Кіріспе
Тірі жасушаларда энергия тасымалдайтын молекула
chembox
| Watchedfields = changed
| verifiedrevid = 477228486
| Name = Adenosine 5' triphosphate
| ImageFile = Adenosintriphosphat protoniert. svg
| ImageSize = 280px
| ImageFileL1 = ATP xtal 3D шарлары. png
| ImageFileR1 = ATP xtal 3D vdW. png
| OtherNames =
| IUPACName = Adenosine 5′ (tetrahydrogen triphosphate)
| SystematicName = O1 {[(2R,3S,4R,5R) 5 (6 Амин 9H пурин 9 yl) 3,4 дигидроксиоксолан 2 yl]метил} тетрагидроген трифосфат
| Section1 =
| Section2 = Chembox қасиеттері
| C=10|H=16|N=5|O=13|P=3
| MolarMass = 507.18 г/моль
| MeltingPtC = 187
| MeltingPt notes = дисодиум тұзы; ыдырайды
| Density = 1.04 г/см3 (дисодиум тұзы)
| pKa = 0.9, 1.4, 3.8, 6.5
| LambdaMax = 259 нм
| Absorbance = ε259 = 15.4 мМ−1 см−1 Бұл тірі жасушаларға энергия береді және бұлшық еттерінің жиырылуы, нерв импульстарының таралуы және химиялық синтез сияқты көптеген процестерді қамтамасыз етеді. Барлық белгілі тіршілік нысандарында кездеседі, көбінесе жасушаішілік энергияның "молекулалық валютасы" деп аталады. Метаболизм процесінде қолданылғанда, АТФ аденозин дифосфатына (АДФ) немесе аденозин монофосфатына (АМФ) айналады. Басқа процестер АТФ-ты қайта жаңартады. Сондай-ақ, ол ДНК және РНК алдындағы зат болып табылады және кофермент ретінде қолданылады. Орташа ересек адам күніне шамамен 50 килограммға жуық мөлшерде өңдейді. Биохимиялық тұрғыдан алғанда, АТФ нуклеозид трифосфаты болып жіктеледі, яғни ол үш компоненттен тұрады: азотты негіз (аденин), рибоза қанты және трифосфат.
chembox
| Watchedfields = changed
| verifiedrevid = 477228486
| Name = Adenosine 5' triphosphate
| ImageFile = Adenosintriphosphat protoniert. svg
| ImageSize = 280px
| ImageFileL1 = ATP xtal 3D balls. png
| ImageFileR1 = ATP xtal 3D vdW. png
| OtherNames =
| IUPACName = Adenosine 5′ (tetrahydrogen triphosphate)
| SystematicName = O1 {[(2R,3S,4R,5R) 5 (6 Amino 9H purin 9 yl) 3,4 dihydroxyoxolan 2 yl]methyl} tetrahydrogen triphosphate
| Section1 =
| Section2 = Chembox Properties
| C=10|H=16|N=5|O=13|P=3
| MolarMass = 507.18 g/mol
| MeltingPtC = 187
| MeltingPt notes = disodium salt; decomposes
| Density = 1.04 g/cm3 (disodium salt)
| pKa = 0.9, 1.4, 3.8, 6.5
| LambdaMax = 259 nm
| Absorbance = ε259 = 15.4 mM−1 cm−1 that provides energy to drive and support many processes in living cells, such as muscle contraction, nerve impulse propagation, and chemical synthesis. Found in all known forms of life, it is often referred to as the "molecular unit of currency" of intracellular energy transfer. When consumed in a metabolic processes, ATP converts either to adenosine diphosphate (ADP) or to adenosine monophosphate (AMP). Other processes regenerate ATP. It is also a precursor to DNA and RNA, and is used as a coenzyme. An average human adult processes around 50 kilograms daily. From the perspective of biochemistry, ATP is classified as a nucleoside triphosphate, which indicates that it consists of three components: a nitrogenous base (adenine), the sugar ribose, and the triphosphate.
Құрылымы
АТФ аденоиннан тұрады, ол #9 азот атомы арқылы қанттың (рибоза) 1′ көміртек атомына қосылған, ал ол өз кезегінде қанттың 5′ көміртек атомында трифосфат тобына байланысқан. Оның метаболизммен байланысты көптеген реакцияларында аденоин және қант топтары өзгеріссіз қалады, бірақ трифосфат ди- және монофосфатқа айналады, нәтижесінде ADP және AMP туындылары пайда болады. Үш фосфорил тобы альфа (α), бета (β) және соңғы фосфат үшін гамма (γ) деп аталады. Бейтарап ерітіндіде иондалған АТФ көбінесе АТФ4− түрінде, ал АТФ3− шағын мөлшерде кездеседі.
Металл катионды байланыстыру
Полианиондық және потенциалды хелаттайтын полифосфат тобы бар АТФ металл катиондарын жоғары сәйкестікпен байланыстырады. Магнийге (Mg2+) байланысу тұрақтысы: ... Магнийдің екі валентті катионмен байланысуы АТФ-тың әртүрлі ақуыздармен өзара әрекеттесуіне күшті әсер етеді. АТФ-Mg2+ өзара әрекеттесуінің күштілігіне байланысты, АТФ жасушада көбінесе фосфатты оттегі орталықтарына байланысқан күйінде кешен ретінде кездеседі. Екінші магний ионы киназа доменінде АТФ байланысы үшін маңызды. Mg2+ болуы киназа белсенділігін реттейді. РНК әлемі тұрғысынан алғанда, АТФ РНК полимерлендіруді катализдейтін Mg ионын тасымалдауы қызығушылық тудырады.
Химиялық қасиеттері
АТФ тұздарын түссіз қатты заттар түрінде бөліп алуға болады. АТФ 6,8-7,4 pH аралығындағы сулы ерітінділерде тұрақты (катализаторлардың болмауы жағдайында). pH деңгейі шектен шыққанда, ол тез АДФ және фосфатқа гидролизденеді. Тірі жасушалар АТФ пен АДФ арақатынасын тепе-теңдіктен он есе жоғары сақтайды, АТФ концентрациясы АДФ концентрациясынан бес есе артық болады. Биохимиялық реакциялар контекстінде P-O-P байланыстары жиі жоғары энергетикалық байланыстар деп аталады.
Өндіріс, аэробтық жағдай
Клетка ішіндегі АТФ-тың қалыпты концентрациясы әртүрлі эукариоттардың бір грамм тініне 1–10 мкмоль болуы мүмкін. АТФ-тың дефосфорилирленуі және АДФ мен АМФ-тың қайта фосфорилирленуі аэробтық метаболизм кезінде қайталап жүреді. АТФ бірнеше түрлі жасушалық процестер арқылы түзілуі мүмкін; эукариоттардағы үш негізгі жол: (1) гликолиз, (2) лимон қышқылы циклы/окистеу фосфорлануы және (3) бета-тотығу. Глюкозаны көмірқышқыл газына тотықтырудың жалпы процесі, 1 және 2 жолдардың үйлесімі, жасушалық тыныс алу деп аталады және глюкозаның әрбір молекуласынан шамамен 30 АТФ эквивалентін өндіреді. Фотосинтез жасай алмайтын аэробты эукариоттарда АТФ өндірісі негізінен митохондрияларда жүреді, олар әдеттегі жасуша көлемінің шамамен 25% -ын құрайды.
Гликолиз
Гликолизде глюкоза мен глицерол пируватқа метаболизденеді. Гликолиз екі фермент – фосфоглицераткиназа (PGK) және пируваткиназа арқылы катализделетін субстраттық фосфорлану арқылы АТФ-тың екі эквивалентін жасайды. Сондай-ақ, екі эквиваленті никотинамид аденин динуклеотиді (NADH) өндіріледі, олар электрондық тасымалдау тізбегі арқылы тотығуға ұшырайды және АТФ-синтетаза арқылы қосымша АТФ өндірілуіне әкеледі. Гликолиздің түпкі өнімі ретінде түзілетін пируват Кребс циклының субстраты болып табылады. Гликолиз әрқайсысы бес қадамнан тұратын екі фазадан тұрады. 1-фазада, "дайындық фазасында" глюкоза 2 d-глицеральдегид 3-фосфатына (g3p) айналады. Бір АТФ 1-қадамда, ал тағы бір АТФ 3-қадамда жұмсалады. Гликолиздің 1- және 3-қадамдары "бастапқы қадамдар" деп аталады. 2-фазада g3p-нің екі эквиваленті екі пируватқа айналады. 7-қадамда екі АТФ өндіріледі. Сондай-ақ, 10-қадамда АТФ-тың тағы екі эквиваленті өндіріледі. 7- және 10-қадамдарда АДФ-дан АТФ пайда болады. Гликолиз циклінде екі АТФ-тың таза мөлшері түзіледі. Гликолиз жолы кейіннен лимон қышқылы циклымен байланысты, ол АТФ-тың қосымша эквиваленттерін өндіреді.
Реттеу
Гликолизде гексокиназа өзінің өнімі – глюкоза-6-фосфатымен тікелей тежеледі, ал пируваткиназа АТФ-тың өзімен тежеледі. Гликолиттік жолдың басты реттеу нүктесі – фосфофруктокиназа (PFK), ол АТФ-тың жоғары концентрациясымен аллостериялық түрде тежеледі және АМФ-тың жоғары концентрациясымен белсендіріледі. АТФ-тың ПФК-ны тежеуі ерекше, себебі АТФ ПФК катализдейтін реакцияда субстрат болып табылады; ферменттің белсенді түрі – екі конформацияда болатын тетрамер, олардың тек біреуі екінші субстрат – фруктоза-6-фосфатқа (F6P) байланысады. Ақуызда АТФ-қа екі байланыс орны бар – белсенді орын ақуыздың екі конформациясында да қолжетімді, бірақ АТФ-тың тежегіш орынға байланысуы F6P-ға нашар байланысатын конформацияны тұрақтандырады. Бір айналымда 3 АТФ түзіледі. Оксигенді тұтыну протондық қозғаушы күшті сақтау үшін маңызды болғанымен, оксиген тапшылығы (гипоксия) жағдайында жасушаішілік ацидоз (күшейтілген гликолиттік жылдамдықтар мен АТФ гидролизі нәтижесінде) митохондриялық мембраналық потенциалға үлесін қосады және тікелей АТФ синтезін қозғайды. Митохондрияда синтезделген АТФ-тың көп бөлігі цитозольдағы жасушалық процестерге жұмсалады; сондықтан оны митохондриялық матрицадағы синтез орнынан шығару қажет. АТФ-тың сыртқа қарай жылжуына мембрананың электрохимиялық потенциалы көмектеседі, себебі цитозольдің заряды салыстырмалы түрде оң, ал матрицаның заряды салыстырмалы түрде теріс. Әр АТФ тасымалдалғанда 1 H+ жұмсалады. Бір АТФ өндіруге шамамен 3 H+ қажет. Демек, бір АТФ өндіру және экспорттау үшін 4H+ қажет. Ішкі мембранада ADP/ATP транслоказасы бар антипортер орналасқан, ол жаңа синтезделген АТФ-ты матрицадағы АДФ-қа интермембраналық кеңістікте алмастыруға қолданылатын интегралды мембраналық ақуыз.
Реттеу
Лимон қышқылы циклы негізінен маңызды субстраттардың қолжетімділігімен, әсіресе NAD+ пен NADH арақатынасымен, сондай-ақ кальций, бейорганикалық фосфат, АТФ, АДФ және АМФ концентрацияларымен реттеледі. Цитрат – циклге өзінің атын берген ион – цитрат синтетазаның кері байланыс ингибиторы болып табылады және сонымен қатар PFK-ны тежейді, лимон қышқылы циклының реттелуі мен гликолиз арасындағы тікелей байланысты қамтамасыз етеді.
АТФ-ны нуклеозидтік дифосфат киназалармен толықтыру
АТФ бірнеше "толықтыру" реакциялары арқылы да синтезделеді, бұл реакциялар нуклеозид дифосфат киназалар (НДК) ферменттері отбасымен катализделеді, олар басқа нуклеозид трифосфаттарды жоғары энергиялы фосфат доноры ретінде пайдаланады, сондай-ақ АТФ:гуанидо фосфотрансферазалар отбасы да қатысады.
Фотосинтез кезінде АТФ өндіру
Өсімдіктерде АТФ хлоропласттың тилакоидтық мембранасында синтезделеді. Бұл процесс фотофосфорилирлеу деп аталады. "Механизм" митохондриядағыға ұқсас, бірақ жарық энергиясы протондық градиентті құру үшін протонды мембрана арқылы сорғылауға пайдаланылады. Содан кейін АТФ синтетазасы тотықтыру фосфорилирлеудегідей жұмыс істейді. Хлоропластарда түзілген АТФ-тың бір бөлігі триоза қанттарын өндіретін Кальвин циклында қолданылады.
АТФ қайта өңдеу
Адам ағзасындағы АТФ-тың жалпы мөлшері шамамен 0,1 моль/л құрайды. АТФ-тың көп бөлігі жоғарыда айтылған процестер арқылы АДФ-тан қайта пайдаланылады. Осылайша, кез келген сәтте АТФ + АДФ-тың жалпы мөлшері салыстырмалы түрде тұрақты болып қалады. Ересек адамның жасушалары пайдаланатын энергия үшін күніне 100-150 моль/л АТФ гидролизі қажет, яғни адам күні бойы өз дене салмағына тең АТФ-ты қолданады. АТФ-тың әрбір эквиваленті бір тәулік ішінде 1000–1500 рет қайта пайдаланылады. Киназамен белокты фосфорилдеу митогенді белсендіретін белок киназа каскады сияқты каскадты іске қоса алады. АТФ сондай-ақ аденолатциклазаның субстраты болып табылады, көбінесе G белоктарымен байланысқан рецепторлардың сигналдық трандукция жолдарында кездеседі және екінші хабаршы – циклдық АМФ-қа айналады, ол ішкі жасушалық резервуарлардан кальцийдің босатылуы арқылы кальций сигналдарын тудыруға қатысады. Бұл сигналдық трандукция түрі мидың жұмысы үшін ерекше маңызды, бірақ көптеген басқа жасушалық процестерді реттеуге де қатысады.
ДНК және РНК синтезі
АТФ – РНК синтезіне қажетті төрт мономердің бірі. Бұл процеске РНК полимеразалар көмектеседі. ДНҚ құрылымында да ұқсас процесс жүреді, бірақ АТФ ең алдымен дезоксирибонуклеотид dATP-ға айналады. Табиғаттағы көптеген конденсациялық реакциялар сияқты, ДНҚ репликациясы және ДНҚ транскрипциясы да АТФ-ты пайдаланады.
АТФ-ты байлайтын кассета тасымалдаушы
Химиялық заттарды клеткадан градиентке қарсы тасымалдау көбінесе АТФ гидролизімен байланысты. Тасымалды АТФ байланыстырушы кассеталық транспортерлер (ABC транспортерлер) жүзеге асырады. Адам геномы 48 ABC транспортерін кодтайды, олар дәрі-дәрмектерді, липидтерді және басқа да қосылыстарды шығару үшін пайдаланылады.
Жасушадан тыс сигнализация және нейротрансмиссия
Клеткалар басқа клеткалармен байланысу үшін АТФ бөліп шығарады, бұл процеске пуринергиялық сигналдау деп аталады. АТФ жүйке жүйесінің көптеген бөліктерінде нейротрансмиттер ретінде қызмет етеді, кірпікшелердің қозғалысын баяулатуға немесе жылдамдатуға, қан тамырларына оттегінің жеткізілуіне және тағы басқаларға әсер етеді. АТФ жасуша мембранасы арқылы каналды ақуыздар көмегімен тікелей бөлінеді немесе мембранамен бірігіп тұратын көпіршіктерге жиналады. Клеткалар АТФ-ты пуринергиялық рецепторлар P2X және P2Y арқылы анықтайды.
Бұлшықеттердің жиырылуы
АТФ бұлшық еттердің жиырылуына күш береді. Бұлшық еттердің жиырылуы сигналдық жолдар арқылы реттеледі, бірақ әртүрлі бұлшық ет түрлері олардың ерекше функциясына байланысты нақты жолдармен және стимулдармен реттеледі. Дегенмен, барлық бұлшық ет түрлерінде жиырылу актин және миозин ақуыздары арқылы іске асырылады. АТФ бастапқыда миозинмен байланысқан күйде болады. АТФаза байланысқан АТФ-ты АДФ және бейорганикалық фосфатқа гидролиздейтін кезде, миозин актинге байланыса алатын жағдайға келеді. АДФ және Пи байланысқан миозин актинмен көпірлер құрайды, ал АДФ және Пи-дің келесі босауы энергияны күш соққысы ретінде бөліп шығарады. Күш соққысы актин жіпшесінің миозин жіпшесімен сырғануына себеп болады, бұл бұлшық етті қысқартып, жиырылуға әкеледі. Содан кейін тағы бір АТФ молекуласы миозинге байланысып, оны актиннен босатып, осы процестің қайталануына мүмкіндік береді.
Белоктардың ерігіштігі
Жұлында АТФ биологиялық гидротроп ретінде әрекет ететіні ұсынылды және ол протеомның кең ауқымды ерігіштігіне әсер ететіні көрсетілді.
Абиогендік шығу тегі
Ацетилфосфат (AcP), АТФ-тың алдындағы зат, тиоацетаттан pH 7 және 20 °C, сондай-ақ pH 8 және 50 °C температурада шамалы түсіммен оңай синтезделеді. Бірақ ацетилфосфат, салқын және қышқылдан бейтарап жағдайларға қарағанда, жылы температурада және сілтілі ортада аз тұрақты. Ол рибонуклеотидтер мен аминқышқылының полимерленуін күшейте алмайды және тек органикалық қосылыстарды фосфорлануға қабілетті. На+ қатысында АМФ-тың жиналуын және тұрақтандырылуын күшейтуге болатыны көрсетілді, ал нуклеотидтердің жиналуы Na+ болмағанда 75 °C-тан жоғары температурада полимерленуді ынталандыруы мүмкін. AcP арқылы минералдық беттерде полимерленудің болуы мүмкін. АДФ тек AcP арқылы АТФ-қа фосфорлануға қабілетті, ал басқа нуклеозид трифосфаттары AcP-мен фосфорланбайды. Бұл барлық тірі организмдердің биохимиялық реакцияларды жүзеге асыру үшін АТФ-ты пайдалану себебін түсіндіруі мүмкін.
АТФ аналогтары
Биохимиялық зертханалар АТФ-қа тәуелді молекулалық процестерді зерттеу үшін көбінесе in vitro зерттеулерді пайдаланады. АТФ аналогтары АТФ-мен, көбінесе басқа субстраттармен бірге кешен құраған ақуыз құрылымын анықтау үшін рентген кристаллографиясында қолданылады. АТФ-қа тәуелді ферменттердің, мысалы киназалардың, фермент ингибиторлары АТФ-қа тәуелді реакцияларға қатысатын байланыс орындары мен аралық күйлерді зерттеу үшін қажет. Көптеген тиімді АТФ аналогтары АТФ сияқты гидролизделмейді; керісінше, олар ферментті АТФ байланысқан күйге ұқсас құрылымда сақтайды. Аденозин 5′ (γ-тиотрифосфат) – гамма-фосфат оттегілерінің бірі күкірт атомымен алмастырылған өте кең таралған АТФ аналогы; бұл анион АТФ-дан әлдеқайда баяу гидролизденеді және АТФ-қа тәуелді процестердің тежегіші ретінде әрекет етеді. Кристаллографиялық зерттеулерде гидролиз аралық күйлері байланысқан ванадат ионы арқылы модельделеді. АТФ аналогтарын қолданатын эксперименттердің нәтижелерін бағалауда сақтық қажет, себебі кейбір ферменттер оларды жоғары концентрацияда айтарлықтай жылдамдықпен гидролиздей алады.
Медициналық қолдану
АТФ кейбір жүрек ауруларының емдеуінде тамырға жіберіледі.
Тарих
АТФ 1929 жылы Карл Ломанн мен Джендрассик, сондай-ақ Гарвард медицина мектебінің Сайрус Фиске мен Йеллапрагада Субба Рао тәуелсіз түрде, фосфорды анықтау әдісін табу үшін бір-бірімен бәсекелесіп ашты. 1941 жылы Фриц Альберт Липманн АТФ-ті жасушалардағы энергия беретін және энергия қажет ететін реакциялар арасындағы делдал ретінде ұсынды. Оны алғаш рет 1948 жылы Александр Тодд зертханада синтездеді, ал ол 1957 жылы осы еңбегі үшін химия бойынша Нобель сыйлығымен марапатталды. 1978 жылы химия бойынша Нобель сыйлығы АТФ синтезінің химиосмотикалық механизмін ашқан Питер Деннис Митчеллге берілді. 1997 жылы химия бойынша Нобель сыйлығы екіге бөлінді: жартысы Пол Д. Бойер мен Джон Э. Уокерге "аденозин трифосфатының (АТФ) синтезіне жатқан ферменттік механизмді ашып түсіндіргені үшін", ал екінші жартысы Дженс С. Скоуға "иондарды тасымалдайтын фермент – Na+, K+ АТФазаны алғаш рет ашқаны үшін" табысталды.