結構生物化學/ATP
三磷酸腺苷（ATP）是一種核苷酸，由腺嘌呤和核糖組成，透過磷酸酯鍵和兩個磷酸酐鍵連線到三個連續的磷醯基（PO32-）基團。ATP是細胞中最豐富的核苷酸，也是所有生命形式中主要的細胞能量貨幣。ATP 的主要生物學意義在於其水解過程中釋放的大量自由能。這為其他細胞工作提供能量，例如生物合成反應、主動運輸和細胞運動。ATP 用於植物細胞的代謝。它與光有關，為植物創造能量。此外，ATP 也是 DNA 的組成部分之一。
ATP也稱為腺苷 5'-三磷酸。它由二磷酸腺苷 (ADP) 和正磷酸鹽 (Pi) 形成。當化學營養生物中的燃料分子被氧化或光合營養生物捕獲光時。這種核苷酸非常重要，因為它是最常用的能量貨幣。從三磷酸基團的斷裂中釋放的能量用於為許多細胞過程提供動力。[1]
ATP 由一個腺嘌呤環、一個核糖糖和三個磷酸基團（三磷酸鹽）組成。磷酸基團通常被稱為α、β和γ磷酸鹽。它通常與稱為腺苷核苷酸的 RNA 單體有關。γ磷酸基團是 ATP 分子上最主要的磷酸基團，在需要能量驅動合成代謝反應時被水解。基本上，γ磷酸鹽通常位於最遠離核糖糖的位置，並且比 α 和 β 磷酸鹽具有更高的水解能。在 ATP 水解或殘基磷酸化後形成的鍵的能量低於 ATP 的磷酸酐鍵的能量。
ATP 非常易溶於水，是一種相當穩定的溶液，其 pH 值為 6.8-7.4，但在極端 pH 值下會迅速水解。因此，ATP 最好儲存為無水鹽。
雖然 ATP 在溶液中相當穩定，但在未緩衝的水中它是一種不穩定的分子。這是因為，一旦 ATP 與未緩衝的水接觸，它就會由於 ATP 中磷酸基團之間的鍵的強度普遍低於其產物（ADP + 磷酸鹽）與水之間的氫鍵（水合鍵）的強度而水解為 ADP 和磷酸鹽。因此，如果 ATP 和 ADP 在水中處於化學平衡狀態，由於將發生的反應，幾乎所有 ATP 都將轉化為 ADP。吉布斯自由能是指系統遠非平衡狀態時，它能夠做某種工作。可以看出，典型的活細胞將 ATP 和 ADP 的比例維持在比平衡點高十個數量級的點。然而，這隻有在 ADP 的濃度比 ATP 低一千倍時才會發生。這表明 ATP 在細胞中的水解通常會在反應中釋放大量的自由能。
然而，即使在反應過程中釋放大量的自由能，任何不穩定的潛在反應分子系統都可能成為儲存自由能的一種方式。這隻在細胞將其濃度維持在遠離反應平衡點的狀態下才有可能。然而，RNA、DNA 和 ATP 分解成更簡單的單體的過程中，總是同時發生能量釋放和熵增加。
在 ATP 分子中，兩個稱為磷酸酐鍵的高能磷酸鍵負責該分子的高能含量。根據生化反應，這些酸酐鍵通常被稱為高能鍵。此外，從酸酐鍵的水解中釋放的能量可以發生在儲存在 ATP 中的能量中。
羅斯曼摺疊是一種蛋白質摺疊型別，一些蛋白質和 ATP 共同結合在一起。這種特徵性的蛋白質摺疊是一個通用的核苷酸結合結構域，也可以結合輔酶 NAD。激酶是最常見的 ATP 結合蛋白。它們共享少量共同的摺疊，並且最大的激酶超家族都共享專門用於 ATP 結合和磷酸鹽轉移的共同結構特徵。
ATP 還需要存在二價陽離子，幾乎像鎂一樣用作金屬。這種金屬與 ATP 磷酸基團結合。這種金屬離子也可以作為激酶調節機制。鎂的存在大大降低了 ATP 從其蛋白質結合伴侶的解離常數，而不會影響酶在 ATP 結合後催化其反應的能力。
細胞內 ATP 水解是由細胞內 ATP 酶催化的。例如，位於高等真核生物質膜中的 (Na+-K+)-ATP 酶驅動與 ATP 水解耦合的 Na+ 和 K+ 的主動運輸，並在細胞膜上產生電化學梯度。另一種重要的細胞內 ATP 酶是肌球蛋白。肌球蛋白頭部在完整的肌原纖維中形成與細絲的橫橋，其由 ATP 提供動力的運動負責肌肉收縮。
ATP 也存在於細胞外空間中，濃度為納摩爾到微摩爾，比細胞內 ATP 濃度（1、2）低 3-6 個數量級。ATP 透過調節性胞吐作用或質膜通道（圖 1）從細胞釋放到細胞外空間。調節性胞吐作用是一個重要的過程，用於從細胞中釋放諸如激素或神經遞質之類的物質，並由胞質 Ca2+ 濃度升高觸發（2、3）。ATP 外排也透過質膜電導通道、轉運體或組成性分泌途徑作為殘留貨物產品發生（2）。細胞外 ATP 作為神經遞質和非神經組織中的自分泌/旁分泌化學信使發揮作用。它的作用是由 P2 嘌呤能受體介導的，並引發各種生理反應，例如神經傳遞、分泌調節、免疫功能調節、疼痛傳遞、細胞凋亡等。
P2 受體由兩個主要亞家族組成，P2X 和 P2Y。P2X 受體是配體門控離子通道，而 P2Y 受體是 G 蛋白偶聯受體。細胞外 ATP 的濃度受其水解的調節，而該水解是由細胞外 ATP 酶催化的。因此，由嘌呤能受體介導的生理反應受到細胞外 ATP 酶的調節（圖 2）。例如，Sesti 等人報道 ATP 調節心臟交感神經末梢的去甲腎上腺素釋放，而 ATP 的這種作用受心臟突觸體中的嘌呤能受體控制，並受細胞外 ATP 酶調節（4）。Di Virgilio 等人報道，一種有效的血小板聚集因子是 ADP，其含量受內皮細胞上細胞外 ATP 酶活性的調節（5）。然而，多個 P2X 和 P2Y 受體亞型與細胞外 ATP 酶之間的確切關係還有待確定。
ATP 是一種富含能量的分子，因為它的三磷酸基團包含兩個磷酸酐鍵。當 ATP 水解為二磷酸腺苷 (ADP) 和正磷酸鹽 (Pi) 或當 ATP 水解為單磷酸腺苷 (AMP) 和焦磷酸鹽 (PPi) 時，會釋放大量的自由能。這些反應的精確 取決於諸如 Mg 2+ 等金屬的離子強度。ATP 水解中釋放的自由能被用來驅動需要能量輸入的反應，例如肌肉收縮。ATP 從 ADP 和 Pi 中形成的過程稱為 ATP-ADP 迴圈，是生物系統中能量交換的基本模式。有趣的是，儘管所有核苷酸三磷酸在能量上都是等效的，但 ATP 是主要的細胞能量載體。在細胞條件下，ATP 的水解將偶聯反應的平衡係數提高了 108[2]
磷酸化電位
[edit | edit source]ATP 具有特別高效的磷醯基團供體，這可以透過 ATP 結構的特徵來解釋。
共振結構。ADP 和 Pi 比 ATP 具有更大的共振穩定性。正磷酸鹽具有多個能量相似的共振形式，而 ATP 的 磷醯基團由於其相鄰的帶正電荷的氧原子和帶正電荷的磷原子的不穩定性而數量較少。
靜電排斥。在 pH 7 時，ATP 的三磷酸基團帶四個負電荷，由於它們之間的距離很近，相互排斥。當 ATP 水解時，它們之間的排斥力會減弱。
水合作用引起的穩定。與 ATP 的磷酸酐部分相比，ADP 和 Pi 可以更有效地結合更多的水，透過水合作用穩定 ADP 和 Pi。[3]
ATP 的消耗
[edit | edit source]ATP 水解所提供的巨大能量，對於克服創造大型大分子蛋白質所需的巨大自由能變化是必要的。ATP 中磷酸酐鍵的斷裂為使生物反應自發（負自由能）提供了自由能來源。由於宇宙的熵量不斷增加，因此在沒有 ATP 的情況下，大型大分子形成是不利的。因此，ATP 產生的自由能總是被附近的吸熱（需要能量）生物反應立即消耗。只有當 ATP 的放熱反應與吸熱反應偶聯時，該反應才能進行，否則將無法獲得熱力學平衡。ATP 的消耗過程的第一步是酶將氨基酸連線到 ATP 的 a-磷酸酯上。這會導致焦磷酸鹽的釋放。這種釋放被稱為氨醯基腺苷酸中間體。然後，反應繼續進行，酶催化氨基酸轉移到腺苷殘基的核糖部分上的兩個 -OH 位置之一。ATP 能夠將能量釋放到細胞中，因為細胞維持的 ATP 濃度遠遠高於平衡濃度。高濃度的 ATP 使其成為驅動細胞中吸熱反應的主要提供者。透過共同中間體偶聯能量釋放和消耗系統對於生物系統中的能量交換至關重要。[4] = Lehninger | firs = Albert | authorlink = |Nelson, David L. and Michael M. Cox | title = Lehninger principles of biochemistry, 4th ed | publisher = W.H. Freeman & Co | date = 2007 | location = New York, New York | pages 22–25 | isbn = 0-7167-4339-6 }}</ref>
碳氧化的重要性
[edit | edit source]ATP 的形成
[edit | edit source]ATP 是生物系統中主要的直接自由能供體，這意味著它在形成後一分鐘內就會被消耗。燃料分子（如葡萄糖和脂肪）中的碳被氧化為 CO2，釋放的能量被用來從 ADP 和 Pi 中再生 ATP。燃料中的氧化作用一次進行一個碳原子，碳氧化能量在某些情況下被用來創造具有高磷醯基轉移潛力的化合物，而在另一些情況下則被用來創造離子梯度，最終形成 ATP。[5]
與碳燃料偶聯
[edit | edit source]ATP 與碳燃料的氧化直接偶聯，並透過離子梯度的形成偶聯。氧化能量最初被捕獲為高磷醯基轉移電位化合物，然後用於形成 ATP。在離子梯度中，由燃料分子氧化或光合作用產生的電化學勢能最終驅動細胞中大多數 ATP 的合成。ATP 水解可用於形成不同型別和功能的離子梯度。
食物中的能量
[edit | edit source]漢斯·克雷布斯描述了從食物氧化中產生能量的三個階段。
1. 食物中的大分子在稱為消化的過程中被分解成更小的單元。蛋白質被水解為 20 種不同的氨基酸，多糖被水解為簡單的糖，最後脂肪被水解為甘油和脂肪酸。
2. 許多小分子被降解為在代謝中起核心作用的幾個簡單單元。糖、脂肪酸、甘油和幾種氨基酸被轉化為乙醯輔酶 A 的乙醯基團。會產生一些 ATP，但量並不多。
3. ATP 是透過乙醯輔酶 A 的乙醯基團的完全氧化而產生的。最後階段包括檸檬酸迴圈和氧化磷酸化，這是燃料分子氧化的最終途徑。乙醯輔酶 A 將乙醯基團帶入檸檬酸迴圈，在那裡它們被完全氧化為 CO2。在每個被氧化的乙醯基團中，有四對電子被轉移。然後，當電子從這些載體的還原形式流向 O2 時，會產生質子梯度，該梯度被用來合成 ATP。[6]
![[1]](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Catabolism.svg){kind=link}
參考文獻
[edit | edit source]- ↑ Berg, Jeremy (2007). 生物化學，第6版. 紐約，紐約：薩拉·特尼。第110-111頁。 ISBN 978-0-7167-8724-2.
{{cite book}}: 未知引數|coauthors=被忽略 (|author=建議) (幫助) - ↑ Berg, Jeremy (2007). 生物化學，第6版. 紐約，紐約：薩拉·特尼。第413-415頁。 ISBN 978-0-7167-8724-2.
{{cite book}}: 未知引數|coauthors=被忽略 (|author=建議) (幫助) - ↑ Berg, Jeremy (2007). 生物化學，第6版. 紐約，紐約：薩拉·特尼。第415頁。 ISBN 978-0-7167-8724-2.
{{cite book}}: 未知引數|coauthors=被忽略 (|author=建議) (幫助) - ↑ 生物化學，第6版. 紐約，紐約：薩拉·特尼。2007. 第110頁。 ISBN 978-0-7167-8724-2.
{{cite book}}:|first=缺少|last=(幫助); 未知引數|=被忽略 (幫助); 未知引數|coauthors=被忽略 (|author=建議) (幫助) - ↑ Berg, Jeremy (2007). 生物化學，第6版. 紐約，紐約：薩拉·特尼。第417頁。 ISBN 978-0-7167-8724-2.
{{cite book}}: 未知引數|coauthors=被忽略 (|author=建議) (幫助) - ↑ Berg, Jeremy (2007). 生物化學，第6版. 紐約，紐約：薩拉·特尼。第419-420頁。 ISBN 978-0-7167-8724-2.
{{cite book}}: 未知引數|coauthors=被忽略 (|author=建議) (幫助)
1. Schwiebert, E. M. ABC 轉運蛋白促進的 ATP 傳導傳輸。Am. J. Physiolo., 1999, 276, C1-C8。
2. Lazarowski, E. R., Boucher, R. C. 和 Harden, K. T. 核苷酸釋放機制及其作為 P2X 和 P2Y 受體啟用分子的作用整合。Mol. Pharmacol., 2003, 64, 785-795。
3. Theander, S., Lew, D. P. 和 Nüße, O. 人中性粒細胞中 Ca2+ 誘導胞吐的顆粒特異性 ATP 需求。ATP 獨立釋放的證據。J. Cell Sci., 2002, 115, 2975-2983。
4. Sesti, C., Broekman, M. J., Drosopoulos, J. H., Islam, N., Marcus, A. J. 和 Levi, R. 心臟交感神經末梢的 Ectonucleotidase 調節 ATP 介導的去甲腎上腺素釋放反饋。J. Pharmacol. and Exp. Ther., 2002, 300, 605-611。
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Adenosine_triphosphate
6. Di Virgilio, F., Chiozzi, P., Ferrari, D., Falzoni, S., Sanz, J. M., Morelli, A., Torboli, M., Bolognesi, G. 和 Baricordi, O. R. 核苷酸受體：血液細胞中新興的調節分子家族。Blood, 2001, 97, 587-600。