ATP (ADENOSINE TRIPHOSPHATE): โครงสร้างหน้าที่การย่อยสลาย - ชีววิทยา - 2026

ATP (adenosine triphosphate)เป็นโมเลกุลอินทรีย์กับพันธบัตรพลังงานสูงที่เกิดขึ้นจากแหวน adenine เป็นน้ำตาลและสามกลุ่มฟอสเฟต มันมีบทบาทพื้นฐานในการเผาผลาญเนื่องจากมันลำเลียงพลังงานที่จำเป็นเพื่อให้กระบวนการต่างๆของเซลล์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายในคำว่า "สกุลเงินพลังงาน" เนื่องจากการก่อตัวและการใช้งานเกิดขึ้นได้ง่ายทำให้สามารถ "จ่าย" สำหรับปฏิกิริยาเคมีที่ต้องใช้พลังงานได้อย่างรวดเร็ว

ที่มา: โดยผู้ใช้: Mysid (สร้างขึ้นเองใน bkchem แก้ไขใน perl), ผ่าน Wikimedia Commons

แม้ว่าโมเลกุลด้วยตาเปล่าจะมีขนาดเล็กและเรียบง่าย แต่ก็เก็บพลังงานจำนวนมากไว้ในพันธะ กลุ่มฟอสเฟตมีประจุลบซึ่งอยู่ในการขับไล่อย่างต่อเนื่องทำให้เป็นพันธะที่เปราะบางและแตกหักได้ง่าย

การไฮโดรไลซิสของ ATP คือการแตกตัวของโมเลกุลโดยการมีน้ำ โดยกระบวนการนี้พลังงานที่มีอยู่จะถูกปลดปล่อยออกมา

ATP มีสองแหล่งหลัก ได้แก่ ฟอสโฟรีเลชันที่ระดับสารตั้งต้นและฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชั่นซึ่งเป็นแหล่งที่สำคัญที่สุดและใช้มากที่สุดโดยเซลล์

Oxidative phosphorylation จับคู่ออกซิเดชันของ FADH ₂และ NADH + H ⁺ในไมโทคอนเดรียและฟอสโฟรีเลชันที่ระดับสารตั้งต้นเกิดขึ้นนอกห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนในทางเดินเช่นไกลโคไลซิสและวงจรกรดไตรคาร์บอกซิลิก

โมเลกุลนี้มีหน้าที่ในการให้พลังงานที่จำเป็นสำหรับกระบวนการส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ตั้งแต่การสังเคราะห์โปรตีนไปจนถึงการเคลื่อนที่ นอกจากนี้ยังช่วยให้การสัญจรของโมเลกุลผ่านเยื่อหุ้มเซลล์และทำหน้าที่ในการส่งสัญญาณของเซลล์

โครงสร้าง

ATP ตามชื่อของมันคือนิวคลีโอไทด์ที่มีฟอสเฟตสามตัว โครงสร้างเฉพาะของมันโดยเฉพาะพันธะไพโรฟอสเฟตสองพันธะทำให้เป็นสารประกอบที่อุดมด้วยพลังงาน ประกอบด้วยองค์ประกอบต่อไปนี้:

- อะดีนีนเป็นฐานไนโตรเจน ฐานไนโตรเจนเป็นสารประกอบวัฏจักรที่มีไนโตรเจนอย่างน้อยหนึ่งตัวในโครงสร้าง นอกจากนี้เรายังพบว่ามันเป็นส่วนประกอบในกรดนิวคลีอิก DNA และ RNA

- ไรโบสอยู่ตรงกลางโมเลกุล เป็นน้ำตาลประเภทเพนโทสเนื่องจากมีคาร์บอน 5 อะตอม สูตรทางเคมีของมันคือ C ₅ H ₁₀ O 5 คาร์บอน 1 ของไรโบสติดอยู่กับวงแหวนอะดีนีน

- อนุมูลฟอสเฟตสามตัว สองข้อสุดท้ายคือ "พันธะพลังงานสูง" และแสดงในโครงสร้างกราฟิกด้วยสัญลักษณ์เอียง: ~ หมู่ฟอสเฟตเป็นหนึ่งในสิ่งที่สำคัญที่สุดในระบบทางชีววิทยา ทั้งสามกลุ่มนี้เรียกว่าอัลฟาเบต้าและแกมมาจากที่ใกล้ที่สุดไปหาไกลที่สุด

ลิงก์นี้มีความเปราะบางมากดังนั้นจึงแบ่งออกได้อย่างรวดเร็วง่ายดายและเป็นธรรมชาติเมื่อสภาวะทางสรีรวิทยาของร่างกายรับประกัน สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากประจุลบของกลุ่มฟอสเฟตทั้งสามพยายามเคลื่อนตัวออกจากกันอย่างต่อเนื่อง

คุณสมบัติ

ATP มีบทบาทสำคัญในการเผาผลาญพลังงานของสิ่งมีชีวิตแทบทุกชนิด ด้วยเหตุนี้จึงมักเรียกกันว่าสกุลเงินพลังงานเนื่องจากสามารถใช้จ่ายได้อย่างต่อเนื่องและเติมเต็มในเวลาเพียงไม่กี่นาที

ไม่ว่าทางตรงหรือทางอ้อม ATP ให้พลังงานสำหรับกระบวนการหลายร้อยขั้นตอนนอกเหนือจากการทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคฟอสเฟต

โดยทั่วไป ATP ทำหน้าที่เป็นโมเลกุลสัญญาณในกระบวนการที่เกิดขึ้นภายในเซลล์จำเป็นต้องสังเคราะห์ส่วนประกอบของ DNA และ RNA และสำหรับการสังเคราะห์สารชีวโมเลกุลอื่น ๆ จะมีส่วนร่วมในการค้าผ่าน เยื่อและอื่น ๆ

การใช้ ATP สามารถแบ่งออกเป็นประเภทหลัก ๆ ได้แก่ การขนส่งโมเลกุลผ่านเยื่อชีวภาพการสังเคราะห์สารประกอบต่างๆและสุดท้ายการทำงานเชิงกล

ฟังก์ชันของ ATP นั้นกว้างมาก นอกจากนี้ยังมีส่วนเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยามากมายจนไม่สามารถตั้งชื่อได้ทั้งหมด ดังนั้นเราจะพูดถึงสามตัวอย่างที่เฉพาะเจาะจงเพื่อเป็นตัวอย่างการใช้งานทั้งสามที่กล่าวถึง

การจ่ายพลังงานสำหรับการขนส่งโซเดียมและโพแทสเซียมผ่านเมมเบรน

เซลล์เป็นสภาพแวดล้อมที่มีพลวัตสูงซึ่งต้องการการรักษาระดับความเข้มข้นที่เฉพาะเจาะจง โมเลกุลส่วนใหญ่ไม่ได้เข้าสู่เซลล์แบบสุ่มหรือโดยบังเอิญ สำหรับโมเลกุลหรือสารที่จะเข้าไปในนั้นจะต้องดำเนินการโดยผู้ขนส่งเฉพาะ

ทรานส์ฟอร์เมอร์คือโปรตีนที่มีเมมเบรนซึ่งทำหน้าที่เป็นเซลล์“ ผู้เฝ้าประตู” ควบคุมการไหลของวัสดุ ดังนั้นเมมเบรนจึงกึ่งซึมผ่านได้: อนุญาตให้สารประกอบบางอย่างเข้าไปได้และอื่น ๆ ไม่ทำ

หนึ่งในการขนส่งที่รู้จักกันดีคือปั๊มโซเดียมโพแทสเซียม กลไกนี้จัดว่าเป็นการขนส่งแบบแอคทีฟเนื่องจากการเคลื่อนที่ของไอออนเกิดขึ้นกับความเข้มข้นของมันและวิธีเดียวที่จะทำให้เกิดการเคลื่อนไหวนี้ได้โดยการนำพลังงานเข้าสู่ระบบในรูปแบบของ ATP

ประมาณว่าหนึ่งในสามของ ATP ที่เกิดขึ้นในเซลล์ถูกใช้เพื่อให้ปั๊มทำงานต่อไป โซเดียมไอออนจะถูกสูบออกจากเซลล์อย่างต่อเนื่องในขณะที่ไอออนของโพแทสเซียมจะถูกสูบไปในทิศทางกลับกัน

ตามเหตุผลแล้วการใช้ ATP ไม่ได้ จำกัด เฉพาะการขนส่งโซเดียมและโพแทสเซียม มีไอออนอื่น ๆ เช่นแคลเซียมแมกนีเซียมและอื่น ๆ ที่ต้องใช้พลังงานสกุลนี้เพื่อป้อน

การมีส่วนร่วมในการสังเคราะห์โปรตีน

โมเลกุลของโปรตีนประกอบด้วยกรดอะมิโนซึ่งเชื่อมโยงกันด้วยพันธะเปปไทด์ ในการสร้างพวกมันจำเป็นต้องทำลายพันธะสี่พลังงานสูง กล่าวอีกนัยหนึ่งโมเลกุลของ ATP จำนวนมากจะต้องถูกไฮโดรไลซ์เพื่อสร้างโปรตีนที่มีความยาวเฉลี่ย

การสังเคราะห์โปรตีนเกิดขึ้นในโครงสร้างที่เรียกว่าไรโบโซม สิ่งเหล่านี้สามารถตีความรหัสที่ Messenger RNA มีและแปลเป็นลำดับกรดอะมิโนซึ่งเป็นกระบวนการที่ขึ้นอยู่กับ ATP

ในเซลล์ที่มีการใช้งานมากที่สุดการสังเคราะห์โปรตีนสามารถสั่งให้ ATP สังเคราะห์ได้ถึง 75% ในงานสำคัญนี้

ในทางกลับกันเซลล์ไม่เพียง แต่สังเคราะห์โปรตีนเท่านั้น แต่ยังต้องการไขมันคอเลสเตอรอลและสารสำคัญอื่น ๆ อีกด้วยและการทำเช่นนี้ต้องใช้พลังงานที่มีอยู่ในพันธะ ATP

ให้พลังงานในการเคลื่อนที่

งานเครื่องกลเป็นหน้าที่ที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของ ATP ตัวอย่างเช่นเพื่อให้ร่างกายของเราสามารถหดตัวของเส้นใยกล้ามเนื้อได้จำเป็นต้องมีพลังงานจำนวนมาก

ในกล้ามเนื้อพลังงานเคมีสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานกลได้เนื่องจากการจัดโครงสร้างใหม่ของโปรตีนพร้อมความสามารถในการหดตัวของมัน ความยาวของโครงสร้างเหล่านี้ถูกปรับเปลี่ยนให้สั้นลงซึ่งสร้างความตึงเครียดที่แปลเป็นการสร้างการเคลื่อนไหว

ในสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ การเคลื่อนไหวของเซลล์ก็เกิดขึ้นได้เช่นกันเนื่องจาก ATP มีอยู่ ตัวอย่างเช่นการเคลื่อนที่ของซิเลียและแฟลกเจลลาที่อนุญาตให้มีการกระจัดของสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวบางชนิดเกิดขึ้นโดยใช้ ATP

การเคลื่อนไหวที่เฉพาะเจาะจงอีกอย่างหนึ่งคืออะมีบาซึ่งเกี่ยวข้องกับการยื่นออกมาของเทียมที่ปลายเซลล์ เซลล์หลายชนิดใช้กลไกการเคลื่อนไหวนี้รวมถึงเม็ดเลือดขาวและไฟโบรบลาสต์

ในกรณีของเซลล์สืบพันธุ์การเคลื่อนไหวเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการพัฒนาที่มีประสิทธิภาพของตัวอ่อน เซลล์ของตัวอ่อนจะเดินทางในระยะทางที่สำคัญจากแหล่งกำเนิดไปยังบริเวณที่ซึ่งต้องสร้างโครงสร้างเฉพาะ

การย่อยสลาย

การย่อยสลายของ ATP เป็นปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการแตกตัวของโมเลกุลโดยการมีอยู่ของน้ำ ปฏิกิริยาแสดงดังนี้:

ATP + น้ำ⇋ ADP + P _i + พลังงาน โดยที่คำว่า P _iหมายถึงกลุ่มอนินทรีย์ฟอสเฟตและ ADP คือ adenosine diphosphate สังเกตว่าปฏิกิริยาย้อนกลับได้

การไฮโดรไลซิสของ ATP เป็นปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล การแตกของพันธะไพโรฟอสเฟตทำให้เกิดการปลดปล่อย 7 กิโลแคลอรีต่อโมลโดยเฉพาะ 7.3 จาก ATP ถึง ADP และ 8.2 สำหรับการผลิตอะดีโนซีนโมโนฟอสเฟต (AMP) จาก ATP ซึ่งเท่ากับ 12,000 แคลอรี่ต่อโมลของ ATP

ทำไมการปลดปล่อยพลังงานนี้จึงเกิดขึ้น?

เนื่องจากผลิตภัณฑ์ไฮโดรไลซิสมีความเสถียรมากกว่าสารประกอบเริ่มต้นนั่นคือ ATP

ควรกล่าวถึงเฉพาะการย่อยสลายที่เกิดขึ้นบนพันธะไพโรฟอสเฟตเพื่อก่อให้เกิด ADP หรือ AMP เท่านั้นที่นำไปสู่การสร้างพลังงานในปริมาณที่สำคัญ

การไฮโดรไลซิสของพันธะอื่นในโมเลกุลไม่ให้พลังงานมากนักยกเว้นการไฮโดรไลซิสของอนินทรีย์ไพโรฟอสเฟตซึ่งมีพลังงานจำนวนมาก

การปลดปล่อยพลังงานจากปฏิกิริยาเหล่านี้ใช้เพื่อทำปฏิกิริยาการเผาผลาญภายในเซลล์เนื่องจากกระบวนการเหล่านี้จำนวนมากต้องการพลังงานในการทำงานทั้งในขั้นตอนเริ่มต้นของเส้นทางการย่อยสลายและในกระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพของสารประกอบ .

ตัวอย่างเช่นในการเผาผลาญกลูโคสขั้นตอนเริ่มต้นเกี่ยวข้องกับการฟอสโฟรีเลชันของโมเลกุล ในขั้นตอนต่อไปนี้จะมีการสร้าง ATP ใหม่เพื่อให้ได้กำไรสุทธิที่เป็นบวก

จากมุมมองด้านพลังงานมีโมเลกุลอื่น ๆ ที่มีพลังงานปลดปล่อยมากกว่า ATP ได้แก่ 1,3-bisphosphoglycerate, carbamylphosphate, creatinine phosphate และ phosphoenolpyruvate

การได้รับ ATP

ATP สามารถหาได้จากสองเส้นทาง: ฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชั่นและฟอสโฟรีเลชันที่ระดับสารตั้งต้น อดีตต้องการออกซิเจนในขณะที่อย่างหลังไม่มี ประมาณ 95% ของ ATP ที่เกิดขึ้นในไมโทคอนเดรีย

ฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชั่น

Oxidative phosphorylation เกี่ยวข้องกับกระบวนการออกซิเดชั่นของสารอาหารสองเฟส: การได้รับโคเอนไซม์ที่ลดลง NADH และ FADH _{2 ที่}ได้จากวิตามิน

การลดลงของโมเลกุลเหล่านี้จำเป็นต้องใช้ไฮโดรเจนจากสารอาหาร ในไขมันการผลิตโคเอนไซม์เป็นสิ่งที่น่าทึ่งเนื่องจากมีไฮโดรเจนจำนวนมหาศาลในโครงสร้างเมื่อเทียบกับเปปไทด์หรือคาร์โบไฮเดรต

แม้ว่าจะมีหลายเส้นทางของการผลิตโคเอนไซม์ แต่เส้นทางที่สำคัญที่สุดคือวงจร Krebs ต่อจากนั้นโคเอนไซม์ที่ลดลงจะกระจุกตัวอยู่ในห่วงโซ่ทางเดินหายใจที่อยู่ในไมโทคอนเดรียซึ่งถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังออกซิเจน

ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนประกอบด้วยชุดของโปรตีนคู่เมมเบรนที่ปั๊มโปรตอน (H +) ออกไปด้านนอก (ดูภาพ) โปรตอนเหล่านี้เข้าและข้ามเมมเบรนอีกครั้งโดยอาศัยโปรตีนอื่น ATP synthase ซึ่งรับผิดชอบในการสังเคราะห์ ATP

กล่าวอีกนัยหนึ่งเราต้องลดโคเอนไซม์ ADP และออกซิเจนมากขึ้นจะสร้างน้ำและ ATP

ที่มา: โดย Bustamante Yess จาก Wikimedia Commons

ฟอสโฟรีเลชันระดับพื้นผิว

ฟอสฟอรัสในระดับสารตั้งต้นไม่สำคัญเท่ากับกลไกที่อธิบายไว้ข้างต้นและเนื่องจากไม่ต้องการโมเลกุลของออกซิเจนจึงมักเกี่ยวข้องกับการหมัก วิธีนี้แม้ว่าจะเร็วมาก แต่ดึงพลังงานออกมาเพียงเล็กน้อย แต่ถ้าเราเปรียบเทียบกับกระบวนการออกซิเดชั่นมันจะน้อยกว่าประมาณสิบห้าเท่า

ในร่างกายของเรากระบวนการหมักเกิดขึ้นที่ระดับกล้ามเนื้อ เนื้อเยื่อนี้สามารถทำงานได้โดยไม่ต้องใช้ออกซิเจนดังนั้นจึงเป็นไปได้ว่าโมเลกุลของกลูโคสจะถูกย่อยสลายเป็นกรดแลคติค (เช่นเมื่อเราทำกิจกรรมกีฬาที่ละเอียดถี่ถ้วนเป็นต้น)

ในการหมักผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายยังคงมีศักยภาพด้านพลังงานที่สามารถสกัดได้ ในกรณีของการหมักในกล้ามเนื้อคาร์บอนในกรดแลคติกจะลดลงในระดับเดียวกับโมเลกุลเริ่มต้น: กลูโคส

ดังนั้นการผลิตพลังงานเกิดขึ้นจากการก่อตัวของโมเลกุลที่มีพันธะพลังงานสูง ได้แก่ 1,3-bisphosphoglyrate และ phosphoenolpyruvate

ตัวอย่างเช่นในไกลโคไลซิสการไฮโดรไลซิสของสารประกอบเหล่านี้เชื่อมโยงกับการผลิตโมเลกุลของ ATP ดังนั้นคำว่า "ที่ระดับสารตั้งต้น"

วงจร ATP

ATP จะไม่ถูกจัดเก็บ มันอยู่ในวงจรการใช้งานและการสังเคราะห์อย่างต่อเนื่อง สิ่งนี้จะสร้างความสมดุลระหว่าง ATP ที่เกิดขึ้นและผลิตภัณฑ์ไฮโดรไลซ์ ADP

ที่มา: โดย Muessig จาก Wikimedia Commons

โมเลกุลพลังงานอื่น ๆ

ATP ไม่ใช่โมเลกุลเดียวที่ประกอบด้วยนิวคลีโอไซด์บิสฟอสเฟตที่มีอยู่ในการเผาผลาญของเซลล์ มีโมเลกุลจำนวนหนึ่งที่มีโครงสร้างคล้ายกับ ATP ซึ่งมีพฤติกรรมการใช้พลังงานที่เทียบเคียงได้แม้ว่าจะไม่เป็นที่นิยมเท่า ATP ก็ตาม

ตัวอย่างที่โดดเด่นที่สุดคือ GTP, guanosine triphosphate ซึ่งใช้ในวงจร Krebs ที่รู้จักกันดีและในเส้นทางกลูโคโนเจนิก อื่น ๆ ที่ใช้น้อย ได้แก่ CTP, TTP และ UTP

อ้างอิง

1. Guyton, AC, และ Hall, JE (2000) ตำราสรีรวิทยาของมนุษย์.
2. Hall, JE (2017). บทความ Guyton E Hall เกี่ยวกับสรีรวิทยาการแพทย์ Elsevier บราซิล
3. เฮอร์นันเดซ, AGD (2010). บทความเกี่ยวกับโภชนาการ: องค์ประกอบและคุณภาพทางโภชนาการของอาหาร Panamerican Medical Ed.
4. ลิมของฉัน (2010). สิ่งสำคัญในการเผาผลาญและโภชนาการ เอลส์
5. แพรตต์ CW และแค ธ ลีน C. (2012). ชีวเคมี. บรรณาธิการ El Manual Moderno.
6. Voet, D. , Voet, JG, & Pratt, CW (2007). พื้นฐานชีวเคมี. บทบรรณาธิการMédicaPanaméricana