1.10: ATP
ATP:n rakenne ja toiminta
ATP:n ytimenä on nukleotidi adenosiinimonofosfaatti (AMP). Muiden nukleotidien tavoin AMP koostuu riboosimolekyyliin ja yhteen fosfaattiryhmään sitoutuneesta typpiemäksestä (adeniinimolekyyli). Toisen fosfaattiryhmän lisääminen tähän ydinmolekyyliin johtaa adenosiinidifosfaatin (ADP) muodostumiseen; kolmannen fosfaattiryhmän lisääminen muodostaa adenosiinitrifosfaatin (ATP).
ATP:llä (adenosiinitrifosfaatilla) on kolme fosfaattiryhmää, jotka voidaan irrottaa hydrolyysin avulla muodostaen ADP:tä (adenosiinidifosfaatti) tai AMP:tä (adenosiinimonofosfaatti). Jos fosfaatteja ei ole lainkaan, molekyyliä kutsutaan ”nukleosidiksi” eikä ”nukleotidiksi”.
Fosforylaatio tai fosfaattiryhmien tiivistyminen AMP:hen on endergoninen prosessi. Sitä vastoin yhden tai kahden fosfaattiryhmän hydrolyysi (veden avulla tapahtuva pilkkominen) ATP:stä, prosessia kutsutaan defosforylaatioksi, on eksergoninen. Miksi? Muistutetaan, että termit endergoninen ja eksergoninen viittaavat reaktion tuotteiden ja reagoijien välisen vapaan energian eron merkkiin ΔG. Tässä tapauksessa osoitamme reaktiolle nimenomaisesti suunnan, joko nukleotidin fosforylaation tai defosforylaation suuntaan. Tässä fosforylaatioreaktiossa reaktantit ovat nukleotidi ja epäorgaaninen fosfaatti, kun taas tuotteet ovat fosforyloitu nukleotidi ja vesi. Defosforylaatio-/hydrolyysireaktiossa reaktantit ovat fosforyloitu nukleotidi ja vesi, kun taas tuotteet ovat epäorgaaninen fosfaatti ja nukleotidi miinus yksi fosfaatti.
Gibbsin vapaa energia on ”tilafunktio”, sillä ei ole väliä, miten reaktio tapahtuu, tarkastellaan vain alku- ja lopputiloja. Reaktantteja ATP:tä ja vettä luonnehtii niiden atomirakenne ja se, millaisia sidoksia niiden muodostavien atomien välillä on, ja kuhunkin sidokseen ja niiden mahdollisiin konfiguraatioihin voidaan liittää jonkin verran vapaata energiaa – samoin tuotteisiin. ATP:n hydrolyysiin liittyy sidosten katkeaminen ja niiden muodostuminen uudessa järjestyksessä. Jos tarkastelemme reaktiota tuotteiden ja reaktanttien näkökulmasta ja kysymme ”miten voimme yhdistää uudelleen reaktanttien atomeja ja sidoksia saadaksemme tuotteita?”, huomaamme, että ATP:ssä on katkaistava hapen ja fosforin välinen fosfoanhydridisidos, vedessä katkaistava hapen ja vedyn välinen sidos, muodostettava sidos OH:n (joka on peräisin veden pilkkoutumisesta) ja fosforin (vapautuneesta PO3-2:sta) välille ja muodostettava sidos H:n (joka on peräisin veden pilkkoutumisesta) ja fosforyloidun nukleotidin päätehapen välille. Kaikkiin näihin sidosten uudelleenjärjestelyihin (myös suoraan veteen liittyviin) liittyvien energiamuutosten summa tekee reaktiosta eksergonisen. Samanlainen analyysi voitaisiin tehdä myös käänteisreaktiosta.
Mahdollinen harjoitus
Käytä yllä olevaa ATP:n kuvaa ja tietojasi siitä, miltä vesimolekyyli näyttää, piirtääksesi kuvion edellä kuvatuista reaktiovaiheista: fosforianhydridisidoksen katkeaminen, veden katkeaminen ja uusien sidosten muodostuminen ADP:n ja epäorgaanisen fosfaatin muodostamiseksi. Seuraa atomeja eri väreillä, jos se auttaa.
Muutama ajatus-
Yllä esitetty kuvaus sidosten uudelleenjärjestelyistä ei selitä, miksi kolmannen fosfaattiryhmän ADP:hen lisäämisen erottaminen ADP:stä ATP:n muodostamiseksi on endergoninen (vakio-olosuhteissa). Kun tarkastellaan ennen- ja jälkeen-rakenteita, voitko keksiä selityksen sille, miksi fosfaatin lisääminen vaatisi työtä (on positiivinen ∆G), mutta fosfaatin irrottaminen edustaa negatiivista ∆G:tä?