ATP - przenośnik energii w komórce

W komórce zachodzi jednocześnie wiele różnych procesów chemicznych. Przemianom materii towarzyszą przemiany energii. Energia uwalniana podczas reakcji katabolicznych może zostać wykorzystywana przez reakcje anaboliczne wymagające jej nakładów. Oba rodzaje reakcji zachodzą równocześnie, ale najczęściej w innych przedziałach komórkowych – dlatego ich sprzężenie jest możliwe jedynie dzięki przeniesieniu energii. Funkcję uniwersalnego nośnika energii pomiędzy tymi reakcjami pełni ATP, czyli adenozynotrifosforan (adenozyno‑5-trifosforan).

ATP – uniwersalny nośnik energii

ATP, czyli adenozynotrifosforan, to nukleotyd zbudowany z zasady azotowej adeniny, pięciowęglowego cukru rybozy oraz trzech reszt fosforanowych. Między resztami fosforanowymi znajdują się wysokoenergetyczne wiązania bezwodnikowe.

R181jMJ13yJOv

Na ilustracji przedstawiono schemat budowy cząsteczki ATP. Cząsteczka adenozynotrifosforanu jest zbudowana z trzech grup fosforanowych połączonych szeregowo mostkami tlenowymi. Do ostatniego tlenu grupy fosforanowej przyłączony jest pięcioczłonowy pierścień rybozy w pozycji 1. W pozycjach 2 i 3 pierścień umiejscowione są grupy hydroksylowe a w pozycji 4 przyłączona jest zasada adeninowa. Jest to dwupierścieniowy związek: jeden pierścień jest pięcioczłonowy drugi sześcioczłonowy. Atom azotu, przez który cząsteczka adeniny łączy się z rybozą, tworzy wiązanie pojedyncze z atomem węgla, a ten z kolei wiązanie podwójne z kolejnym atomem azotu. kolejne dwa atomy węgla tworzą wiązanie pierścienia sześcioczłonowego. U góry tego pierścienia jest przyłączona grupa aminowa, atom węgla połączony z nią łączy się z atomem azotu, ten z kolei tworzy wiązanie z atomem węgla, który tworzy wiązanie z atomem azotu. Pierścień sześcioczłonowy jest pierścieniem aromatycznym.

Rozkład ATP

Energia chemiczna zawarta w wysokoenergetycznych wiązaniach bezwodnikowych zostaje uwolniona w czasie reakcji rozkładu ATP – hydrolizy ATP. Wówczas z wysokoenergetycznego substratu – ATP powstają produkty o niższej energii swobodnejenergia swobodna (G)energii swobodnej – ADP (adenozynodifosforan) i POIndeks dolny 4₄Indeks górny 3-  Indeks górny koniec^3- (reszta fosforanowa) oraz zostaje wydzielona znaczna ilość energii.

W pewnych przypadkach, jeśli wymaga tego dany proces chemiczny, możliwa jest reakcja rozkładu ADP – hydrolizyhydrolizahydrolizy ADP. Wówczas z wciąż wysokoenergetycznego substratu – ADP powstają produkty o niższej energii swobodnej– AMP (adenozynomonofosforan) i POIndeks dolny 4₄Indeks górny 3-^3- (reszta fosforanowa) oraz zostaje wydzielona znaczna ilość energii.

Powstawanie ATP

ATP powstaje w procesie fosforylacjifosforylacjafosforylacji ADP. Wyróżnia się trzy rodzaje fosforylacji:

• fosforylację substratową

• fosforylację oksydacyjną

• fosforylację fotosyntetyczną

W komórkach eukariotycznych fosforylacja substratowa zachodzi w cytoplazmie oraz mitochondriach, fosforylacja oksydacyjna w mitochondriach, a fosforylacja fotosyntetyczna w chloroplastach. W komórkach prokariotycznych wszystkie rodzaje fosforylacji zachodzą w cytoplazmie.

Fosforylacja substratowa

Fosforylacja substratowa polega na przeniesieniu reszty fosforanowej ze związku ufosforylowanego (np. glukozy połączonej z resztą fosforanową) bezpośrednio na ADP, czyli adenozynodifosforan, w wyniku czego powstaje cząsteczka ATP.

Fosforylacja oksydacyjna i fotosyntetyczna

Powstawanie ATP w procesach fosforylacji oksydacyjnej i fotosyntetycznej wyjaśnia teoria chemioosmozy. Według niej ATP tworzy się z ADP i nieorganicznego fosforanu (Pi) dzięki energii pochodzącej z różnicy stężenia protonów (jonów H⁺) po dwóch stronach błony. Taka różnica powstaje w mitochondriach (na wewnętrznej błonie) i w chloroplastach (na błonach tylakoidów). Protony przepływają przez specjalne białko w błonie – syntazę ATP. Ten przepływ dostarcza energii potrzebnej do połączenia ADP i Pi, tworząc ATP z wiązaniem wysokoenergetycznym.

Fosforylacja oksydacyjna zachodzi podczas ostatniego etapu oddychania tlenowego. Do zajścia tego procesu niezbędny jest tlen. Fosforylacja fotosyntetyczna zachodzi w pierwszym etapie fotosyntezy, a do jej zajścia niezbędne jest światło.

ATP jako łącznik między reakcjami anabolicznymi katabolicznymi

W komórce procesy syntezy i rozkładu ATP zachodzą nieustannie. Do wytwarzania ATP wykorzystywana jest energia, na przykład energia światła (w fotosyntezie) lub energia chemiczna uwalniana podczas utleniania substancji pokarmowych w oddychaniu komórkowym. Powstały ATP jest następnie rozkładany (hydrolizowany), a energia uwolniona z jego wiązań bezwodnikowych umożliwia przebieg reakcji anabolicznych, takich jak synteza cukrów czy białek. ATP działa więc jak pośrednik – gromadzi energię z egzoergicznychreakcja egzoergicznaegzoergicznych procesów katabolicznych i dostarcza ją tam, gdzie jest potrzebna do zachodzenia endoergicznychreakcja endoergicznaendoergicznych procesów anabolicznych.

R15vZvSQH8rDt

Na ilustracji pokazano dwa procesy przeciwstawne – katabolizm i anabolizm. Od lewej strony dwa pola tekstowe – na jednym zapisano Węglowodany, tłuszcze, białka plus o2, na drugim A de pe plus pi strzałki prowadzące od tych pół przechodzą przez napis Katabolizm i rozchodzą się na dwa pola tekstowe po prawej stronie. na jednym z pól napisano Co2 plus H2o, na drugim polu napisano A te pe. Następnie od tych dwóch pół tekstowych odchodzą strzałki, które przechodzą przez napis: Anabolizm i rozchodzą się do pół tekstowych po lewej stronie, czyli do pół z napisami Węglowodany, tłuszcze, białka plus o2 oraz a de pe plus pi.

Podsumowanie

• ATP, czyli adenozynotrifosforan, to podstawowy nośnik energii w komórce.

• Cząsteczka ATP składa się z zasady azotowej (adeniny), cukru pięciowęglowego (rybozy) i trzech reszt fosforanowych połączonych wiązaniami wysokoenergetycznymi.

• Rozpad ATP polega na odłączeniu jednej lub dwóch grup fosforanowych, z wytworzeniem odpowiednio ADP (adenozynodifosforanu) i AMP (adenozynomonofosforanu). Towarzyszy temu uwolnienie energii, wykorzystywanej przez komórkę.

• Fosforylacja to proces przyłączania reszty fosforanowej do ADP, prowadzący do odtworzenia ATP. Wyróżnia się fosforylację substratową i chemiosmozę, na której bazuje fosforylacja oksydacyjna i fotosyntetyczna.

• ATP dostarcza energii do większości procesów życiowych, m.in. skurczu mięśni, transportu aktywnego przez błony, biosyntezy białek, replikacji DNA czy podziałów komórkowych. Jest uniwersalnym, szybko odnawialnym przenośnikiem energii.

Ćwiczenia utrwalające

1

Ćwiczenie 4

Na schemacie przedstawiono wzajemne przekształcenia ATP i ADP. Zapoznaj się z nim, a następnie rozwiąż polecenie.

RegsakZJZsmZd

Ilustracja

R16MbP4GpxJCE

Podaj nazwy reakcji oznaczonych cyframi 1 i 2 oraz nazwy związków chemicznych oznaczonych literami X i Y. Określ, która reakcja jest egzoergiczna, a która endoergiczna. (Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Przypomnij sobie, jak nazywają się reakcje rozkładu zachodzące z udziałem cząsteczki wody oraz reakcje przyłączenia grupy fosforanowej. Zastanów się, która z reakcji – synteza czy rozkład cząsteczki ATP – przebiega z wydzieleniem energii.

Pokaż odpowiedź

Opis oznaczeń:
x – fosforan nieorganiczny/reszta fosforanowa(V)/PIndeks dolny i_i;
y – woda;
1 – synteza ATP/fosforylacja;
2 – rozkład ATP/ hydroliza ATP.

Reakcja endoergiczna została oznaczona cyfrą „1” – jest nią synteza ATP. 
Reakcja egzoergiczna została oznaczona cyfrą „2” – jest nią rozkład ATP.

1

Ćwiczenie 4

R1c4xiUPF13Qt

(Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Zastanów się, co dzieje się z wiązaniami fosforanowymi w cząsteczce ATP podczas jej rozpadu i dlaczego ten proces jest związany z uwalnianiem energii. Możesz też pomyśleć, jakie produkty powstają w wyniku tej reakcji.

Pokaż odpowiedź

Reakcja hydrolizy ATP polega na odłączeniu jednej z trzech reszt fosforanowych od cząsteczki ATP (adenozynotrifosforanu), w wyniku czego powstaje ADP (adenozynodifosforan) i nieorganiczny fosforan (Pi), a także uwalniana jest energia.