Аденозинтрифосфат (АТФ) — це молекула, яка відіграє центральну роль у енергетичному обміні всіх живих організмів. Її часто називають “енергетичною валютою клітини”, оскільки вона забезпечує енергію для більшості біохімічних процесів. Ось докладний опис АТФ з хімічної, біологічної та функціональної точок зору.
Хімічна структура
- Формула: C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃.
- Складові частини:
- Аденін: Азотиста основа (пурин), що входить до складу нуклеотидів.
- Рибоза: П’ятивуглецевий цукор (пентоза), який є основою для зв’язку з аденіном і фосфатними групами.
- Три фосфатні групи: Послідовно з’єднані через високоенергетичні фосфоангідридні зв’язки (P-O-P). Саме ці зв’язки є джерелом енергії.
- Будова: АТФ — це нуклеотид, який складається з аденозину (аденін + рибоза) та трьох фосфатних груп (α, β, γ). Найбільша енергія зберігається у зв’язках між β- і γ-фосфатами, а також між α- і β-фосфатами.
Фізичні властивості
- Розчинність: Добре розчиняється у воді завдяки полярним фосфатним групам.
- Стабільність: У нейтральному або слабокислому середовищі (як у клітинах) АТФ відносно стабільна, але швидко гідролізується у присутності ферментів (наприклад, АТФаз).
- Молекулярна маса: Близько 507 г/моль.
Синтез АТФ
АТФ синтезується в клітинах кількома шляхами:
1. Окисне фосфорилювання:
- Відбувається в мітохондріях (внутрішня мембрана) під час клітинного дихання.
- Енергія від електронно-транспортного ланцюга (ЕТЛ) використовується ферментом АТФ-синтазою для приєднання фосфату до АДФ (аденозиндифосфату):
АДФ + Pᵢ + енергія → АТФ. - Джерелом є окиснення глюкози чи жирних кислот.
2. Субстратне фосфорилювання:
- Відбувається в цитоплазмі (гліколіз) або матриксі мітохондрій (цикл Кребса).
- Фосфатна група переноситься на АДФ від високоенергетичного субстрату (наприклад, 1,3-бісфосфогліцерату).
3. Фотосинтез:
- У хлоропластах рослин (мембрани тилакоїдів) АТФ синтезується за допомогою фотосинтетичного ЕТЛ і АТФ-синтази під впливом світла.
Механізм вивільнення енергії
- Гідроліз АТФ:
АТФ розщеплюється на АДФ і неорганічний фосфат (Pᵢ) з вивільненням енергії:
АТФ + H₂O → АДФ + Pᵢ + енергія. - У стандартних умовах гідроліз одного зв’язку вивільняє приблизно 30,5 кДж/моль (7,3 ккал/моль), хоча в клітинних умовах значення може бути вищим (до 50 кДж/моль) через концентраційні градієнти.
- Другий шлях: АТФ може втрачати дві фосфатні групи, утворюючи АМФ (аденозинмонофосфат) і пірофосфат (PPᵢ), що також супроводжується вивільненням енергії.
- Високоенергетичні зв’язки: Енергія зберігається у фосфоангідридних зв’язках через їх нестабільність і електростатичне відштовхування між негативно зарядженими фосфатами.
Функції АТФ
1. Енергозабезпечення:
- Живить активний транспорт (наприклад, Na⁺/K⁺-насос).
- Забезпечує скорочення м’язів (зв’язування з міозином).
- Підтримує синтез макромолекул (ДНК, РНК, білків).
2. Сигналізація:
- АТФ виступає сигнальною молекулою в нервовій системі (нейротрансмісія) і регулює активність ферментів через фосфорилювання.
3. Синтез інших сполук:
- Бере участь у синтезі циклічного АМФ (цАМФ), важливого вторинного месенджера.
Біологічне значення
- Універсальність: АТФ присутня у всіх відомих формах життя — від бактерій до людини.
- Швидкий обіг: У людини за добу синтезується і використовується приблизно 50-70 кг АТФ, хоча в будь-який момент в організмі є лише близько 250 г.
- Регуляція: Концентрація АТФ/АДФ у клітині сигналізує про енергетичний стан і регулює метаболічні шляхи (наприклад, гліколіз чи цикл Кребса).
Цікаві факти
- АТФ був відкритий у 1929 році Карлом Ломаном і незалежно Фіске та Суббароу.
- У м’язових клітинах запаси АТФ вичерпуються за 1-2 секунди інтенсивної роботи, тому організм швидко регенерує його за допомогою креатинфосфату чи гліколізу.
- У бактерій АТФ також використовується для руху джгутиків.
Порівняння з іншими молекулами
- АДФ і АМФ: Мають меншу енергію через меншу кількість фосфатних груп.
- ГТФ (гуанозинтрифосфат): Аналог АТФ, використовується в синтезі білків і сигнальних шляхах.