Химическое строение АТФ.
Аденозинтрифосфорная кислота является нуклеотидом.
Состоит она из азотистого основания — аденина, углевода — рибозы, которые вместе образуют аденозин, и трех остатков фосфорной кислоты.
Первый остаток фосфорной кислоты присоединен к рибозе обычной эфирной связью, а два последующих присоединяются посредством макроэргических фосфоангидридных связей.
В клетке молекула АТФ содержит отрицательно заряженные фосфатные группы, которые связываются с катионами, чаще с Мg 2+ , образуя Мg 2+ -АТФ-комплекс.
Гидролиз АТФ.
Свою энергетическую функцию АТФ реализует в процессе распада молекулы с участием Н20 (гидролиза). Обычно от АТФ отщепляется последний фосфатный остаток с образованием АДФ и ортофосфорной кислоты, которая может записываться также как Р.
При этом в стандартных условиях высвобождается около 30 кДж энергии и увеличивается содержание протонов водорода (Н+ ) в среде:
Катализируют эту реакцию специфические ферменты — АТФ-азы (аденозинтрифосфатазы).
Гидролиз АТФ может протекать с образованием АМФ (аденозинмонофосфата) и пирофосфата с высвобождением около 30 кДж энергии:
Из АДФ под влиянием фермента миокиназы (аденилаткиназы) может образовываться АТФ. При этом из двух молекул АДФ образуются АТФ и АМФ:
Молекула АМФ не содержит макроэргических связей.
Она в редких случаях используется для восстановления АТФ , однако играет важную роль в регуляции обмена веществ, и в первую очередь обмена АТФ.
АТФ — аккумулятор и носитель свободной энергии.
Молекула АТФ образуется за счет свободной энергии, выделяющейся в реакциях катаболизма, согласно следующей схеме:
Поэтому АТФ является аккумулятором (формой запасания) свободной энергии, которая в неживой природе рассеивается в виде тепла.
Однако в клетках организма АТФ быстро используется, так как легко отдает свой высокоэнергетический фосфат другим веществам, т. е. выступает в качестве донора фосфатных групп.
Практически все реакции энергетического обмена в клетках организма протекают посредством образования и распада молекул АТФ.
Молекулы АТФ благодаря тепловому движению способны перемещаться в клетках на небольшие расстояния (до 10 мкм).
Для передачи энергии между клеточными отделами (компартаментами) используется особый транспортный механизм с участием креатинфосфата и ферментов креатинфосфокиназ.
Следовательно, в клетках живого организма АТФ является не только источником химической энергии во многих метаболических реакциях, но и аккумулятором, донором и специальным носителем энергии.
Использование энергии АТФ.
Химическая энергия АТФ постоянно используется в клетках организма для поддержания всех энергопотребляемых биологических процессов.
Так, в скелетных мышцах АТФ обеспечивает энергией процессы мышечного сокращения и расслабления.
При сокращении энергия гидролиза АТФ используется для взаимодействия сократительных нитей актина и миозина, их передвижения (скольжения).
Сократительные белки превращают химическую форму энергии в механическую энергию мышечного сокращения.
При расслаблении энергия АТФ используется для активного транспорта ионов Са через мембраны ретикулума против градиента его концентрации.
Энергия АТФ используется также в клетках нервной системы для образования электрического потенциала в процессе возбуждения и передачи нервного импульса.
Значительное количество АТФ расходуется клеткой на биосинтез различных веществ, особенно на восстановление и накопление белков в скелетных мышцах.
Часть энергии АТФ может превращаться в тепловую энергию.
Таким образом, в клетках организма химическая форма энергии АТФ преобразуется в другие формы энергии: кинетическую (механическую), электрическую, осмотическую, тепловую.
Содержание АТФ в тканях.
Количество АТФ в тканях организма человека относительно невелико, поскольку она не запасается в тканях.
Всего в организме человека содержится около 50 г АТФ.
Для АТФ характерна большая скорость обмена, особенно во время выполнения интенсивных физических упражнений.
Однако существенного снижения уровня АТФ в клетках не отмечается.
Даже при напряженной мышечной деятельности, вызывающей утомление, запасы АТФ в мышцах могут снижаться только в течение нескольких секунд на 20—25 %, поскольку постоянно работают механизмы ее восстановления.
Следовательно, в клетках поддерживается относительное постоянство концентрации АТФ.
Это обеспечивается сбалансированностью процессов образования (ресинтеза) и использования (утилизации) АТФ.
При увеличении скорости использования АТФ автоматически активируется механизм ее образования.
Сбалансированность этих процессов достигается благодаря наличию специальных механизмов регуляции обмена АТФ.