Tổng hợp và Thủy phân ATP

Adenosine triphosphate (ATP) là đơn vị tiền tệ năng lượng trung tâm của tế bào, và quá trình tổng hợp liên tục của nó từ ADP và phosphate vô cơ cùng với quá trình thủy phân trở lại thành ADP tạo thành chu trình liên kết các quá trình sinh năng lượng với các quá trình cần năng lượng. Năng lượng tự do giải phóng khi liên kết phosphoanhydride cuối cùng của ATP bị thủy phân là thứ mà các tế bào sử dụng để cung cấp năng lượng cho hầu hết các hoạt động của chúng.

Definition

Tổng hợp ATP là quá trình phosphoryl hóa ADP thành adenosine triphosphate, và thủy phân ATP là quá trình cắt đứt liên kết phosphoanhydride cuối cùng của nó thành ADP và phosphate vô cơ; chu trình ghép nối của hai quá trình này lưu trữ và giải phóng năng lượng tự do thúc đẩy các quá trình tế bào.

Scope

Mục này bao gồm lý do tại sao quá trình thủy phân ATP thuận lợi về mặt năng lượng, các con đường tổng hợp ATP (phosphoryl hóa mức cơ chất và phosphoryl hóa oxy hóa), vai trò của ATP synthase, và cách chu trình ATP-ADP liên kết quá trình dị hóa với quá trình sinh tổng hợp, vận chuyển và công cơ học. Nó coi ATP là một chủ đề năng lượng sinh học trong hóa sinh, không phải là hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Tại sao quá trình thủy phân ATP giải phóng năng lượng tự do có thể sử dụng được?
• ATP được tái tạo từ ADP bằng những con đường nào?
• ATP synthase ghép nối gradient proton với sự hình thành ATP như thế nào?
• Chu trình ATP-ADP liên kết cung cấp năng lượng với nhu cầu năng lượng như thế nào?

Key concepts

• ATP là đơn vị tiền tệ năng lượng phổ quát
• Liên kết phosphoanhydride và năng lượng tự do của quá trình thủy phân
• ADP và phosphate vô cơ là sản phẩm
• Phosphoryl hóa mức cơ chất so với phosphoryl hóa oxy hóa
• ATP synthase và xúc tác quay
• Chu trình ATP-ADP và sự luân chuyển nhanh chóng
• Điện tích năng lượng và ghép nối trao đổi chất

Key theories

Xúc tác quay của ATP synthase

ATP synthase tạo ra ATP thông qua một cơ chế quay trong đó dòng proton thúc đẩy sự quay của một phần enzyme, làm thay đổi tuần hoàn cấu hình của các vị trí xúc tác để ADP và phosphate được liên kết, ngưng tụ thành ATP và giải phóng; cấu trúc độ phân giải cao của đầu xúc tác F1 đã cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho mô hình thay đổi liên kết, quay này.

Mechanisms

ATP mang năng lượng tự do trong hai liên kết phosphoanhydride cuối cùng của nó; quá trình thủy phân chúng thành ADP và phosphate vô cơ (hoặc thành AMP và pyrophosphate) thuận lợi về mặt nhiệt động lực học, và các tế bào ghép nối sự giải phóng này với các phản ứng không thuận lợi khác thông qua các chất trung gian phosphoryl hóa chung. ATP được tái tạo bằng hai con đường chính: phosphoryl hóa mức cơ chất, trong đó một phosphate được chuyển trực tiếp từ một chất trung gian trao đổi chất năng lượng cao, và phosphoryl hóa oxy hóa, trong đó ATP synthase sử dụng lực proton-motive của ty thể. ATP synthase hoạt động bằng xúc tác quay: dòng proton thúc đẩy sự quay làm thay đổi tuần hoàn các vị trí xúc tác của nó để liên kết các cơ chất, hình thành ATP và giải phóng nó. Bởi vì ATP được tiêu thụ gần như nhanh chóng khi nó được tạo ra, lượng dự trữ là nhỏ và được tái chế nhiều lần, vì vậy sự luân chuyển của chu trình ATP-ADP, chứ không phải kích thước của lượng dự trữ, đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào.

Clinical relevance

Các mô có nhu cầu năng lượng cao và biến động phụ thuộc vào quá trình tái tạo ATP nhanh chóng, và các tình trạng làm suy giảm quá trình tổng hợp ATP — chẳng hạn như suy giảm phosphoryl hóa oxy hóa ty thể hoặc gián đoạn cung cấp oxy và nhiên liệu — nhanh chóng dẫn đến thiếu hụt năng lượng và tổn thương tế bào. Mục này giải thích hóa sinh và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

History

Công thức liên kết phosphate năng lượng cao của Fritz Lipmann vào giữa thế kỷ XX đã xác định ATP là đơn vị tiền tệ năng lượng của tế bào và giới thiệu ý tưởng về một chu trình chuyển phosphate. Giả thuyết hóa thẩm thấu của Peter Mitchell sau đó đã giải thích cách gradient proton thúc đẩy quá trình tổng hợp ATP, và cơ chế thay đổi liên kết, quay của ATP synthase đã được xây dựng thông qua công trình liên quan đến Paul Boyer và được xác nhận về mặt cấu trúc bởi John Walker và các đồng nghiệp.

Key figures

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

Seminal works

• mitchell-1961
• abrahams-1994

Frequently asked questions

Tại sao ATP được mô tả là một phân tử năng lượng cao?

Các liên kết phosphoanhydride cuối cùng của nó giải phóng một lượng đáng kể năng lượng tự do khi thủy phân, mà các tế bào có thể ghép nối để thúc đẩy các phản ứng mà nếu không sẽ không xảy ra; thuật ngữ này đề cập đến tiềm năng chuyển giao này, chứ không phải sự không ổn định của chính liên kết.

ATP được tái tạo như thế nào sau khi được sử dụng?

ADP được phosphoryl hóa trở lại thành ATP, chủ yếu bằng phosphoryl hóa oxy hóa tại ATP synthase ty thể, và ở mức độ nhỏ hơn bằng phosphoryl hóa mức cơ chất trong các con đường như đường phân và chu trình axit citric.