ATP ATP- czyli adenozynotrifosforan, jest to nukleotyd, który w Twoim organizmie pełni bardzo ważną funkcję. Mianowicie jest przenośnikiem energii. Abyś mógł się poruszać, mówić, trawić i do wielu innych rzeczy potrzebna jest Ci energia. Z kolei, aby Twój organizm mógł z niej skorzystać, musi być ona zmagazynowana i transportowana w odpowiedniej formie. ATP odkrył w 1929 roku Karl Lohmann, z kolei Fritz Albert Lipmannw 1941 zaproponował, że jest to związek kluczowy w transporcie energii w komórce. W tym materiale zapoznamy się z budową, powstawaniem oraz podstawowymi funkcjami ATP.
Budowa Powyżej przedstawiono wzór strukturalny adenozynotrifosoranu. Wygląda on dość skomplikowanie, jednak to wyjaśnienie z pewnością pozwoli ci lepiej go zrozumieć. Na niebiesko narysowano rybozę- czyli pięciowęglowy cukier. Zapewne kojarzysz już tę nazwę, gdyż pojawiła się ona w budowie RNA. Na czerwono zaznaczono adeninę, czyli zasadę azotową. Ta nazwa też zapewne nie jest ci obca- adenina występowała w DNA. Na żółto namalowano zaś resztę fosforanową(v), a dokładniej 3 reszty fosforanowe. W nazwie ATP- literka „T” odpowiada tri, co oznacza z greckiego trzy. Natomiast litera „P” to nic innego jak fosfor. Gdy spojrzysz na układ okresowy, zobaczysz, że taki właśnie symbol ma fosfor. Zatem nasze „TP”, to nic innego jak właśnie trifosforan, czyli trzy reszty fosforanowe(V). Mógłbyś się zastanawiać, dlaczego akurat reszty fosforanowe(V), a nie, np. (III). Otóż odpowiedź jest bardzo prosta- rzymska liczba w nawiasie oznacza wartościowość, tj. liczbę wiązań jaką tworzy fosfor. Gdy spojrzysz na obrazek u góry zobaczysz, że od fosforu odchodzi jedno wiązanie do tlenu na dole, jedno do tlenu w lewo, jedno do tlenu w prawo i jedno podwójne wiązanie (liczymy je zatem jako dwa wiązanie pojedyncze) do tlenu u góry. Mamy łącznie zatem 5 wiązań, dlatego reszta fosforanowa(V).
Wzór ten jest trudny do narysowania, zatem dla uproszczenia narysujmy go tak: Ponownie na żółto narysowano trzy reszty fosforanowe(V), na niebiesko rybozę, a na czerwono adeninę. Na początku tego opracowania zostało wspomniane, że ATP magazynuje energię. Jednak gdzie dokładnie? Otóż energia w tym związku zmagazynowana jest w wiązaniach między resztami fosforanowymi(V). W dwóch wysokoenergetycznych wiązaniach pokazanych na rysunku zmagazynowana jest energia. Jednak co zrobić, aby ją uwolnić?
Ciekawostka! Wiązanie pomiędzy rybozą a adeniną nazywamy wiązaniem N-glikozydowym.
Uwalnianie energii Energia jest uwalniana podczas rozkładu ATP. Zobaczmy na przebieg tej reakcji. Jak widzimy doszło do oderwania jednej reszty fosforanowej(V), co spowodowało uwolnienie energii. Aby ten proces mógł zajść potrzebna była woda (H2O). Rozkład nastąpił, ponieważ w ATP mamy trzy ładunki ujemne (patrz obrazek pierwszy) i one bardzo chcą „oderwać” się od siebie, co jest możliwe przy udziale wody. Oprócz energii i jednej reszty fosforanowej(V) powstał związek, który jest bardzo podobny do ATP. Jednak widzimy, że nie ma on trzech reszt fosforanowych(V), zatem nie będzie to adenozynoTRIfosforan, ponieważ powiedzieliśmy sobie, że tri oznacza trzy, a skoro mamy dwie reszty to potrzeby nam przedrostek oznaczający dwa. Będzie to „di”. Powstały związek nosi nazwę adenozynodifosforan, w skrócie ADP. Spróbujmy zapisać powyższą reakcję sumarycznie, a nie schematycznie.
ATP+H2O→ADP+Pi+energia
Pi – oznacza odłączoną resztę fosforanową(V). Rekcja rozkładu ATP przy udziale wody do ADP nosi nazwę hydrolizy ATP.
W wielu opracowaniach spotkasz się z wyjaśnieniem, że ATP to bateria, która po rozkładzie i uwolnieniu energii uległa rozładowaniu (postać rozładowana to oczywiście ADP). Ale czy rzeczywiście jest ona całkowicie rozładowana? Przecież ADP ma jeszcze jedno wiązanie wysokoenergetyczne. Czy może ono zostać wykorzystane? Odpowiedź jest prosta- tak, może ADP może ulec hydrolizie i ponownie wydzielić energię. zobaczmy jak to będzie wyglądało:
Widzimy, że ADP uległo rozkładowi, „odczepiła” się jedna reszta fosforanowa(V) wraz z wydzieleniem energii. Cała reakcja zaszła przy współudziale wody. Powstał również związek, podobny do ADP, który jednak zawiera jedną resztę fosforanową(V). Potrzebujemy więc przedrostka oznaczającego jeden. Ten przedrostek to „mono”. Zatem powstały związek będzie nosił nazwę adenozynomonofosforan, w skrócie AMP. Zapiszmy tę reakcję sumarycznie:
ADP+H2O→AMP+Pi+energia
Wiemy zatem, że ATP może ulec hydrolizie do ADP, natomiast ADP zostać zhydrolizowane do AMP. Czy można pominąć etap pośredni powstawania AMP, to znaczy, czy można przejść z ATP od razu do AMP? Tak, można, wtedy reakcja prezentuje się następująco:
ATP+H2O→AMP+PPi+energia
W reakcji powstaje AMP oraz cząsteczka difosforanu.
Porównaliśmy wcześniej ADP do rozładowanej baterii, czy jednak możemy naładować ADP tak, jak byśmy zrobili to z baterią? Oczywiście, po odłączeniu od ADP reszty fosforanowej(V) możemy ją ponownie przyłączyć. Będzie to wymagało dostarczenia energii oraz usunięcia cząsteczki wody. Można z tego wyciągnąć prosty wniosek: ta reakcja będzie reakcją przeciwną do reakcji hydrolizy ATP. Skoro z ATP możemy stworzyć ADP i odwrotnie, to widzimy, że ta reakcja jest odwracalna, dlatego bardzo często równaniem reakcji powstawania ADP, będzie zawierało tak zwaną podwójną strzałkę, to jest „⇋”. Obrazuje to, że reakcja jest odwracalna.
ATP+H2O⇋ADP+Pi+energia
Reakcja do niej przeciwna, która polega na przyłączeniu reszty fosforanowej(V), to reakcja fosforylacji.
Ważne! Dużo częściej będzie zachodziła hydroliza ATP do ADP, dlaczego? Dlatego, że ADP można naładować, natomiast reakcja hydrolizy ATP do AMP będzie nieodwracalna, zatem nasza bateria będzie niemożliwa do naładowania.
Wyróżnijmy dwa rodzaje fosforylacji- substratową i oksydacyjną. Spójrzmy na porównanie tych dwóch typów fosforylacji:
cecha:
fosforylacja substratowa
fosforylacja oksydacyjna
obecność tlenu
brak tlenu
tlen jest obecny
produktywność
powstaje mało ATP
powstaje dużo ATP
Wobec tego, możemy zatem łatwo sklasyfikować tę fosforylację, która jest reakcją odwrotną do reakcji hydrolizy.
energia (związek wysokoenergetyczny) +ADP+
Pi → ATP+H2O
Widzimy, że w tej reakcji nie bierze udziału tlen, zatem jest to fosforylacja substratowa.
Metabolizm Wszystkie opisane powyżej reakcje, wchodzą w skład reakcji metabolicznych, do których należą wszystkie reakcje zachodzące w naszym organizmie. Metabolizm dzielimy jednak na dwa podtypy: Anabolizm Katabolizm Aby wiedzieć, z którymi reakcjami anabolicznymi czy katabolicznymi mieliśmy do czynienia, zróbmy porównanie dwóch typów reakcji:
Anabolizm
Katabolizm
substratami są związki proste
substratami są związki złożone
produktami są związki złożone
produktami są związki proste
wymaga dostarczenia energii
przebiega z wydzieleniem energii
Możemy wyciągnąć prosty wniosek. Reakcje hydrolizy, czyli te, w których odczepialiśmy reszty fosforanowe(V), są reakcjami katabolicznymi, ponieważ wydziela się energia i następuje rozkład związku złożonego. Natomiast reakcja fosforylacji jest reakcją anaboliczną, ponieważ do jej zajścia potrzebna jest energia, a produktem reakcji jest związek złożony.
Powstawanie ATP Powiedzieliśmy, że ATP może zostać zhydrolizowane do ADP, a ono może ulec fosforylacji, aby ponownie zmienić się w ATP. Jednak, jak proces powstawania ATP wygląda w naszych komórkach? Jak nasz organizm wytwarza tak duże ilości ATP i gdzie to wszystko się odbywa? Nasz organizm wytwarza ATP w procesie oddychania. Uwaga! oddychanie i wymiana gazowa to nie to samo! Wymiana gazowa to dostarczenie do organizmu tlenu (wdech) i wydalenie dwutlenku węgla (wydech). Natomiast oddychanie to proces, w którym komórki naszego ciała wykorzystują tlen dostarczony w wymianie gazowej. Nasz organizm wytwarza ATP w procesie oddychania. Wyróżniamy oddychanie tlenowe (jak sama nazwa mówi, z udziałem tlenu) i fermentację, czyli uzyskiwanie energii bez udziału tlenu. Jest to proces mniej wydajny niż oddychanie tlenowe. Ogólne równanie oddychania tlenowego wygląda tak:
C
6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+energia glukoza+ tlen → dwutlenek węgla+ woda+ energia (w postaci ATP)Reakcja ta jest egzoergiczna, co znaczy, że wydziela się bardzo duża ilość energii, dlatego utlenianie glukozy zachodzi w komórce wieloetapowo, gdyż w przeciwnym wypadku, komórka po prostu by wybuchła z powodu nadmiaru nagromadzonej energii. Etapy oddychania tlenowego: glikoliza reakcja pomostowa cykl Krebsa łańcuch oddechowy Glikoliza- zachodzi w cytozolu, w reakcji bierze udział glukoza, a finalnym produktem reakcji będą dwie cząsteczki pirogronianu. Podczas tej reakcji powstaną dwie cząsteczki ATP w reakcji fosforylacji substratowej ADP. Jednak na samym początku glikolizy dwie cząsteczki ATP zostaną zużyte, tj. przekształcone w ADP. Oprócz pirogronianu w glikolizie powstaną również dwie cząsteczki NADH*, które są odpowiedzialne za przeniesienie elektronów na łańcuch oddechowy, gdzie będą potrzebne później. Uwaga! Mówi się, że oddychanie tlenowe zachodzi tylko w mitochondrium, co jest nieprawdą- pierwszy etap (glikoliza) zachodzi w cytozolu. Ponadto błędem jest powiedzenie, że do mitochondrium „wchodzi” glukoza, ponieważ „wchodzi” tam pirogronian powstały w reakcji glikolizy. Reakcja pomostowa- odbywa się w mitochondrium, podczas reakcji pomostowej pirogronian przekształca się w acetylokoenzym A (acetylo-CoA), powstają przenośniki elektronów NADH*, które transportowane są na łańcuch oddechowy oraz powstaje dwutlenek węgla, który jest wydalany z organizmu. Do reakcji pomostowej konieczna jest obecność tlenu. Cykl Krebsa- W cyklu Krebsa z acetylokonezymu A powstają przenośniki elektronów NADH* i FADH2 , które transportowane są na łańcuch oddechowy. Powstaje tlenek węgla (IV), który jest wydalany oraz 2 cząsteczki ATP. Cykl Krebsa zachodzi w mitochondrium. Łańcuch oddechowy- W tym etapie przenośniki elektronów z wcześniejszych etapów oddają elektrony. Te elektrony służą to transportu protonów, które powstały wcześniej, np. w reakcji pomostowej. W skutek tego mamy różnicę ilości protonów po jednej i po drugiej stronie, (protony znajdują się pomiędzy błonami mitochondrium, natomiast sam łańcuch oddechowy zachodzi na błonie wewnętrznej) co prowadzi do powstania tzw. gradientu protonowego. Gradient protonowy napędza reakcję powstawania ATP (fosforylację oksydacyjną). Powstanie ATP przyspiesza enzym- syntaza ATP. Cała reakcja wygląda tak:
ADP+
Pi +elektrony z NADH i FADH2 + protony+ O2 →ATP+NAD+ +FAD+H2OPowstało bardzo dużo cząsteczek ATP, jest to około 26 cząsteczek. Oprócz tego NADH i FADH2 oddały elektrony (NAD+ i FAD tak wyglądają ich formy bez elektronów) tlenowi, dzięki czemu powstała woda. *mówiąc powstaje przenośnik elektronów rozumiemy to jako: do przenośnika przyłączy się elektron, dlatego stanie się przenośnikiem zredukowanym. Formy zredukowane to NADH i FADH2 , natomiast formy utlenione (po oddaniu elektronów) to NAD+ i FAD. Powyżej przedstawiono sposób otrzymania energii z udziałem tlenu, co jednak, kiedy tego tlenu nie ma, np. podczas długotrwałego wysiłku? Wtedy będziemy mieli do czynienia z drugim rodzajem oddychania komórkowego, czyli z fermentacją, a dokładniej z fermentacją mleczanową. Wiemy, że ten proces jest dużo mniej wydajny niż oddychanie tlenowe. W organizmie człowieka fermentacja mleczanowa będzie zachodziła na przykład w mięśniach szkieletowych. Fermentację mleczanową dzielimy na dwa etapy: Glikoliza Redukcja pirogronianu Pierwszy etap fermentacji mleczanowej jest identyczny jak pierwszy etap oddychania komórkowego. Komórka zyskuje dwie cząsteczki ATP i zostaje wytworzony pirogronian. Dodatkowo powstaną dwie cząsteczki NADH. (do NAD+ przyłączy się elektron). Glikoliza zachodzi w cytozolu. Drugi etap to redukcja pirogronianu. Kiedy w komórce brakuje tlenu, nie może zajść reakcja pomostowa. Pirogronian przekształci się w kwas mlekowy, a do tego konieczne będą elektrony od przenośników elektronów z glikolizy. Po oddaniu elektronów przenośniki wracają do formy utlenionej i gotowe są zabrać kolejny elektron. Są zatem gotowe do reakcji glikolizy, w której to elektrony te zostaną im przekazane. Podczas jednego procesu fermentacji mleczanowej wytworzono dwie cząsteczki ATP, natomiast podczas jednego procesu oddychania komórkowego aż 30. W momencie, w którym tlen będzie już w komórce dostępny, pirogronian nie będzie redukowany do kwasu mlekowego, lecz wejdzie do reakcji pomostowej i zostanie przywrócony bieg reakcji oddychania tlenowego. Ciekawostka- jak to wygląda u roślin? Fosforylacja zachodząca w roślinach ma miejsce w chloroplastach. Do ADP przyłączy się reszta fosforanowa(V) przy pomocy energii światła. Ten rodzaj fosforylacji nazywamy fosforylacją fotosyntetyczną, ponieważ zachodzi podczas fotosyntezy roślin. Tak prezentuje się reakcja fosforylacji fotosyntetycznej:
ADP + Pi +energia światła → ATPPodsumowanie: ATP, czyli adenozynotrifosofran składa się z: rybozy, adeniny i trzech reszt fosforanowych(V). Jego podstawowym zadaniem jest transport i magazynowanie energii Energia zmagazynowana jest w wiązaniach między resztami fosforanowymi(V), dlatego wydzielenie energii odbywa się przy „odczepianiu” reszty fosforanowej(V) od ATP. Po odczepieniu reszty fosforanowej(V) ATP staje się ADP, jest to reakcja hydrolizy, która należy do reakcji katabolicznych i jest odwracalna. Można z ADP zrobić ATP, przyłączając resztę fosforanową(V) do ADP- ta reakcja to reakcja fosforylacji. W ciele człowieka ATP powstaje w wyniku procesu oddychania- zarówno tlenowego, jak i beztlenowego (fermentacji), choć proces oddychania tlenowego jest bardziej wydajny. Etapy oddychania tlenowego to: glikoliza, reakcja pomostowa, cykl Krebsa i łańcuch oddechowy Etapy fermentacji mleczanowej to: glikoliza i redukcja pirogronianu. U roślin zachodzi fosforylacja fotosyntetyczna
Powyższe zadanie zostało zweryfikowane przez nauczyciela
