Синтез и гидролиз АТФ

Аденозинтрифосфат (АТФ) является центральной энергетической валютой клетки, а его непрерывный синтез из АДФ и неорганического фосфата, а также его гидролиз обратно в АДФ образуют цикл, который связывает энерговыделяющие процессы с энергопотребляющими. Свободная энергия, высвобождаемая при гидролизе концевой фосфоангидридной связи АТФ, используется клетками для выполнения большинства их работ.

Definition

Синтез АТФ — это фосфорилирование АДФ до аденозинтрифосфата, а гидролиз АТФ — это расщепление его концевой фосфоангидридной связи до АДФ и неорганического фосфата; сопряженный цикл этих двух процессов запасает и высвобождает свободную энергию, которая движет клеточные процессы.

Scope

Статья охватывает причины энергетической выгодности гидролиза АТФ, пути синтеза АТФ (субстратное и окислительное фосфорилирование), роль АТФ-синтазы и способ, которым цикл АТФ-АДФ связывает катаболизм с биосинтезом, транспортом и механической работой. Она рассматривает АТФ как биоэнергетическую тему в биохимии, а не как клиническое руководство.

Core questions

• Почему гидролиз АТФ высвобождает полезную свободную энергию?
• Какими путями АТФ регенерируется из АДФ?
• Как АТФ-синтаза сопрягает протонный градиент с образованием АТФ?
• Как цикл АТФ-АДФ связывает энергоснабжение с энергопотреблением?

Key concepts

• АТФ как универсальная энергетическая валюта
• Фосфоангидридные связи и свободная энергия гидролиза
• АДФ и неорганический фосфат как продукты
• Субстратное против окислительного фосфорилирования
• АТФ-синтаза и ротационный катализ
• Цикл АТФ-АДФ и быстрый оборот
• Энергетический заряд и метаболическое сопряжение

Key theories

Ротационный катализ АТФ-синтазой

АТФ-синтаза синтезирует АТФ посредством ротационного механизма, при котором поток протонов вызывает вращение части фермента, циклически изменяя конформацию каталитических центров таким образом, что АДФ и фосфат связываются, конденсируются в АТФ и высвобождаются; высокоразрешенная структура каталитической головки F1 предоставила убедительные доказательства этой модели связывания-изменения и вращения.

Mechanisms

АТФ несет свободную энергию в своих двух концевых фосфоангидридных связях; их гидролиз до АДФ и неорганического фосфата (или до АМФ и пирофосфата) термодинамически выгоден, и клетки сопрягают это высвобождение с иначе невыгодными реакциями через общие фосфорилированные промежуточные продукты. АТФ регенерируется двумя основными путями: субстратным фосфорилированием, при котором фосфат переносится непосредственно от высокоэнергетического метаболического промежуточного продукта, и окислительным фосфорилированием, при котором АТФ-синтаза использует протон-движущую силу митохондрий. АТФ-синтаза работает посредством ротационного катализа: поток протонов вызывает вращение, которое циклически изменяет ее каталитические центры для связывания субстратов, образования АТФ и его высвобождения. Поскольку АТФ потребляется почти так же быстро, как и образуется, его запас невелик и многократно перерабатывается, поэтому именно оборот цикла АТФ-АДФ, а не размер запаса, удовлетворяет клеточные энергетические потребности.

Clinical relevance

Ткани с высокими и колеблющимися энергетическими потребностями зависят от быстрой регенерации АТФ, и состояния, нарушающие синтез АТФ — такие как нарушение митохондриального окислительного фосфорилирования или прерывание поступления кислорода и топлива — быстро приводят к дефициту энергии и повреждению клеток. Эта статья объясняет биохимию и не является основанием для индивидуальной диагностики или лечения.

History

Формулировка Фрица Липмана в середине двадцатого века о высокоэнергетической фосфатной связи установила АТФ как энергетическую валюту клетки и ввела идею цикла переноса фосфата. Хемиосмотическая гипотеза Питера Митчелла затем объяснила, как протонный градиент движет синтез АТФ, а ротационный механизм изменения связывания АТФ-синтазы был разработан благодаря работе, связанной с Полом Бойером, и структурно подтвержден Джоном Уокером и его коллегами.

Key figures

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

Seminal works

• mitchell-1961
• abrahams-1994

Frequently asked questions

Почему АТФ описывается как высокоэнергетическая молекула?

Его концевые фосфоангидридные связи высвобождают значительное количество свободной энергии при гидролизе, которую клетки могут использовать для запуска реакций, которые иначе не протекали бы; этот термин относится к потенциалу переноса, а не к нестабильности самой связи.

Как АТФ регенерируется после использования?

АДФ рефосфорилируется обратно в АТФ, главным образом путем окислительного фосфорилирования в митохондриальной АТФ-синтазе, и в меньшей степени путем субстратного фосфорилирования в таких путях, как гликолиз и цикл лимонной кислоты.