Гидролиз АТФ - ATP hydrolysis

Структура АТФ
Структура ADP
Четыре возможных резонансных структуры для неорганического фосфата

Гидролиз АТФ - это процесс катаболической реакции, при котором химическая энергия , которая была сохранена в высокоэнергетических фосфоангидридных связях в аденозинтрифосфате (АТФ), высвобождается при расщеплении этих связей, например, в мышцах , за счет создания работы в форме механической энергии . Продукт представляет собой аденозиндифосфат (ADP) и неорганический фосфат (P i ). АДФ можно далее гидролизовать с получением энергии, аденозинмонофосфата (АМФ) и другого неорганического фосфата (P i ). Гидролиз АТФ является последним звеном между энергией, получаемой из пищи или солнечного света, и полезной работой, такой как сокращение мышц , установление электрохимических градиентов через мембраны и биосинтетические процессы, необходимые для поддержания жизни.

В описании и в типичном учебнике ангидридные связи обозначены как « высокоэнергетические связи» . Связи PO на самом деле довольно прочные (на ~ 30 кДж / моль прочнее, чем связи CN), и сами по себе не особенно легко разрушаются. Как указано ниже, энергия выделяется при гидролизе АТФ. Однако, когда связи PO разрываются, требуется подвод энергии. Это образование новых связей и неорганического фосфата с более низкой энергией с высвобождением большего количества энергии, что снижает общую энергию системы и делает ее более стабильной.

Гидролиз из фосфатных групп в АТФ особенно экзэргонический , так как в результате неорганического фосфата молекулярного ион значительно стабилизировалось несколько резонансных структурами , что делает продукты (ADP и P я ) меньше , чем в энергии реагент (АТФ). Высокая плотность отрицательного заряда, связанная с тремя соседними фосфатными единицами АТФ, также дестабилизирует молекулу, увеличивая ее энергию. Гидролиз снимает некоторые из этих электростатических отталкиваний, высвобождая полезную энергию в процессе, вызывая конформационные изменения в структуре фермента.

У людей примерно 60 процентов энергии, высвобождаемой при гидролизе АТФ, производит метаболическое тепло, а не подпитывает сами происходящие реакции. Из-за кислотно-основных свойств АТФ, АДФ и неорганического фосфата гидролиз АТФ приводит к снижению pH реакционной среды. При определенных условиях высокий уровень гидролиза АТФ может способствовать развитию лактоацидоза .

Сколько энергии производит гидролиз АТФ

Гидролиз концевой фосфоангидридной связи - это сильно экергонический процесс. Количество выделяемой энергии зависит от условий в конкретной клетке. В частности, выделяемая энергия зависит от концентраций АТФ, АДФ и P i . По мере того, как концентрации этих молекул отклоняются от значений в состоянии равновесия, величина изменения свободной энергии Гиббса (Δ G ) будет все больше различаться. В стандартных условиях ( концентрации АТФ, АДФ и P i равны 1 М, концентрация воды равна 55 М) значение Δ G составляет от -28 до -34 кДж / моль.

Диапазон значений Δ G существует, поскольку эта реакция зависит от концентрации катионов Mg 2+ , которые стабилизируют молекулу АТФ. Клеточная среда также вносит свой вклад в различия в величине Δ G, поскольку гидролиз АТФ зависит не только от исследуемой клетки, но также от окружающей ткани и даже компартмента внутри клетки. Изменчивость в Δ G значений Поэтому следует ожидать.

Показательна связь между стандартным изменением свободной энергии Гиббса Δ r G o и химическим равновесием. Это соотношение определяется уравнением Δ r G o = - RT ln ( K ), где K - константа равновесия , которая равна коэффициенту реакции Q в равновесии. Стандартное значение Δ G для этой реакции, как уже упоминалось, составляет от -28 до -34 кДж / моль; однако экспериментально определенные концентрации вовлеченных молекул показывают, что реакция не находится в равновесии. Учитывая этот факт, сравнение между константой равновесия K и коэффициентом реакции Q дает представление. K учитывает реакции, протекающие в стандартных условиях, но в клеточной среде концентрации задействованных молекул (а именно, АТФ, АДФ и P i ) далеки от стандартного 1 М. Фактически, концентрации более подходящим образом измеряются. в мМ, что на три порядка меньше M. При использовании этих нестандартных концентраций расчетное значение Q намного меньше единицы. Связав Q с Δ G с помощью уравнения Δ G = Δ r G o + RT ln ( Q ), где Δ r G o - стандартное изменение свободной энергии Гиббса для гидролиза АТФ, установлено, что величина Δ G намного больше стандартного значения. Нестандартные условия в камере на самом деле приводят к более благоприятной реакции.

В одном конкретном исследовании, чтобы определить Δ G in vivo у людей, концентрацию АТФ, АДФ и P i измеряли с помощью ядерного магнитного резонанса. Было обнаружено, что в мышечных клетках человека в состоянии покоя концентрация АТФ составляет около 4 мМ, а концентрация АДФ - около 9 мкМ. Ввод этих значений в приведенные выше уравнения дает Δ G = -64 кДж / моль. После ишемии , когда мышца восстанавливается после упражнений, концентрация АТФ составляет всего 1 мМ, а концентрация АДФ составляет около 7 мкМ. Следовательно, абсолютное значение Δ G будет достигать -69 кДж / моль.

Сравнивая стандартное значение Δ G и экспериментальное значение Δ G , можно увидеть, что энергия, выделяемая при гидролизе АТФ, измеренная у людей, почти в два раза больше, чем энергия, производимая в стандартных условиях.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение