6.4: ATP: Adenosine Triphosphate

Last updated

Nov 1, 2022
Page ID
175932
Save as PDF
- 6.3: Sheria za Thermodynamics
- 6.5: Enzymes

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

Ujuzi wa Kuendeleza

Eleza jukumu la ATP kama sarafu ya nishati ya mkononi
Eleza jinsi nishati hutolewa kupitia hidrolisisi ya ATP

Hata exergonic, athari za kutolewa nishati zinahitaji kiasi kidogo cha nishati ya uanzishaji ili kuendelea. Hata hivyo, fikiria athari za endergonic, ambazo zinahitaji pembejeo zaidi ya nishati, kwa sababu bidhaa zao zina nishati zaidi ya bure kuliko majibu yao. Ndani ya seli, nishati ya nguvu ya athari hizo hutoka wapi? Jibu liko na molekuli ya kusambaza nishati inayoitwa adenosine triphosphate, au ATP. ATP ni molekuli ndogo, rahisi (Kielelezo $\PageIndex{1}$ ), lakini ndani ya baadhi ya vifungo vyake, ina uwezekano wa kupasuka kwa haraka kwa nishati ambayo inaweza kuunganishwa kufanya kazi za mkononi. Molekuli hii inaweza kufikiriwa kama sarafu ya nishati ya msingi ya seli kwa njia sawa kiasi kwamba pesa ni sarafu ambayo watu hubadilisha vitu wanavyohitaji. ATP hutumiwa kuimarisha wengi wa athari za mkononi zinazohitaji nishati.

Muundo wa Masi ya adenosine triphosphate inavyoonyeshwa. Makundi matatu ya phosphate yanaunganishwa na sukari ya ribose. Adenine pia inaunganishwa na ribose. — Kielelezo $\PageIndex{1}$ : ATP ni sarafu ya msingi ya nishati ya kiini. Ina uti wa mgongo wa adenosine na makundi matatu ya phosphate yaliyounganishwa.

Kama jina lake la kupendekeza, adenosine triphosphate inajumuisha adenosine amefungwa kwa makundi matatu phosphate (Kielelezo $\PageIndex{1}$ ). Adenosine ni nucleoside yenye adenine ya msingi ya nitrojeni na sukari tano kaboni, ribose. Makundi matatu ya phosphate, kwa utaratibu wa karibu zaidi na sukari ya ribose, huitwa alpha, beta, na gamma. Pamoja, makundi haya ya kemikali hufanya nguvu ya nishati. Hata hivyo, sio vifungo vyote ndani ya molekuli hii vilivyopo katika hali ya juu-nishati. Wote vifungo vinavyounganisha phosphates ni vifungo vya juu vya nishati (vifungo vya phosphoanhydride) ambavyo, wakati wa kuvunjwa, hutoa nishati ya kutosha ili kuwezesha athari mbalimbali za seli na taratibu. Hizi vifungo high-nishati ni vifungo kati ya pili na ya tatu (au beta na gamma) phosphate makundi na kati ya makundi ya kwanza na ya pili phosphate. Sababu kwamba vifungo hivi ni kuchukuliwa “high-nishati” ni kwa sababu bidhaa za dhamana kama kuvunja-adenosine diphosphate (ADP) na moja isokaboni phosphate kundi (P _i) -kuwa chini mno bure nishati kuliko reactants: ATP na molekuli maji. Kwa sababu mmenyuko huu unafanyika kwa matumizi ya molekuli ya maji, inachukuliwa kuwa mmenyuko wa hidrolisisi. Kwa maneno mengine, ATP hidrolisisi ndani ya ADP katika majibu yafuatayo:

$\ce{ATP + H_2O \rightarrow ADP + P_{i} + free\: energy} \nonumber$

Kama athari nyingi za kemikali, hidrolisisi ya ATP kwa ADP inarekebishwa. Mmenyuko wa reverse hurekebisha ATP kutoka ADP + P _i. Hakika, seli hutegemea kuzaliwa upya kwa ATP kama watu wanategemea kuzaliwa upya kwa fedha zilizotumiwa kupitia aina fulani ya mapato. Kwa kuwa hidrolisisi ya ATP hutoa nishati, kuzaliwa upya kwa ATP lazima kuhitaji pembejeo ya nishati ya bure. Uundaji wa ATP unaonyeshwa katika usawa huu:

$\ce{ADP + P_{i} + free\: energy \rightarrow ATP + H_2O} \nonumber$

Maswali mawili maarufu yanabaki kuhusiana na matumizi ya ATP kama chanzo cha nishati. Hasa ni kiasi gani cha nishati ya bure kinachotolewa na hidrolisisi ya ATP, na ni jinsi gani nishati ya bure inayotumiwa kufanya kazi za mkononi? G iliyohesabiwa kwa hidrolisisi ya mole moja ya ATP ndani ya ADP na P _i ni -7.3 kcal/mole (-30.5 kJ/mol). Kwa kuwa hesabu hii ni ya kweli chini ya hali ya kawaida, itatarajiwa kuwa thamani tofauti ipo chini ya hali za mkononi. Kwa kweli, G kwa hidrolisisi ya mole moja ya ATP katika seli hai ni karibu mara mbili ya thamani katika hali ya kawaida: 14 kcal/mol (-57 KJ/mol).

ATP ni molekuli isiyo imara sana. Isipokuwa haraka kutumika kufanya kazi, ATP kuwaka dissociates katika ADP + P _i, na nishati ya bure iliyotolewa wakati wa mchakato huu ni waliopotea kama joto. Swali la pili lililofanywa hapo juu, yaani, jinsi nishati iliyotolewa na hidrolisisi ya ATP inatumiwa kufanya kazi ndani ya seli, inategemea mkakati unaoitwa kuunganisha nishati. Viini hujiunga na mmenyuko wa exergonic wa hidrolisisi ya ATP na athari za endergonic, na kuruhusu kuendelea. Mfano mmoja wa kuunganisha nishati kwa kutumia ATP unahusisha pampu ya ioni ya transmembrane ambayo ni muhimu sana kwa kazi za mkononi. Pampu hii ya sodiamu-potasiamu (Na ⁺ /K ⁺ pampu) hutoa sodiamu nje ya seli na potasiamu ndani ya seli (Kielelezo $\PageIndex{2}$ ). Asilimia kubwa ya ATP ya seli hutumiwa kuimarisha pampu hii, kwa sababu michakato ya seli huleta kiasi kikubwa cha sodiamu ndani ya seli na potasiamu nje ya seli. Pampu hufanya kazi daima ili kuimarisha viwango vya seli za sodiamu na potasiamu. Ili pampu kugeuka mzunguko mmoja (kusafirisha ions tatu Na ⁺ na kuagiza mbili K ⁺ ions), molekuli moja ya ATP inapaswa kuwa hidrolisisi. Wakati ATP ni hidrolisisi, gamma phosphate yake haina tu kuelea mbali, lakini ni kweli kuhamishiwa kwenye protini pampu. Utaratibu huu wa kundi la phosphate linalofungwa kwa molekuli huitwa phosphorylation. Kama ilivyo kwa matukio mengi ya hidrolisisi ya ATP, phosphate kutoka ATP inahamishiwa kwenye molekuli nyingine. Katika hali ya phosphorylated, pampu ya Na ⁺ ^{/K +} ina nishati zaidi ya bure na inasababishwa na mabadiliko ya kufanana. Mabadiliko haya inaruhusu kutolewa Na ⁺ kwa nje ya kiini. Halafu hufunga K ⁺ ya ziada, ambayo, kwa njia ya mabadiliko mengine ya kufanana, husababisha phosphate kuondokana na pampu. Hii kutolewa kwa phosphate kuchochea K ⁺ kutolewa ndani ya seli. Kimsingi, nishati iliyotolewa kutoka hidrolisisi ya ATP ni pamoja na nishati zinazohitajika ili kuimarisha pampu na usafiri Na ⁺ na K ⁺ ions. ATP hufanya kazi za mkononi kwa kutumia fomu hii ya msingi ya kuunganisha nishati kupitia fosforasi.

Sanaa Connection

Mfano huu unaonyesha pampu ya sodiamu-potasiamu iliyoingia kwenye utando wa seli. ATP hidrolisisi huchochea mabadiliko ya kimapenzi katika pampu ambayo inaruhusu ioni za sodiamu kuhamia kutoka upande wa cytoplasmic hadi upande wa ziada wa utando, na ioni za potasiamu kuhamia kutoka upande wa ziada hadi upande wa cytoplasmic ya utando pia. — Kielelezo $\PageIndex{2}$ : Pampu ya sodiamu-potasiamu ni mfano wa kuunganisha nishati. Nishati inayotokana na hidrolisisi ya ATP exergonic hutumiwa kupiga ioni za sodiamu na potasiamu kwenye utando wa seli.

Hidrolisisi ya molekuli moja ya ATP hutoa 7.3 kcal/mol ya nishati (G = -7.3 kcal/mol ya nishati). Ikiwa inachukua 2.1 kcal/mol ya nishati kuhamisha moja Na ⁺ kwenye utando (G = +2.1 kcal/mol ya nishati), ni ions ngapi za sodiamu zinaweza kuhamishwa na hidrolisisi ya molekuli moja ya ATP?

Mara nyingi wakati wa athari za kimetaboliki za mkononi, kama vile awali na kuvunjika kwa virutubisho, molekuli fulani lazima zibadilishwe kidogo katika conformation yao kuwa substrates kwa hatua inayofuata katika mfululizo wa majibu. Mfano mmoja ni wakati wa hatua za kwanza za kupumua kwa seli, wakati molekuli ya sukari ya sukari imevunjika katika mchakato wa glycolysis. Katika hatua ya kwanza ya mchakato huu, ATP inahitajika kwa phosphorylation ya glucose, na kujenga high-nishati lakini imara kati. Mmenyuko huu wa phosphorylation husababisha mabadiliko ya kimapenzi ambayo inaruhusu molekuli ya glucose ya phosphorylated kubadilishwa kuwa fructose ya sukari ya fosforasi. Fructose ni kati muhimu kwa glycolysis kuendelea. Hapa, mmenyuko wa exergonic wa hidrolisisi ya ATP unahusishwa na mmenyuko wa endergonic wa kugeuza glucose ndani ya kati ya fosforasi katika njia. Mara nyingine tena, nishati iliyotolewa kwa kuvunja dhamana ya phosphate ndani ya ATP ilitumiwa kwa phosphorylation ya molekuli nyingine, na kujenga kati isiyo na uhakika na kuimarisha mabadiliko muhimu ya kufanana.

Unganisha na Kujifunza

Angalia uhuishaji wa maingiliano wa mchakato wa glycolysis unaozalisha ATP kwenye tovuti hii.

Muhtasari

ATP ni molekuli ya msingi ya kusambaza nishati kwa seli zilizo hai. ATP imeundwa na nucleotide, sukari tano kaboni, na makundi matatu ya phosphate. Vifungo vinavyounganisha phosphates (vifungo vya phosphoanhydride) vina maudhui ya juu ya nishati. Nishati iliyotolewa kutoka hidrolisisi ya ATP ndani ya ADP + P _i hutumiwa kufanya kazi za mkononi. Viini hutumia ATP kufanya kazi kwa kuunganisha mmenyuko wa exergonic wa hidrolisisi ya ATP na athari za endergonic. ATP donates phosphate kundi lake kwa molekuli nyingine kupitia mchakato unaojulikana kama fosforylation. Molekuli ya phosphorylated iko katika hali ya juu ya nishati na imara zaidi kuliko fomu yake isiyo na fosforasi, na nishati hii iliyoongezwa kutokana na kuongeza ya phosphate inaruhusu molekuli kufanyiwa majibu yake endergonic.

Sanaa Connections

Kielelezo $\PageIndex{2}$ : The hydrolysis of one ATP molecule releases 7.3 kcal/mol of energy (∆G = −7.3 kcal/mol of energy). If it takes 2.1 kcal/mol of energy to move one Na⁺ across the membrane (∆G = +2.1 kcal/mol of energy), how many sodium ions could be moved by the hydrolysis of one ATP molecule?

Answer: Three sodium ions could be moved by the hydrolysis of one ATP molecule. The ∆G of the coupled reaction must be negative. Movement of three sodium ions across the membrane will take 6.3 kcal of energy (2.1 kcal × 3 Na⁺ ions = 6.3 kcal). Hydrolysis of ATP provides 7.3 kcal of energy, more than enough to power this reaction. Movement of four sodium ions across the membrane, however, would require 8.4 kcal of energy, more than one ATP molecule can provide.

Glossary

ATP: adenosine triphosphate, the cell’s energy currency

phosphoanhydride bond: bond that connects phosphates in an ATP molecule