Biologi för icke-Majors I

vad du lär dig att göra: Beskriv hur celler lagrar och överför fri energi med ATP

alla levande saker kräver energi för att fungera. Medan olika organismer förvärvar denna energi på olika sätt, lagrar de (och använder den) på samma sätt. I det här avsnittet lär vi oss om ATP—livets energi. ATP är hur celler lagrar energi. Dessa lagringsmolekyler produceras i mitokondrier, små organeller som finns i eukaryota celler som ibland kallas cellens ”kraftverk”.

mitokondriell sjukdomsläkare

vad händer när de kritiska reaktionerna av cellulär andning inte fortsätter korrekt? Mitokondriella sjukdomar är genetiska störningar i ämnesomsättningen. Mitokondriella störningar kan uppstå från mutationer i kärn-eller mitokondriellt DNA, och de resulterar i produktion av mindre energi än vad som är normalt i kroppsceller.

vid typ 2-diabetes reduceras till exempel OXIDATIONSEFFEKTIVITETEN hos NADH, vilket påverkar oxidativ fosforylering men inte de andra andningsstegen. Symtom på mitokondriella sjukdomar kan inkludera muskelsvaghet, brist på koordination, strokeliknande episoder och förlust av syn och hörsel. De flesta drabbade personer diagnostiseras i barndomen, även om det finns vissa vuxna sjukdomar.

identifiera och behandla mitokondriella störningar är ett specialiserat medicinskt område. Den pedagogiska förberedelsen för detta yrke kräver en högskoleutbildning, följt av medicinsk skola med specialisering inom medicinsk genetik. Medicinska genetiker kan vara styrelsecertifierade av American Board of Medical Genetics och gå vidare till att bli associerade med professionella organisationer som ägnas åt studier av mitokondriella sjukdomar, såsom Mitochondrial Medicine Society och Society for ärftlig metabolisk sjukdom.

lärandemål

Beskriv hur celler lagrar och överför fri energi med ATP

en levande cell kan inte lagra betydande mängder fri energi. Överskott av fri energi skulle resultera i en ökning av värme i cellen, vilket skulle resultera i överdriven termisk rörelse som kan skada och sedan förstöra cellen. Snarare måste en cell kunna hantera den energin på ett sätt som gör det möjligt för cellen att lagra energi säkert och släppa den för användning endast efter behov. Levande celler åstadkommer detta genom att använda föreningen adenosintrifosfat (ATP). ATP kallas ofta cellens ”energivaluta”, och som valuta kan denna mångsidiga förening användas för att fylla cellens energibehov. Hur? Den fungerar på samma sätt som ett uppladdningsbart batteri.

När ATP bryts ner, vanligtvis genom avlägsnande av dess terminala fosfatgrupp, frigörs energi. Energin används för att utföra arbete av cellen, vanligtvis genom den frigjorda fosfatbindningen till en annan molekyl, vilket aktiverar den. Till exempel, i det mekaniska arbetet med muskelkontraktion, levererar ATP energin för att flytta de kontraktila muskelproteinerna. Minns det aktiva transportarbetet hos natrium-kaliumpumpen i cellmembran. ATP förändrar strukturen hos det integrerade proteinet som fungerar som pumpen och ändrar dess affinitet för natrium och kalium. På detta sätt utför cellen arbete och pumpar joner mot deras elektrokemiska gradienter.

ATP struktur och funktion

denna illustration visar ATP: s molekylstruktur. Denna molekyl är en adeninnukleotid med en sträng av tre fosfatgrupper bundna till den. Fosfatgrupperna heter alfa, beta och gamma i ordning efter ökande avstånd från ribosockret som de är fästa vid.

Figur 1. ATP (adenosintrifosfat) har tre fosfatgrupper som kan avlägsnas genom hydrolys för att bilda ADP (adenosindifosfat) eller AMP (adenosinmonofosfat).De negativa laddningarna på fosfatgruppen avvisar naturligt varandra, vilket kräver energi för att binda dem ihop och frigöra energi när dessa bindningar bryts.

i hjärtat av ATP är en molekyl av adenosinmonofosfat (AMP), som består av en adeninmolekyl bunden till en ribosmolekyl och till en enda fosfatgrupp (Figur 1). Ribos är ett femkolsocker som finns i RNA, och AMP är en av nukleotiderna i RNA. Tillsatsen av en andra fosfatgrupp till denna kärnmolekyl resulterar i bildandet av adenosindifosfat (ADP); tillsatsen av en tredje fosfatgrupp bildar adenosintrifosfat (ATP).

tillsatsen av en fosfatgrupp till en molekyl kräver energi. Fosfatgrupper är negativt laddade och avvisar således varandra när de är ordnade i serie, som de är i ADP och ATP. Denna repulsion gör ADP-och ATP-molekylerna i sig instabila. Frisättningen av en eller två fosfatgrupper från ATP, en process som kallas defosforylering, frigör energi.

energi från ATP

hydrolys är processen att bryta komplexa makromolekyler isär. Under hydrolys delas eller lyseras vatten och den resulterande väteatomen (H+) och en hydroxylgrupp (OH–) tillsätts till den större molekylen. Hydrolysen av ATP producerar ADP, tillsammans med en oorganisk fosfatjon (Pi) och frisättningen av fri energi. För att utföra livsprocesser bryts ATP kontinuerligt ner i ADP, och som ett uppladdningsbart batteri regenereras ADP kontinuerligt till ATP genom återmontering av en tredje fosfatgrupp. Vatten, som delades upp i dess väteatom och hydroxylgrupp under ATP-hydrolys, regenereras när ett tredje fosfat tillsätts till ADP-molekylen och reformerar ATP.

självklart måste energi infunderas i systemet för att regenerera ATP. Var kommer denna energi från? I nästan alla levande saker på jorden kommer energin från glukosmetabolismen. På detta sätt är ATP en direkt koppling mellan den begränsade uppsättningen exergoniska vägar för glukoskatabolism och de många endergoniska vägar som driver levande celler.

fosforylering

minns att i vissa kemiska reaktioner kan enzymer binda till flera substrat som reagerar med varandra på enzymet och bildar ett mellanliggande komplex. Ett mellanliggande komplex är en tillfällig struktur, och det tillåter ett av substraten (såsom ATP) och reaktanter att lättare reagera med varandra; i reaktioner som involverar ATP är ATP ett av substraten och ADP är en produkt. Under en endergonisk kemisk reaktion bildar ATP ett mellanliggande komplex med substratet och enzymet i reaktionen. Detta mellanliggande komplex tillåter ATP att överföra sin tredje fosfatgrupp, med sin energi, till substratet, en process som kallas fosforylering. Fosforylering avser tillsatsen av fosfatet (~P). Detta illustreras av följande generiska reaktion:

a + enzym + ATP 2 + enzym + ADP + fosfatjon

När mellankomplexet bryts isär används energin för att modifiera substratet och omvandla det till en produkt av reaktionen. ADP-molekylen och en fri fosfatjon frigörs i mediet och är tillgängliga för återvinning genom cellmetabolism.

denna illustration visar en fosforyleringsreaktion på substratnivå där gammafosfatet av ATP är fäst vid ett protein.

Figur 2. Vid fosforyleringsreaktioner är gammafosfatet av ATP fäst vid ett protein.

Substratfosforylering

ATP genereras genom två mekanismer under nedbrytningen av glukos. Några ATP-molekyler genereras (det vill säga regenereras från ADP) som ett direkt resultat av de kemiska reaktionerna som uppstår i de kataboliska vägarna. En fosfatgrupp avlägsnas från en mellanliggande reaktant i vägen och reaktionens fria energi används för att tillsätta det tredje fosfatet till en tillgänglig ADP-molekyl som producerar ATP (Figur 2). Denna mycket direkta metod för fosforylering kallas fosforylering på substratnivå.

oxidativ fosforylering

det mesta av ATP som genereras under glukoskatabolism härrör emellertid från en mycket mer komplex process, kemiosmos, som äger rum i mitokondrier (Figur 3) inom en eukaryot cell eller plasmamembranet i en prokaryot cell.

denna illustration visar strukturen hos en mitokondrion, som har ett yttre membran och ett inre membran. Det inre membranet har många veck, kallad cristae. Utrymmet mellan det yttre membranet och det inre membranet kallas intermembranutrymmet, och mitokondrions centrala utrymme kallas matrisen. ATP-syntas enzymer och elektrontransportkedjan finns i det inre membranet

Figur 3. Mitokondrierna (kredit: modifiering av arbete av Mariana Ruiz Villareal)

Kemiosmos, en process för ATP-produktion i cellulär metabolism, används för att generera 90 procent av ATP som gjorts under glukoskatabolism och är också den metod som används i ljusreaktionerna av fotosyntes för att utnyttja solens energi. Produktionen av ATP med användning av kemiosmosprocessen kallas oxidativ fosforylering på grund av involvering av syre i processen.

Sammanfattningsvis: ATP i levande system

ATP fungerar som energivaluta för celler. Det gör att cellen kan lagra energi kort och transportera den i cellen för att stödja endergoniska kemiska reaktioner. Strukturen av ATP är den för en RNA-nukleotid med tre fosfater bundna. Eftersom ATP används för energi lossas en fosfatgrupp eller två, och antingen ADP eller AMP produceras. Energi som härrör från glukoskatabolism används för att omvandla ADP till ATP. När ATP används i en reaktion, är det tredje fosfatet tillfälligt fäst vid ett substrat i en process som kallas fosforylering. De två processerna för ATP-regenerering som används i samband med glukoskatabolism är fosforylering på substratnivå och oxidativ fosforylering genom kemiosmosprocessen.

kontrollera din förståelse

svara på frågorna nedan för att se hur väl du förstår de ämnen som behandlas i föregående avsnitt. Denna korta frågesport räknas inte mot ditt betyg i klassen, och du kan återta det ett obegränsat antal gånger.

använd det här frågesporten för att kontrollera din förståelse och bestämma om du ska (1) studera föregående avsnitt ytterligare eller (2) gå vidare till nästa avsnitt.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.