Bilgi

7.26: Canlı Sistemlerde ATP - Biyoloji

7.26: Canlı Sistemlerde ATP - Biyoloji



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Öğrenme hedefleri

Hücrelerin ATP kullanarak serbest enerjiyi nasıl depoladığını ve aktardığını açıklayın

Canlı bir hücre önemli miktarda serbest enerji depolayamaz. Aşırı serbest enerji, hücrede ısı artışına neden olur, bu da hücreye zarar verebilecek ve ardından hücreyi yok edebilecek aşırı termal harekete neden olur. Bunun yerine, bir hücrenin bu enerjiyi, hücrenin enerjiyi güvenli bir şekilde depolamasını ve yalnızca gerektiğinde kullanmak üzere serbest bırakmasını sağlayacak şekilde idare edebilmesi gerekir. Canlı hücreler bunu, bileşik adenozin trifosfat (ATP) kullanarak gerçekleştirir. ATP genellikle hücrenin "enerji para birimi" olarak adlandırılır ve para birimi gibi bu çok yönlü bileşik hücrenin herhangi bir enerji ihtiyacını karşılamak için kullanılabilir. Nasıl? Şarj edilebilir bir pile benzer şekilde çalışır.

Metnin bu sürümünden bir YouTube öğesi çıkarıldı. Çevrimiçi olarak buradan görüntüleyebilirsiniz: pb.libretexts.org/bionm1/?p=230

ATP, genellikle terminal fosfat grubunun çıkarılmasıyla parçalandığında, enerji açığa çıkar. Enerji, hücre tarafından, genellikle salınan fosfatın başka bir moleküle bağlanması ve onu aktive etmesiyle iş yapmak için kullanılır. Örneğin, kas kasılmasının mekanik çalışmasında ATP, kasılma kas proteinlerini hareket ettirmek için enerji sağlar. Sodyum-potasyum pompasının hücre zarlarındaki aktif taşıma işini hatırlayın. ATP, pompa görevi gören integral proteinin yapısını değiştirerek sodyum ve potasyuma olan afinitesini değiştirir. Bu şekilde hücre, iyonları elektrokimyasal gradyanlarına karşı pompalayarak iş yapar.

ATP Yapısı ve İşlevi

ATP'nin kalbinde, bir riboz molekülüne ve tek bir fosfat grubuna bağlı bir adenin molekülünden oluşan bir adenosin monofosfat (AMP) molekülü bulunur (Şekil 1). Riboz, RNA'da bulunan beş karbonlu bir şekerdir ve AMP, RNA'daki nükleotitlerden biridir. Bu çekirdek moleküle ikinci bir fosfat grubunun eklenmesi, adenosin difosfat (ADP) oluşumuyla sonuçlanır; üçüncü bir fosfat grubunun eklenmesi, adenozin trifosfat (ATP) oluşturur.

Bir moleküle bir fosfat grubunun eklenmesi enerji gerektirir. Fosfat grupları negatif yüklüdür ve bu nedenle ADP ve ATP'de olduğu gibi seri olarak düzenlendiklerinde birbirlerini iterler. Bu itme, ADP ve ATP moleküllerini doğal olarak kararsız hale getirir. ATP'den bir veya iki fosfat grubunun salınması olarak adlandırılan bir süreç defosforilasyon, enerjiyi serbest bırakır.

ATP'den gelen enerji

Hidroliz, karmaşık makromolekülleri parçalama işlemidir. Hidroliz sırasında su bölünür veya parçalanır ve ortaya çıkan hidrojen atomu (H+) ve bir hidroksil grubu (OH) daha büyük moleküle eklenir. ATP'nin hidrolizi, inorganik bir fosfat iyonu (P) ile birlikte ADP üretir.ben) ve serbest enerjinin serbest bırakılması. Yaşam süreçlerini yürütmek için, ATP sürekli olarak ADP'ye parçalanır ve yeniden şarj edilebilir bir pil gibi, ADP üçüncü bir fosfat grubunun yeniden bağlanmasıyla sürekli olarak ATP'ye dönüştürülür. ATP hidrolizi sırasında hidrojen atomuna ve hidroksil grubuna ayrılan su, ADP molekülüne üçüncü bir fosfat eklendiğinde ATP'yi yeniden oluşturur.

Açıkçası, ATP'yi yeniden üretmek için sisteme enerji verilmesi gerekir. Bu enerji nereden geliyor? Yeryüzündeki hemen hemen her canlıda enerji, glikoz metabolizmasından gelir. Bu şekilde ATP, glikoz katabolizmasının sınırlı ekzergonik yolakları ile canlı hücrelere güç sağlayan çok sayıda endergonik yolak arasında doğrudan bir bağlantıdır.

Fosforilasyon

Bazı kimyasal reaksiyonlarda enzimlerin, enzim üzerinde birbirleriyle reaksiyona giren ve bir ara kompleks oluşturan birkaç substrata bağlanabileceğini hatırlayın. Bir ara kompleks geçici bir yapıdır ve substratlardan birinin (ATP gibi) ve reaktanların birbirleriyle daha kolay reaksiyona girmesine izin verir; ATP içeren reaksiyonlarda, ATP substratlardan biridir ve ADP bir üründür. Bir endergonik kimyasal reaksiyon sırasında, ATP, reaksiyondaki substrat ve enzim ile bir ara kompleks oluşturur. Bu ara kompleks, ATP'nin enerjisiyle birlikte üçüncü fosfat grubunu fosforilasyon adı verilen bir işlemle substrata transfer etmesine izin verir. fosforilasyon fosfatın (~P) eklenmesine atıfta bulunur. Bu, aşağıdaki genel reaksiyonla gösterilmiştir:

A + enzim + ATP → [A − enzim − ~P] → B + enzim + ADP + fosfat iyonu

Ara kompleks parçalandığında, enerji substratı değiştirmek ve onu reaksiyonun bir ürününe dönüştürmek için kullanılır. ADP molekülü ve serbest bir fosfat iyonu ortama salınır ve hücre metabolizması yoluyla geri dönüşüm için kullanılabilir.

Substrat Fosforilasyonu

ATP, glikozun parçalanması sırasında iki mekanizma yoluyla üretilir. Katabolik yollarda meydana gelen kimyasal reaksiyonların doğrudan bir sonucu olarak birkaç ATP molekülü üretilir (yani ADP'den yeniden üretilir). Yoldaki bir ara reaktandan bir fosfat grubu çıkarılır ve reaksiyonun serbest enerjisi, ATP üreten mevcut bir ADP molekülüne üçüncü fosfatı eklemek için kullanılır (Şekil 2). Bu çok doğrudan fosforilasyon yöntemine substrat düzeyinde fosforilasyon.

Oksidatif fosforilasyon

Bununla birlikte, glikoz katabolizması sırasında üretilen ATP'nin çoğu, ökaryotik bir hücre veya prokaryotik bir hücrenin plazma zarı içindeki mitokondride (Şekil 3) gerçekleşen çok daha karmaşık bir süreçten, kemiozmozdan türetilir.

kemiozmoz, hücresel metabolizmada ATP üretim süreci, glikoz katabolizması sırasında yapılan ATP'nin yüzde 90'ını üretmek için kullanılır ve aynı zamanda güneş ışığının enerjisini kullanmak için fotosentezin ışık reaksiyonlarında kullanılan yöntemdir. Kemiozmoz süreci kullanılarak ATP üretimine denir. oksidatif fosforilasyon Oksijenin sürece dahil olması nedeniyle.

Öğrenme hedefleri

ATP, hücreler için enerji para birimi olarak işlev görür. Hücrenin enerjiyi kısaca depolamasına ve endergonik kimyasal reaksiyonları desteklemek için hücre içinde taşımasına izin verir. ATP'nin yapısı, üç fosfatın bağlı olduğu bir RNA nükleotidinin yapısıdır. ATP enerji için kullanıldığından, bir veya iki fosfat grubu ayrılır ve ADP veya AMP üretilir. Glikoz katabolizmasından elde edilen enerji, ADP'yi ATP'ye dönüştürmek için kullanılır. ATP bir reaksiyonda kullanıldığında, üçüncü fosfat, fosforilasyon adı verilen bir işlemde geçici olarak bir substrata bağlanır. Glikoz katabolizması ile birlikte kullanılan iki ATP rejenerasyonu süreci, substrat düzeyinde fosforilasyon ve kemiozmoz süreci boyunca oksidatif fosforilasyondur.


Canlı Organizmalarda Yükseltgenme-İndirgenme Reaksiyonları

Biyolojik sistemlerde enerji genellikle enzimler tarafından katalize edilen organik bileşiklerin oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarından salınır. Bu nedenle, canlı sistemlerde meydana gelen oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarının doğasını açıkça anlamak gereklidir. Enerji üretimi için substrat olarak kullanılan en yaygın organik bileşik glikozdur.

180 g'a eşdeğer bir mol glikoz biyolojik olmayan koşullarda havada yakıldığında, ısı olarak 674 Kcal enerji açığa çıkar ve ürünler CO2'dir.2 ve H2O. Bir organizma tarafından aerobik solunum için substrat olarak glikoz kullanıldığında, aynı miktarda enerji açığa çıkar ve ürünler CO2'dir.2 ve H2O (C6H12Ö6 = 6CO2 + 6H2O + 674 Kcal). Ancak solunumda serbest kalan enerjinin sadece bir kısmı kimyasal enerjiye (ATP) dönüştürülür ve geri kalanı ısı olarak kaybedilir.

Glikoz molekülü enerjisinin gizlendiği soru ortaya çıkabilir. Glikoz veya başka herhangi bir molekül, molekülü oluşturan atomlar arasındaki kimyasal bağları oluşturan elektronlarda depolanan enerjiye sahiptir. Atomları birbirine bağlamak için enerji gereklidir ve kimyasal bağlarda potansiyel enerji olarak depolanır. Bu bağlar kırıldığında, enerji kullanılabilir biçimde serbest bırakılır.

Bir molekülden serbest bırakılabilen enerji miktarı, onun serbest enerjisi olarak bilinir ve geleneksel olarak G olarak belirtilir. Varsayımsal bir reaksiyonda, eğer A ve B reaktanları C ve D ürünleri üretiyorsa, o zaman A'nın toplam serbest enerjisi arasındaki fark ve B ve C ve D'nin toplam serbest enerjisine ∆G olarak gösterilen serbest enerji değişimi denir.

A ve B reaktanları enerjinin serbest kalmasıyla C ve D ürettiğinde, ∆G'ye geleneksel olarak negatif bir işaret (-∆G) verilir, bu da reaksiyonun ekzergonik olduğu anlamına gelir. Standart koşullar altında, yani hem reaktanlar hem de ürünler 1 atm altında 25°C sıcaklıkta 1 molar konsantrasyonda mevcut olduğunda. basınç, ∆G, standart serbest enerji değişimi olan ∆G 0 olarak temsil edilir.

Bir kimyasal veya biyokimyasal reaksiyonun ancak ekzergonik olduğunda, yani ∆G negatif olduğunda kendiliğinden gerçekleşebileceği açıkça belirtilmelidir. Başka bir deyişle, serbest enerji değişimi (∆G) sıfır değerini alana kadar bir reaksiyon kendiliğinden devam edecek ve bu aşamada reaksiyon dengeye ulaşacaktır. Dengede, reaktanların ve ürünlerin konsantrasyonları, reaktanların ve ürünlerin toplam serbest enerji içerikleri eşit olacak şekildedir, yani ∆G = 0. Bu aşamada, ürünlerin konsantrasyonu reaktanların konsantrasyonundan daha yüksektir.

Bir reaksiyonun standart serbest enerji değişimi (∆G°), AG°=-RT InK denkleminden hesaplanabilir; burada R, 1.987 değerine sahip gaz sabitidir, T, mutlak sıcaklıktır (273 + °C) ve InK, reaksiyonun denge sabitinin doğal logaritması (2.303 log K). A+B, <===> C+D varsayımsal reaksiyonunda, K, C+D ve A + B konsantrasyonlarının ürünlerinin oranından hesaplanır, yani [C] x [D] /[A] x[B] = K. Bu oran 1'den büyükse ∆G° negatif olur. Yukarıdaki denklemden, fizyolojik koşullar altında AG, AG = AG° + RT InK bağıntısından hesaplanabilir.

Oksidasyon-indirgeme reaksiyonlarının bir diğer önemli parametresi, bir bileşiğin veya bir elementin elektron kaybetme eğiliminin nicel bir ölçüsünü veren redoks potansiyelidir. Yükseltgenme-indirgeme reaksiyonunda, bir bileşik veya element tarafından bağışlanan elektronlar, başka bir bileşik veya element tarafından kabul edilir. Sonuç olarak, verici oksitlenir (elektron kaybı) ve alıcı indirgenir (elektron eklenmesi).

Bu nedenle, oksidasyon ve indirgeme her zaman el ele gider. Bu tür reaksiyon çiftleri genellikle redoks reaksiyonları olarak bilinir. Çoğu biyolojik sistemde, redoks reaksiyonları, hidrojen atomlarının, yani bir proton ve bir elektronun çıkarılmasını veya eklenmesini içerir. Bu tür reaksiyonlar, dehidrojenaz adı verilen enzimler tarafından katalize edilir.

Bir bileşiğin elektron kaybetme eğilimi, moleküler hidrojenin elektron kaybetme eğilimi, yani H ile ilişkili olarak ifade edilir.2 <===> 2H + + 2e – . Biyolojik sistemler için, redoks potansiyeli, pH 7.0 ve 25°C'de tepken ve oksidan 1.0 M konsantrasyonda mevcut olduğunda volt cinsinden standart indirgeme potansiyeli veya elektromotor kuvveti (emk) olarak ifade edilir. H'nin standart redoks potansiyeli2 —> 2H + + 2e – -0,42v'dir. Redoks potansiyeli ne kadar pozitifse, elektron kaybetme eğilimi o kadar fazladır, yani oksitleme yeteneği o kadar fazladır.

Canlı organizmalarda, ekzergonik reaksiyonlar tarafından salınan enerji, endergonik reaksiyonları yürütmek için ve ayrıca hareket gibi başka amaçlar için kullanılır. Enerjinin bir reaksiyondan diğerine transferi, hem ekzergonik hem de endergonik reaksiyonlarda yer alan bazı yaygın reaktanlar aracılığıyla gerçekleşir.

Bu yaygın reaktanlar, yüksek bir transfer potansiyeli ile karakterize edilir ve bunlara enerji açısından zengin bileşikler denir. Bu tür bileşiklerin en yaygın olanı ATP'dir. ATP'nin son fosfat grubu, kararsız bir bağ ile molekülün geri kalanına bağlanır ve büyük miktarda serbest enerji salınımı ile hızla ayrılabilir veya bir alıcıya aktarılabilir.

Böylece ATP yüksek bir transfer potansiyeline sahiptir ve birçok biyokimyasal reaksiyonda yer alabilir.

ATP molekülleri nispeten daha büyüktür ve bu nedenle enerji depolamak için uygun değildirler. Enerji depolamak için canlı sistemler, enerjinin kimyasal bağlarda depolandığı glikoz gibi daha küçük moleküller kullanır. Bu nedenle, glikozun potansiyel enerjisi, molekülün katabolik reaksiyonlarla aşamalı bir şekilde parçalanması yoluyla serbest bırakılmalıdır. Canlı sistemlerde, glikoz birkaç yolla katabolize edilebilir.


Elektronlar ve Enerji

Bir molekülden bir elektronun çıkarılması, onu oksitlemek, oksitlenmiş bileşikteki potansiyel enerjide bir azalma ile sonuçlanır. Elektron (bazen bir hidrojen atomunun parçası olarak), bir hücrenin sitoplazmasında bağlanmadan kalmaz. Bunun yerine elektron ikinci bir bileşiğe kaydırılarak ikinci bileşik indirgenir. Bir elektronun bir bileşikten diğerine kayması, birinci bileşikten (oksitlenmiş bileşik) potansiyel enerjinin bir kısmını kaldırır ve ikinci bileşiğin (indirgenmiş bileşik) potansiyel enerjisini arttırır. Elektronların moleküller arası transferi önemlidir çünkü atomlarda depolanan ve hücre fonksiyonlarına yakıt sağlamak için kullanılan enerjinin çoğu yüksek enerjili elektronlar şeklindedir. Enerjinin elektronlar biçiminde aktarımı, hücrenin enerjiyi tek bir yıkıcı patlama yerine küçük paketler halinde artan bir biçimde aktarmasına ve kullanmasına olanak tanır. Bu bölüm yiyeceklerden enerjinin çıkarılmasına odaklanıyor, transferlerin yolunu takip ederken, metabolik yollarda hareket eden elektronların yolunu da takip ettiğinizi göreceksiniz.


7.1 Canlı Sistemlerde Enerji

Bu bölümün sonunda aşağıdakileri yapabileceksiniz:

  • Canlı sistemlerde enerji transferinde elektronların önemini tartışın
  • ATP'nin hücreler tarafından enerji kaynağı olarak nasıl kullanıldığını açıklayın

Bir hücre içindeki enerji üretimi, birçok koordineli kimyasal yolu içerir. Bu yolların çoğu, aynı anda meydana gelen oksidasyon ve indirgeme reaksiyonlarının kombinasyonlarıdır. Bir oksidasyon reaksiyonu, bir bileşikteki bir atomdan bir elektronu koparır ve bu elektronun başka bir bileşiğe eklenmesi bir indirgeme reaksiyonudur. Oksidasyon ve indirgeme genellikle birlikte gerçekleştiğinden, bu reaksiyon çiftlerine oksidasyon indirgeme reaksiyonları veya redoks reaksiyonları denir.

Elektronlar ve Enerji

Bir elektronun bir molekülden çıkarılması (oksitlenmesi), oksitlenmiş bileşikteki potansiyel enerjide bir azalma ile sonuçlanır. Bununla birlikte, elektron (bazen bir hidrojen atomunun parçası olarak) bir hücrenin sitoplazmasında bağlanmadan kalmaz. Bunun yerine elektron ikinci bir bileşiğe kaydırılarak ikinci bileşik indirgenir. Bir elektronun bir bileşikten diğerine kayması, birinci bileşikten (oksitlenmiş bileşik) potansiyel enerjinin bir kısmını kaldırır ve ikinci bileşiğin (indirgenmiş bileşik) potansiyel enerjisini arttırır. Elektronların moleküller arası transferi önemlidir çünkü atomlarda depolanan ve hücre fonksiyonlarına yakıt sağlamak için kullanılan enerjinin çoğu yüksek enerjili elektronlar şeklindedir. Enerjinin yüksek enerjili elektronlar biçiminde aktarılması, hücrenin enerjiyi tek bir yıkıcı patlama yerine küçük paketler halinde artan bir biçimde aktarmasına ve kullanmasına olanak tanır. Bu bölüm yiyeceklerden enerjinin çıkarılmasına odaklanıyor, transferlerin yolunu takip ederken, metabolik yollarda hareket eden elektronların yolunu da takip ettiğinizi göreceksiniz.

Elektron Taşıyıcılar

Canlı sistemlerde, küçük bir bileşik sınıfı elektron mekikleri olarak işlev görür: biyokimyasal yollarda bileşikler arasında yüksek enerjili elektronları bağlar ve taşırlar. Ele alacağımız başlıca elektron taşıyıcıları, B vitamini grubundan türetilmiştir ve nükleotidlerin türevleridir. Bu bileşikler kolaylıkla indirgenebilir (yani elektron kabul ederler) veya oksitlenebilir (elektron kaybederler). Nikotinamid adenin dinükleotidi (NAD) (Şekil 7.2), B vitamininden elde edilir.3, niasin. NAD+ molekülün oksitlenmiş halidir NADH, molekülün iki elektron ve bir protonu (birlikte fazladan bir elektrona sahip bir hidrojen atomunun eşdeğeri olan) kabul ettikten sonra indirgenmiş halidir. Bir bileşiğin üzerinde bir "H" varsa, bunun genellikle indirgendiğini unutmayın (örneğin, NADH, NAD'nin indirgenmiş şeklidir).

NAD +, genel denkleme göre bir organik molekülden elektronları kabul edebilir:

Bir bileşiğe elektronlar eklendiğinde, azaltıldı. Bir diğerini azaltan bir bileşiğe indirgeyici ajan denir. Yukarıdaki denklemde, RH bir indirgeyici ajandır ve NAD+, NADH'ye indirgenir. Elektronlar bir bileşikten çıkarıldığında, oksitlenir. Bir başkasını oksitleyen bir bileşiğe oksitleyici madde denir. Yukarıdaki denklemde, NAD+ bir oksitleyici ajandır ve RH, R'ye oksitlenir.

Benzer şekilde, flavin adenin dinükleotidi (FAD+), B vitamininden elde edilir.2, riboflavin olarak da adlandırılır. İndirgenmiş formu FADH'dir.2. NAD'nin ikinci bir varyasyonu olan NADP, fazladan bir fosfat grubu içerir. Hem NAD + hem de FAD +, şekerlerden enerji ekstraksiyonunda yaygın olarak kullanılır ve NADP, bitkilerde anabolik reaksiyonlarda ve fotosentezde önemli bir rol oynar.

Canlı Sistemlerde ATP

Canlı bir hücre önemli miktarda serbest enerji depolayamaz. Aşırı serbest enerji, hücrede ısı artışına neden olur, bu da hücreye zarar verebilecek ve ardından hücreyi yok edebilecek aşırı termal harekete neden olur. Bunun yerine, bir hücrenin bu enerjiyi, hücrenin enerjiyi güvenli bir şekilde depolamasını ve onu yalnızca gerektiği gibi kullanmak üzere serbest bırakmasını sağlayacak şekilde idare edebilmesi gerekir. Canlı hücreler bunu, bileşik adenosin trifosfat (ATP) kullanarak gerçekleştirir. ATP genellikle hücrenin "enerji para birimi" olarak adlandırılır ve para birimi gibi bu çok yönlü bileşik hücrenin herhangi bir enerji ihtiyacını karşılamak için kullanılabilir. Nasıl? Şarj edilebilir bir pile benzer şekilde çalışır.

ATP, genellikle terminal fosfat grubunun çıkarılmasıyla parçalandığında, enerji açığa çıkar. Enerji, genellikle salınan fosfat başka bir moleküle bağlandığında ve böylece onu aktive ettiğinde, hücre tarafından iş yapmak için kullanılır. Örneğin, kas kasılmasının mekanik çalışmasında ATP, kasılma kas proteinlerini hareket ettirmek için enerji sağlar. Sodyum-potasyum pompasının hücre zarlarındaki aktif taşıma işini hatırlayın. ATP, pompa görevi gören integral proteinin yapısını değiştirerek sodyum ve potasyuma olan afinitesini değiştirir. Bu şekilde hücre, iyonları elektrokimyasal gradyanlarına karşı pompalayarak iş yapar.

ATP Yapısı ve İşlevi

ATP'nin kalbinde, bir riboz molekülüne ve tek bir fosfat grubuna bağlı bir adenin molekülünden oluşan bir adenosin monofosfat (AMP) molekülü bulunur (Şekil 7.3). Riboz, RNA'da bulunan beş karbonlu bir şekerdir ve AMP, RNA'daki nükleotitlerden biridir. Bu çekirdek moleküle ikinci bir fosfat grubunun eklenmesi, adenozin oluşumu ile sonuçlanır. difosfat (ADP) üçüncü bir fosfat grubunun eklenmesi adenosin oluşturur üçlüfosfat (ATP).

Bir moleküle bir fosfat grubunun eklenmesi enerji gerektirir. Fosfat grupları negatif yüklüdür ve bu nedenle ADP ve ATP'de olduğu gibi seri olarak düzenlendiklerinde birbirlerini iterler. Bu itme, ADP ve ATP moleküllerini doğal olarak kararsız hale getirir. ATP'den bir veya iki fosfat grubunun salınması, defosforilasyon adı verilen bir süreç, enerji açığa çıkarır.

ATP'den gelen enerji

Hidroliz, karmaşık makromolekülleri parçalama işlemidir. Hidroliz sırasında su bölünür veya parçalanır ve elde edilen hidrojen atomu (H + ) ve bir hidroksil grubu (OH - ) veya hidroksit, büyük moleküle eklenir. ATP'nin hidrolizi, inorganik bir fosfat iyonu (P) ile birlikte ADP üretir.ben) ve serbest enerjinin serbest bırakılması. Yaşam süreçlerini yürütmek için, ATP sürekli olarak ADP'ye parçalanır ve yeniden şarj edilebilir bir pil gibi, ADP üçüncü bir fosfat grubunun yeniden bağlanmasıyla sürekli olarak ATP'ye dönüştürülür. ATP hidrolizi sırasında hidrojen atomuna ve hidroksil grubuna (hidroksit) parçalanan su, ADP molekülüne üçüncü bir fosfat eklendiğinde ATP'yi yeniden oluşturur.

Açıkçası, ATP'yi yeniden üretmek için sisteme enerji verilmesi gerekir. Bu enerji nereden geliyor? Dünyadaki hemen hemen her canlıda, enerji, kimyasal formülü C olan tüm izomerler olan glikoz, fruktoz veya galaktoz metabolizmasından gelir.6H12Ö6 ama farklı moleküler konfigürasyonlar. Bu şekilde ATP, glikoz katabolizmasının sınırlı ekzergonik yolakları ile canlı hücrelere güç sağlayan çok sayıda endergonik yolak arasında doğrudan bir bağlantıdır.

Fosforilasyon

Bazı kimyasal reaksiyonlarda enzimlerin, enzim üzerinde birbirleriyle reaksiyona giren ve bir ara kompleks oluşturan birkaç substrata bağlanabileceğini hatırlayın. Bir ara kompleks geçici bir yapıdır ve substratlardan birinin (ATP gibi) ve reaktanların ATP içeren reaksiyonlarda birbirleriyle daha kolay reaksiyona girmesine izin verir, ATP substratlardan biridir ve ADP bir üründür. Bir endergonik kimyasal reaksiyon sırasında, ATP, reaksiyondaki substrat ve enzim ile bir ara kompleks oluşturur. Bu ara kompleks, ATP'nin enerjisiyle birlikte üçüncü fosfat grubunu fosforilasyon adı verilen bir işlemle substrata transfer etmesine izin verir. Fosforilasyon, fosfatın eklenmesini ifade eder (

P). Bu, A ve B'nin iki farklı substratı temsil ettiği aşağıdaki genel reaksiyonla gösterilmektedir:

Ara kompleks parçalandığında, enerji substratı değiştirmek ve onu reaksiyonun bir ürününe dönüştürmek için kullanılır. ADP molekülü ve serbest bir fosfat iyonu ortama salınır ve hücre metabolizması yoluyla geri dönüşüm için kullanılabilir.

Substrat Fosforilasyonu

ATP, glikozun parçalanması sırasında iki mekanizma yoluyla üretilir. Katabolik yollarda meydana gelen kimyasal reaksiyonların doğrudan bir sonucu olarak birkaç ATP molekülü üretilir (yani ADP'den yeniden üretilir). Yoldaki bir ara reaktandan bir fosfat grubu çıkarılır ve reaksiyonun serbest enerjisi, ATP üreten mevcut bir ADP molekülüne üçüncü fosfatı eklemek için kullanılır (Şekil 7.4). Bu çok doğrudan fosforilasyon yöntemine substrat düzeyinde fosforilasyon denir.

Oksidatif fosforilasyon

Bununla birlikte, glukoz katabolizması sırasında üretilen ATP'nin çoğu, ökaryotik bir hücre veya prokaryotik bir hücrenin plazma zarı içindeki mitokondride (Şekil 7.5) gerçekleşen çok daha karmaşık bir süreçten, kemiozmozdan türetilir. Hücre metabolizmasında ATP üretim süreci olan kemiozmoz, glikoz katabolizması sırasında yapılan ATP'nin yüzde 90'ını üretmek için kullanılır ve aynı zamanda güneş ışığının enerjisini kullanmak için fotosentezin ışık reaksiyonlarında kullanılan yöntemdir. Kemiozmoz sürecini kullanarak ATP üretimi, sürece oksijenin dahil olması nedeniyle oksidatif fosforilasyon olarak adlandırılır.

Kariyer Bağlantısı

Mitokondriyal Hastalık Hekimi

Hücresel solunumun kritik reaksiyonları doğru şekilde ilerlemediğinde ne olur? Bu, metabolizmanın genetik bozuklukları olan mitokondriyal hastalıklarda olabilir. Mitokondriyal bozukluklar, nükleer veya mitokondriyal DNA'daki mutasyonlardan kaynaklanabilir ve vücut hücrelerinde normalden daha az enerji üretimi ile sonuçlanır. Örneğin tip 2 diyabette, NADH'nin oksidasyon etkinliği azalır, oksidatif fosforilasyonu etkiler, ancak solunumun diğer adımlarını etkilemez. Mitokondriyal hastalıkların belirtileri arasında kas zayıflığı, koordinasyon eksikliği, felç benzeri bölümler ve görme ve işitme kaybı sayılabilir. Bazı erişkin başlangıçlı hastalıklar olmasına rağmen, etkilenen kişilerin çoğu çocuklukta teşhis edilir. Mitokondriyal bozuklukların belirlenmesi ve tedavisi özel bir tıp alanıdır. Bu mesleğe eğitim hazırlığı, bir üniversite eğitimini, ardından tıbbi genetik uzmanlığı olan bir tıp fakültesini gerektirir. Tıbbi genetikçiler, Amerikan Tıbbi Genetik Kurulu tarafından kurul onaylı olabilir ve Mitokondriyal Tıp Derneği ve Kalıtsal Metabolik Bozukluklar Derneği gibi mitokondriyal hastalıkların araştırılmasına adanmış profesyonel kuruluşlarla ilişki kurmaya devam edebilirler.


Canlı Sistemlerde ATP

Canlı bir hücre önemli miktarda serbest enerji depolayamaz. Aşırı serbest enerji, hücrede ısı artışına neden olur, bu da hücreye zarar verebilecek ve ardından hücreyi yok edebilecek aşırı termal harekete neden olur. Bunun yerine, bir hücrenin bu enerjiyi, hücrenin enerjiyi güvenli bir şekilde depolamasını ve onu yalnızca gerektiği gibi kullanmak üzere serbest bırakmasını sağlayacak şekilde idare edebilmesi gerekir. Canlı hücreler bunu, bileşik adenosin trifosfat (ATP) kullanarak gerçekleştirir. ATP genellikle hücrenin "enerji para birimi" olarak adlandırılır ve para birimi gibi bu çok yönlü bileşik hücrenin herhangi bir enerji ihtiyacını karşılamak için kullanılabilir. Nasıl? Şarj edilebilir bir pile benzer şekilde çalışır.

ATP, genellikle terminal fosfat grubunun çıkarılmasıyla parçalandığında, enerji açığa çıkar. Enerji, hücre tarafından, genellikle salınan fosfatın başka bir moleküle bağlanması ve onu aktive etmesiyle iş yapmak için kullanılır. Örneğin, kas kasılmasının mekanik çalışmasında ATP, kasılma kas proteinlerini hareket ettirmek için enerji sağlar. Sodyum-potasyum pompasının hücre zarlarındaki aktif taşıma işini hatırlayın. ATP, pompa görevi gören integral proteinin yapısını değiştirerek sodyum ve potasyuma olan afinitesini değiştirir. Bu şekilde hücre, iyonları elektrokimyasal gradyanlarına karşı pompalayarak iş yapar.


33 Canlı Sistemlerde Enerji

Bu bölümün sonunda aşağıdakileri yapabileceksiniz:

  • Canlı sistemlerde enerji transferinde elektronların önemini tartışın
  • ATP'nin hücreler tarafından enerji kaynağı olarak nasıl kullanıldığını açıklayın

Bir hücre içindeki enerji üretimi, birçok koordineli kimyasal yolu içerir. Bu yolların çoğu, aynı anda meydana gelen oksidasyon ve indirgeme reaksiyonlarının kombinasyonlarıdır. Bir oksidasyon reaksiyonu, bir bileşikteki bir atomdan bir elektronu koparır ve bu elektronun başka bir bileşiğe eklenmesi bir indirgeme reaksiyonudur. Oksidasyon ve indirgeme genellikle birlikte gerçekleştiğinden, bu reaksiyon çiftlerine oksidasyon indirgeme reaksiyonları veya redoks reaksiyonları denir.

Elektronlar ve Enerji

Bir molekülden bir elektronun çıkarılması (oksitlenmesi), oksitlenmiş bileşikteki potansiyel enerjide bir azalma ile sonuçlanır. Elektron (bazen bir hidrojen atomunun parçası olarak) bir hücrenin sitoplazmasında bağlanmadan kalmaz. Bunun yerine elektron ikinci bir bileşiğe kaydırılarak ikinci bileşik indirgenir. Bir elektronun bir bileşikten diğerine kayması, birinci bileşikten (oksitlenmiş bileşik) potansiyel enerjinin bir kısmını kaldırır ve ikinci bileşiğin (indirgenmiş bileşik) potansiyel enerjisini arttırır. Elektronların moleküller arası transferi önemlidir çünkü atomlarda depolanan ve hücre fonksiyonlarına yakıt sağlamak için kullanılan enerjinin çoğu yüksek enerjili elektronlar şeklindedir. Enerjinin yüksek enerjili elektronlar biçiminde aktarılması, hücrenin enerjiyi tek bir yıkıcı patlama yerine küçük paketler halinde artan bir biçimde aktarmasına ve kullanmasına olanak tanır. Bu bölüm yiyeceklerden enerjinin çıkarılmasına odaklanıyor, transferlerin yolunu takip ederken, metabolik yollarda hareket eden elektronların yolunu da takip ettiğinizi göreceksiniz.

Elektron Taşıyıcılar

Canlı sistemlerde, küçük bir bileşik sınıfı elektron mekikleri olarak işlev görür: biyokimyasal yollarda bileşikler arasında yüksek enerjili elektronları bağlar ve taşırlar. Ele alacağımız başlıca elektron taşıyıcıları, B vitamini grubundan türetilmiştir ve nükleotidlerin türevleridir. Bu bileşikler kolaylıkla indirgenebilir (yani elektron kabul ederler) veya oksitlenebilir (elektron kaybederler). Nikotinamid adenin dinükleotidi (NAD) ((Şekil)) B vitamininden elde edilir3, niasin. NAD+ molekülün oksitlenmiş halidir NADH, molekülün iki elektron ve bir protonu (birlikte fazladan bir elektrona sahip bir hidrojen atomunun eşdeğeri olan) kabul ettikten sonra indirgenmiş halidir. Bir bileşiğin üzerinde bir "H" varsa, bunun genellikle indirgendiğini unutmayın (örneğin, NADH, NAD'nin indirgenmiş şeklidir).

NAD +, genel denkleme göre bir organik molekülden elektronları kabul edebilir:

Bir bileşiğe elektronlar eklendiğinde, azaltıldı. Bir diğerini azaltan bir bileşiğe indirgeyici ajan denir. Yukarıdaki denklemde, RH bir indirgeyici ajandır ve NAD+, NADH'ye indirgenir. Elektronlar bir bileşikten çıkarıldığında, oksitlenir. Bir başkasını oksitleyen bir bileşiğe oksitleyici madde denir. Yukarıdaki denklemde, NAD+ bir oksitleyici ajandır ve RH, R'ye oksitlenir.

Benzer şekilde, flavin adenin dinükleotidi (FAD+), B vitamininden elde edilir.2, riboflavin olarak da adlandırılır. İndirgenmiş formu FADH'dir.2. NAD'nin ikinci bir varyasyonu olan NADP, fazladan bir fosfat grubu içerir. Hem NAD + hem de FAD +, şekerlerden enerji ekstraksiyonunda yaygın olarak kullanılır ve NADP, bitkilerde anabolik reaksiyonlarda ve fotosentezde önemli bir rol oynar.

Canlı Sistemlerde ATP

Canlı bir hücre önemli miktarda serbest enerji depolayamaz. Aşırı serbest enerji, hücrede ısı artışına neden olur, bu da hücreye zarar verebilecek ve daha sonra hücreyi yok edebilecek aşırı termal harekete neden olur. Bunun yerine, bir hücrenin bu enerjiyi, hücrenin enerjiyi güvenli bir şekilde depolamasını ve yalnızca gerektiğinde kullanmak üzere serbest bırakmasını sağlayacak şekilde idare edebilmesi gerekir. Canlı hücreler bunu, bileşik adenosin trifosfat (ATP) kullanarak gerçekleştirir. ATP genellikle hücrenin "enerji para birimi" olarak adlandırılır ve para birimi gibi bu çok yönlü bileşik hücrenin herhangi bir enerji ihtiyacını karşılamak için kullanılabilir. Nasıl? Şarj edilebilir bir pile benzer şekilde çalışır.

ATP, genellikle terminal fosfat grubunun çıkarılmasıyla parçalandığında, enerji açığa çıkar. Enerji, genellikle salınan fosfat başka bir moleküle bağlandığında ve böylece onu aktive ettiğinde, hücre tarafından iş yapmak için kullanılır. Örneğin, kas kasılmasının mekanik çalışmasında ATP, kasılma kas proteinlerini hareket ettirmek için enerji sağlar. Sodyum-potasyum pompasının hücre zarlarındaki aktif taşıma işini hatırlayın. ATP, pompa görevi gören integral proteinin yapısını değiştirerek sodyum ve potasyuma olan afinitesini değiştirir. Bu şekilde hücre, iyonları elektrokimyasal gradyanlarına karşı pompalayarak iş yapar.

ATP Yapısı ve İşlevi

ATP'nin kalbinde, bir riboz molekülüne ve tek bir fosfat grubuna bağlı bir adenin molekülünden oluşan bir adenosin monofosfat (AMP) molekülü bulunur ((Şekil)). Riboz, RNA'da bulunan beş karbonlu bir şekerdir ve AMP, RNA'daki nükleotitlerden biridir. Bu çekirdek moleküle ikinci bir fosfat grubunun eklenmesi, adenozin oluşumu ile sonuçlanır. difosfat (ADP) üçüncü bir fosfat grubunun eklenmesi adenosin oluşturur üçlüfosfat (ATP).

Bir moleküle bir fosfat grubunun eklenmesi enerji gerektirir. Fosfat grupları negatif yüklüdür ve bu nedenle ADP ve ATP'de olduğu gibi seri olarak düzenlendiklerinde birbirlerini iterler. Bu itme, ADP ve ATP moleküllerini doğal olarak kararsız hale getirir. ATP'den bir veya iki fosfat grubunun salınması, defosforilasyon adı verilen bir süreç, enerji açığa çıkarır.

ATP'den gelen enerji

Hidroliz, karmaşık makromolekülleri parçalama işlemidir. Hidroliz sırasında su bölünür veya parçalanır ve elde edilen hidrojen atomu (H + ) ve bir hidroksil grubu (OH – ) veya hidroksit, büyük moleküle eklenir. ATP'nin hidrolizi, inorganik bir fosfat iyonu (P) ile birlikte ADP üretir.ben) ve serbest enerjinin serbest bırakılması. Yaşam süreçlerini yürütmek için, ATP sürekli olarak ADP'ye bölünür ve yeniden şarj edilebilir bir pil gibi, ADP üçüncü bir fosfat grubunun yeniden bağlanmasıyla sürekli olarak ATP'ye dönüştürülür. Water, which was broken down into its hydrogen atom and hydroxyl group (hydroxide) during ATP hydrolysis, is regenerated when a third phosphate is added to the ADP molecule, reforming ATP.

Obviously, energy must be infused into the system to regenerate ATP. Where does this energy come from? In nearly every living thing on Earth, the energy comes from the metabolism of glucose, fructose, or galactose, all isomers with the chemical formula C6H12Ö6 but different molecular configurations. In this way, ATP is a direct link between the limited set of exergonic pathways of glucose catabolism and the multitude of endergonic pathways that power living cells.

Phosphorylation

Recall that, in some chemical reactions, enzymes may bind to several substrates that react with each other on the enzyme, forming an intermediate complex. An intermediate complex is a temporary structure, and it allows one of the substrates (such as ATP) and reactants to more readily react with each other in reactions involving ATP, ATP is one of the substrates and ADP is a product. During an endergonic chemical reaction, ATP forms an intermediate complex with the substrate and enzyme in the reaction. This intermediate complex allows the ATP to transfer its third phosphate group, with its energy, to the substrate, a process called phosphorylation. Phosphorylation refers to the addition of the phosphate (

P). This is illustrated by the following generic reaction, in which A and B represent two different substrates:

When the intermediate complex breaks apart, the energy is used to modify the substrate and convert it into a product of the reaction. The ADP molecule and a free phosphate ion are released into the medium and are available for recycling through cell metabolism.

Substrate Phosphorylation

ATP is generated through two mechanisms during the breakdown of glucose. A few ATP molecules are generated (that is, regenerated from ADP) as a direct result of the chemical reactions that occur in the catabolic pathways. A phosphate group is removed from an intermediate reactant in the pathway, and the free energy of the reaction is used to add the third phosphate to an available ADP molecule, producing ATP ((Figure)). This very direct method of phosphorylation is called substrate-level phosphorylation .

Oxidative Phosphorylation

Most of the ATP generated during glucose catabolism, however, is derived from a much more complex process, chemiosmosis, which takes place in mitochondria ((Figure)) within a eukaryotic cell or the plasma membrane of a prokaryotic cell. Chemiosmosis , a process of ATP production in cellular metabolism, is used to generate 90 percent of the ATP made during glucose catabolism and is also the method used in the light reactions of photosynthesis to harness the energy of sunlight. The production of ATP using the process of chemiosmosis is called oxidative phosphorylation because of the involvement of oxygen in the process.

Mitochondrial Disease Physician What happens when the critical reactions of cellular respiration do not proceed correctly? This may happen in mitochondrial diseases, which are genetic disorders of metabolism. Mitochondrial disorders can arise from mutations in nuclear or mitochondrial DNA, and they result in the production of less energy than is normal in body cells. In type 2 diabetes, for instance, the oxidation efficiency of NADH is reduced, impacting oxidative phosphorylation but not the other steps of respiration. Symptoms of mitochondrial diseases can include muscle weakness, lack of coordination, stroke-like episodes, and loss of vision and hearing. Most affected people are diagnosed in childhood, although there are some adult-onset diseases. Identifying and treating mitochondrial disorders is a specialized medical field. The educational preparation for this profession requires a college education, followed by medical school with a specialization in medical genetics. Medical geneticists can be board certified by the American Board of Medical Genetics and go on to become associated with professional organizations devoted to the study of mitochondrial diseases, such as the Mitochondrial Medicine Society and the Society for Inherited Metabolic Disorders.

Bölüm Özeti

ATP functions as the energy currency for cells. It allows the cell to store energy briefly and transport it within the cell to support endergonic chemical reactions. The structure of ATP is that of an RNA nucleotide with three phosphates attached. As ATP is used for energy, a phosphate group or two are detached, and either ADP or AMP is produced. Energy derived from glucose catabolism is used to convert ADP into ATP. When ATP is used in a reaction, the third phosphate is temporarily attached to a substrate in a process called phosphorylation. The two processes of ATP regeneration that are used in conjunction with glucose catabolism are substrate-level phosphorylation and oxidative phosphorylation through the process of chemiosmosis.


7.26: ATP in Living Systems - Biology

Living systems can be studied by way of the scientific method which involves which of the following?

Using only deductive reasoning and not inductive reasoning

Using few subjects, but repeating the experiments and using controls

Using few subjects, but repeating the experiments

Using many subjects, but doing no statistical analysis

Using many subjects but having no controls

Which of the following molecules has the least amount of energy that you can use for intense physical exercise?

A chemically specifically designed to signal uncontrolled cell growth

Water since it promotes all chemical reactions

Nicotine produced in plants can be lethal to insects in that it causes a paralysis. Where does nicotine have its effect?

Nicotine receptors located in the nucleus of the cell

Nicotine receptors on the plasma membrane of brain cells

Nicotine receptors in the golgi bodies of neurons

Nicotine receptors on the mitochondria of brain cells

The aqueous (water) space between cells is which of the following?

All of these answers are correct

A hypo-osmotic solution can be defined as which of the following?

A solution separated from another by way of semipermeable membrane in which the hyposmotic solution has less electrolyes and more water than the other solution

A solution separated from another by way of semipermeable membrane in which the hyperosmotic solution has less electrolyes and more water than the other solution

A solution that is equal in concentration compared to another

A solution that is less concentrated relative to another

A solution that is more concentrated relative to another

Lactic acid in your muscles is the byproduct of which metabolic pathway?

Electron Transport System

Which of the following best describes the process of glycolysis?

A series of chemical reactions in the mitochondria that breakdown or catabolize glucose to produce ATP without oxygen

A series of chemical reactions that breakdown or catabolize protein to produce lactic acid in the presence of oxygen

A series of chemical reactions in the muscle cytoplasm that breaksdown or catabolize glucose to produce ATP without oxygen

A series of chemical reactions that produce enzymes

During oxidative phosphorylation, which of the following is phosphorylated with the assistance of ATP synthase?

In all animals who use oxidative phorphorylation to generate ATP, the ultimate electron acceptor is directly transported to all cells by way of which of the following?

After NADH is reduced at the Electron Transport system, the hydrogen ion subsequently does which of the following?

Which of the following has to exist for ATP synthase to be activated to directly produce ATP?

All of these answers are correct

Which of the following occurs when oxyhemoglobin reaches the capillaries of heart muscle?

Releases oxygen which leaves the capillary and diffuses into the cell

Absorbs oxygen from the mitochondria

Releases its oxygen which diffuses from the mitochondria to the capillary


Why should I measure/care about it?

Since Adenosine Triphosphate is present in all living and active microbial cells, it is an excellent indicator of overall microbiological content in fluids or deposits. To measure it we turn to a well known example of bioluminescence the tail of a firefly! Through a chemical reaction, ATP reacts with luciferase and light is produced. The amount of light can be quantified in a luminometer and the amount of ATP present can then be calculated. Because this reaction happens instantly, the amount of microbiological content can be quantified immediately.

Standard microbiological monitoring methods often require culturing microbes on media and waiting for them to reproduce and form visible colonies. It takes days or weeks to obtain results depending on the species, and these methods only capture <1% of the total population present.

In contrast, LuminUltra’s patented 2nd Generation ATP® Testing provides data to help you know what is happening in your system and represents a major upgrade over other microbiological tools. When combined with our myLuminUltra software, you gain a true total measurement of all microorganisms contained in your sample in just a few minutes.

Having rapid information allows you to take action at the earliest possible moment, saving time and money in the battle against microorganisms. By measuring ATP regularly, and being able to differentiate between cellular ATP inside active microorganisms and dissolved ATP released from dead cells, cause & effect relationships can be identified helping you solve microbiological challenges before it’s too late.


Biyoloji 171

Bu bölümün sonunda aşağıdakileri yapabileceksiniz:

  • Discuss the importance of electrons in the transfer of energy in living systems
  • Explain how ATP is used by cells as an energy source

Energy production within a cell involves many coordinated chemical pathways. Most of these pathways are combinations of oxidation and reduction reactions, which occur at the same time. An oxidation reaction strips an electron from an atom in a compound, and the addition of this electron to another compound is a reduction reaction. Because oxidation and reduction usually occur together, these pairs of reactions are called oxidation reduction reactions, or redox reactions .

Electrons and Energy

The removal of an electron from a molecule (oxidizing it), results in a decrease in potential energy in the oxidized compound. The electron (sometimes as part of a hydrogen atom) does not remain unbonded, however, in the cytoplasm of a cell. Rather, the electron is shifted to a second compound, reducing the second compound. The shift of an electron from one compound to another removes some potential energy from the first compound (the oxidized compound) and increases the potential energy of the second compound (the reduced compound). The transfer of electrons between molecules is important because most of the energy stored in atoms and used to fuel cell functions is in the form of high-energy electrons. The transfer of energy in the form of high-energy electrons allows the cell to transfer and use energy in an incremental fashion—in small packages rather than in a single, destructive burst. This chapter focuses on the extraction of energy from food you will see that as you track the path of the transfers, you are tracking the path of electrons moving through metabolic pathways.

Electron Carriers

In living systems, a small class of compounds functions as electron shuttles: they bind and carry high-energy electrons between compounds in biochemical pathways. The principal electron carriers we will consider are derived from the B vitamin group and are derivatives of nucleotides. These compounds can be easily reduced (that is, they accept electrons) or oxidized (they lose electrons). Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) ((Figure)) is derived from vitamin B3, niacin. NAD + is the oxidized form of the molecule NADH is the reduced form of the molecule after it has accepted two electrons and a proton (which together are the equivalent of a hydrogen atom with an extra electron). Note that if a compound has an “H” on it, it is generally reduced (e.g., NADH is the reduced form of NAD).

NAD + can accept electrons from an organic molecule according to the general equation:

When electrons are added to a compound, it is reduced. A compound that reduces another is called a reducing agent. In the above equation, RH is a reducing agent, and NAD + is reduced to NADH. When electrons are removed from a compound, it is oxidized. A compound that oxidizes another is called an oxidizing agent. In the above equation, NAD + is an oxidizing agent, and RH is oxidized to R.

Similarly, flavin adenine dinucleotide (FAD + ) is derived from vitamin B2, also called riboflavin. Its reduced form is FADH2. A second variation of NAD, NADP, contains an extra phosphate group. Both NAD + and FAD + are extensively used in energy extraction from sugars, and NADP plays an important role in anabolic reactions and photosynthesis in plants.

ATP in Living Systems

A living cell cannot store significant amounts of free energy. Excess free energy would result in an increase of heat in the cell, which would result in excessive thermal motion that could damage and then destroy the cell. Rather, a cell must be able to handle that energy in a way that enables the cell to store energy safely and release it for use only as needed. Living cells accomplish this by using the compound adenosine triphosphate (ATP). ATP is often called the “energy currency” of the cell, and, like currency, this versatile compound can be used to fill any energy need of the cell. Nasıl? It functions similarly to a rechargeable battery.

When ATP is broken down, usually by the removal of its terminal phosphate group, energy is released. The energy is used to do work by the cell, usually when the released phosphate binds to another molecule, thereby activating it. For example, in the mechanical work of muscle contraction, ATP supplies the energy to move the contractile muscle proteins. Recall the active transport work of the sodium-potassium pump in cell membranes. ATP alters the structure of the integral protein that functions as the pump, changing its affinity for sodium and potassium. In this way, the cell performs work, pumping ions against their electrochemical gradients.

ATP Structure and Function

At the heart of ATP is a molecule of adenosine monophosphate (AMP), which is composed of an adenine molecule bonded to a ribose molecule and to a single phosphate group ((Figure)). Ribose is a five-carbon sugar found in RNA, and AMP is one of the nucleotides in RNA. The addition of a second phosphate group to this core molecule results in the formation of adenosine diphosphate (ADP) the addition of a third phosphate group forms adenosine üçlüphosphate (ATP).

The addition of a phosphate group to a molecule requires energy. Phosphate groups are negatively charged and thus repel one another when they are arranged in series, as they are in ADP and ATP. This repulsion makes the ADP and ATP molecules inherently unstable. The release of one or two phosphate groups from ATP, a process called dephosphorylation , releases energy.

Energy from ATP

Hydrolysis is the process of breaking complex macromolecules apart. During hydrolysis, water is split, or lysed, and the resulting hydrogen atom (H + ) and a hydroxyl group (OH – ), or hydroxide, are added to the larger molecule. The hydrolysis of ATP produces ADP, together with an inorganic phosphate ion (Pben), and the release of free energy. To carry out life processes, ATP is continuously broken down into ADP, and like a rechargeable battery, ADP is continuously regenerated into ATP by the reattachment of a third phosphate group. Water, which was broken down into its hydrogen atom and hydroxyl group (hydroxide) during ATP hydrolysis, is regenerated when a third phosphate is added to the ADP molecule, reforming ATP.

Obviously, energy must be infused into the system to regenerate ATP. Where does this energy come from? In nearly every living thing on Earth, the energy comes from the metabolism of glucose, fructose, or galactose, all isomers with the chemical formula C6H12Ö6 but different molecular configurations. In this way, ATP is a direct link between the limited set of exergonic pathways of glucose catabolism and the multitude of endergonic pathways that power living cells.

Phosphorylation

Recall that, in some chemical reactions, enzymes may bind to several substrates that react with each other on the enzyme, forming an intermediate complex. An intermediate complex is a temporary structure, and it allows one of the substrates (such as ATP) and reactants to more readily react with each other in reactions involving ATP, ATP is one of the substrates and ADP is a product. During an endergonic chemical reaction, ATP forms an intermediate complex with the substrate and enzyme in the reaction. This intermediate complex allows the ATP to transfer its third phosphate group, with its energy, to the substrate, a process called phosphorylation. Phosphorylation refers to the addition of the phosphate (

P). This is illustrated by the following generic reaction, in which A and B represent two different substrates:

When the intermediate complex breaks apart, the energy is used to modify the substrate and convert it into a product of the reaction. The ADP molecule and a free phosphate ion are released into the medium and are available for recycling through cell metabolism.

Substrate Phosphorylation

ATP is generated through two mechanisms during the breakdown of glucose. A few ATP molecules are generated (that is, regenerated from ADP) as a direct result of the chemical reactions that occur in the catabolic pathways. A phosphate group is removed from an intermediate reactant in the pathway, and the free energy of the reaction is used to add the third phosphate to an available ADP molecule, producing ATP ((Figure)). This very direct method of phosphorylation is called substrate-level phosphorylation .

Oxidative Phosphorylation

Most of the ATP generated during glucose catabolism, however, is derived from a much more complex process, chemiosmosis, which takes place in mitochondria ((Figure)) within a eukaryotic cell or the plasma membrane of a prokaryotic cell. Chemiosmosis , a process of ATP production in cellular metabolism, is used to generate 90 percent of the ATP made during glucose catabolism and is also the method used in the light reactions of photosynthesis to harness the energy of sunlight. The production of ATP using the process of chemiosmosis is called oxidative phosphorylation because of the involvement of oxygen in the process.

Mitochondrial Disease Physician What happens when the critical reactions of cellular respiration do not proceed correctly? This may happen in mitochondrial diseases, which are genetic disorders of metabolism. Mitochondrial disorders can arise from mutations in nuclear or mitochondrial DNA, and they result in the production of less energy than is normal in body cells. In type 2 diabetes, for instance, the oxidation efficiency of NADH is reduced, impacting oxidative phosphorylation but not the other steps of respiration. Symptoms of mitochondrial diseases can include muscle weakness, lack of coordination, stroke-like episodes, and loss of vision and hearing. Most affected people are diagnosed in childhood, although there are some adult-onset diseases. Identifying and treating mitochondrial disorders is a specialized medical field. The educational preparation for this profession requires a college education, followed by medical school with a specialization in medical genetics. Medical geneticists can be board certified by the American Board of Medical Genetics and go on to become associated with professional organizations devoted to the study of mitochondrial diseases, such as the Mitochondrial Medicine Society and the Society for Inherited Metabolic Disorders.

Bölüm Özeti

ATP functions as the energy currency for cells. It allows the cell to store energy briefly and transport it within the cell to support endergonic chemical reactions. The structure of ATP is that of an RNA nucleotide with three phosphates attached. As ATP is used for energy, a phosphate group or two are detached, and either ADP or AMP is produced. Energy derived from glucose catabolism is used to convert ADP into ATP. When ATP is used in a reaction, the third phosphate is temporarily attached to a substrate in a process called phosphorylation. The two processes of ATP regeneration that are used in conjunction with glucose catabolism are substrate-level phosphorylation and oxidative phosphorylation through the process of chemiosmosis.

Ücretsiz yanıt

Why is it beneficial for cells to use ATP rather than energy directly from the bonds of carbohydrates? What are the greatest drawbacks to harnessing energy directly from the bonds of several different compounds?

ATP provides the cell with a way to handle energy in an efficient manner. The molecule can be charged, stored, and used as needed. Moreover, the energy from hydrolyzing ATP is delivered as a consistent amount. Harvesting energy from the bonds of several different compounds would result in energy deliveries of different quantities.

Sözlük


Visualizing ATP Dynamics in Live Mice

Analysis of the dynamics of adenosine triphosphate (ATP) is vital to quantitatively define the actual roles of ATP in biological activities. Here, we applied a genetically encoded Förster resonance energy transfer biosensor “GO-ATeam” and created a transgenic mouse model that allows systemic ATP levels to be quantitatively, sensitively, noninvasively, and spatiotemporally measured under physiological and pathological conditions. We used this model to readily conduct intravital imaging of ATP dynamics under three different conditions: during exercise, in all organs and cells during myocardial infarction progression and in response to the application of cardiotoxic drugs. These findings provide compelling evidence that the GO-ATeam mouse model is a powerful tool to investigate the multifarious functions of cellular ATP canlıda with unprecedented spatiotemporal resolution in real-time. This will inform predictions of molecular and morphological responses to perturbations of ATP levels, as well as the elucidation of physiological mechanisms that control ATP homeostasis.

One Sentence Summary Intravital real-time imaging of ATP dynamics in multiple organs using GO-ATeam mice, can be used to quantitatively, sensitively, noninvasively, and spatiotemporally measure systemic ATP levels and provide a platform for preclinical pharmacological studies.


Videoyu izle: ATP Nedir? Nasıl Üretiliyor?. 10 (Ağustos 2022).