådan exergonisk reaktion med en endergonisk reaktion , det vil sige en, der absorberer energi, er i stand til at gøre sidstnævnte termodynamisk mulig. På denne måde kan metaboliske reaktioner, der kræver input af energi, såsom biosyntese- reaktioner , som spontant forekommer meget langsomt eller slet ikke, finde sted meget hurtigere i celler.
ATP er forløberen for et antal kofaktorerenzym , der er vigtigt som NAD + eller CoA . Det er også en overførsel gruppe phosphat coenzym forbundet ikke-kovalent med enzymer af kinase familien . Sidstnævnte er involveret i transduktion af visse celle signalveje , ved phosphorylering af target -proteiner og enzymer, hvis aktivitet er således reguleret, eller ved phosphorylering af lipider . ATP er også substratet for adenylatcyclase , som omdanner det til cyklisk AMP . Dette er en intracellulær sekundær messenger, der især overtager fra hormoner som glukagon og adrenalin for at virke på metabolismen af glykogen , kulhydrater og lipider generelt. Forholdet mellem koncentrationen af ATP og koncentrationen af AMP bruges af celler til at bestemme deres energibelastning, det vil sige den mængde energi, de har, hvilket gør det muligt for dem, afhængigt af tilfældet, at lede deres stofskifte mod produktionen lagring af metabolisk energi. Endvidere anvendes ATP af RNA-polymeraser i transkriptionsprocessen af DNA til ribosomalt RNA og til messenger-RNA .
ATP blev opdaget i 1929 af den tyske biokemiker Karl Lohmann og parallelt af amerikanske biokemikere Cyrus Fiske og indiske Yellapragada Subbarao (in) . Det var den tyske Fritz Albert Lipmann, der foreslog, at han spillede rollen som mellemmand mellem reaktioner, der frigiver energi, og reaktioner, der absorberer den. ATP blev først syntetiseret i laboratoriet i 1948 af Alexander Robert Todd .
ATP består af adenin- , ribose- og tre phosphatgrupper , der danner en triphosphatgruppe . Disse tre fosfatgrupper betegnes fra ribose og udefter med de græske bogstaver α ( alfa ), β ( beta ) og γ ( gamma ). ATP er derfor tæt beslægtet med AMP , en af monomerer af RNA , og til dAMP , en af monomerer af DNA . ATP er meget opløseligt i vand. Det forbliver relativt stabilt i vandig opløsning til pH mellem 6,8 og 7,4, men hydrolyseres hurtigt ved mere sur eller mere basisk pH . Derfor opbevares ATP bedst som et vandfrit salt .
ATP er derimod ustabil, så snart den ikke længere er i en neutral pH- bufferopløsning . Derefter hydrolyseres det til ADP og fosfat. Dette skyldes, at hydrogenbindingerne mellem vandmolekyler på den ene side og ADP og phosphat på den anden side er stærkere end P - O - P - phosphoanhydridbindingerne, der forbinder phosphatgrupperne med hinanden i ATP - molekylet. Derfor har ATP tendens til næsten at adskille sig i ADP og fosfat efter længere eller kortere tid, når det er i opløsning i vand.
I neutral vandig opløsning ioniseres opløst ATP fire gange til dannelse af ATP 4 - anionen med en lille andel af ATP 3 - ioner .
Fordi ATP har flere negativt ladede grupper i en neutral opløsning, kan det chelatere de kationer af metal med høj affinitet. Molværdien af bindingskonstanten for nogle af disse almindelige metalkationer er som følger:
Disse interaktioner er stærke nok til, at det meste af ATP 4– er til stede i celler, der er sammensat med Mg 2+ .
Når et termodynamisk system er langt fra ligevægt, har det en fri entalpi, der gør det muligt at udføre arbejde i termodynamisk forstand . Levende celler opretholder et koncentrationsforhold mellem ATP og ADP tæt på 5, hvilket er ca. ti størrelsesordener højere end koncentrationsforholdet, der er etableret ved ligevægt, hvor næsten al ATP er dissocieret i ADP og fosfat. På grund af denne afvigelse fra ligevægt frigiver hydrolyse af ATP til ADP og fosfat en stor mængde energi.
Det er hydrolysen af de to phosphoanhydridbindinger, der binder de tilstødende phosphatgrupper af ATP, der frigiver energien i dette molekyle. Af denne grund kaldes disse phosphoanhydridbindinger af bekvemmelighed men forkert ofte som energirige bindinger. Denne egenskab er imidlertid vildledende, fordi disse bindinger ikke i sig selv indeholder mere energi end de andre, og deres brud kræver et bidrag af aktiveringsenergi som for brud på enhver anden binding; det er kun deres molekylære miljø, at deres hydrolyse er exergonisk , med en standardfri entalpi- variation på -30,5 kJ mol -1 (negativ, fordi energi frigives under reaktionen):
ATP + 2 H 2 O→ ADP + Pi + H 3 O + : ΔG 0 ′ = −30,5 kJ mol −1 .Omvendt er phosphoryleringsreaktionen af ADP til ATP endergonisk med en standardfri entalpiændring på 30,5 kJ mol -1 (positiv, fordi energi absorberes under reaktionen):
ADP + Pi + H 3 O +→ ATP + 2 H 2 O : ΔG 0 ' = 30,5 kJ mol −1 .Hydrolysereaktionen af ATP til AMP og pyrophosphat HP 2 O 7 3-er mere exergonisk, med en standardfri entalpi-variation på -45,6 kJ mol -1 :
ATP + 2 H 2 O→ AMP + PPi + H 3 O + : ΔG 0 ′ = −45,6 kJ mol −1 .ATP forbruges i celler ved biokemiske og fysiologiske processer, der kræver energi, kendt som endergonic , og regenereres kontinuerligt ved processer, der frigiver energi, kendt som exergonic . På denne måde tillader ATP at energi overføres mellem rumligt separate processer. Det er den vigtigste energikilde for langt størstedelen af cellulære funktioner, såsom metabolisme , biosyntese , aktiv transport gennem biologiske membraner eller endda cellernes bevægelighed og bevægelse af komplekse organismer ( muskelsammentrækning ).
ATP er også involveret i vedligeholdelse af cellestruktur såvel som i dets mobilitet ved at lette samling og demontering af elementerne i cytoskeletet . Ligeledes giver det energi til muskelsammentrækning ved at katalysere forkortelsen af actin- og myosinfilamenterne , hvilket er et væsentligt behov hos dyr , der er essentielt for deres bevægelse og åndedræt - både set fra synsvinklen fra ventilationen af deres lunger end fra den fungerende af deres hjerte , ansvarlig for at cirkulere deres iltede blod gennem kroppen .
ATP deltager i mekanismerne i cellesignalering i at blive genkendt af purinerge receptorer (i) , som er måske den mest rigelige receptorer i væv af pattedyr . Hos mennesker er denne rolle af cellesignalering vigtig både i centralnervesystemet og i det perifere nervesystem . P2-purinergiske receptorer aktiveres således ved frigivelse af ATP fra synapser , axoner og gliaceller . De P2Y-receptorer (i) er for eksempel koblede receptorer G-protein , der modulerer intracellulære niveauer af calcium og, til tider, at af cyklisk AMP .
Inde i celler bruges ATP af kinaser som kilder til fosfatgrupper til at udføre fosforyleringer . Phosphorylering af proteiner og membran- lipider er almindelige former for signaltransduktion . F.eks. Observeres en aktivering af proteiner ved kaskade-phosphoryleringer med MAP-kinaser . ATP er også substratet for adenylatcyclase , der producerer cyklisk AMP , en sekundær messenger, der udløser frigivelse af calcium fra dets intracellulære lagringspunkter. Denne form for signaltransduktion er særlig vigtig i hjernens funktion , skønt den også er involveret i en lang række andre cellulære processer.
I alle kendte levende væsener produceres deoxyribonukleotider, der udgør DNA , af en ribonukleotidreduktase (RNR) fra de tilsvarende ribonukleotider . Disse enzymer reducere den rest af ribose i deoxyribose med en gruppe sulfhydryl -SH af en rest cystein at danner en disulfidbinding med en anden cysteinrest i reaktionen. Deres reducerede form regenereres under virkningen af thioredoxin eller glutaredoxin .
Reguleringen af ribonukleotidreduktaser og beslægtede enzymer opretholder balancen i cellen mellem deoxyribonukleotider og ribonukleotider i forhold til hinanden. For lav koncentration af deoxyribonukleotider hæmmer DNA-reparation og replikation , som i sidste ende dræber cellen, mens et unormalt forhold mellem koncentrationerne af forskellige deoxyribonukleotider er mutagent på grund af den øgede sandsynlighed for at 'inkorporere en fejlagtig nukleinbase under DNA-replikation af DNA-polymeraser . Reguleringen eller forskellene i specificitet af ribonukleotidreduktaser er måske oprindelsen til ændringen af denne balance inden i puljen af deoxyribonukleotider observeret i en situation med cellulær stress såsom hypoxi .
Under transkriptionen af DNA i ribosomalt RNA og messenger-RNA er ATP et af de fire nukleotider, der er inkorporeret i RNA af RNA-polymeraser . Den krævede energi til at brænde denne polymerisation kommer fra hydrolysen af pyrophosphatgruppen i ATP. Processen er den samme som ved DNA-biosyntese bortset fra at ATP anvendes i stedet for deoxyadenosintriphosphat (dATP).
Den intracellulære koncentration af ATP er typisk af størrelsesordenen 1 til 10 mmol / l . ATP kan regenereres fra ADP ved hjælp af energi frigivet ved oxidation af kulhydrater eller lipider gennem et sæt processer kaldet cellulær respiration . Ca. 30 ATP-molekyler kan produceres for hvert oxideret glucosemolekyle . Oseserne (sukkerarterne) er allerede delvist oxiderede molekyler, så en fedtsyre kan generere flere ATP-molekyler pr. Carbonatom (16 for palmitat og 6 for glukose) og udgør størstedelen af reserverne og energiforsyningen til kroppen; men sukker, der er opløseligt i vand, er lettere tilgængeligt og oxideret. Det meste af ATP produceret af ikke- fotosyntetiske eukaryoter kommer fra oxidativ fosforylering i mitokondrier . Den β-oxidation og Krebs cyklus finder også sted i mitokondrierne, som kan besætte op til en fjerdedel af rumfanget af en celle; resten af ATP produceret af disse organismer regenereres ved phosphorylering på substratniveau , for eksempel under glykolyse eller ved fermentering i cytoplasmaet . De planter og fotosyntetiske bakterier , til gengæld producerer ATP væsentlige photophosphorylation .
Den glucose omdannes til pyruvat af en metabolisk vej kaldet glykolyse . De fleste levende væsener realisere denne transformation i cytoplasma af deres celler , men nogle protozoer , såsom dem fra klassen af kinetoplastid , adfærd i organel specialiseret kaldet glycosome . Der produceres to ATP-molekyler for hvert molekyle glucose, der oxideres ad denne vej, på niveauet med to enzymer, som udfører phosphorylering på niveauet af substratet : phosphoglyceratkinase og pyruvatkinase . To NADH- molekyler produceres også af NAD + , som kan oxideres af åndedrætskæden og producere yderligere ATP-molekyler. Pyruvat produceret i slutningen af glykolysen er et substrat for Krebs-cyklussen .
I mitochondrier , pyruvat er oxideres ved pyruvatdehydrogenasekomplekset til dannelse acetyl-CoA . Sidstnævnte oxideres til CO 2, NADH og FADH 2ved Krebs-cyklussen , også med produktion af GTP , som energisk svarer til ATP.
NADH og FADH 2overføre deres elektroner med højt overførselspotentiale til åndedrætskæden , der producerer yderligere ATP-molekyler ved oxidativ phosphorylering , med en hastighed på 2 til 3 ATP-molekyler pr. NADH-molekyle og 1 til 2 ATP-molekyler pr. FADH 2. Det meste af ATP i ikke- fotosyntetiske celler produceres på denne måde. Selv Krebs cyklus ikke direkte kræver tilstedeværelse af ilt O 2, kan den ikke fungere uden den, fordi det er iltet, der tjener som den sidste acceptor af elektroner i åndedrætskæden, hvilket muliggør regenerering af NAD + og FAD fra NADH og FADH 2produceret af Krebs-cyklussen: i mangel af ilt ophører sidstnævnte med at fungere i mangel af NAD + og FAD.
Strømmen af elektroner gennem respirationskæden tillader protoner at blive pumpet ud af den mitokondrielle matrix , som genererer en membran elektrokemiske potentiale på tværs af indre mitokondrielle membran grund til den resulterende proton koncentrationsgradient . Spredningen af dette elektrokemiske membranpotentiale ved ATP-syntaser giver den nødvendige energi til phosphorylering af ADP til ATP: dette kaldes kemiosmotisk kobling mellem luftvejskæden og phosphorylering af ADP. ATP-syntase er et komplekst enzym, der har en molekylær rotor, der drives af tilbagesvaling af protoner fra mitokondrie-intermembranrummet, og som overfører sidstnævntes energi til niveauet for ADP-phosphorylering.
Regenerering af ATP i mitokondrier fra NADH produceret i cytosolen involverer at føre den indre mitokondrie membran gennem NADH til den mitokondrie matrix og NAD + i den anden retning. Faktisk kan disse molekyler ikke krydse denne membran alene, så det er deres elektroner med højt overførselspotentiale, der krydser den. Den eukaryote bruger i det væsentlige to måder at gøre dette på: shuttle malat-aspartat og i mindre grad shuttle af glycerol 3-phosphat .
I lighed med det, der observeres for NAD + , forbruges ATP regenereret i mitokondrier hovedsageligt i cytoplasmaet og i kernen , hvor ADP dannes, som skal phosphoryleres til ATP i cellerne. Disse materialestrømme involverer cirkulation af ADP gennem den indre mitokondriemembran fra cytosolen til den mitokondriale matrix, mens ATP regenereret i mitokondrierne krydser denne membran i omvendt retning for at blive forbrugt i cytosolen og i kernen. Da den indre mitokondrielle membran også er uigennemtrængelig for ADP og ATP, skal disse molekyler låne integrerede membranproteiner kaldet ATP / ADP-translokaser for at krydse den.
I planter , er ATP produceret ved photophosphorylation i membranen af thylakoider inde i chloroplaster . Princippet svarer til det, der implementeres i forbindelse med oxidativ fosforylering , med kemiosmotisk kobling af samme art, med den forskel, at energien kommer fra fotoner fanget af de fotosyntetiske pigmenter og ikke fra oxidationen af kulhydrater og lipider . Noget af denne ATP indtages i kloroplasten for at producere kulhydrater gennem Calvin-cyklussen .
Kroppens ATP-lagre overstiger ikke et par sekunders forbrug. I princippet genbruges ATP konstant, og enhver proces, der blokerer for regenerering, forårsager hurtigt den forurenede organisme. Dette er for eksempel tilfældet med visse kampgasser, der er designet til dette formål, eller med giftstoffer, såsom cyanid , som blokerer cytokrom c- oxidasen i åndedrætskæden i mitokondrier eller arsen , som erstatter fosfor og gengiver ubrugelige fosformolekyler.
Den kreatin kan spille som en akkumulator lagre en høj potentiel phosphatgruppe overførsel fra et ATP-molekyle, der efterfølgende kan overføres til en ADP-molekyle til regenerere ATP:
![]() |
+ ATP ADP + |
![]() |
Kreatin | Phosphocreatin | |
Kreatinkinase - EC |
ATP som sådan ikke kan lagres i celler, er så metabolisk energi lagres for eksempel som lipider i fedtvæv eller carbohydrater , såsom glycogen i dyr eller stivelse i dyr. Planter .
Produktionen af ATP i en celle af eukaryot aerob reguleres tæt af allosterikum , ved feedback og ved koncentrationen af substrater til de forskellige enzymer i glykolysen og den oxidative phosphorylering . Kontrolpunkterne findes i reaktioner, der er så termodynamisk gunstige, at de faktisk er irreversible under fysiologiske forhold.
Den hexokinase direkte inhiberes af produktet af reaktionen det katalyserer , nemlig glucose-6-phosphat , hvorimod pyruvatkinase inhiberes af ATP selv. Hovedpunktet for regulering af glykolyse er phosphofructokinase (PFK), som allosterisk hæmmes, når ATP er rigelig, men aktiveres, når AMP er rigelig. Hæmning af dette enzym med ATP er usædvanligt, da ATP er et substrat for den reaktion, det katalyserer. Den biologisk aktive form af dette enzym er en tetramer, der findes i to mulige konformationer, hvoraf kun den ene kan binde til fruktose-6-phosphat , som er det andet substrat for dette enzym. Det protein har to ATP-bindingssteder: det aktive sted er tilgængeligt i enten konformation, men ATP-binding til den inhiberende stedet stabiliserer konformationen som kun binder svagt til fructose-6-phosphat. Et bestemt antal andre små molekyler er i stand til at kompensere for den inhiberende virkning af ATP og således genaktivere phosphofructokinase; dette er for eksempel tilfældet med cyklisk AMP , ionerne ammonium , ioner phosphat , fruktosen 1,6-bisphosphat og fruktose 2,6-bisphosphat .
Den Krebs cyklus i det væsentlige reguleres af tilgængeligheden af dets vigtigste substrater , især forholdet mellem koncentrationen af NAD + og NADH , samt koncentrationerne af calcium , phosphat , ATP, ADP og AMP . Den citrat er en inhibitor af citratsyntase virkende gennem tilbagemelding og en inhibitor af phosphofructokinase , som binder reguleringen af Krebs cyklus til den af glycolyse .
Reguleringen af oxidativ phosphorylering er i det væsentlige baseret på cytochrom c oxidase , som er reguleret af tilgængeligheden af dets substrat, nemlig reduceret cytochrom c . Mængden af reduceret cytochrom c tilgængelig afhænger direkte af mængden af andre substrater:
1 ⁄ 2 NADH + oxideret cyt c + ADP + Pi 1 ⁄ 2 NAD + + reduceret cyt c + ATP,dermed ligningen nedenfor, udledt af denne ligevægt:
Således indebærer et højt [NADH] ⁄ [NAD + ] koncentrationsforhold eller et højt [ADP] [Pi] ⁄ [ATP] koncentrationsforhold (højre side af denne ligestilling) et [ reduceret cyt c ] ⁄ koncentrationsforhold [ oxideret cyt c ] (venstre lem), dvs. en høj koncentration af reduceret cytochrom c , og en stærk aktivitet af cytochrom c oxidase.
Et yderligere reguleringsniveau introduceres af hastigheden af ATP- og NADH-transport mellem mitokondrie-matrixen og cytosolen .
Nogle proteiner, der binder til ATP, har en karakteristisk foldning kaldet Rossmann-folden , et generelt strukturmotiv af proteiner, der binder til nukleotider , såsom dem, der binder til NAD . De mest almindelige ATP-bindende proteiner, kaldet kinaser , deler nogle få fælles strukturelle træk. De proteinkinaser , som er den største gruppe af kinaser og andel specialiseret strukturelle træk i ATP-bindende og fosfat overførsler grupper.
ATP kræver generelt tilstedeværelsen af en divalent kation for at danne et kompleks med proteiner . Det er næsten altid en kation af magnesium Mg 2+ , der binder til phosphatgrupperne i ATP. Denne kation reducerer signifikant dissociationskonstanten for ATP - proteinkomplekset uden at påvirke enzymets evne til at katalysere dets kemiske reaktion, når ATP er bundet. Tilstedeværelsen af magnesiumkationer kan udgøre en mekanisme til regulering af kinaser.
In vitro- eksperimenter bruges ofte til at studere biokemiske processer, der involverer ATP, og hæmmere af enzymer, der bruger ATP, såsom kinaser , er nyttige instrumenter til at undersøge bindings- og overgangstilstande involveret i reaktioner, der involverer ATP. Anvendes ligesom ATP i røntgenkrystallografi til bestemmelse af proteinstrukturen danner et kompleks med ATP, ofte i kombination med andre substrater. De mest nyttige ATP-analoger er dem, der ikke hydrolyserer som ATP ville, og blokerer enzymet i en tilstand tæt på ATP - enzymkomplekset. Den adenosin 5 '- [γ-thio] triphosphat (ATPyS), for eksempel, er en analog af ATP meget almindeligt anvendt i laboratoriet: et af atomerne af oxygen af phosphat γ er erstattet med et atom af svovl , og ATPyS hydrolyserer med en betydeligt langsommere hastighed end ATP's, så den fungerer som en hæmmer af processer, der er afhængige af hydrolysen af et ATP-molekyle. Der er imidlertid enzymer, der er i stand til at hydrolysere dem med forholdsvis høje hastigheder, når de er i tilstrækkelig koncentration, hvilket indebærer at man med forsigtighed skal fortolke de opnåede resultater med sådanne inhibitorer.
I krystallografi, er hydrolyseprodukter overgangstilstande undersøgt under anvendelse komplekser af vanadat ioner .