Adenosiintrifosfaat

Allikas: Vikipeedia
Adenosiintrifosfaadi struktuur
ATP ruumiline kujutis

ATP ehk adenosiin-5’-trifosfaat on universaalne energia talletaja ja ülekandja, mis osaleb kõigi rakkude metabolismis.

ATP-d toodetakse kõige rohkem mitokondrites.

ATP koosneb adeniinist, riboosist ja kolmest lineaarselt seotud fosfaadijäägist, mis on omavahel ühendatud fosfoanhüdriidsidemetega.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

ATP avastas 1929. aastal saksa biokeemik Karl Lohmann.[1] Selle täpne struktuur tehti kindlaks alles mõned aastad hiljem. ATP funktsiooni peamise energiakandjana rakus avastas aga teine saksa-ameerika biokeemik Fritz Albert Lipmann 1941. aastal.[2] 1948. aastal suudeti ATP’d esimest korda kunstlikult sünteesida ja sellega sai hakkama Alexander Todd.[3]

ATP funktsioon[muuda | redigeeri lähteteksti]

ATP on multifunktsionaalne nukleosiid trifosfaat, mida kasutatakse rakkudes koensüümina. Tihtipeale kutsutakse seda „molekulaarseks valuutaks” rakusisesel energiaülekandel.[4] Keemilise energia kandjana mängib ATP olulist rolli metabolismis ehk ainevahetuses. Lisaks on see üks fotofosforüleerimise ja raku hapnikutarbe lõpp-produkte. Rakusisestes protsessides vajavad ATP’d paljud ensüümid ja struktuurvalgud (näiteks biosünteetilistes reaktsioonides ja raku jagunemisel).[5]

Üks ATP molekul, mida toodab ATP-süntaas anorgaanilisest fosfaadist ja adenosiindifosfaadist (ADP) või adenosiinmonofosfaadist (AMP) sisaldab kolme fosfaatrühma. Adenosiintrifosfaadi sünteesiks on kolm võimalust: otsene fosfaatrühma ülekanne AMP’le või ADP’le, oksüdatiivne fosforüleerimine rakusisese hapnikutarbe käigus ja fotofosforüleerimine fotosünteesil.

Ainevahetuse protsessid, mis kasutavad ATP’d energiaallikana, muudavad selle pärast kasutamist tagasi lähteaineteks, millest seda esialgu toodeti (anorgaaniline fosfaat ning AMP või ADP). Seega on ATP organismis pidevas ringluses. Inimkeha, mis sisaldab keskmiselt kõigest 250 grammi ATP’d,[6] töötleb seda igapäevaselt ümber võrdeliselt oma kehakaaluga.[7]

ATP’d kasutatakse substraadina nii kinaaside kui ka adenülaadi tsüklaasi poolt. Kinaasid on ensüümid, mis aitavad fosfaatrühmi kõrge energiaga molekulidelt (ATP) näiteks valkudele ja lipiididele üle kanda. Adenülaadi tsüklaas katalüüsib sekundaarse virgatsaine cAMP (adenosiin-3’,5’-monofosfaadi) moodustumist.

Rakud kasutavad ATP ja AMP koguste vahelist suhet mitmeks otstarbeks. Esiteks selleks, et teha kindlaks, kui palju energiat, mida organism saaks kulutada, on saadaval. Teiseks selleks, et kontrollida metabolismiradade tegevust, mille käigus nii toodetakse kui ka tarbitakse ATP’d.[8] Lisaks mängib ATP olulist rolli DNA replikatsioonil ja transkriptsioonil. Arvatakse, et ATP näol on tegemist neurotransmitteriga, mis vahendab haistmismeele signaaliülekandeid.[9]

ATP struktuurist on näha, et see koosneb puriinalusest (adeniin), mis paikneb pentoosisuhkru (riboos) ahela esimese süsiniku aatomi (1’-süsinik) küljes. Kolm fosfaatrühma paiknevad aga pentoosisuhkru viienda süsiniku (5’-süsinik) küljes. Fosfaatrühmade liitmine ja eemaldamine võimaldab ATP muutmist ADP’ks ja AMP’ks ning vastupidi. Kui DNA sünteesil kasutatakse ATP’d, siis muudetakse riboos spetsiaalsete ensüümide (ribonukleotiidreduktaas) abil desoksüriboosiks.

Füüsikalised ja keemilised omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

ATP koosneb adenosiinist (mis omakorda koosneb adeniinist ja riboosisuhkrust) ning kolmest fosfaatrühmast (trifosfaadist). Fosfaatrühmi fosforüülgrupis nimetatakse, alustades riboosile lähimast, vastavalt alfa (α), beeta (β) ja gamma (γ) fosfaatideks. Struktuurist võib järeldada, et see on väga lähedalt seotud andenosiini nukleotiidiga ehk teisisõnu RNA monomeeriga. ATP on vees väga hästi lahustuv molekul. Äärmuslike pH’ga lahustes hüdrolüüsub ATP suure kiirusega. Lahustes, mille pH on vahemikus 6,8–7,4, on molekul küllaltki stabiilses olekus.[10]

Ilma puhveromaduseta vees muutub ATP ebastabiilseks, mistõttu see hüdrolüüsub ADP’ks ja fosfaadiks. Hüdrolüüsiprotsess leiab aset sellepärast, et sidemetugevus ATP fosfaatrühmade vahel on väiksem kui hüdrolüüsi tulemusel tekkivate produktide (ADP ja fosfaat) ning vee vahel moodustuvate vesiniksidemete tugevus. Seega kui ATP ja ADP on vesilahuses keemilises tasakaalus, siis peaaegu kogu ATP muudetakse lõpuks ADP’ks. Süsteem, mis on tasakaaluolekust kaugel, sisaldab Gibbsi vabaenergiat (ΔG) ning on seetõttu võimeline tegema tööd. Elusrakkudes on ATP ja ADP vaheline suhe 0,1 suurusjärku tasakaaluolekus esinevast suhtest kõrgem ning ATP kontsentratsioon on umbes 1000 korda suurem kui ADP kontsentratsioon. Seesugune nihe tasakaaluolekust tähendab seda, et tänu ATP hüdrolüüsile rakus eraldub suurtes kogustes vabaenergiat.[11]

ATP on niivõrd kõrge energiasisaldusega molekul tänu kahele fosfaatrühmade vahelisele sidemele. Neid sidemeid nimetatakse fosfoanhüdriidsidemedeks.[12] Energia, mis on ATP molekulis salvestatud, vabaneb eelpool mainitud anhüdriidsidemete hüdrolüüsil.[12] Energia puudujäägi korral anaboolses reaktsioonis eraldub energia saamiseks hüdrolüüsi käigus ATP’lt esimesena γ-fosfaatrühm. Kuna γ-fosfaatrühm asub riboosist võrreldes teiste fosfaatrühmadega kõige kaugemal, on sellel nii α- kui ka β- fosfaatrühmast suurem lõhustumisenergia. Pärast hüdrolüüsiprotsessi (või fotofosforüleerimise protsessi ATP’ga) moodustuvate sidemete energiatasemed on madalamad, kui ATP's leiduvate fosfoanhüdriidsidemete omad. Ensüümkatalüüsi abil aset leidva ATP hüdrolüüsi või ATP’ga fotofosforüleerimisel tekkiv vabaenergia võidakse elusolendite poolt ära kasutada töö tegemisel.[13][14]

Iga ebastabiilne süsteem, mis sisaldab reaktsioonivõimelisi molekule, võiks teoreetiliselt olla energia salvesti. See aga oleks võimalik vaid juhul, kui rakk suudaks endas säilitada antud molekuli sellise kontsentratsiooni, mis on reaktsiooni tasakaaluolekust kaugel.[11] Kuid nagu paljude teiste polümeersete biomolekulide puhul, toimub ka RNA, DNA ja ATP lagunemine lihtsamateks monomeerideks lähtuvalt energia vabanemise ja entroopia suurenemise reeglitest. Seda nii standardsete kontsentratsioonide kui ka rakus olevate kontsentratsioonide korral.

Standardset energiahulka, mis vabaneb ATP hüdrolüüsil, on võimalik välja arvutada muutuste põhjal, mis toimuvad reaktsioonis standardtingimustel. Saadud andmete abil on arvutuste tulemusi võimalik muuta nii, et need vastaks bioloogilistele kontsentratsioonidele. Reaktsioonientalpia muutus ATP hüdrolüüsumisel ADP’ks ja anorgaaniliseks fosfaadiks standardsel temperatuuril ja rõhul on −20,5 kJ/mol. Sama protsessi vabaenergia muut on 3,4 kJ/mol.[15] Eraldades 1 M kontsentratsiooniga lahuses standardtingimustel ATP’lt kas fosfaatrühma (Pi) või pürofosfaatrühma (PPi), vabanevad järgnevad energiahulgad:[16]

ATP + H2O → ADP + Pi ΔG˚ = −30,5 kJ/mol (−7,3 kcal/mol)

ATP + H2O → AMP + PPi ΔG˚ = −45,6 kJ/mol (−10,9 kcal/mol)

Neid andmeid võib kasutada, et arvutada nii energiamuutu füsioloogilistes tingimustes kui ka rakusisest ATP ja ADP vahelist suhet. Üha enam hakatakse aga kasutama sellist energiahulka, mis arvestab lisaks ATP ja ADP kogusele ka AMP kogust. Selle reaktsiooni Gibbsi vabaenergia sõltub aga mitmest muust faktorist, sealhulgas üldisest lahuse ioontugevusest ja leelismuldmetallide (nt Mg2+ ja Ca2+) sisaldusest. Tavapärastes rakusisestes tingimustes on sellise Gibbsi vabaenergia väärtus umbes −57 kJ/mol (−14 kcal/mol).[17]

Ionisatsioon bioloogilistes süsteemides[muuda | redigeeri lähteteksti]

Adenosiintrifosfaat sisaldab mitut asendusrühma, millel on erinevad happe dissotsiatsioonikonstandid. Neutraalses lahuses esineb ATP enamasti ioniseerunud vormis (enamus on vormis ATP4−, kuid lisaks sellele esineb ka vähesel hulgal ATP3− ioone).[18] Kuna ATP esineb neutraalses lahuses erinevates negatiivselt laetud vormides, siis võib see tänu kõrgele afiinsusele metallidega kelaatuda. Järgnevalt on toodud mõnede metalliioonide sidumiskonstandid (konstant on antud 1 mooli kohta): Mg2+ (9554), Na+ (13), Ca2+ (3722), K+ (8), Sr2+ (1381), Li+ (25).[19] Nagu konstantide väärtusest järeldada võib, moodustab ATP kompleksi enamasti Mg2+ ioonidega.[18][20]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Lohmann K (August 1929). "Über die Pyrophosphatfraktion im Muskel". Naturwissenschaften (German keeles) 17 (31): 624–5. doi:10.1007/BF01506215. 
  2. Lipmann F (1941). Adv. Enzymol. 1: 99–162. ISSN 0196-7398. 
  3. "History: ATP first discovered in 1929". The Nobel Prize in Chemistry 1997. Nobel Foundation. Vaadatud 2010-05-26. 
  4. Knowles JR (1980). "Enzyme-catalyzed phosphoryl transfer reactions". Annu. Rev. Biochem. 49: 877–919. doi:10.1146/annurev.bi.49.070180.004305. PMID 6250450. 
  5. Campbell, Neil A.; Brad Williamson; Robin J. Heyden (2006). Biology: Exploring Life. Boston, Massachusetts: Pearson Prentice Hall. ISBN 0-13-250882-6. 
  6. "'Nature's Batteries' May Have Helped Power Early Lifeforms". Science Daily. May 25, 2010. Originaali arhiivikoopia seisuga 27 May 2010. Vaadatud 2010-05-26. "At any one time, the human body contains just 250g of ATP — this provides roughly the same amount of energy as a single AA battery. This ATP store is being constantly used and regenerated in cells via a process known as respiration, which is driven by natural catalysts called enzymes." 
  7. Törnroth-Horsefield S, Neutze R (December 2008). "Opening and closing the metabolite gate". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105 (50): 19565–6. doi:10.1073/pnas.0810654106. PMC 2604989. PMID 19073922. 
  8. Hardie DG, Hawley SA (December 2001). "AMP-activated protein kinase: the energy charge hypothesis revisited". BioEssays 23 (12): 1112–9. doi:10.1002/bies.10009. PMID 11746230. 
  9. Tim Jacob. "Taste(gustation)". Vaadatud July 14, 2012. 
  10. Stecher P.G., ed. (1968). The Merck Index: an encyclopedia of chemicals and drugs 8th edition. Merck and Co. Ltd. 
  11. 11,0 11,1 Ferguson, S. J.; Nicholls, David; Ferguson, Stuart (2002). Bioenergetics 3 (väljaanne 3rd ). San Diego: Academic. ISBN 0-12-518121-3. 
  12. 12,0 12,1 JM Berg, JL Tymoczko, L. Stryer (2003). Biochemistry. New York: WH Freeman and Company. p. 376 isbn = 0-7167-4684-0. 
  13. Koolman, J.; K. H. Roehm (2005). Color Atlas of Biochemistry. Stuttgart, Germany: Georg Thieme Verlag. p. 122. ISBN 3-13-100372-3. 
  14. ed. by John Daintith. (2004). Oxford Dictionary of Chemistry. Oxford, England: Oxford University Press. p. 435. ISBN 0-19-860918-3. 
  15. Gajewski E, Steckler D, Goldberg R (1986). "Thermodynamics of the hydrolysis of adenosine 5'-triphosphate to adenosine 5'-diphosphate" (PDF). J Biol Chem 261 (27): 12733–7. PMID 3528161. 
  16. Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L., & Stryer, Lubert (2007). Biochemistry (väljaanne 6th ). New York: W. H. Freeman. p. 413. ISBN 0-7167-8724-5. 
  17. Stryer, Lubert (2002). Biochemistry (väljaanne 5th ). New York: W.H. Freeman and Company. ISBN 0-7167-1843-X. 
  18. 18,0 18,1 Storer A, Cornish-Bowden A (1976). "Concentration of MgATP2− and other ions in solution. Calculation of the true concentrations of species present in mixtures of associating ions". Biochem J 159 (1): 1–5. PMC 1164030. PMID 11772. 
  19. Wilson J, Chin A (1991). "Chelation of divalent cations by ATP, studied by titration calorimetry". Anal Biochem 193 (1): 16–9. doi:10.1016/0003-2697(91)90036-S. PMID 1645933. 
  20. Garfinkel L, Altschuld R, Garfinkel D (1986). "Magnesium in cardiac energy metabolism". J Mol Cell Cardiol 18 (10): 1003–13. doi:10.1016/S0022-2828(86)80289-9. PMID 3537318. 

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]