سنتز و هیدرولیز ATP

آدنوزین تری‌فسفات (ATP) واحد اصلی انرژی سلول است و سنتز مداوم آن از ADP و فسفات غیرآلی و هیدرولیز آن به ADP، چرخه‌ای را تشکیل می‌دهد که فرآیندهای انرژی‌زا را به فرآیندهای نیازمند انرژی پیوند می‌دهد. انرژی آزاد شده هنگام هیدرولیز پیوند فسفودی‌استر انتهایی ATP، همان چیزی است که سلول‌ها برای تأمین انرژی بیشتر کارهای خود از آن استفاده می‌کنند.

Definition

سنتز ATP عبارت است از فسفوریلاسیون ADP به آدنوزین تری‌فسفات، و هیدرولیز ATP عبارت است از شکافتن پیوند فسفودی‌استر انتهایی آن به ADP و فسفات غیرآلی؛ چرخه جفت شده این دو، انرژی آزاد را ذخیره و آزاد می‌کند که فرآیندهای سلولی را به پیش می‌برد.

Scope

این مدخل به این موضوع می‌پردازد که چرا هیدرولیز ATP از نظر انرژی مطلوب است، مسیرهایی که ATP از طریق آنها سنتز می‌شود (فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا و فسفوریلاسیون اکسیداتیو)، نقش ATP سنتاز، و چگونگی پیوند چرخه ATP-ADP کاتابولیسم به بیوسنتز، انتقال و کار مکانیکی. این مطلب ATP را به عنوان یک موضوع بیوانرژتیک در بیوشیمی بررسی می‌کند، نه به عنوان یک راهنمای بالینی.

Core questions

• چرا هیدرولیز ATP انرژی آزاد قابل استفاده را آزاد می‌کند؟
• ATP از چه مسیرهایی از ADP بازسازی می‌شود؟
• ATP سنتاز چگونه گرادیان پروتون را به تشکیل ATP پیوند می‌دهد؟
• چرخه ATP-ADP چگونه عرضه انرژی را به تقاضای انرژی پیوند می‌دهد؟

Key concepts

• ATP به عنوان واحد جهانی انرژی
• پیوندهای فسفودی‌استر و انرژی آزاد هیدرولیز
• ADP و فسفات غیرآلی به عنوان محصولات
• فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا در مقابل فسفوریلاسیون اکسیداتیو
• ATP سنتاز و کاتالیز چرخشی
• چرخه ATP-ADP و گردش سریع
• بار انرژی و جفت‌شدگی متابولیکی

Key theories

کاتالیز چرخشی توسط ATP سنتاز

ATP سنتاز از طریق یک مکانیسم چرخشی ATP را می‌سازد که در آن جریان پروتون باعث چرخش بخشی از آنزیم می‌شود و به طور چرخه‌ای کنفورماسیون جایگاه‌های کاتالیزوری را تغییر می‌دهد تا ADP و فسفات متصل شوند، به ATP متراکم شوند و آزاد گردند؛ ساختار با وضوح بالای سر کاتالیزوری F1 حمایت قوی از این مدل چرخشی و تغییر اتصال ارائه داد.

Mechanisms

ATP انرژی آزاد را در دو پیوند فسفودی‌استر انتهایی خود حمل می‌کند؛ هیدرولیز آنها به ADP و فسفات غیرآلی (یا به AMP و پیروفسفات) از نظر ترمودینامیکی مطلوب است، و سلول‌ها این آزادسازی را از طریق واسطه‌های فسفریله شده مشترک به واکنش‌های نامطلوب دیگر پیوند می‌دهند. ATP از دو مسیر اصلی بازسازی می‌شود: فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا، که در آن یک فسفات مستقیماً از یک واسطه متابولیکی پرانرژی منتقل می‌شود، و فسفوریلاسیون اکسیداتیو، که در آن ATP سنتاز از نیروی محرکه پروتونی میتوکندری استفاده می‌کند. ATP سنتاز از طریق کاتالیز چرخشی عمل می‌کند: جریان پروتون باعث چرخش می‌شود که به طور چرخه‌ای جایگاه‌های کاتالیزوری آن را تغییر می‌دهد تا سوبستراها را متصل کند، ATP را تشکیل دهد و آن را آزاد کند. از آنجایی که ATP تقریباً به همان سرعتی که ساخته می‌شود مصرف می‌شود، ذخیره موجود کوچک است و بارها بازیافت می‌شود، بنابراین این گردش چرخه ATP-ADP است، نه اندازه ذخیره، که نیاز انرژی سلولی را برآورده می‌کند.

Clinical relevance

بافت‌هایی با نیازهای انرژی بالا و نوسان‌دار به بازسازی سریع ATP وابسته هستند، و شرایطی که سنتز ATP را مختل می‌کنند — مانند نارسایی فسفوریلاسیون اکسیداتیو میتوکندری یا قطع اکسیژن و تأمین سوخت — به سرعت منجر به کمبود انرژی و آسیب سلولی می‌شوند. این مدخل بیوشیمی را توضیح می‌دهد و مبنایی برای تشخیص یا درمان فردی نیست.

History

فرمول‌بندی پیوند فسفات پرانرژی توسط فریتز لیپمن در اواسط قرن بیستم، ATP را به عنوان واحد انرژی سلول تثبیت کرد و ایده چرخه انتقال فسفات را معرفی نمود. سپس فرضیه شیمی‌اسمتیک پیتر میچل توضیح داد که چگونه گرادیان پروتون سنتز ATP را به پیش می‌برد، و مکانیسم چرخشی و تغییر اتصال ATP سنتاز از طریق کارهای مرتبط با پاول بویر توسعه یافت و از نظر ساختاری توسط جان واکر و همکارانش تأیید شد.

Key figures

• Fritz Lipmann
• Peter Mitchell
• Paul Boyer
• John Walker

Seminal works

• mitchell-1961
• abrahams-1994

Frequently asked questions

چرا ATP به عنوان یک مولکول پرانرژی توصیف می‌شود؟

پیوندهای فسفودی‌استر انتهایی آن مقدار قابل توجهی انرژی آزاد را هنگام هیدرولیز آزاد می‌کنند، که سلول‌ها می‌توانند آن را برای پیشبرد واکنش‌هایی که در غیر این صورت انجام نمی‌شدند، جفت کنند؛ این اصطلاح به این پتانسیل انتقال اشاره دارد، نه به ناپایداری خود پیوند.

ATP پس از استفاده چگونه بازسازی می‌شود؟

ADP دوباره به ATP فسفریله می‌شود، عمدتاً از طریق فسفوریلاسیون اکسیداتیو در ATP سنتاز میتوکندری، و به میزان کمتری از طریق فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا در مسیرهایی مانند گلیکولیز و چرخه اسید سیتریک.