Adenosintrifosfát

Z WikiSkript
Změněno.png
Van der Waalsův model adenosintrifosfátu (ATP)
Adenosintrifosfát

Adenosintrifosfát (ATP, systematickýmm názvem ((2R,3S,4R,5R)-5-(6-amino-9H-purin-9-yl)-3,4-dihydroxytetrahydrofuran-2-yl)methylhydrogentrifosfát) je tzv. makroergní látka – hydrolýza fosfoanhydridových vazeb za vzniku ADP, popřípadě AMP nebo cAMP je výrazně exergonní děj. Hydrolýza ATP se proto často spřahuje s endergonními ději a dá se říci, že ATP slouží jako univerzální zásobárna energie. U člověka většinu ATP vytváří ATP syntáza napojená na dýchací řetězec, menší množství vzniká v jiných reakcích (tzv. na substrátové úrovni).

ATP slouží také jako zdroj fosfátových skupin pro fosforylaci, jako nukleová báze pro syntézu nukleových kyselin a jako výchozí molekula pro syntézu signálně významného cyklického AMP (cAMP).

Struktura[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

ATP je nukleotid tvořený adeninem, ribofuranosou a trifosforečnou kyselinou. Patří do skupiny tzv. 5' ribonukleotidů, ty mají jako cukr ribózu a fosfátové skupiny navázané na 5' uhlíku. Mezi adeninem a ribózou je N-glykosidická vazba, fosfátové skupiny jsou pospojovány anhydridovými vazbami a k ribóze jsou připojeny vazbou fosfodiesterovou.
ATP patří do skupiny adenosinfosfátů.


Funkce[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Zajišťuje skladování a přenos chemické volné energie v buňce – je do něj vkládána energie získaná oxidací živin. Jeho štěpením (transferázami ze skupiny kinas, hydrolasami ze skupiny ATPas a ligasami) vzniká ADP nebo AMP. Štěpení ATP enzymem adenylátcyklasou vzniká cyklický AMP (cAMP). ATP je také inhibitorem katabolických drah, zejména citrátového cyklu a glykolysy.[1]
ATP předává energii anabolickým procesům. Reakční mechanismus enzymově řízené reakce podporované hydrolýzou ATP má dva kroky. Nejdříve dojde k fosforylaci substrátu a uvolnění ADP. Fosforylovaný produkt je bohatý na energii. V druhém či některém z dalších kroků pak reaguje s dalším reaktantem za současného uvolnění fosfátového aniontu. Přenosy anorganického monofosfátu H2PO4- (Pi) a difosfátu H2P2O72- (PPi) na jiné substráty vedou k aktivaci těchto substrátů pro další děje, při kterých se fosfáty uvolňují. Z ATP vzniká adenosindifosfát (ADP) nebo adenosinmonofosfát (AMP).[2]
Ukládání energie v ATP je dáno strukturou molekuly. Vysoký obsah energie jí dodává anhydridová forma zbytku kyseliny trihydrogenfosforečné. Naopak část adenosinová má funkci rozpoznávací a slouží k vazbě ATP na molekuly enzymů používajících ATP jako kofaktor.[3]
ATP je tzv. makroergní sloučenina. Makroergní sloučeniny obsahují vazby, při jejichž hydrolýze se uvolňuje velké množství energie. Příkladem je silně exergonická hydrolýza ATP: ATP + H2O ↔ ADP + Pi přičemž ΔGo= -30,5 kJ/mol[2]

Historie[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

ATP byl poprvé izolován K. Lohmannem z extraktu svalu v roce 1929.[3] Uměle připraven byl poprvé v roce 1948 Alexanderem Toddem.

Tvorba ATP[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

K syntéze ATP dochází v procesech substrátové nebo membránové fosforylace.[1] ATP je tvořen z ADP a Pi:

  • substrátovou fosforylací při metabolismu sacharidů: substrát-OPO32- + ADP → substrát + ATP
  • oxidační fosforylací a fotofosforylací: ADP + Pi → ATP + H2O
  • adenylátkinasovou reakcí z AMP: AMP je převáděn na ADP působením adenylátkinásy (AMP + ATP → 2 ADP), poté následuje přeměna ADP na ATP fosforylací.[2]

Oxidativní fosforylace[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Tento termín se používá pro syntézu ATP na vnitřní membráně mitochondrií v průběhu dýchacího řetězce. Během dýchacího řetězce jsou na kyslík přenášeny elektrony získané během Krebsova citrátového cyklu a uložené v podobě redukovaných koenzymů NADH, popř. FADH2. Tyto elektrony jsou předávány spřaženým systémem oxidací a redukcí na komplexech oxidoreduktas. Tyto komplexy jsou jednak oxidoreduktasy, zároveň však slouží jako protonové pumpy. [4]

Během transportu elektronů dýchacím řetězcem proto dochází k čerpání vodíkových protonů z mitochondriální matrix přes vnitřní mitochondriální membránu. Provázání oxidoredukcí s čerpáním protonů protonovými pumpami však není ještě zcela objasněno. Čerpány jsou protony jednotlivými komplexy v různém množství a tímto procesem se koncentrace vodíkových iontů v oblasti mitochondriální matrix snižuje, zatímco pH na zevní straně membrány klesá (koncentrace H+ iontů se zvyšuje). [5]

Takto vzniká tzv. elektrochemický protonový potenciál, který je následně využit pro tvorbu ATP. Přenosem elektronů získaných od NADH je „vypumpováno“ na zevní stranu vnitřní mitochondriální membrány celkem 10 protonů (pro FADH2 je to jen 6 protonů).

K tvorbě jedné molekuly ATP na komplexu zvaném ATP-synthasa je potřeba využít potenciál 4 protonů na zevní straně membrány (protony projdou přes ATP-synthasu po směru elektronového gradientu do mitochondriální matrix). Z toho vyplývá, že energie uložená do podoby NADH je nakonec využita ke vzniku 2,5 molekuly ATP (10:4), v případě FADH2 vzniká jen 1,5 molekuly ATP (6:4).

ATP-synthasa[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

O vysvětlení principu funkce ATP-synthasy (komplexu V) se zasloužil Peter Mitchell, který v roce 1961 vyslovil názor, že energie protonového gradientu na vnitřní mitochondriální membráně je využívána k fosforylaci ADP. Ještě 17 let trvalo, než byl tento názor doceněn a přijat, a tak byla Johnu Mitchellovi po 17 letech za tento objev udělena Nobelova cena. Jeho hypotéza je dnes již potvrzena a existuje vysvětlení, jakým způsobem ATP-sythasa převádí elektrochemický potenciál do energeticky bohaté anhydridové vazby v ATP. Boyer a Walker v roce 1997 získali Nobelovu cenu za objasnění funkce ATP-synthasy. [4]

ATP-synthasa a její části

Stavba ATP-synthasy[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

F0 část[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

ATP-synthasa je složena ze 2 částí: část F0 (protonový kanál) a F1 (katalytické centrum ATP-synthasy). Část F0 je zavzata do membrány mitochondrie a skládá se z několika částí – podjednotek. Podjednotky c (je jich celkem 10–14) mají hydrofobní charakter a jsou uspořádány do válcovitého útvaru. Každá c podjednotka má uprostřed jednu molekulu aspartátu, který je funkčně důležitý pro funkci synthasy.

Další podjednotkou části F0 je podjednotka a, která z boku nasedá na hydrofobní válec podjednotek c. Podjednotka a obsahuje 2 polokanálky. Jeden z nich je otevřen ven do mezimembránového prostoru a druhý je obrácen na stranu opačnou, tedy do nitra mitochondriálního matrix. Oba kanálky se pak napojují na molekulu aspartátu uprostřed podjednotek c.

Celý válcovitý komplex podjednotek c se může v lipidové dvojvrstvě volně otáčet kolem své podélné osy, proto o něm mluvíme jako o rotoru. Naopak, podjednotka a je vázána dalšími podjednotkami ATP-synthasy (b2 a δ) na část F1, proto se chová jako stator. [4]

F1 část[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Část F1 je složena z několika jednotek. Jsou to: α, β, γ, δ a ε. 3 podjednotky α a 3 podjednotky β jsou střídavě řazeny za sebou a tvoří jádro části F1. Podjednotky β mají katalytickou aktivitu a během rotace hydrofobního válce postupně cyklicky mění svou konformaci (konformace L, T a O), čímž umožňují syntézu ATP. Podjednotka δ je součástí spojky části F1 se statorem. Významná je i podjednotka γ, která je prodloužením rotoru části F0 a umožňuje změnu konformace podjednotky β a tím i přeměnu energie mechanické na energii makroergní sloučeniny ATP.

Funkce ATP-synthasy[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Na části F0 ATP-synthasy jsou všechny aspartáty jednotek c hydrofobní a jsou umístěné v membráně. Jejich karboxylové skupiny nejsou disociovány (-COOH). Naproti tomu, aspartáty dotýkající se obou kanálků podjednotky a jsou disociovány (-COO-), tzn. chovají se hydrofilně.

Díky protonovému gradientu vodíkový proton z mezimembránového prostoru prochází vnějším kanálkem podjednotky a. Proton je vázán na aspartát, čímž mění jeho charakter na nedisociovaný (-COOH, hydrofobní) a celý válec je tak otočen o jednu podjednotku c po směru hodinových ručiček.

Tímto způsobem se natočí druhý disociovaný aspartát na místo prvního a k podjednotce a se natočí i jeden nedisociovaný aspartát z druhé strany. Vodíkový proton karboxylové skupiny tohoto aspartátu se disociuje a prochází druhým kanálkem do mitochondriální matrix, kde je koncentrace protonů nižší. Jeden proton tak musí nejprve projít zevním kanálkem podjednotky a, následně je navázán na aspartát a obíhá spolu s rotorem o 360°. Po jednom otočení rotoru projde vnitřním kanálkem podjednotky a a dostane se do mitochondriální matrix. Tímto mechanismem probíhá neustále otáčení rotoru (válce tvořeného podjednotkami c) až do stavu, kdy je koncentrace vodíkových protonů na obou stranách membrány vyrovnána. [4]

Mechanismus rotace ATP-synthasy a následného použití vzniklé mechanické energie na syntézu ATP je důvod, proč o celém komplexu můžeme mluvit jako o velmi důmyslném stroji blížícímu se principem svého fungování např. turbínám vodních elektráren. S trochou představivosti bychom mohli ATP-synthasu připodobnit k „vodnímu mlýnku“ pracujícímu na molekulární úrovni.

Na část F1 je otáčivý pohyb rotoru přenášen pomocí prodloužení – podjednotky γ. Ta působí změnu konfigurace jednotlivých podjednotek β. Podjednotka β může existovat v 3 různých konformacích. Během nich probíhá vlastní syntéza ATP z ADP a anorganického fosfátu (P):

1. konformace L (loose, uvolněná), kdy probíhá na podjednotce β navázání ADP a anorganického fosfátu (P).

2. konformace T (tight, těsná), kdy podjednotka β váže ADP + P tak silně („zmáčkne je“), že je syntéza ATP urychlena.

3. konformace O (open, otevřená), kde podjednotka β nově vzniklé ATP uvolní.

Tak na jednom komplexu V (ATP-synthase) probíhají zároveň 3 různé fáze fosforylace ADP (vázání ADP+P, urychlená fosforylace a uvolňování ATP), ve které podjednotky β přechází pootočením podjednotky γ o 120%. [5]

ATP je produkováno do nitra mitochondriální matrix. Proto je zde ještě potřeba transportu ATP k místu, kde by mohla být využita, ať už k chemickým, mechanickým nebo osmotickým účelům.

Energetická bilance dýchacího řetězce a transport ATP, ADP a fosfátu přes vnitřní mitochondriální membránu[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Z mitochondriální NADH se přes celý soubor oxidoreduktas dýchacího řetězce přenesou dva elektrony až na kyslík a vzniká voda (NADH + ½ O2 + H+ ↔ H2O + NAD+). Přičemž dýchací řetězec zahrnuje redoxní soustavy na čtyřech proteinových komplexech přenášejících elektrony a dále koenzym Q a cytochrom c. Při přenosu elektronů (oxidoredukce) přes komplexy dýchacího řetězce dochází ke konformačním změnám těchto komplexů, které spolu s dalšími mechanismy způsobují pumpování protonů (H+) z mitochondriální matrix na zevní stranu vnitřní mitochondriální membrány. Během přenosu dvou elektronů z NADH až na kyslík je na zevní stranu vnitřní mitochondriální membrány uvolněno 10 protonů. Mezi vnitřní a zevní stranou membrány se vytváří elektrochemický protonový gradient, protože pumpování protonů probíhá proti koncentračnímu i potenciálovému spádu protonů. Energie gradientu má tudíž dvě složky. Obsahuje jednak energii rozdílné koncentrace protonů (H+) na obou stranách vnitřní mitochondriální membrány (tím je rozdílné i pH – na zevní straně membrány je kyselejší) a jednak energii ve formě elektrického potenciálu způsobeného nerovnoměrným rozdělením pozitivně nabitých iontů.[4]

Energie elektrochemického protonového gradientu se využívá k syntéze nového ATP.

Na ATP-synthase (komplexu V) se elektrochemický protonový gradient vybíjí při průchodu protonů přes část F0 (rotor ATP-synthasy) do mitochondriální matrix. Jestliže část F0 obsahuje deset podjednotek c, pak jím otočí o 360° celkem deset protonů z gradientu. Z každé ze tří podjednotek αβ části F1 se při tom uvolní jedno ATP. To znamená, že se celkem z části F1 uvolní tři molekuly ATP. Na vznik a uvolnění jednoho ATP do mitochondriální matrix se spotřebuje 10:3 = 3,3 protonu. Termodynamická měření ale ukazují, že se reálně spotřebují pouze tři protony na jednu novou molekulu ATP.[4]

ATP se tvoří z ADP a Pi na části F1, která se nachází v matrix, avšak většina ATP se spotřebovává mimo mitochondrii. Syntetizované ATP proto musí být transportováno do cytoplasmy a ADP a Pi naopak do mitochondriální matrix. Tyto přesuny umožňují přenašeče, jimiž je vybavena vnitřní mitochondriální membrána.

Integrální membránový protein ADP-ATP-translokasa katalyzuje antiport ATP za ADP. Disociované ATP má čtyři záporné náboje a disociované ADP tři záporné náboje. Hodnota kladného náboje na zevní straně membrány se snižuje, protože původně přítomný ADP3- je nahrazován ATP4-. A současně s tím se hodnota záporného náboje na vnitřní straně membrány snižuje, protože molekuly ATP4- jsou nahrazovány molekulami ADP3-. Z toho vyplývá, že se energie elektrického potenciálu (jedna čtvrtina energie) na vnitřní membráně spotřebovává. Koncentrace protonů na obou stranách vnitřní membrány ale zůstává nezměněná.[4]

Fosfáttranslokasa katalyzuje symport Pi a protonů přes vnitřní mitochondriální membránu do matrix. 1Pi přenesený pro syntézu ATP vyžaduje 1H+, symport Pi a H+ je proto elektroneutrální. Energie elektrického potenciálu se sice nespotřebovává, ale energie rozdílné koncentrace protonů se snižuje – spotřebuje se další jeden proton.

Na jednu molekulu ATP v cytosolu musí protonový gradient poskytnout celkem čtyři protony (3 protony na syntézu ATP a 1 proton při symportu Pi a H+). Deset protonů pocházejících z jednoho NADH proto umožní syntézu 2,5 ATP (10 : 4) a šest protonů vzniklých oxidací FADH2 dodá energii na syntézu 1,5 ATP (6 : 4).[4]


Význam ATP[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

ATP je využíván ve velkém množství procesů, např. v počátečních stádiích glykolýzy, při vzniku jiných nukleosidtrifosfátů, při fyziologických procesech (aktivní transport – převody molekul či iontů proti koncentračnímu gradientu, kontrakce myokardu, kosterních i hladkých svalů).[2] Význam ATP a ostatních adenosinfosfátů (ADP, AMP) pro energetické poměry je zásadní. Z jejich aktuálních intracelulárních koncentrací lze vypočítat tzv. energetický náboj – vyjadřuje energetický stav buňky.[1]

Zásoba ATP[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

ATP neslouží jako zásoba energie, ale jako její přenašeč. Ve svalech savců je zásobníkem energie kreatinfosfát, který se za účasti kreatinkinasy tvoří při dostatku energie a naopak při jejím nedostatku se z něj tvoří ATP. Pokud nestačí okamžitá zásoba kreatinfosfátu, začne organismus odbourávat svalový glykogen a po jeho vyčerpání i glykogen jaterní.[2]

Výskyt[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

ATP se u mnohobuněčných organismů vyskytuje intracelulárně (uvnitř buněk). Jeho koncentrace se v různých tkáních v rámci jednoho organismu liší. Intracelulární koncentrace adenosintrifosfátu se rovná přibližně 1–10 mmol/litr.
ATP se v malé míře vyskytuje i extracelulárně (např. v tkáňovém moku či krvi).

Odkazy[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Související články[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Literatura[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  1. a b c KODÍČEK, Milan. Biochemické pojmy : výkladový slovník. 1. vydání. Praha : VŠCHT, 2004. 171 s. ISBN 80-7080-551-X.
  2. a b c d e KLOUDA, Pavel. Základy biochemie. 2. vydání. Ostrava : Pavel Klouda, 2005. ISBN 80-86369-11-0.
  3. a b VODRÁŽKA, Zdeněk. Biochemie. 2. vydání. Praha : Academia, 2007. ISBN 978-80-200-0600-4.
  4. a b c d e f g h MATOUŠ, Bohuslav, et al. Základy lékařské chemie a biochemie. 2010. vydání. Praha : Galen, 2010. 0 s. ISBN 978-80-7262-702-8.
  5. KOOLMAN, Jan a Klaus-Heinrich RÖHM. Barevný atlas biochemie. 1. vydání. Praha : Grada, 2012. ISBN 978-80-247-2977-0.