CHUC NANG CUA ATP

1
THÁNG 3/2010
NĂNG LƯỢNG SINH HỌC
BIOLOGICAL ENERGY
CHỨC NĂNG CỦA ATP TRONG TẾ BÀO
FUNCTIONS OF ATP IN CELLS
GVHD: TS. VÕ VĂN TOÀN
HVTH: ĐOÀN VĂN TÁ
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
2
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
2
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
2
1. Metabolism, synthesis, and active transport


ATP is consumed in the cell by energy-requiring (endothermic) processes and can be generated by energy-releasing (exothermic) processes. In this way ATP transfers energy between spatially-separate metabolic reactions. ATP is the main energy source for the majority of cellular functions. This includes the synthesis of macromolecules, including DNA and RNA (see below), and proteins. ATP also plays a critical role in the transport of macromolecules across cell membranes, e.g. exocytosis and endocytosis.
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
3
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
3
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
3
2. Roles in cell structure and locomotion



ATP is critically involved in maintaining cell structure by facilitating assembly and disassembly of elements of the cytoskeleton.
In a related process, ATP is required for the shortening of actin and myosin filament crossbridges required for muscle contraction. This latter process is one of the main energy requirements of animals and is essential for locomotion and respiration.
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
4
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
4
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
4
3. Cell signalling
3.1. Extracellular signalling



ATP is also a signalling molecule. ATP, ADP, or adenosine are recognised by purinergic receptors.
In humans, this signalling role is important in both the central and peripheral nervous system. Activity-dependent release of ATP from synapses, axons and glia activates purinergic membrane receptors known as P2. The P2Y receptors are metabotropic, i.e. G protein-coupled and modulate mainly intracellular calcium and sometimes cyclic AMP levels. Though named between P2Y1 and P2Y15, only nine members of the P2Y family have been cloned, and some are only related through weak homology and several (P2Y5, P2Y7, P2Y9, P2Y10) do not function as receptors that raise cytosolic calcium.
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
5
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
5
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
5
3.1. Extracellular signalling (next)



The P2X ionotropic receptor subgroup comprises seven members (P2X1–P2X7) which are ligand-gated Ca2+-permeable ion channels that open when bound to an extracellular purine nucleotide.
In contrast to P2 receptors (agonist order ATP > ADP > AMP > ADO), purinergic nucleotides like ATP are not strong agonists of P1 receptors which are strongly activated by adenosine and other nucleosides (ADO > AMP > ADP > ATP). P1 receptors have A1, A2a, A2b, and A3 subtypes ("A" as a remnant of old nomenclature of adenosine receptor), all of which are G protein-coupled receptors, A1 and A3 being coupled to Gi, and A2a and A2b being coupled to Gs.
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
6
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
6
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
6
3.2. Intracellular signalling


ATP is critical in signal transduction processes. It is used by kinases as the source of phosphate groups in their phosphate transfer reactions. Kinase activity on substrates such as proteins or membrane lipids are a common form of signal transduction. Phosphorylation of a protein by a kinase can activate this cascade such as the mitogen-activated protein kinase cascade.
ATP is also used by adenylate cyclase and is transformed to the second messenger molecule cyclic AMP, which is involved in triggering calcium signals by the release of calcium from intracellular stores. This form of signal transduction is particularly important in brain function, although it is involved in the regulation of a multitude of other cellular processes.
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
7
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
7
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
7
4. DNA and RNA synthesis



In all known organisms, the deoxyribonucleotides that make up DNA are synthesized by the action of ribonucleotide reductase (RNR) enzymes on their corresponding ribonucleotides. These enzymes reduce the sugar residue from ribose to deoxyribose by removing oxygen from the 2` hydroxyl group; the substrates are ribonucleoside diphosphates and the products deoxyribonucleoside diphosphates (the latter are denoted dADP, dCDP, dGDP, and dUDP respectively).

All ribonucleotide reductase enzymes use a common sulfhydryl radical mechanism reliant on reactive cysteine residues that oxidize to form disulfide bonds in the course of the reaction. RNR enzymes are recycled by reaction with thioredoxin or glutaredoxin.
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
8
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
8
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
8
4. DNA and RNA synthesis (next)



The regulation of RNR and related enzymes maintains a balance of dNTPs relative to each other and relative to NTPs in the cell. Very low dNTP concentration inhibits DNA synthesis and DNA repair and is lethal to the cell, while an abnormal ratio of dNTPs is mutagenic due to the increased likelihood of the DNA polymerase incorporating the wrong dNTP during DNA synthesis.

Regulation of or differential specificity of RNR has been proposed as a mechanism for alterations in the relative sizes of intracellular dNTP pools under cellular stress such as hypoxia.
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
9
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
9
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
9
4. DNA and RNA synthesis (next)



In the synthesis of the nucleic acid RNA, ATP is one of the four nucleotides incorporated directly into RNA molecules by RNA polymerases. The energy driving this polymerization comes from cleaving off a pyrophosphate (two phosphate groups).

The process is similar in DNA biosynthesis, except that ATP is reduced to the deoxyribonucleotide dATP, before incorporation into DNA.
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
10
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
10
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
10
5. Binding to proteins



An example of the Rossmann fold, a structural domain of a decarboxylase enzyme from the bacterium Staphylococcus epidermidis (PDB ID 1G5Q) with a bound flavin mononucleotide cofactor.
Some proteins that bind ATP do so in a characteristic protein fold known as the Rossmann fold, which is a general nucleotide-binding structural domain that can also bind the cofactor NAD.
The most common ATP-binding proteins, known as kinases, share a small number of common folds; the protein kinases, the largest kinase superfamily, all share common structural features specialized for ATP binding and phosphate transfer.
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
11
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
11
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
11
5. Binding to proteins (next)



ATP in complexes with proteins generally requires the presence of a divalent cation, almost always magnesium, which binds to the ATP phosphate groups.

The presence of magnesium greatly decreases the dissociation constant of ATP from its protein binding partner without affecting the ability of the enzyme to catalyze its reaction once the ATP has bound.

The presence of magnesium ions can serve as a mechanism for kinase regulation.
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
12
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
12
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
12
6. ATP analogues



Biochemistry laboratories often use in vitro studies to explore ATP-dependent molecular processes. Enzyme inhibitors of ATP-dependent enzymes such as kinases are needed to examine the binding sites and transition states involved in ATP-dependent reactions.
ATP analogs are also used in X-ray crystallography to determine a protein structure in complex with ATP, often together with other substrates.
Most useful ATP analogs cannot be hydrolyzed as ATP would be; instead they trap the enzyme in a structure closely related to the ATP-bound state.
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
13
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
13
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
13
6. ATP analogues (next)



Adenosine 5`-(gamma-thiotriphosphate) is an extremely common ATP analog in which one of the gamma-phosphate oxygens is replaced by a sulfur atom; this molecule is hydrolyzed at a dramatically slower rate than ATP itself and functions as an inhibitor of ATP-dependent processes.
In crystallographic studies, hydrolysis transition states are modeled by the bound vanadate ion. However, caution is warranted in interpreting the results of experiments using ATP analogs, since some enzymes can hydrolyze them at appreciable rates at high concentration.
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
14
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
14
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
14
PHẦN TIẾNG VIỆT


15
Click to edit Master title style
THÁNG 3/2010
15
Click to edit Master title style
15
CHỨC NĂNG CỦA ATP TRONG TẾ BÀO
FUNCTIONS OF ATP IN CELLS



Sơ đồ cấu tạo chi tiết của ATP synthase
16
Click to edit Master title style
THÁNG 3/2010
16
Click to edit Master title style
16
1. Vai trò của ATP



ADP+Pi ->ATP
ATP ->ADP +Pi
ATP được sinh ra trong quá trình tích lũy năng lượng và khi nó phân hủy sẽ giải phóng năng lượng. Sự chuyển hóa năng lượng của ATP được thực hiện nhờ các phản ứng trao đổi chất trong tế bào chất.

ATP là nguồn năng lượng chính cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào như: tổng hợp các chất đại phân tử (DNA, RNA và protein).

ATP cũng tham gia vận chuyển các đại phân tử qua màng tế bào. Ví dụ: xuất bào, nhập bào.

Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
17
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
17
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
17
1.Vai trò của ATP (tiếp theo)




CẤU TẠO ATP
Trong tổng hợp RNA, ATP hoạt hóa các nucleotic để trực tiếp tham gia tổng hợp RNA, quá trình này được xúc tác bởi ARN polymerases. Năng lượng để trùng hợp các nucleotic được cung cấp từ quá trình tách 2 gốc photphat (pyrophotphat).
Quá trình tổng hợp DNA diễn ra tương tự chỉ có khác là ATP hoạt hóa các deoxy ribonucleotic trước khi tham gia tổng hợp DNA.
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
18
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
18
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
18
2. Vai trò trong cấu trúc tế bào và sự vận động


ATP tham gia vào bảo trì cấu trúc của tế bào: tạo điều kiện cho sự tổng hợp hay phân giải của các chất cấu trúc nên bộ khung của tế bào.

ATP liên quan đến quá trình co cơ, làm cầu nối giữa sợi actin và sợi myosin.
Ở động vật, ATP là nguồn năng lượng chính cung cấp cho quá trình hô hấp và vận động.
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
19
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
19
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
19
3. Sự truyền tin thông tin tế bào
3.1. Tín hiệu ngoại tế bào

ATP là một phân tử tín hiệu. ATP, ADP hay adenosine được nhận biết bởi thụ thể Puringic. Ở người sự báo hiệu của ATP rất quan trọng ở cả não bộ và hệ thần kinh ngoại vi.

ATP giải phóng từ sinap, sợi trục và tế bào thần kinh đệm được nhận biết bởi thụ thể Puricgic như là P2.
Thụ thể P2 là vùng tổng hợp. Ví dụ: cặp đôi Protein G điều chỉnh nồng độ Ca2+ trong tế bào chất và chu trình AMP. Việc đặt tên P2Y1 và P2Y15 chỉ 1 trong 9 thành viên của nhóm P2Y. Một số khác như P2Y5, P2Y7, P2Y9, P2Y10 không có chức năng điều chỉnh mà làm tăng nồng độ Ca2+.
Thụ thể P2X là thụ thể phân giải có 7 thành viên từ PX1->PX7 có chức năng mở kênh Ca2+. Làm cho nucleotic lại purin di chuyển ra ngoài tế bào. P2 xúc tiến cho sự chuyển hóa ATP->ADP->AMP->ADO. P1 xúc tiến cho quá trình ADO->AMP->ADP ->ATP.

20
Click to edit Master title style
THÁNG 3/2010
20
Click to edit Master title style
20
3.1. Tín hiệu ngoại tế bào (tiếp theo)

21
Click to edit Master title style
THÁNG 3/2010
21
Click to edit Master title style
21
3.1. Tín hiệu ngoại tế bào (tiếp theo)

P1 được kích hoạt bởi Adenosin và một số nu khác. P1 có 3 phần phụ là A1, A2a, A2b và A3 (A là thuật ngữ cũ chỉ thụ thể Adenosin).

A1 và A3 ghép đôi tạo Gi, A2a và A2b ghép đôi tạo Gs.
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
22
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
22
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
22
3.2. Tín hiệu trong tế bào
ATP có vai trò trong sự phân chia tế bào. Quá trình này được sự xúc tác của Kinase trong các phản ứng chuyển nhóm photphate. Kinase tác dụng trên cơ chất là protein hay lipit màng sẽ phát tín hiệu cho sự phân bào.

Quá trình photphorin hóa dưới sự xúc tác của Kinase sẽ kích hoạt phân bào.
Như đã biết hầu hết các sinh vật, DNA được tổng hợp từ các Deoxyribonucleotic.
Các Deoxyribonucleotic này được hình thành từ những ribonucleotic tương ứng do tác động của ribonucleotic reductase (RNR).

23
Click to edit Master title style
THÁNG 3/2010
23
Click to edit Master title style
23
4. Tổng hợp DNA và RNA

ATP Translocase
Các enzyme của nhóm RNR hoạt động trên nguyên tắc chung là sulfhydryl, trong các phản ứng Cystein sẽ bị khử phá vỡ liên kết disulfide.

Enzym này sẽ khử nhóm OH tại vị trí Cacbon số 2 trong phân tử đường Ribose để tạo thành Deoxyribonucleotic (biểu thị là dATP).
24
Click to edit Master title style
THÁNG 3/2010
24
Click to edit Master title style
24
4. Tổng hợp DNA và RNA (tiếp theo)
Tổng hợp ATP từ ADP và Pi

25
Click to edit Master title style
THÁNG 3/2010
25
Click to edit Master title style
25
4. Tổng hợp DNA và RNA (tiếp theo)



Enzym RNR sẽ được tái tạo lại bằng cách kết hợp với thioredoxin hay glutaredoxin.
Sự điều khiển của RNR và một số enzym khác liên quan đến sự cân bằng của dNTPs và NTPs trong tế bào.

Khi nồng độ dNTP quá thấp sẽ ngăn cản sự tổng hợp DNA và quá trình sửa sai khi tổng hợp DNA có thể gây chết tế bào.
Sự thay đổi cấu trúc của RNR có thể làm biến đổi nồng độ dNTP trong tế bào, sẽ gây stress như hạ oxy huyết.

Khi nồng độ dNTP dị thường có thể gây đột biến vì làm tăng hàm lượng DNA polymerase, sẽ lắp ráp các dNTP sai khác trong tổng hợp DNA.
26
Click to edit Master title style
THÁNG 3/2010
26
Click to edit Master title style
26
4. Tổng hợp DNA và RNA (tiếp theo)
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
27
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
27
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
27
5. Sự ràng buộc Protein
Trong một số protein cũng có sự ràng buộc bởi ATP cũng giống như sự ràng buộc trong nếp Rossman.
Nếp Rossman là một ví dụ, được tìm thấy ở enzyme decacboxylase trong vi khuẩn Staphylococus với phần ràng buộc là FMN.
Trong phức chất giữa ATP và protein phải có mặt ion hóa trị 2, thường là Mg để liên kết các gốc photphase. Sự có mặt của ion Mg sẽ giảm sự phân li của ATP khỏi protein. Ion Mg có thể điều chỉnh hoạt tính của Kinase.

Ngoài ra, protein cũng có thể bị ràng buộc bởi phần phụ NAD. Protein bị ràng buộc bởi ATP có thể thấy trong các enzyme Kinase. Đặc điểm chung của Kinase là ATP sẽ ràng buộc và chuyển gốc phosphate.
28
Click to edit Master title style
THÁNG 3/2010
28
Click to edit Master title style
28
5. Sự ràng buộc Protein (tiếp theo)
Trong phòng thí nghiệm Hóa sinh, ATP và các quá trình chuyển hóa của nó được nghiên cứu ở cấp độ siêu hiển vi. ATP trong phức chất protein như enzyme Kinase sẽ được quan sát trong cấu trúc và sự chuyển hóa của những chất tương tự ATP.
Các phân tử tương tự ATP sẽ được nhận biết bởi máy X-ray. Phân tử tương tự ATP không thể giống ATP hoàn toàn nhưng cấu trúc thì gần giống như ATP trong phức chất protein.

29
Click to edit Master title style
THÁNG 3/2010
29
Click to edit Master title style
29
6. Tương tự ATP


Adenosin 5’ là phân tử thường được dùng, trong đó S sẽ thay thế cho oxy trong gốc photphas. S sẽ làm chậm quá trình thủy phân của ATP.
Trong nghiên cứu tinh thể quá trình này có thể mô phỏng bằng mô hình Ion vanadate.
30
Click to edit Master title style
THÁNG 3/2010
30
Click to edit Master title style
30
6. Tương tự ATP
Click to edit Master title style
Click to edit Master subtitle style
31
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
THÁNG 3/2010
31
Click to edit Master title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
31
6. Tương tự ATP
Tuy nhiên việc nghiên cứu sẽ đạt kết quả cao khi chọn những phân tử tương tự ATP trong những enzyme ít bị thủy phân.
PHIM MINH HỌA
PHIM MINH HỌA