ATP

Adenosine triphosphat (ATP)
HVTH : Nguyễn Lê Công Minh
K12
GVHD : TS. Võ Văn Toàn
Tên khác : Adenosine 5`-
(tetrahydrogen triphosphate)
Khái quát
Adenosine-5`-triphosphate (ATP) là một nucleotide đa chức năng, đóng một vai trò quan trọng trong sinh học tế bào như một coenzyme, đó là “đơn vị phân tử tiền tệ” của chuyển giao năng lượng nội bào. ATP vận chuyển năng lượng hóa học trong tế bào cho trao đổi chất.
ATP được sản xuất trong quá trình quang hợp và hô hấp tế bào. Chúng được tiêu thụ bởi nhiều enzyme và vô số các hoạt động khác của tế bào, như : các phản ứng sinh tổng hợp, sự vận động và sự phân chia tế bào, ...


Tổng hợp ATP trong pha sáng quá trình quang hợp
ATP được tạo thành từ adenosine diphosphat (ADP) hoặc adenosine monophosphat (AMP) và sử dụng trong quá trình trao đổi chất, sau đó chuyển hóa trở lại thành các tiền chất ban đầu (ADP hoặc AMP). ATP được tái chế liên tục trong cơ thể sinh vật.
ATP được sử dụng như một chất nền trong con đường truyền tín hiệu bởi kinase mà phosphoryl hóa protein và chất béo cũng như bởi adenylate cyclase sử dụng ATP để sản xuất AMP tuần hoàn theo chu kì.
Tỉ lệ giữa ATP vầ AMP được sử dụng để dự đoán năng lượng có sẵn của tế bào và kiểm soát các con đường chuyển hóa sản xuất và tiêu thụ ATP.
Ngoài vai trò trong quá trình chuyển hóa năng lượng và truyền tín hiệu, ATP còn kết hợp vào axxit nucleic bởi polymerase trong quá trình tái tạo và sao chép ADN.

ATP được phát hiện vào năm 1929 bởi Karl Lohmann, nhưng lúc đó cấu trúc của nó đã không được xác định cho đến một số năm sau đó. Nó đã được đề xuất năng lượng chính-chuyển giao phân tử trong tế bào của Fritz Albert Lipmann vào năm 1941. Đây là lần đầu tiên tổng hợp nhân tạo của Alexander Todd vào năm 1948
Cấu trúc của phân tử ATP bao gồm một bazơ chứa nitơ (adenine) gắn liền với nguyên tử cacbon 1’ của một đường pentose (Ribose). Ba nhóm phosphat được gắn vào nguyên tử cacbon 5’ của đường pentose. Đây là sự bổ sung và gỡ bỏ các nhóm phosphat có liên quan chuyển đổi ATP, ADP và AMP.
TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ HÓA HỌC
ATP gồm adenosine – tạo ra từ một vòng adenine và một đường Ribose - và ba nhóm phosphate (triphosphate). Các nhóm phosphat, bắt đầu từ nhóm gần nhất với Ribose, được gọi lần lượt là alpha (α), beta (β), và gamma (γ) phốt phát. ATP tan tốt trong nước và khá ổn định ở pH 6,8-7,4. Nhưng nhanh chóng bị thủy phân ở pH quá cao hoặc quá thấp. Do đó, ATP được dự trữ tốt nhất dưới dạng muối khan.
ATP là một phân tử không ổn định trong nước không đệm, mà bị thủy phân thành ADP và phosphat. Điều này là do lực liên kết giữa các nhóm phosphat trong ATP yếu hơn liên kết hydro giữa sản phẩm (ADP + phosphate) và nước. Vì vậy, nếu ATP và ADP đang ở trạng thái cân bằng hóa học trong nước, hầu như tất cả các ATP cuối cùng sẽ chuyển sang ADP. Một hệ thống xa trạng thái cân bằng chứa năng lượng tự do và có khả năng sinh công.
Tế bào sống giữ tỉ lệ ATP/ADP (at a point ten olders of magnitude from equilibrium) với nồng độ ATP cao gấp một nghìn lần nồng độ ADP.Ở mức xa cân bằng như trên, khi bị thủy phân, ATP giải phóng một lượng lớn năng lượng.

ATP thường được gọi là “phân tử năng lượng cao”. Tuy nhiên, cách gọi này dễ đánh lạc hướng. Như tất cả các phản ứng hóa học đã đạt đến trạng thái cân bằng, một hỗn hợp gồm ATP và ADP đã đạt trạng thái cân bằng ổn định trong nước sẽ không dẫn đến sự thủy phân thêm nữa của ATP. Nói chính xác hơn, ATP và nước giống như một hỗn hợp của những chất phản ứng tiềm tàng, như nguyên liệu (chất đốt) và chất oxi hóa. Cả hai đều phải có mặt mới có sự giải phóng năng lượng.
Tương tự, ATP không chứa “các liên kết cao năng”. Chẳng có gì đặc biệt về các liên kết hóa học, kể cả các liên kết photphat trong ATP. Cũng giống như tất cả các liên kết hóa học khác, năng lượng cần để phá vỡ các liên kết trong ATP và năng lượng không giải phóng từ chỗ đứt của các liên kết đó. Sự phá vỡ liên kết trong ATP cần đưa vào nằng lượng ban đầu giống như sự phá vỡ liên kết trong tất cả các phản ứng hóa học.
Nhưng trong thủy phân ATP thì năng lượng đưa vào này thì lớn hơn năng lượng cho sự tạo thành “hydration” các liên kết giữa các sản phẩm (ADP và phosphate) và nước. Nói cách khác, quá trình hidrat hóa các sản phẩm phosphat dẫn đến kết quả năng lượng giải phóng vượt quá mức năng lượng cần cho sự phá vỡ liên kết photphat trong ATP. Do đó, kết quả giải phóng năng lượng xảy ra theo hai giai đoạn phản ứng
Bất kỳ hệ thống không ổn định của các phân tử có khả năng phản ứng có thể potential serve (phục vụ)như một cách lưu trữ năng lượng tự do, nếu tế bào duy trì nồng độ của chúng xa điểm cân bằng của phản ứng. Tuy nhiên, như trường hợp với hầu hết các phân polymer sinh học (biomolecules polymeric), các phân tích về RNA, DNA, và ATP vào các monomer đơn giản là driven của cả năng lượng giải phóng và entropy gia tăng, trong cả nồng độ tiêu chuẩn và nồng độ gặp phải trong tế bào.
Mức năng lượng giải phóng thực chất từ thủy phân ATP có thể được tính từ những thay đổi về năng lượng dưới điều kiện tiêu chuẩn, sau đó điều chỉnh về nồng độ sinh học. Sự thay đổi trong lưới năng lượng nhiệt (enthalpy) ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn của sự phân hủy ATP vào ADP ngậm nước và photphat vô cơ ngậm nước là -20.5 kJ/mol, với sự thay đổi về năng lượng tự do của 3,4kJ/mol. Năng lượng được giải phóng bởi việc tách hoặc là một đơn vị phóphat (Pi) hoặc pyrophotphat (PPi) từ ATP ở trạng thái tiêu chuẩn của 1 M là :
ATP + H2O  ADP + Pi ∆G0 = -30,5 kJ/mol
ATP + H2O  AMP + PPi ∆G0 = -45,6 kJ/mol

Những giá trị này có thể được dùng để tính toán sự thay đổi năng lượng trong các điều kiện sinh lý và tỉ lệ ATP / ADP của tế bào. Các giá trị nhất định về năng lượng tự do Gibbs cho các phản ứng này phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm các ion sức mạnh tổng thể và sự hiện diện của các ion kim loại kiềm thổ như Mg2+ và Ca2+. Dưới điều kiện điển hình của tế bào, ΔG là khoảng -57 kJ /mol (-14 kcal / mol).
Ion trong hệ thống sinh học
ATP có nhiều nhóm ion với hằng số điện li axit khác nhau. Trong môi trường trung tính, ATP bị ion hóa và tồn tại chủ yếu ở dạng ATP4-, và một tỷ lệ nhỏ của ATP3-. ATP có một số nhóm tích điện âm. Trong môi trường trung tính, nó có thể tương tác với kim loại với ái lực rất cao. Chẳng hạn như :Mg2+ (9554), Na+ (13), Ca2+ (3722), K+ (8), Sr 2+ (1381) and Li+ (25).. . Vì thế mạnh của các tương tác, ATP tồn tại trong tế bào chủ yếu ở một phức tạp với Mg2+.
Sinh tổng hợp
Nồng độ ATP bên trong tế bào thường 1-10 mM. ATP có thể được sản xuất bởi các phản ứng oxi hóa-khử bằng cách sử dụng các loại đường đơn giản và phức tạp (carbohydrate) hoặc chất béo như một nguồn năng lượng. Đối với ATP sẽ được tổng hợp từ các nhiên liệu phức tạp, đầu tiên chúng cần phải có những thành phần cơ bản chẳng hạn như glucose và fructose. Chất béo (triglycerides) được chuyển hóa để cung cấp cho các axit béo và glycerol.
Quá trình tổng thể của ôxi hóa glucose đến CO2 được biết đến như hô hấp tế bào và có thể sản xuất khoảng 30 phân tử ATP từ một đơn phân tử glucose.
ATP có thể được sản xuất bởi một số quy trình khác. Ba con đường chính được sử dụng để tạo ra năng lượng trong các sinh vật nhân chuẩn là glycolysis và chu trình citric / phosphoryl oxy hóa và beta-oxy hóa. Đa số sản xuất ATP khí diễn ra trong ty thể của sinh vật nhân chuẩn, mà có thể làm tăng gần 25% tổng khối lượng của một tế bào điển hình.
THE END