Even exergonic, energy-releasing reactions require a small amount of activation energy in order to proseed. No entanto, considere reações endergônicas, que requerem muito mais energia, porque seus produtos têm mais energia livre do que seus reagentes. Dentro da célula, de onde vem a energia para alimentar tais reações? A resposta está numa molécula de energia chamada trifosfato de adenosina, ou ATP. ATP é uma molécula pequena, relativamente simples (figura), mas dentro de algumas de suas ligações, Ele contém o potencial para uma rápida explosão de energia que pode ser aproveitada para executar o trabalho celular. Esta molécula pode ser considerada como a moeda de energia primária das células da mesma forma que o dinheiro é a moeda que as pessoas trocam por coisas de que precisam. A ATP é usada para alimentar a maioria das reações celulares que requerem energia.
como seu nome sugere, trifosfato de adenosina é composto de adenosina ligado a três grupos de fosfato (figura). Adenosina é um nucleósido constituído pela adenina de base azotada e um açúcar de cinco carbonos, ribose. Os três grupos de fosfato, na ordem dos mais próximos ao mais distante do açúcar ribose, são rotulados alfa, beta e gama. Juntos, estes grupos químicos constituem uma fonte de energia. No entanto, nem todas as ligações dentro desta molécula existem em um estado particularmente de alta energia. Ambas as ligações que ligam os fosfatos são igualmente ligações de alta energia (ligações fosfoanidrido) que, quando quebradas, liberam energia suficiente para alimentar uma variedade de reações celulares e processos. Estas ligações de alta energia são as ligações entre o segundo e terceiro grupos de fosfato (ou beta e gama) e entre o primeiro e o segundo grupos de fosfato. A razão pela qual essas ligações são consideradas “alta energia” é porque os produtos de tal quebra de ligação-difosfato de adenosina (ADP) e um grupo de fosfato inorgânico (Pi)—têm energia livre consideravelmente menor do que os reagentes: ATP e uma molécula de água. Como esta reação ocorre com o uso de uma molécula de água, é considerada uma reação de hidrólise. Em outras palavras, ATP é hidrolisado em ADP na seguinte reação:
como a maioria das reacções químicas, a hidrólise de ATP para ADP é reversível. A reação reversa regenera ATP de ADP + Pi. Na verdade, as células dependem da regeneração da ATP, tal como as pessoas dependem da regeneração do dinheiro gasto através de algum tipo de rendimento. Uma vez que a hidrólise ATP liberta energia, a regeneração ATP deve exigir uma entrada de energia livre. A formação de ATP é expressa nesta equação:
Duas importantes questões permanecem com relação ao uso do ATP como fonte de energia. Exatamente quanto de energia livre é liberada com a hidrólise de ATP, e como é que essa energia livre é usada para fazer o trabalho celular? A ∆g calculada para a hidrólise de um mole de ATP em ADP e Pi é -7,3 kcal/mole (-30,5 kJ/mol). Uma vez que este cálculo é verdadeiro em condições padrão, seria de esperar que exista um valor diferente em condições celulares. De fato, a ∆g para a hidrólise de um mole de ATP em uma célula viva é quase o dobro do valor em condições padrão: 14 kcal/mol (-57 kJ/mol).
ATP é uma molécula altamente instável. A menos que rapidamente utilizada para realizar trabalho, a ATP se dissocia espontaneamente em ADP + Pi, e a energia livre liberada durante este processo é perdida como calor. A segunda questão colocada acima, ou seja, como a energia libertada pela hidrólise de ATP é usada para realizar o trabalho dentro da célula, depende de uma estratégia chamada acoplamento de energia. As células conjugam a reacção exergónica da hidrólise ATP com reacções endergónicas, permitindo-lhes prosseguir. Um exemplo de acoplamento de energia usando ATP envolve uma bomba de íon transmembranar que é extremamente importante para a função celular. Esta bomba sódio-potássio (Bomba Na+/K+) retira sódio da célula e potássio para a célula (figura). Uma grande porcentagem de ATP de uma célula é gasta alimentando esta bomba, porque os processos celulares trazem uma grande quantidade de sódio para a célula e potássio para fora da célula. A bomba trabalha constantemente para estabilizar as concentrações celulares de sódio e potássio. Para que a bomba gira um ciclo (exportando três na+ iões e importando dois K+ ions), uma molécula de ATP deve ser hidrolisada. Quando a ATP é hidrolisada, o seu fosfato gama não flutua simplesmente, mas é transferido para a proteína da bomba. Este processo de ligação de um grupo fosfato a uma molécula é chamado fosforilação. Como na maioria dos casos de hidrólise de ATP, um fosfato de ATP é transferido para outra molécula. Em um estado fosforilado, a bomba de Na+/K+ tem mais energia livre e é desencadeada para passar por uma mudança de conformação. Esta alteração permite-lhe libertar Na+ para o exterior da célula. Liga-se então a K+ extracelular, que, através de outra mudança conformacional, faz com que o fosfato se separe da bomba. Esta libertação de fosfato desencadeia a libertação de K+ para o interior da célula. Essencialmente, a energia libertada da hidrólise de ATP é associada à energia necessária para alimentar a bomba e transportar na+ E K+ ions. A ATP realiza trabalhos celulares usando esta forma básica de acoplamento de energia através da fosforilação.
the hydrolysis of one ATP molecule releases 7.3 kcal/mol of energy (∆g = -7.3 kcal / mol of energy). Se for necessário 2,1 kcal / mol de energia para mover uma Na+ através da membrana (∆G = +2,1 kcal/mol de energia), quantos iões de sódio podem ser movidos pela hidrólise de uma molécula de ATP?muitas vezes, durante as reacções metabólicas celulares, tais como a síntese e degradação dos nutrientes, certas moléculas devem ser ligeiramente alteradas na sua conformação para se tornarem substratos para o próximo passo da série de reacções. Um exemplo é durante os primeiros passos da respiração celular, quando uma molécula de glicose é quebrada no processo de glicólise. Na primeira etapa deste processo, a ATP é necessária para a fosforilação da glicose, criando um intermediário de alta energia mas instável. Esta reação de fosforilação potencia uma mudança conformacional que permite que a molécula de glicose fosforilada seja convertida à frutose de açúcar fosforilada. A frutose é um intermediário necessário para a glicólise avançar. Aqui, a reacção exergónica da hidrólise ATP é associada à reacção endergónica de conversão da glucose num intermediário fosforilado na Via. Mais uma vez, a energia libertada pela quebra de uma ligação de fosfato dentro da ATP foi usada para a fosforilação de outra molécula, criando um intermediário instável e alimentando uma mudança conformacional importante.
ver uma animação interactiva do processo de glicólise produtora de ATP neste local.
ATP é a molécula que fornece energia primária para as células vivas. A ATP é composta por um nucleótido, um açúcar de cinco átomos de carbono e três grupos de fosfato. As ligações que ligam os fosfatos (ligações fosfoanidrido) têm alto teor energético. A energia libertada da hidrólise de ATP em ADP + Pi é utilizada para realizar o trabalho celular. As células utilizam ATP para realizar o seu trabalho associando a reacção exergónica da hidrólise ATP a reacções endergónicas. A ATP doa o seu grupo fosfato a outra molécula através de um processo conhecido como fosforilação. A molécula fosforilada está em um estado de maior energia e é menos estável do que sua forma não-fosforilada, e esta energia adicionada a partir da adição do fosfato permite que a molécula para passar por sua reação endergônica.