АТФ

Без АТФ мы не могли бы сформировать мысль или пошевелить мышцами. АТФ поддерживает возбуждение наших нервов и биение сердца. Это «энергетическая валюта» нашего тела.
Это основная энергетическая валюта не только в наших клетках, но и во всех формах жизни на планете. Его производят все клетки (он не перемещается от клетки к клетке), и они используют его для питания почти всех своих процессов.

АТФ означает аденозинтрифосфат

АТФ похожа на крошечную батарею. Аккумуляторная батарея AA — это, по сути, пакет энергии, который можно использовать для питания любого количества электронных устройств — пульта дистанционного управления, фонарика, игрового контроллера.
Точно так же молекула АТФ содержит немного химической энергии и может питать что-то внутри клетки. Эта единственная молекула может питать моторный белок, который заставляет мышечную клетку сокращаться, транспортный белок, который запускает возбуждение нервной клетки, рибосому (молекулярную машину, которая может строить эти и другие белки) и многое другое.
АТФ часто называют «энергетической валютой» клетки. Подобно тому, как за деньги можно купить любой товар в магазине, одна эта молекула может привести в действие почти любой процесс в клетке.

Подобно тому, как стандартная батарея может питать несколько электронных устройств, АТФ может питать многие молекулярные процессы.

Клетке не нужно производить АТФ с нуля каждый раз, когда ей нужна энергия. Подобно перезаряжаемой батарее, АТФ можно перезаряжать и использовать повторно.
АДФ, «незаряженная» версия молекулы, означает аденозиндифосфат. Слово дифосфат указывает на то, что молекула имеет 2 фосфатные (PO 3 ) группы. Чтобы «зарядить» АДФ, клетка добавляет третью фосфатную группу, превращая АДФ в АТФ. АТФ означает аденозинтрифосфат. Слово трифосфат указывает на то, что молекула имеет 3 фосфатные группы.
АТФ запасает энергию в связях между фосфатными группами, особенно второй и третьей. Эта связь является источником потенциальной химической энергии и чем-то вроде сжатой пружины. Для возврата энергии требуется белок (или, в некоторых случаях, РНК), который (1) отрывает третью фосфатную группу и (2) использует высвободившуюся энергию, как при раскручивании пружины, чтобы что-то делать: запускать химическую реакцию, двигаться часть белка или что-то транспортировать (см. ниже).
Клетка может очень быстро производить и расщеплять АТФ. Работающая мышечная клетка производит и использует около 10 миллионов молекул АТФ каждую секунду!

Часть молекулы АДФ остается неизменной. Добавление третьей фосфатной группы (фосфорилирование) добавляет энергии, подобно сжатию пружины. Удаление фосфатной группы (гидролиз) высвобождает энергию, как раскручивание пружины.

Энергия АТФ используется для пищевых добавок различных пищевых тканей, в том числе пищевых продуктов для ДНК и строения белков. В этих случаях ферменты контролируют передачу энергии от гидролиза АТФ к получению другой химической связи. Другими словами, мощность одной АТФ можно использовать для запуска химической реакции, перемещения чего-либо или перемещения молекул со стороны мембраны на периферию. Крупнейшие пользователи ATP указаны ниже. На рисунке показано, как фермент (тРНК-синтетаза) использует АТФ для «зарядки» молекул тРНК, присоединяя аминокислоту, которая является частью белка. Некоторые клетки, например те, которые охватывают кожу и слизистую оболочку нашего пищеварительного тракта, активно захватывают, чтобы заменить клетки, которые образуются каждый день. Репликация ДНК и синтез белка особенно высоки в этих клетках.
АТФ приводит в действие «моторные» белки, которые выполняют мелкую работу по перемещению груза внутри клеток, а также крупномасштабную работу по сокращению мышц. Молекулярные детали мышечного сокращения показаны ниже. Моторные белки имеют одну форму, когда связаны с АТФ. Гидролиз АТФ в АДФ вызывает конформационные изменения — белок меняет форму — что создает механическую силу. Моторные белки, несущие крошечные пакеты с грузом, буквально ходят по цитоскелету клетки, на каждом шагу разрывая одну молекулу АТФ. Чтобы двигать наши мышцы, многие тысячи моторных белков миозина работают вместе, разрушая множество молекул АТФ за раз, чтобы создать значительную силу.
Работающие на АТФ «насосы» в клетках головного мозга являются самыми большими потребителями энергии человеческого тела, по крайней мере, когда мы отдыхаем. Эти молекулярные насосы создают электрохимические градиенты, которые позволяют нейронам взаимодействовать друг с другом. Единственная задача белков-насосов — перемещать молекулы с одной стороны клеточной мембраны на другую против градиента их концентрации. Существуют различные виды насосов, каждый из которых перемещает определенные ионы, такие как натрий (Na+), калий (K+) или протоны (H+). Ниже показан кальциевый (Ca++) насос. Некоторые насосы перемещают другие типы малых молекул.

Когда наши клетки окисляют молекулы углерода из нашей пищи, высвобождается часть энергии, удерживаемой в их химических связях. Вся наша сложная метаболическая система устроена так, чтобы улавливать часть этой энергии и заставлять ее работать. Если АТФ похожа на батарею, то клеточное дыхание похоже на зарядное устройство.
У наших клеток есть два способа производить АТФ: фосфорилирование на уровне субстрата и окислительное фосфорилирование. У растений есть третий. Во время фотосинтеза они используют энергию солнечного света для производства АТФ.
Фосфорилирование на уровне субстрата
В этом процессе участвует фермент (разновидность белка), который переносит фосфатную группу от субстрата (в данном случае углеродсодержащей молекулы из пищи) к АДФ.
Таким образом возникает АТФ, образующийся во время гликолиза и цикла лимонной кислоты, что составляет 4 АТФ на молекулу глюкозы.
Окислительного фосфорилирования
Этот процесс генерирует большую часть используемой нами АТФ — до 27 на каждую молекулу глюкозы.
Когда ферменты расщепляют молекулы пищи, они переносят атомы водорода (состоящие из протона и электрона) к молекулам-носителям ФАД и НАД. Переносчики доставляют эти протоны и электроны к митохондриальной мембране.
Движение электронов по электрон-транспортной цепи приводит в действие насосы, которые перемещают протоны в пространство между двумя митохондриальными мембранами. Затем протоны диффундируют обратно через мембрану через АТФ-синтазу, замечательную молекулярную машину, которая использует энергию диффузии протонов для «зарядки» молекул АТФ.

Фосфорилирование на уровне субстрата

Окислительного фосфорилирования

АТФ не только хранит энергию, но и является одним из строительных блоков РНК, наряду с УТФ, ЦТФ и ГТФ. Молекулярные машины внутри всех клеток, называемые РНК-полимеразами, связывают эти строительные блоки вместе в длинные цепи, образуя информационную, транспортную, рибосомную и другие типы РНК.
Каждый нуклеотид содержит энергию, необходимую для добавления себя к растущей цепи. По мере построения РНК (процесс, называемый транскрипцией) два фосфата отщепляются от входящего нуклеотида, и энергия этой связи перенаправляется на образование новой связи с нуклеотидом перед ним.
ДНК строится с использованием аналогичного процесса, только строительными блоками являются dATP, dTTP, dCTP и dGTP. «d» означает, что нуклеотиды содержат сахар дезоксирибозу вместо рибозы (разница в том, что в дезоксирибозе на один атом кислорода меньше).
Как и АТФ, ГТФ также может использоваться для хранения и передачи энергии. Например, во время цикла лимонной кислоты ГТФ выступает в качестве промежуточного держателя энергии, в конечном итоге передавая свою третью фосфатную группу АДФ для образования АТФ. GTP также приводит в действие некоторые этапы синтеза белка.