dokonce i exergonické reakce uvolňující energii vyžadují malé množství aktivační energie, aby mohly pokračovat. Zvažte však endergonické reakce, které vyžadují mnohem více energie, protože jejich produkty mají více volné energie než jejich reaktanty. V buňce, odkud pochází energie k napájení takových reakcí? Odpověď spočívá v molekule dodávající energii zvané adenosintrifosfát nebo ATP. ATP je malá, relativně jednoduchá molekula( obrázek), ale v některých svých vazbách obsahuje potenciál pro rychlý výbuch energie, který lze využít k provádění buněčné práce. Tuto molekulu lze považovat za primární energetickou měnu buněk stejným způsobem, jako jsou peníze měnou, kterou si lidé vyměňují za věci, které potřebují. ATP se používá k napájení většiny buněčných reakcí vyžadujících energii.
jak již název napovídá, adenosintrifosfát se skládá z adenosinu vázaného na tři fosfátové skupiny (obrázek). Adenosin je nukleosid sestávající z dusíkaté báze adenin a pětiuhlíkového cukru, ribózy. Tři fosfátové skupiny, v pořadí nejblíže nejdále od ribosy cukru, jsou označeny alfa, beta a gama. Společně tyto chemické skupiny tvoří energetickou elektrárnu. Ne všechny vazby v této molekule však existují ve zvláště vysokoenergetickém stavu. Obě vazby, které spojují fosfáty, jsou stejně vysokoenergetické vazby (fosfoanhydridové vazby), které při rozbití uvolňují dostatečnou energii k napájení různých buněčných reakcí a procesů. Tyto vysoce energetické vazby jsou vazby mezi druhým a třetím (nebo beta a gama) fosfátové skupiny a mezi první a druhou fosfátových skupin. Důvod, že tyto dluhopisy jsou považovány za „high-energie“ je proto, že produkty těchto dluhopisů lámání—adenosin difosfát (ADP) a jeden anorganické fosfátové skupiny (Pi)—mají výrazně nižší volnou energii než reaktanty: ATP a molekula vody. Protože tato reakce probíhá s použitím molekuly vody, považuje se za hydrolýzu. Jinými slovy, ATP se hydrolyzuje na ADP v následující reakci:
stejně Jako většina chemických reakcí, hydrolýzy ATP na ADP je reverzibilní. Reverzní reakce regeneruje ATP z ADP + Pi. Buňky se skutečně spoléhají na regeneraci ATP, stejně jako lidé spoléhají na regeneraci vynaložených peněz prostřednictvím nějakého příjmu. Vzhledem k tomu, že hydrolýza ATP uvolňuje energii, musí regenerace ATP vyžadovat vstup volné energie. Tvorba ATP je vyjádřena v této rovnici:
Dvě významné otázky s ohledem na využití ATP jako zdroj energie. Přesně kolik volné energie se uvolňuje hydrolýzou ATP a jak se tato volná energie používá k buněčné práci? Vypočtené ∆G hydrolýzy jeden mol ATP na ADP a Pi je -7.3 kcal/mol (-30.5 kJ/mol). Vzhledem k tomu, že tento výpočet je pravdivý za standardních podmínek, lze očekávat, že za buněčných podmínek existuje jiná hodnota. Ve skutečnosti je ∆G pro hydrolýzu jednoho molu ATP v živé buňce téměř dvojnásobná hodnota za standardních podmínek: 14 kcal / mol (-57 kJ/mol).
ATP je vysoce nestabilní molekula. Pokud není ATP rychle použit k provádění práce, spontánně se disociuje na ADP + Pi a volná energie uvolněná během tohoto procesu se ztrácí jako teplo. Jak se energie uvolněná hydrolýzou ATP používá k provádění práce uvnitř buňky, závisí na strategii zvané energetická vazba. Buňky spojují exergonickou reakci hydrolýzy ATP s endergonickými reakcemi, což jim umožňuje pokračovat. Jeden příklad energetické vazby pomocí ATP zahrnuje transmembránové iontové čerpadlo, které je nesmírně důležité pro buněčnou funkci. Tato sodno-draselná pumpa (na + / k + pumpa) vytlačuje sodík z buňky a draslík do buňky (obrázek). Velké procento ATP buňky se vynakládá na napájení této pumpy, protože buněčné procesy přinášejí do buňky velké množství sodíku a draslíku z buňky. Čerpadlo neustále pracuje na stabilizaci buněčných koncentrací sodíku a draslíku. Aby čerpadlo mohlo otočit jeden cyklus (export tří iontů Na+ a import dvou iontů K+), musí být jedna molekula ATP hydrolyzována. Když je ATP hydrolyzován, jeho gama fosfát se jednoduše nevyplavuje, ale ve skutečnosti se přenáší na pump protein. Tento proces vazby fosfátové skupiny na molekulu se nazývá fosforylace. Stejně jako u většiny případů hydrolýzy ATP se fosfát z ATP přenáší na jinou molekulu. Ve fosforylovaném stavu má čerpadlo Na+ / k+ více volné energie a je spuštěno, aby podstoupilo konformační změnu. Tato změna umožňuje uvolnění Na+ na vnější stranu buňky. Poté se váže extracelulární K+, což další konformační změnou způsobí, že se fosfát oddělí od pumpy. Toto uvolňování fosfátu spouští uvolnění K+ do vnitřku buňky. Energie uvolněná z hydrolýzy ATP je v podstatě spojena s energií potřebnou k napájení čerpadla a transportu iontů Na+ a k+. ATP provádí buněčnou práci pomocí této základní formy energetické vazby fosforylací.
hydrolýza jedné molekuly ATP uvolňuje 7.3 kcal/mol energie (∆G = -7.3 kcal/mol energie). Pokud to trvá 2,1 kcal/mol energie k pohybu jednoho Na+ přes membránu (∆G = + 2,1 kcal / mol energie), kolik iontů sodíku by mohlo být přesunuto hydrolýzou jedné molekuly ATP?
Často během buněčné metabolické reakce, např. syntéza a rozklad živin, některé molekuly musí být změněny v jejich konformaci stávají substráty pro další krok v reakci série. Jedním z příkladů je během prvních kroků buněčného dýchání, kdy se molekuly cukru glukózy je rozdělena v procesu glykolýzy. V prvním kroku tohoto procesu, ATP je nezbytná pro fosforylaci glukózy, vytvářet high-energie, ale nestabilní meziprodukt. Tato fosforylace reakce pravomoci konformační změnu, která umožňuje fosforylované molekuly glukózy, které mají být převedeny na fosforylovaný cukr fruktóza. Fruktóza je nezbytným meziproduktem pro pohyb glykolýzy vpřed. Zde je exergonická reakce hydrolýzy ATP spojena s endergonickou reakcí přeměny glukózy na fosforylovaný meziprodukt v dráze. Opět platí, že energie vydané lámání fosfát dluhopisů v rámci ATP byl použit pro fosforylaci jiné molekuly, vytváří nestabilní meziprodukt a napájení důležité konformační změny.
podívejte se na interaktivní animaci procesu glykolýzy produkující ATP na tomto webu.
ATP je primární molekula dodávající energii pro živé buňky. ATP se skládá z nukleotidu, pětiuhlíkového cukru a tří fosfátových skupin. Vazby, které spojují fosfáty (fosfoanhydridové vazby), mají vysoký energetický obsah. Energie uvolněná z hydrolýzy ATP na ADP + Pi se používá k provádění buněčné práce. Buňky používají ATP k provádění práce spojením exergonické reakce hydrolýzy ATP s endergonickými reakcemi. ATP daruje svou fosfátovou skupinu jiné molekule procesem známým jako fosforylace. Fosforylované molekuly se při vyšší energii a je méně stabilní než jeho unphosphorylated formě, a tato přidaná energie z přidání fosfátů umožňuje molekule podstoupit jeho endergonické reakce.