Adenozyno-5′-trifosforan (ATP)
Adenozyno-5′-trifosforan, znany również jako ATP lub adenozynotrójfosforan, jest organicznym związkiem chemicznym będącym nukleotydem adeninowym. Składa się z adenozyny, do której w pozycji 5′-OH przyłączona jest grupa trifosforanowa za pomocą wiązania estrowego. Pełni kluczową rolę w biologii komórkowej, działając jako wielofunkcyjny koenzym oraz jednostka molekularna w transporcie energii wewnątrzkomórkowej. ATP jest nośnikiem energii chemicznej, która jest wykorzystywana w metabolizmie komórki. Jest wytwarzany jako magazyn energii w procesach fotosyntezy oraz oddychania komórkowego. Wiele enzymów korzysta z ATP, a zmagazynowana w nim energia jest niezbędna do przeprowadzania różnorodnych procesów, takich jak biosynteza, ruch komórkowy i podział. ATP powstaje z adenozyno-5′-difosforanu, a po oddaniu energii wraca do formy ADP lub adenozyno-5′-monofosforanu (AMP). Proces ten zachodzi nieprzerwanie w organizmach żywych. Około 85 kg ATP syntetyzowanych i zużywanych jest przez dorosłego człowieka w ciągu doby.
Po raz pierwszy ATP został zidentyfikowany w 1929 roku przez Karla Lohmanna. W 1948 roku zespół Alexandra Todda jako pierwszy uzyskał go syntetycznie poprzez fosforylację adenozyny przy użyciu chlorofosforanu dibenzylowego (BnO)2P(=O)Cl.
W przekaźnictwie sygnałów ATP pełni rolę substratu dla kinaz, które fosforylują białka i lipidy, na przykład cyklazy adenylanowej, która przekształca ATP w cykliczny AMP (cAMP), stanowiący drugi przekaźnik. Stosunek ATP do AMP jest wykorzystywany przez komórki jako wskaźnik dostępnej energii, co umożliwia kontrolowanie produkcji i zużycia ATP. Dodatkowo, ATP jest włączany przez polimerazy w proces transkrypcji kwasów nukleinowych.
Pokrewnym związkiem jest deoksyadenozyno-5′-trifosforan (dATP), który uczestniczy w biosyntezie DNA, zawierając deoksyrybozę zamiast rybozy. Obecność rybozy w tej kluczowej cząsteczce dla procesów życiowych uznawana jest za relikt epoki RNA.
Budowa, właściwości fizyczne i chemiczne
Cząsteczka ATP składa się z adenozyny, która zawiera purynową zasadę adeniny połączoną wiązaniem N-glikozydowym z atomem węgla D-rybozy (węgiel 1′). Ostatni atom węgla (w pozycji 5′) jest ufosforylowany przez grupę trifosforanową, składającą się z trzech reszt fosforanowych, oznaczanych kolejno jako alfa (α), beta (β) i gamma (γ), zaczynając od tej połączonej z rybozą.
Adenozynotrójfosforan dobrze rozpuszcza się w wodzie dzięki licznym grupom hydrofilowym i zachowuje stabilność w pH od 6,8 do 7,4, jednak w środowisku kwasowym lub zasadowym szybko hydrolizuje. Najlepiej przechowywać go w formie bezwodnej soli.
W większości procesów biochemicznych wykorzystujących ATP źródłem energii jest rozpad wysokoenergetycznego wiązania bezwodnikowego pomiędzy resztami fosforanowymi. Wiązanie pomiędzy fosforanami β i γ ma największą wartość energetyczną. Proces „przenoszenia energii” z ATP na inne związki polega na ich fosforylacji przez ATP, na przykład:
ATP + ROH → ROPO3H2 + ADP
Natomiast hydroliza ATP nie dostarcza energii innym reakcjom, jest punktem odniesienia dla rozważań energetycznych, co może prowadzić do mylących interpretacji mechanizmu działania ATP. Ponieważ reszta trifosforanowa w ATP zawiera dwa wiązania bezwodnikowe, hydroliza może zachodzić w dwóch miejscach:
Hydroliza wiązania ATP pomiędzy resztami fosforanowymi β i γ prowadzi do powstania ADP i anionu fosforanowego (Pi) oraz uwolnienia energii 8 kcal (33,47 kJ)/mol:
ATP + H2O → ADP + Pi + energia
Natomiast hydroliza pomiędzy resztami α i β skutkuje powstaniem AMP i pirofosforanu oraz uwolnieniem energii:
ATP + H2O → AMP + PPi + energia
Standardowe zmiany entalpii swobodnych ΔG0′ dla obu tych reakcji są zbliżone i wynoszą około −31 kJ/mol w pH = 7. Zmiany te zależą jednak od siły jonowej układu oraz stężenia jonów Ca2+ i Mg2+, co sprawia, że w komórce ΔG0′ ≈ −50 kJ/mol.
W równowagowej mieszaninie ATP i ADP w wodzie dominuje ADP, a ATP jest obecny w niewielkich ilościach. Układ daleki od równowagi charakteryzuje się wysoką ujemną entalpią swobodną, co pozwala na wykonywanie dużej pracy termodynamicznej. Żywe komórki utrzymują stężenia ATP i ADP znacznie oddalone od stanu równowagi, co skutkuje stężeniem ATP wielokrotnie przekraczającym stężenie ADP. Dzięki temu proces ATP → ADP przebiega efektywnie, dostarczając dużą ilość energii komórkom.
ATP jest często określany jako „związek wysokoenergetyczny”, co może być mylące. W równowagowej mieszaninie ATP i ADP w wodzie nie dochodzi do przeważania hydrolizy ATP, co oznacza, że obecność tej cząsteczki nie dostarcza energii. Lepszą analogią jest porównanie ATP i wody do paliwa i tlenu, które są niezbędne do uwolnienia energii.
Podobnie, zwraca się uwagę na wiązania wysokoenergetyczne łączące grupy fosforanowe. Nie ma w nich nic nadzwyczajnego; to zwykłe wiązania bezwodnikowe, jak w nieorganicznym pirofosforanie. Jak w przypadku każdego wiązania chemicznego, ich rozerwanie wymaga dostarczenia energii, ale zniszczenie tych wiązań samo w sobie nie uwalnia energii. W tym wypadku energia wiązania jest niewielka, znacznie mniejsza niż energia wydzielająca się przy tworzeniu nowych wiązań. Można to wyjaśnić zmniejszeniem odpychania elektrostatycznego między ujemnie naładowanymi atomami tlenu oraz korzystniejszą energią rezonansu w układzie ADP + Pi w porównaniu do ATP.
Taki niestabilny system, złożony z potencjalnie reaktywnych cząsteczek, musi być zdolny do przechowywania swobodnej energii, dlatego komórka musi utrzymywać stężenia składników z dala od punktu równowagi. W przypadku katabolizmu biopolimerów, rozkład RNA, DNA i ATP do prostszych związków zachodzi z uwolnieniem energii oraz wzrostem entropii.
Biosynteza
Stężenie ATP w komórkach wynosi zazwyczaj od 1 do 10 mmol/l. ATP może powstawać w wyniku reakcji redoks z wykorzystaniem prostych i złożonych cukrów lub lipidów jako źródeł energii. Jednak złożone substraty muszą najpierw ulec rozkładowi na prostsze składniki, by mogły dostarczyć energii do syntezy ATP. Węglowodany hydrolizują do monosacharydów, takich jak glukoza czy fruktoza, natomiast triacyloglicerole rozkładają się na glicerol i kwasy tłuszczowe. Całkowity proces utleniania jednej cząsteczki glukozy do dwutlenku węgla (oddychanie komórkowe) może dostarczyć energii do odnowienia około 30 cząsteczek ATP. ATP może być również wytwarzany w wyniku wielu innych procesów. U eukariontów głównie trzy szlaki metaboliczne generują ATP: glikoliza, cykl kwasu cytrynowego oraz fosforylacja oksydacyjna (oba związane z oddychaniem komórkowym) oraz beta-oksydacja. Większość produkcji ATP u organizmów niezdolnych do fotosyntezy odbywa się w mitochondriach, które mogą stanowić aż 25% objętości przeciętnej komórki.
Glikoliza
W procesie glikolizy glukoza i glicerol są metabolizowane do pirogronianu. U większości organizmów proces ten zachodzi w cytozolu, chociaż u niektórych pierwotniaków, takich jak kinetoplastydy, glikoliza odbywa się w wyspecjalizowanych organellach zwanych glikosomami. Glikoliza generuje netto 2 cząsteczki ATP na każdą cząsteczkę glukozy. W wyniku reakcji fosforylacji substratowej, katalizowanej przez enzymy kinazę glicerynianową i kinazę pirogronianową, powstają 4 cząsteczki ATP, jednak na włączenie glukozy do procesu zużywane są 2 ATP przez glukokinazę lub heksokinazę oraz fosfofruktokinazę, co należy uwzględnić w obliczeniach. Dodatkowo 2 NAD+ redukują się do 2 NADH, które mogą być następnie utlenione w mitochondrialnym łańcuchu oddechowym. Ten proces, poprzez transport elektronów i protonów, bezpośrednio łączy się z syntezą ATP za pomocą syntazy ATP. Końcowy produkt tego szlaku, pirogronian, może przejść reakcję pomostową i stać się substratem cyklu kwasów trójkarboksylowych.
Funkcje ATP
ATP jest jednym z wielu związków, z których organizm czerpie energię do życia i jego funkcjonowania. Wszystkie procesy energetyczne w końcu prowadzą do tworzenia ATP lub jego redukcji. Związek ten nie jest magazynowany, lecz tworzony na bieżąco.
Ostatnie badania wskazują na rolę puryn adeninowych w przestrzeni pozakomórkowej jako zewnątrzkomórkowych cząsteczek sygnalizacyjnych, które aktywują receptory purynowe. Na przykład ADP, który powstaje w wyniku uszkodzenia, działa jako sygnał przerwania ciągłości naczyń krwionośnych.
ATP z kolei uczestniczy w regulacji ciśnienia krwi, oddziałując na receptory P2OOO oraz P2Ysa. Działanie adenozynotrójfosforanu zależy od lokalizacji tych receptorów. Główne mechanizmy uwalniania e-puryn to egzocytoza oraz transport przez transbłonowe transportery i białka transportujące.
Historia
Adenozyno-5′-trifosforan został odkryty w 1929 roku przez niemieckiego chemika Karla Lohmanna oraz niezależnie przez C.H. Fiske i Y. Subbarow. Jego rolę jako cząsteczki przenoszącej energię w komórkach wykazał Fritz Lipmann, który w 1953 roku otrzymał Nagrodę Nobla. Pierwszą chemiczną syntezę ATP przeprowadził w 1948 roku Alexander Todd, co przyniosło mu Nagrodę Nobla z chemii w 1957 roku. Kolejne nagrody Nobla związane z ATP otrzymali: Peter D. Mitchell (1978) za związanie gradientu stężeń jonów wodorowych z syntezą ATP, Paul D. Boyer i John E. Walker (1997) za badania nad mechanizmem działania syntazy ATP oraz Jens C. Skou w tym samym roku za badania nad pompą sodowo-potasową zależną od ATP.