Adenosintrifosfat (ATP) – cellens energimolekyl: funktion, struktur & bildning
Upptäck ATP — cellens energimolekyl: struktur, funktion och hur ATP-syntas bildar energi som driver ämnesomsättning och cellens livskraft.
Adenosintrifosfat (ATP) är en nukleotid som används i cellerna som koenzym. Den kallas ofta för "valutaens molekylära enhet": ATP transporterar kemisk energi i cellerna för ämnesomsättningen.
Varje cell använder ATP för att få energi. Det består av en bas (adenin) och tre fosfatgrupper. En ATP-molekyl innehåller tre fosfatgrupper och produceras av ATP-syntas från oorganiskt fosfat och adenosindifosfat (ADP, di betyder två fosfatgrupper) eller adenosinmonofosfat (AMP).
Struktur och kemiska egenskaper
ATP består av tre delar: basen adenin, sockret ribos och tre fosfatgrupper som sitter i en kedja. Bindningarna mellan fosfatgrupperna kallas fosfoanhydridbindningar och innehåller mycket lagrad energi. När en terminal fosfatgrupp avspjälkas bildas ADP och oorganiskt fosfat (Pi) eller AMP + PPi, och energi frigörs som cellen kan använda.
Energimängden som frigörs vid hydrolys av ATP beror på omgivningen, men ett typiskt standardvärde är omkring -30,5 kJ/mol (ΔG°') medan den faktiska fria energin i cellen ofta är större (t.ex. ≈ -50 kJ/mol) beroende på koncentrationer av ATP, ADP och Pi.
Hur bildas ATP?
Cellen bildar ATP på flera sätt, huvudsakligen genom:
- Oxidativ fosforylering (mitokondrier): Elektrontransportkedjan överför elektroner från energirika bärarmolekyler (NADH, FADH2) till syre. Denna process pumpar protoner över mitokondriens inre membran och skapar en protongradient. ATP-syntas utnyttjar protonflödet tillbaka för att syntetisera ATP från ADP + Pi (chemiosmos; "rotationsmotor"-mekanism).
- Glykolys (cytoplasma): I glukosnedbrytning bildas en mindre mängd ATP direkt genom substratnivåfosforylering, dvs. fosfatgrupp överförs direkt till ADP från en reaktiv intermediär.
- Citronsyracykeln (Krebs): Ger i vissa steg GTP som kan omvandlas till ATP, samt levererar reducerade bärare (NADH, FADH2) till elektrontransportkedjan.
- Fosfokreatinsystemet (snabb energi i muskler): Fosfokreatin kan snabbt återbilda ATP via kreatinkinas under korta, intensiva aktiviteter.
- Fotosyntes (växter och vissa bakterier): I kloroplaster skapar ljusdrivna processer en protongradient över tylakoidmembranet och driver ATP-syntas (fotofosforylering).
Cellens användningsområden för ATP
ATP fungerar som energikälla i många cellulära processer:
- Aktiv transport över membran (t.ex. Na+/K+-pumpen) som upprätthåller jongradienter.
- Muskelkontraktion (myosin hydrolyserar ATP för mekaniskt arbete).
- Biosyntes av makromolekyler (proteinsyntes, syntes av nukleinsyror, lipider m.m.).
- Cellulär rörelse och cytoskelettets ombyggnad.
- Signaltransduktion: ATP används vid proteinfosforylering av kinaser och är utgångsmolekyl för andra signalmolekyler (t.ex. cykliskt AMP, cAMP).
- Värmeproduktion och metabolskt underhåll av cellens funktioner.
Återvinning och omsättning
Celler lagrar inte stora mängder ATP; i stället återvinns ATP kontinuerligt från ADP och Pi. En cell utbyter sina ATP-reserver mycket snabbt — i vissa vävnader omsätts ATP i sekunders till minuters takt. Hos en vuxen människa sker en mycket stor daglig omsättning av ATP (ofta liknad vid kroppsvikten över ett dygn) eftersom ATP konstant bildas och används om och om igen.
Specifika enzymer och roller
- ATP-syntas: central för ATP-produktion i mitokondrier och kloroplaster.
- ATPaser: en stor familj enzymer som hydrolyserar ATP för att utföra arbete — t.ex. Na+/K+-ATPase, Ca2+-ATPase i sarkoplasmatiska retiklet, myosin ATPase.
- Kinaser: överför fosfatgrupper från ATP till proteiner eller andra molekyler och reglerar därigenom många cellulära processer.
Mätning och klinisk betydelse
ATP-nivåer kan mätas med olika metoder, exempelvis med luciferasbaserade assay där ljusproduktion är proportional mot ATP-mängden. Minskad ATP-produktion är central i många sjukdomstillstånd: mitokondriella sjukdomar, ischemisk vävnadsskada (t.ex. hjärtinfarkt, stroke), och vissa metabola störningar leder till energibrist i celler och vävnader.
Andra viktiga aspekter
- Extracellär ATP: fungerar också som signalsubstans (purinerg signalering) och kan påverka inflammation, smärta och nervsignalering.
- Reglering: Cells energistatus (kvoten ATP/ADP, AMP) reglerar enzymaktivitet och metabola vägar. AMP-aktiverat proteinkinas (AMPK) är en viktig energisensor i cellen.
Sammanfattning: ATP är central i cellens energihantering — en lätthanterlig "energivaluta" som snabbt kan frisläppa lagrad energi för arbete, återbildas av cellens energimetabolism och deltar i många livsviktiga processer såsom transport, kontraktion, biosyntes och signalering.
ATP:s molekylära struktur.
Användning
ATP-molekylen är mycket mångsidig, vilket innebär att den kan användas till många saker. Energi lagras i dess kemiska bindningar.
När ATP binder till en annan fosfat lagras energi som kan användas senare. Med andra ord, när en bindning görs lagras energi. Detta är en endoterm reaktion.
När ATP bryter en bindning med en fosfatgrupp och blir till ADP frigörs energi. Med andra ord frigörs energi när en bindning bryts. Detta är en exoterm reaktion.
Utbytet av ATP-fosfat är en nästan oändlig cykel som bara stannar när cellen dör.
Funktioner i celler
ATP är den viktigaste energikällan för de flesta cellfunktioner. Detta inkluderar syntesen av makromolekyler, inklusive DNA och RNA (se nedan) och proteiner. ATP spelar också en avgörande roll för den aktiva transporten av makromolekyler genom cellmembranen, t.ex. exocytos och endocytos.
DNA- och RNA-syntes
I alla kända organismer syntetiseras de desoxyribonukleotider som utgör DNA genom att ribonukleotidreduktas (RNR) enzymer agerar på motsvarande ribonukleotider. Dessa enzymer reducerar sockerresterna från ribose till desoxyribose genom att avlägsna syre.
Vid syntesen av nukleinsyran RNA är ATP en av de fyra nukleotider som införlivas direkt i RNA-molekylerna av RNA-polymeraserna. Energin som driver denna polymerisering kommer från avskiljning av en pyrofosfat (två fosfatgrupper). Dansen är liknande i DNA-biosyntesen, förutom att ATP reduceras till desoxyribonukleotiden dATP, innan det inkorporeras i DNA.
Historia
- ATP upptäcktes 1929 av Karl Lohmann och Jendrassik och oberoende av varandra av Cyrus Fiske och Yellapragada Subba Rao vid Harvard Medical School. Båda grupperna tävlade mot varandra om att hitta en analysmetod för fosfor.
- Fritz Albert Lipmann föreslog 1941 att den skulle vara en mellanhand mellan energiproducerande och energikrävande reaktioner i cellerna.
- Den syntetiserades (skapades) för första gången i laboratoriet av Alexander Todd 1948.
- Nobelpriset i kemi 1997 delades upp, med den ena halvan till Paul D. Boyer och John E. Walker för deras förklaring av den enzymatiska mekanism som ligger till grund för syntesen av adenosintrifosfat (ATP) och den andra halvan till Jens C. Skou för den första upptäckten av ett jontransporterande enzym, Na+, K+ -ATPase.
Frågor och svar
F: Vad är adenosintrifosfat?
S: Adenosintrifosfat (ATP) är en kemikalie som används av levande varelser för att lagra och överföra energi.
F: Vad är syftet med ATP i levande varelser?
S: Syftet med ATP i levande varelser är att lagra energi och överföra den till celler som behöver den.
F: Hur får cellerna sin energi?
S: Cellerna får sin energi genom att ATP-molekylerna bryts sönder så att lagrad energi frigörs.
F: Tillverkar alla levande varelser ATP?
S: Ja, alla levande varelser tillverkar ATP för att lagra och överföra energi.
F: Varför behövs ATP för att cellerna ska kunna arbeta hårdare?
S: ATP är nödvändigt för celler som arbetar hårdare eftersom de behöver mer energi för att fungera, och ATP är den molekyl som tillhandahåller denna energi.
F: Kan levande varelser överleva utan ATP?
S: Nej, levande varelser kan inte överleva utan ATP eftersom det är den molekyl som ger energi till alla cellulära processer.
F: Vad händer när ATP-molekyler bryts sönder?
S: När ATP-molekylerna bryts sönder frigörs den lagrade energin och används av cellen för olika processer.
Sök