Структурные особенности аденозинтрифосфата

Центральную роль АТФ в обмене веществ и энергии в биологических системах раскрыли Фриц Липман и Герман Калькар в 1941г. Выбор в пользу этого вещества был сделан при­родой, по-видимому, еще на заре становления жизни.

АТФ содержит нуклеозидную и две фосфоангидридные группы. Полагают, что нуклеозидная часть молекулы служит для узнавания и связывания с различными белками, ферментами, использующими АТФ. Ангидридная структура трифосфатной цепи обу­славливает высокое содержание энергии. Следует отметить, что эти связи сами по себе не обладают какими-либо особыми свойствами. Они являются высокоэргическими связями в том смысле, что при гидролизе высвобождается большое количество свобод­ной энергии. Производное фосфоангидрида из двух остатков фосфатов называют пирофосфатом (ФФ_Н).

пирофосфат неорганический фосфат

Столь значительное высвобождение свободной энергии при гидролизе пирофосфата обу­словлено несколькими факторами. Эти рассуждения справедливы и по отношению к любому соединению, содержащему фосфоангидридную группу.

1. Структура пирофосфата дестабилизирована электроотрицательным отталкиванием двух отрицательно заряженных групп. АТФ при физиологическом значении рН, равном 7,36, несет 4 отрицательных заряда. Перераспределение электронной плотности в молекуле приводит к возникновению частично положительных зарядов у атомов фосфора. Одноименные за­ряды находятся в тесной близости друг от друга, между ними возникает электростатиче­ское отталкивание. При образовании фосфоангидридной связи нужно сблизить одноименно заряженные остатки, преодолевая их отталкивание.

2. Реакционную способность и высокий потенциал переноса фосфатных групп ангидридов можно отнести за счет конкурирующего резонанса т.е. две фосфорильные группы в пирофосфате конкурируют за несвязанные электроны одного и того же атома кислорода. Это приводит к снижению количества резонансных структур. Напротив, продукты гидро­лиза резонансно стабилизированы, поэтому система стремится к гидролизу. Все эти факторы способствуют протеканию реакции гидролиза пирофосфата и соедине­ний с фюсфоангидридной группой в сторону образования Фн. Реакции гидролиза АТФ да­леко сдвинуты от равновесия, т.е. кинетически необратимы. Изменение свободной энер­гии ΔG велико и отрицательно. Существует два пути гидролиза АТФ:

АТФ + Н₂О→АДФ + Ф_н (ΔG= -30,5 кДж/моль) и

АТФ + Н₂О→ АМФ + ФФ„ ( ΔG =-32,2 кДж/моль)

ФФ_Н + Н₂О→ 2Ф_Н + Н ⁺ (ΔG =-33,5 кДж/моль).

В стандартных условиях обе ангидридные связи в молекуле АТФ имеют близкие по ве­личине энергии гидролиза. Предпочтительным является гидролиз до АДФ, так как явля­ется более экономичным. Однако при биосинтезе таких макромолекул, как белки, нук­леиновые кислоты, природа использует более эффективный путь гидролиза АТФ до АМФ. Отрицательное изменение ΔG столь велико, что эти процессы протекают до полного за­вершения и совершенно необратимы.

Роль АТФ в обмене веществ

В биологических системах АТФ постоянно образуется и постоянно потребляется. Оборот АТФ очень высок. Например, человек в покое расходует около 40 кг АТФ в сутки. Энер­гопотребляющие процессы могут осуществляться при условии постоянного регенериро­вания АТФ из АДФ. Таким образом, цикл АТФ-АДФ – основной механизм обмена энер­гии в биологических системах.

Н₂О гидролиз Фн АТФ-зависимые

АТФ АДФ процессы

Фн

Фосфорилирование

Рис. 6-1 Синтез АТФ

1. Гидролиз АТФ облегчает возможность протекания эндергонических реакций в нужном направлении при условии физиологически допустимых концентраций субстрата.

2. Гидролиз АТФ обеспечивает энергию, необходимую для совершения механической ра­боты в сократительных тканях, таких, как мышцы.

3. Гидролиз АТФ создает движущую силу для транспорта ионов через клеточную мембра­ну, т.е. участвует в осмотической работе клетки.

4. Гидролиз АТФ обеспечивает передачу нервного импульса.