Введение

Молекула, несущая энергию в живых клетках

chembox
| Watchedfields = изменился
| verifiedrevid = 477228486
| Name = Аденозин 5'-трифосфат
| ImageFile = Adenosintriphosphat protoniert.svg
| ImageSize = 280px
| ImageFileL1 = ATP xtal 3D balls.png
| ImageFileR1 = ATP xtal 3D vdW.png
| OtherNames =
| IUPACName = Аденозин 5′ (тетрагидроген трифосфат)
| SystematicName = O1 {[(2R,3S,4R,5R) 5 (6-амино-9H-пурин-9-ил) 3,4-дигидроксиоксолан-2-ил]метил} тетрагидроген трифосфат
| Section1 =
| Section2 = Свойства Chembox
| C=10|H=16|N=5|O=13|P=3
| MolarMass = 507,18 г/моль
| MeltingPtC = 187
| MeltingPt notes = динатриевая соль; разлагается
| Density = 1,04 г/см³ (диссодированная соль)
| pKa = 0,9, 1,4, 3,8, 6,5
| LambdaMax = 259 нм
| Absorbance = ε259 = 15,4 мМ⁻¹ см⁻¹

Обеспечивает энергией многие процессы в живых клетках, такие как сокращение мышц, проведение нервных импульсов и химический синтез. Встречается во всех известных формах жизни и часто называется "молекулярной единицей валюты" внутриклеточного переноса энергии. При участии в метаболических процессах АТФ превращается либо в аденозиндифосфат (АДФ), либо в аденозинмонофосфат (АМФ). Другие процессы регенерируют АТФ. Является также предшественником ДНК и РНК и используется в качестве кофермента. В среднем взрослый человек перерабатывает около 50 килограммов в сутки. С точки зрения биохимии, АТФ классифицируется как нуклеозидтрифосфат, что указывает на то, что он состоит из трех компонентов: азотистого основания (аденина), сахара рибозы и трифосфатной группы.

Структура

АТФ состоит из аденина, присоединенного атомом азота #9 к 1′-углеродному атому сахара (рибозы), который, в свою очередь, присоединен через 5′-углеродный атом сахара к трифосфатной группе. В многочисленных реакциях, связанных с метаболизмом, аденин и сахар остаются неизменными, а трифосфат превращается в ди- и монофосфат, образуя соответственно производные АДФ и АМФ. Три фосфорильные группы обозначаются как альфа (α), бета (β) и гамма (γ) для терминального фосфата. В нейтральном растворе ионизированный АТФ преимущественно существует в форме АТФ4−, с небольшой долей АТФ3−.

Связывание металлических катионов

Полианионный и содержащий потенциально хелатирующую полифосфатную группу, АТФ связывает ионы металлов с высокой аффинностью. Константа связывания для магния Mg2+ составляет [значение константы]. Связывание двухвалентного катиона, почти всегда магния, оказывает сильное влияние на взаимодействие АТФ с различными белками. Благодаря прочности взаимодействия АТФ-Mg2+, АТФ в клетке в основном существует в виде комплекса, связанного с центрами кислорода фосфатных групп. Второй ион магния необходим для связывания АТФ в киназном домене. Присутствие Mg2+ регулирует активность киназы. Интересно, с точки зрения мира РНК, что АТФ может переносить ион Mg, который катализирует полимеризацию РНК.

Химические свойства

Соли АТФ могут быть выделены в виде бесцветных твердых веществ. АТФ стабилен в водных растворах при pH от 6,8 до 7,4 (в отсутствие катализаторов). При более экстремальных значениях pH он быстро гидролизуется до АДФ и фосфата. Живые клетки поддерживают соотношение АТФ к АДФ на уровне, отстоящем на десять порядков от равновесия, при этом концентрация АТФ в пять раз превышает концентрацию АДФ. В контексте биохимических реакций фосфоангидридные связи часто называют высокоэнергетическими связями.

Производство, аэробные условия

Типичная внутриклеточная концентрация АТФ может составлять 1–10 мкмоль на грамм ткани у различных эукариот. Дефосфорилирование АТФ и повторное фосфорилирование АДФ и АМФ происходят многократно в ходе аэробного метаболизма. АТФ может образовываться посредством ряда различных клеточных процессов; три основных пути у эукариот – (1) гликолиз, (2) цикл Кребса/окислительное фосфорилирование и (3) бета-окисление. Общий процесс окисления глюкозы до углекислого газа, сочетание путей 1 и 2, известный как клеточное дыхание, производит около 30 эквивалентов АТФ из каждой молекулы глюкозы. Образование АТФ нефотосинтезирующим аэробным эукариотом происходит главным образом в митохондриях, которые составляют почти 25% объема типичной клетки.

Гликолиз

При гликолизе глюкоза и глицерин метаболизируются в пируват. Гликолиз генерирует два эквивалента АТФ посредством фосфорилирования субстрата, катализируемого двумя ферментами: фосфоглицераткиназой (PGK) и пируваткиназой. Также образуются два эквивалента никотинамидадениндинуклеотида (НАДН), которые могут окисляться через цепь переноса электронов, что приводит к образованию дополнительного АТФ при помощи АТФ-синтазы. Пируват, образующийся в качестве конечного продукта гликолиза, является субстратом цикла Кребса. Гликолиз рассматривается как состоящий из двух фаз, каждая из которых включает пять стадий. В первой фазе, "подготовительной фазе", глюкоза превращается в 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата (Г3Ф). На стадии 1 расходуется один АТФ, а на стадии 3 – еще один АТФ. Стадии 1 и 3 гликолиза называют "стадиями инициации". Во второй фазе две молекулы Г3Ф превращаются в два пирувата. На стадии 7 образуются два АТФ, а на стадии 10 – еще два эквивалента АТФ. На стадиях 7 и 10 АТФ образуется из АДФ. В цикле гликолиза в конечном итоге образуется чистый выигрыш в два АТФ. Путь гликолиза далее связан с циклом лимонной кислоты, который производит дополнительные эквиваленты АТФ.

Регулирование

При гликолизе гексокиназа непосредственно ингибируется своим продуктом, глюкозо-6-фосфатом, а пируваткиназа ингибируется самим АТФ. Основной точкой контроля гликолитического пути является фосфофруктокиназа (PFK), которая аллостерически ингибируется высокими концентрациями АТФ и активируется высокими концентрациями АМФ. Ингибирование ПФК АТФ необычно, поскольку АТФ также является субстратом в реакции, катализируемой ПФК; активная форма фермента – тетрамер, существующий в двух конформациях, только одна из которых связывает второй субстрат, фруктозо-6-фосфат (F6P). Белок имеет два сайта связывания для АТФ – активный сайт доступен в любой конформации белка, но связывание АТФ с ингибиторным сайтом стабилизирует конформацию, которая плохо связывает F6P. Три молекулы АТФ образуются за один оборот. Хотя потребление кислорода необходимо для поддержания протонного движущего градиента, при недостатке кислорода (гипоксии) внутриклеточный ацидоз (обусловленный ускоренными темпами гликолиза и гидролизом АТФ) способствует поддержанию потенциала митохондриальной мембраны и непосредственно стимулирует синтез АТФ. Большая часть АТФ, синтезируемого в митохондриях, будет использоваться для клеточных процессов в цитозоле; следовательно, он должен экспортироваться из места своего синтеза – митохондриального матрикса. Выход АТФ наружу облегчается электрохимическим потенциалом мембраны, поскольку цитозоль имеет относительно положительный заряд по сравнению с относительно отрицательным матриксом. На каждую вывезенную молекулу АТФ тратится 1 H+. Производство одной молекулы АТФ обходится примерно в 3 H+. Таким образом, для производства и экспорта одной молекулы АТФ требуется 4 H+. Внутренняя мембрана содержит антипортер – АДФ/АТФ-транслоказу, интегральный мембранный белок, используемый для обмена вновь синтезированного АТФ в матриксе на АДФ в межмембранном пространстве.

Регулирование

Цикл лимонной кислоты регулируется главным образом доступностью ключевых субстратов, особенно соотношением NAD+ к NADH и концентрациями кальция, неорганического фосфата, АТФ, АДФ и АМФ. Цитрат – ион, давший циклу его название, – является ингибитором обратной связи цитратсинтазы и также ингибирует ПФК, обеспечивая прямую связь между регуляцией цикла лимонной кислоты и гликолизом.

Пополнение АТФ нуклеозидными дифосфаткиназами

АТФ также может синтезироваться посредством ряда так называемых "регенеративных" реакций, катализируемых семействами ферментов нуклеозиддифосфаткиназ (НДК), которые используют другие нуклеозидтрифосфаты в качестве донора высокоэнергетических фосфатных групп, и семействами АТФ:гуанидофосфотрансфераз.

Производство АТФ во время фотосинтеза

В растениях АТФ синтезируется в тилакоидной мембране хлоропласта. Этот процесс называется фотофосфорилированием. Механизмы, участвующие в этом процессе, схожи с таковыми в митохондриях, за исключением того, что световая энергия используется для перекачивания протонов через мембрану, создавая протонный градиент. Затем АТФ-синтаза функционирует аналогично окислительному фосфорилированию. Часть АТФ, производимого в хлоропластах, расходуется в цикле Кальвина, в результате которого образуются триозофосфаты.

Переработка АТФ

Общее количество АТФ в организме человека составляет около 0,1 моль/л. Большая часть АТФ регенерируется из АДФ посредством вышеупомянутых процессов. Таким образом, общее количество АТФ + АДФ в любой момент времени остается относительно постоянным. Энергия, потребляемая клетками человека во взрослом состоянии, требует гидролиза 100–150 моль/л АТФ ежедневно, что означает, что человек обычно использует количество АТФ, равное весу его тела, в течение дня. Каждый эквивалент АТФ регенерируется 1000–1500 раз в течение суток. Фосфорилирование белка киназой может активировать каскад, например, каскад митоген-активированных протеинкиназ. АТФ также является субстратом аденилатциклазы, чаще всего в путях передачи сигнала, связанных с G-белковыми рецепторами, и превращается во второй мессенджер – циклической АМФ, который участвует в запуске кальциевых сигналов путем высвобождения кальция из внутриклеточных хранилищ. Этот вид передачи сигнала особенно важен для функции мозга, хотя он также участвует в регуляции множества других клеточных процессов.

Синтез ДНК и РНК

АТФ является одним из четырех мономеров, необходимых для синтеза РНК. Этот процесс катализируется РНК-полимеразами. Аналогичный процесс происходит при образовании ДНК, но в этом случае АТФ сначала превращается в дезоксирибонуклеотид dATP. Как и многие реакции конденсации в природе, репликация ДНК и транскрипция ДНК также требуют АТФ.

Транспортер с касеткой для связывания АТФ

Транспортировка химических веществ из клетки против градиента часто связана с гидролизом АТФ. Транспорт опосредован АТФ-связывающими кассетными транспортерами. Геном человека кодирует 48 ABC-транспортеров, которые используются для экспорта лекарственных препаратов, липидов и других соединений.

Внеклеточная сигнализация и нейротрансмиссия

Клетки выделяют АТФ для общения с другими клетками в процессе, называемом пуринергической сигнализацией. АТФ выполняет функцию нейротрансмиттера во многих частях нервной системы, модулирует движение ресничек, влияет на снабжение сосудов кислородом и другие процессы. АТФ выделяется либо непосредственно через клеточную мембрану посредством канальных белков, либо транспортируется в везикулы, которые затем сливаются с мембраной. Клетки распознают АТФ с помощью пуринергических рецепторов P2X и P2Y.

Сокращение мышц

АТФ обеспечивает энергией мышечные сокращения. Мышечные сокращения регулируются сигнальными путями, хотя различные типы мышц регулируются специфическими путями и стимулами в соответствии с их конкретной функцией. Однако во всех типах мышц сокращение осуществляется белками актином и миозином. АТФ первоначально связана с миозином. Когда АТФаза гидролизует связанный АТФ до АДФ и неорганического фосфата, миозин занимает положение, позволяющее ему связываться с актином. Миозин, связанный с АДФ и Pi, образует поперечные мостики с актином, а последующее высвобождение АДФ и Pi высвобождает энергию, приводящую к рабочему ходу. Рабочий ход вызывает скольжение актиновых нитей вдоль миозиновых нитей, укорачивая мышцу и вызывая сокращение. Затем другая молекула АТФ может связаться с миозином, освобождая его от актина и позволяя процессу повториться.

Растворимость белка

Недавно было предложено, что АТФ может выступать в роли биологического гидротропа и было показано, что он влияет на растворимость белков протеома в целом.

Абиогенное происхождение

Ацетилфосфат (AcP), предшественник АТФ, может быть синтезирован с умеренным выходом из тиоацетата при pH 7 и 20 °C, а также при pH 8 и 50 °C, хотя ацетилфосфат менее стабилен при более высоких температурах и в щелочной среде, чем в холодных и кислых или нейтральных условиях. Он не способен стимулировать полимеризацию рибонуклеотидов и аминокислот и проявляет способность только к фосфорилированию органических соединений. Показано, что он способствует агрегации и стабилизации АМФ в присутствии Na+, а агрегация нуклеотидов может способствовать полимеризации при температуре выше 75 °C в отсутствие Na+. Предполагается, что полимеризация, стимулируемая AcP, может происходить на поверхности минералов. Установлено, что АДФ может быть фосфорилирован до АТФ только AcP, в то время как другие нуклеозидтрифосфаты AcP не фосфорилирует. Это может объяснять, почему все живые организмы используют АТФ для обеспечения биохимических реакций.

Аналоги АТФ

Биохимические лаборатории часто используют исследования in vitro для изучения молекулярных процессов, зависимых от АТФ. Аналоги АТФ также применяются в рентгеновской кристаллографии для определения структуры белка в комплексе с АТФ, часто совместно с другими субстратами. Для изучения связывающих центров и переходных состояний, вовлеченных в АТФ-зависимые реакции, требуются ингибиторы ферментов, использующих АТФ, таких как киназы. Большинство полезных аналогов АТФ не подвергаются гидролизу, как это происходит с АТФ; вместо этого они фиксируют фермент в структуре, близкой к состоянию, связанному с АТФ. Аденозин-5′-(γ-тиотрифосфат) – чрезвычайно распространенный аналог АТФ, в котором один из атомов кислорода гамма-фосфатной группы замещен атомом серы; этот анион гидролизуется значительно медленнее, чем сам АТФ, и действует как ингибитор АТФ-зависимых процессов. В кристаллографических исследованиях переходные состояния гидролиза моделируются с помощью связанного иона ванадата. Следует соблюдать осторожность при интерпретации результатов экспериментов с использованием аналогов АТФ, поскольку некоторые ферменты могут гидролизовать их с заметной скоростью при высоких концентрациях.

Медицинское применение

АТФ применяется внутривенно при определенных состояниях, связанных с сердцем.

История

АТФ был открыт в 1929 году Карлом Ломанном и Джендрассиком, а также независимо от них Сайрусом Фиске и Йеллапрагадой Субба Рао из Гарвардской медицинской школы, обе группы конкурировали друг с другом в разработке метода определения фосфора. В 1941 году Фриц Альберт Липман предположил, что АТФ является посредником между реакциями выделения и потребления энергии в клетках. Впервые АТФ был синтезирован в лаборатории Александром Тоддом в 1948 году, и в 1957 году он был удостоен Нобелевской премии по химии, в том числе за эту работу. Нобелевская премия по химии 1978 года была присуждена Питеру Деннису Митчеллу за открытие химиосмотического механизма синтеза АТФ. Нобелевская премия по химии 1997 года была разделена между Полом Д. Бойером и Джоном Э. Уокером "за их прояснение ферментативного механизма, лежащего в основе синтеза аденозинтрифосфата (АТФ)", и Йенсом К. Скоу "за первое открытие ионно-транспортного фермента Na+, K+ АТФазы".