การสังเคราะห์และการไฮโดรไลซิสของ ATP

อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) เป็นสกุลเงินพลังงานหลักของเซลล์ และการสังเคราะห์อย่างต่อเนื่องจาก ADP และอนินทรีย์ฟอสเฟต รวมถึงการไฮโดรไลซิสกลับเป็น ADP ก่อให้เกิดวัฏจักรที่เชื่อมโยงกระบวนการที่ให้พลังงานเข้ากับกระบวนการที่ต้องการพลังงาน พลังงานอิสระที่ปล่อยออกมาเมื่อพันธะฟอสโฟแอนไฮไดรด์ปลายสุดของ ATP ถูกไฮโดรไลซ์ คือสิ่งที่เซลล์ใช้ในการขับเคลื่อนการทำงานส่วนใหญ่

Definition

การสังเคราะห์ ATP คือการเติมหมู่ฟอสเฟตของ ADP ให้เป็นอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต และการไฮโดรไลซิสของ ATP คือการแยกพันธะฟอสโฟแอนไฮไดรด์ปลายสุดออกเป็น ADP และอนินทรีย์ฟอสเฟต; วัฏจักรที่เชื่อมโยงกันของทั้งสองกระบวนการนี้จะเก็บและปล่อยพลังงานอิสระที่ขับเคลื่อนกระบวนการของเซลล์

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมถึงเหตุผลที่การไฮโดรไลซิสของ ATP เป็นกระบวนการที่เอื้อต่อพลังงาน เส้นทางที่ ATP ถูกสังเคราะห์ (การเติมหมู่ฟอสเฟตระดับซับสเตรตและการเติมหมู่ฟอสเฟตโดยอาศัยออกซิเจน) บทบาทของ ATP synthase และวิธีที่วัฏจักร ATP-ADP เชื่อมโยงกระบวนการสลาย (catabolism) เข้ากับการสังเคราะห์ทางชีวภาพ (biosynthesis) การขนส่ง และการทำงานเชิงกล เนื้อหานี้ถือว่า ATP เป็นหัวข้อทางชีวพลังงานในชีวเคมี ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• เหตุใดการไฮโดรไลซิสของ ATP จึงปล่อยพลังงานอิสระที่นำไปใช้ได้?
• ATP ถูกสร้างขึ้นใหม่จาก ADP ด้วยเส้นทางใดบ้าง?
• ATP synthase เชื่อมโยงการไล่ระดับโปรตอนกับการสร้าง ATP ได้อย่างไร?
• วัฏจักร ATP-ADP เชื่อมโยงการจัดหาพลังงานเข้ากับความต้องการพลังงานได้อย่างไร?

Key concepts

• ATP ในฐานะสกุลเงินพลังงานสากล
• พันธะฟอสโฟแอนไฮไดรด์และพลังงานอิสระของการไฮโดรไลซิส
• ADP และอนินทรีย์ฟอสเฟตเป็นผลิตภัณฑ์
• การเติมหมู่ฟอสเฟตระดับซับสเตรตเทียบกับการเติมหมู่ฟอสเฟตโดยอาศัยออกซิเจน
• ATP synthase และการเร่งปฏิกิริยาแบบหมุน
• วัฏจักร ATP-ADP และการหมุนเวียนอย่างรวดเร็ว
• ประจุพลังงานและการเชื่อมโยงเมแทบอลิซึม

Key theories

การเร่งปฏิกิริยาแบบหมุนโดย ATP synthase

ATP synthase สร้าง ATP ผ่านกลไกการหมุนที่การไหลของโปรตอนขับเคลื่อนการหมุนของส่วนหนึ่งของเอนไซม์ ซึ่งเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาเป็นวัฏจักร เพื่อให้ ADP และฟอสเฟตถูกจับ ควบแน่นเป็น ATP และถูกปล่อยออกมา โครงสร้างความละเอียดสูงของส่วนหัวเร่งปฏิกิริยา F1 ได้ให้การสนับสนุนอย่างมากสำหรับแบบจำลองการเปลี่ยนแปลงการจับและการหมุนนี้

Mechanisms

ATP มีพลังงานอิสระอยู่ในพันธะฟอสโฟแอนไฮไดรด์ปลายสุดสองพันธะ การไฮโดรไลซิสของพันธะเหล่านี้เป็น ADP และอนินทรีย์ฟอสเฟต (หรือเป็น AMP และไพโรฟอสเฟต) เป็นกระบวนการที่เอื้อต่ออุณหพลศาสตร์ และเซลล์จะเชื่อมโยงการปลดปล่อยพลังงานนี้เข้ากับปฏิกิริยาที่ไม่เอื้ออำนวยอื่น ๆ ผ่านสารตัวกลางที่มีหมู่ฟอสเฟตที่ใช้ร่วมกัน ATP ถูกสร้างขึ้นใหม่ด้วยสองเส้นทางหลัก: การเติมหมู่ฟอสเฟตระดับซับสเตรต ซึ่งมีการถ่ายโอนหมู่ฟอสเฟตโดยตรงจากสารตัวกลางเมแทบอลิซึมที่มีพลังงานสูง และการเติมหมู่ฟอสเฟตโดยอาศัยออกซิเจน ซึ่ง ATP synthase ใช้แรงขับเคลื่อนโปรตอนในไมโทคอนเดรีย ATP synthase ทำงานโดยการเร่งปฏิกิริยาแบบหมุน: การไหลของโปรตอนขับเคลื่อนการหมุนที่เปลี่ยนแปลงตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาเป็นวัฏจักรเพื่อจับกับซับสเตรต สร้าง ATP และปล่อย ATP เนื่องจาก ATP ถูกใช้ไปเกือบจะเร็วเท่ากับที่ถูกสร้างขึ้น ปริมาณ ATP ที่มีอยู่จึงมีน้อยและถูกนำกลับมาใช้ใหม่หลายครั้ง ดังนั้น การหมุนเวียนของวัฏจักร ATP-ADP ไม่ใช่ขนาดของปริมาณ ATP ที่มีอยู่ จึงเป็นสิ่งที่ตอบสนองความต้องการพลังงานของเซลล์

Clinical relevance

เนื้อเยื่อที่มีความต้องการพลังงานสูงและผันผวนขึ้นอยู่กับการสร้าง ATP อย่างรวดเร็ว และภาวะที่ทำให้การสังเคราะห์ ATP บกพร่อง เช่น ความล้มเหลวของการเติมหมู่ฟอสเฟตโดยอาศัยออกซิเจนในไมโทคอนเดรีย หรือการหยุดชะงักของการจ่ายออกซิเจนและเชื้อเพลิง จะนำไปสู่การขาดพลังงานและความเสียหายของเซลล์อย่างรวดเร็ว เนื้อหานี้อธิบายถึงชีวเคมีและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

การกำหนดพันธะฟอสเฟตพลังงานสูงของ Fritz Lipmann ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ได้กำหนดให้ ATP เป็นสกุลเงินพลังงานของเซลล์ และนำเสนอแนวคิดของวัฏจักรการถ่ายโอนฟอสเฟต จากนั้นสมมติฐานเคมิออสโมซิสของ Peter Mitchell ได้อธิบายว่าการไล่ระดับโปรตอนขับเคลื่อนการสังเคราะห์ ATP ได้อย่างไร และกลไกการหมุนและการเปลี่ยนแปลงการจับของ ATP synthase ได้รับการอธิบายอย่างละเอียดผ่านผลงานที่เกี่ยวข้องกับ Paul Boyer และได้รับการยืนยันโครงสร้างโดย John Walker และคณะ

Key figures

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

Seminal works

• mitchell-1961
• abrahams-1994

Frequently asked questions

เหตุใด ATP จึงถูกอธิบายว่าเป็นโมเลกุลที่มีพลังงานสูง?

พันธะฟอสโฟแอนไฮไดรด์ปลายสุดของมันจะปล่อยพลังงานอิสระจำนวนมากเมื่อเกิดการไฮโดรไลซิส ซึ่งเซลล์สามารถนำไปเชื่อมโยงเพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาที่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้เอง คำนี้หมายถึงศักยภาพในการถ่ายโอนนี้ ไม่ใช่ความไม่เสถียรของพันธะเอง

ATP ถูกสร้างขึ้นใหม่หลังจากถูกใช้งานได้อย่างไร?

ADP จะถูกเติมหมู่ฟอสเฟตกลับเป็น ATP ส่วนใหญ่โดยการเติมหมู่ฟอสเฟตโดยอาศัยออกซิเจนที่ ATP synthase ในไมโทคอนเดรีย และในปริมาณที่น้อยกว่าโดยการเติมหมู่ฟอสเฟตระดับซับสเตรตในวิถีเมแทบอลิซึม เช่น ไกลโคไลซิสและวัฏจักรกรดซิตริก