1.10: ATP
ATP szerkezete és működése
Az ATP középpontjában az adenozin-monofoszfát (AMP) nukleotid áll. A többi nukleotidhoz hasonlóan az AMP is egy nitrogén bázisból (adenin molekula) áll, amely egy ribóz molekulához és egyetlen foszfátcsoporthoz kapcsolódik. Egy második foszfátcsoport hozzáadása ehhez az alapmolekulához adenozin-difoszfát (ADP) képződését eredményezi; egy harmadik foszfátcsoport hozzáadásával pedig adenozin-trifoszfát (ATP) keletkezik.
Az ATP (adenozin-trifoszfát) három foszfátcsoporttal rendelkezik, amelyek hidrolízissel eltávolíthatók, így ADP (adenozin-difoszfát) vagy AMP (adenozin-monofoszfát) keletkezik. Ha egyáltalán nincsenek foszfátok, a molekulát nem “nukleotidnak”, hanem “nukleozidnak” nevezik.
A foszforiláció vagy a foszfátcsoportok kondenzációja az AMP-re endergonikus folyamat. Ezzel szemben az ATP-ből egy vagy két foszfátcsoport hidrolízise (víz általi leválasztása), az úgynevezett defoszforiláció exergonikus folyamat. Miért? Emlékezzünk vissza, hogy az endergonikus és exergonikus kifejezések a reakció szabad energiájának a termékek és a reaktánsok közötti különbség előjelére, ΔG-re utalnak. Ebben az esetben kifejezetten irányt rendelünk a reakcióhoz, vagy a nukleotid foszforilációjának vagy defoszforilációjának irányába. Ebben a foszforilációs reakcióban a reaktánsok a nukleotid és egy szervetlen foszfát, míg a termékek a foszforilált nukleotid és a víz. A defoszforilációs/hidrolízisreakcióban a reaktánsok a foszforilált nukleotid és a víz, míg a termékek a szervetlen foszfát és a nukleotid mínusz egy foszfát.
A Gibbs-féle szabad energia egy “állapotfüggvény”, nem számít, hogyan történik a reakció, csak a kezdő és a végállapotot kell figyelembe venni. A reaktánsokat, az ATP-t és a vizet az atomi felépítésük és az alkotó atomok közötti kötések fajtái jellemzik, és minden egyes kötéshez és azok lehetséges konfigurációihoz rendelhető némi szabad energia – ugyanígy a termékekhez is. Az ATP hidrolízise a kötések felbontásával és új elrendeződésben való visszaállításával jár. Ha a reakciót a termékek és a reaktánsok szempontjából vizsgáljuk, és azt a kérdést tesszük fel, hogy “hogyan lehet a reaktánsok atomjait és kötéseit újrakombinálni, hogy a termékeket kapjuk?”, azt találjuk, hogy az ATP-ben egy oxigén és egy foszfor közötti foszforanhidridkötést kell felbontani, a vízben egy oxigén és egy hidrogén közötti kötést kell felbontani, az OH (amely a víz felhasadásából származik) és a foszfor (a felszabadult PO3-2-ből) között kötés jön létre, és a H (amely a víz felhasadásából származik) és a foszforilált nukleotid terminális oxigénje között kötésnek kell létrejönnie. Az összes ilyen kötésátrendeződéshez kapcsolódó energiaváltozások összege (beleértve a közvetlenül a vízzel kapcsolatosakat is) exergonikussá teszi ezt a reakciót. Hasonló elemzést végezhetünk a fordított reakcióval is.
Egy lehetséges feladat
A fenti ATP ábrát és a vízmolekula kinézetére vonatkozó ismereteidet felhasználva rajzolj egy ábrát a fent leírt reakció lépéseiről: a foszfo-anhidrid kötés felbontása, a víz felbontása és új kötések kialakulása ADP és szervetlen foszfát képződéséhez. Kövesse az atomokat különböző színekkel, ha ez segít.”
Egy másik gondolat-
A kötésátrendeződések fent bemutatott leírása nem magyarázza meg, hogy a harmadik foszfátcsoport ADP-hez történő hozzáadásának szétválása ATP előállításához miért endergonikus (standard körülmények között). Ha megnézzük az előtte és utána szerkezeteket, tudunk-e magyarázatot adni arra, hogy a foszfát hozzáadása miért igényel munkát (pozitív ∆G-vel rendelkezik), de a foszfát leválasztása negatív ∆G-t képvisel?