结构生物化学/ATP
三磷酸腺苷（ATP）是一种核苷酸，由腺嘌呤和核糖组成，通过磷酸酯键和两个磷酸酐键连接到三个连续的磷酰基（PO32-）基团。ATP是细胞中最丰富的核苷酸，也是所有生命形式中主要的细胞能量货币。ATP 的主要生物学意义在于其水解过程中释放的大量自由能。这为其他细胞工作提供能量，例如生物合成反应、主动运输和细胞运动。ATP 用于植物细胞的代谢。它与光有关，为植物创造能量。此外，ATP 也是 DNA 的组成部分之一。
ATP也称为腺苷 5'-三磷酸。它由二磷酸腺苷 (ADP) 和正磷酸盐 (Pi) 形成。当化学营养生物中的燃料分子被氧化或光合营养生物捕获光时。这种核苷酸非常重要，因为它是最常用的能量货币。从三磷酸基团的断裂中释放的能量用于为许多细胞过程提供动力。[1]
ATP 由一个腺嘌呤环、一个核糖糖和三个磷酸基团（三磷酸盐）组成。磷酸基团通常被称为α、β和γ磷酸盐。它通常与称为腺苷核苷酸的 RNA 单体有关。γ磷酸基团是 ATP 分子上最主要的磷酸基团，在需要能量驱动合成代谢反应时被水解。基本上，γ磷酸盐通常位于最远离核糖糖的位置，并且比 α 和 β 磷酸盐具有更高的水解能。在 ATP 水解或残基磷酸化后形成的键的能量低于 ATP 的磷酸酐键的能量。
ATP 非常易溶于水，是一种相当稳定的溶液，其 pH 值为 6.8-7.4，但在极端 pH 值下会迅速水解。因此，ATP 最好存储为无水盐。
虽然 ATP 在溶液中相当稳定，但在未缓冲的水中它是一种不稳定的分子。这是因为，一旦 ATP 与未缓冲的水接触，它就会由于 ATP 中磷酸基团之间的键的强度普遍低于其产物（ADP + 磷酸盐）与水之间的氢键（水合键）的强度而水解为 ADP 和磷酸盐。因此，如果 ATP 和 ADP 在水中处于化学平衡状态，由于将发生的反应，几乎所有 ATP 都将转化为 ADP。吉布斯自由能是指系统远非平衡状态时，它能够做某种工作。可以看出，典型的活细胞将 ATP 和 ADP 的比例维持在比平衡点高十个数量级的点。然而，这只有在 ADP 的浓度比 ATP 低一千倍时才会发生。这表明 ATP 在细胞中的水解通常会在反应中释放大量的自由能。
然而，即使在反应过程中释放大量的自由能，任何不稳定的潜在反应分子系统都可能成为储存自由能的一种方式。这只在细胞将其浓度维持在远离反应平衡点的状态下才有可能。然而，RNA、DNA 和 ATP 分解成更简单的单体的过程中，总是同时发生能量释放和熵增加。
在 ATP 分子中，两个称为磷酸酐键的高能磷酸键负责该分子的高能含量。根据生化反应，这些酸酐键通常被称为高能键。此外，从酸酐键的水解中释放的能量可以发生在存储在 ATP 中的能量中。
罗斯曼折叠是一种蛋白质折叠类型，一些蛋白质和 ATP 共同结合在一起。这种特征性的蛋白质折叠是一个通用的核苷酸结合结构域，也可以结合辅酶 NAD。激酶是最常见的 ATP 结合蛋白。它们共享少量共同的折叠，并且最大的激酶超家族都共享专门用于 ATP 结合和磷酸盐转移的共同结构特征。
ATP 还需要存在二价阳离子，几乎像镁一样用作金属。这种金属与 ATP 磷酸基团结合。这种金属离子也可以作为激酶调节机制。镁的存在大大降低了 ATP 从其蛋白质结合伴侣的解离常数，而不会影响酶在 ATP 结合后催化其反应的能力。
细胞内 ATP 水解是由细胞内 ATP 酶催化的。例如，位于高等真核生物质膜中的 (Na+-K+)-ATP 酶驱动与 ATP 水解耦合的 Na+ 和 K+ 的主动运输，并在细胞膜上产生电化学梯度。另一种重要的细胞内 ATP 酶是肌球蛋白。肌球蛋白头部在完整的肌原纤维中形成与细丝的横桥，其由 ATP 提供动力的运动负责肌肉收缩。
ATP 也存在于细胞外空间中，浓度为纳摩尔到微摩尔，比细胞内 ATP 浓度（1、2）低 3-6 个数量级。ATP 通过调节性胞吐作用或质膜通道（图 1）从细胞释放到细胞外空间。调节性胞吐作用是一个重要的过程，用于从细胞中释放诸如激素或神经递质之类的物质，并由胞质 Ca2+ 浓度升高触发（2、3）。ATP 外排也通过质膜电导通道、转运体或组成性分泌途径作为残留货物产品发生（2）。细胞外 ATP 作为神经递质和非神经组织中的自分泌/旁分泌化学信使发挥作用。它的作用是由 P2 嘌呤能受体介导的，并引发各种生理反应，例如神经传递、分泌调节、免疫功能调节、疼痛传递、细胞凋亡等。
P2 受体由两个主要亚家族组成，P2X 和 P2Y。P2X 受体是配体门控离子通道，而 P2Y 受体是 G 蛋白偶联受体。细胞外 ATP 的浓度受其水解的调节，而该水解是由细胞外 ATP 酶催化的。因此，由嘌呤能受体介导的生理反应受到细胞外 ATP 酶的调节（图 2）。例如，Sesti 等人报道 ATP 调节心脏交感神经末梢的去甲肾上腺素释放，而 ATP 的这种作用受心脏突触体中的嘌呤能受体控制，并受细胞外 ATP 酶调节（4）。Di Virgilio 等人报道，一种有效的血小板聚集因子是 ADP，其含量受内皮细胞上细胞外 ATP 酶活性的调节（5）。然而，多个 P2X 和 P2Y 受体亚型与细胞外 ATP 酶之间的确切关系还有待确定。
ATP 是一种富含能量的分子，因为它的三磷酸基团包含两个磷酸酐键。当 ATP 水解为二磷酸腺苷 (ADP) 和正磷酸盐 (Pi) 或当 ATP 水解为单磷酸腺苷 (AMP) 和焦磷酸盐 (PPi) 时，会释放大量的自由能。这些反应的精确 取决于诸如 Mg 2+ 等金属的离子强度。ATP 水解中释放的自由能被用来驱动需要能量输入的反应，例如肌肉收缩。ATP 从 ADP 和 Pi 中形成的过程称为 ATP-ADP 循环，是生物系统中能量交换的基本模式。有趣的是，尽管所有核苷酸三磷酸在能量上都是等效的，但 ATP 是主要的细胞能量载体。在细胞条件下，ATP 的水解将偶联反应的平衡系数提高了 108[2]
磷酸化电位
[edit | edit source]ATP 具有特别高效的磷酰基团供体，这可以通过 ATP 结构的特征来解释。
共振结构。ADP 和 Pi 比 ATP 具有更大的共振稳定性。正磷酸盐具有多个能量相似的共振形式，而 ATP 的 磷酰基团由于其相邻的带正电荷的氧原子和带正电荷的磷原子的不稳定性而数量较少。
静电排斥。在 pH 7 时，ATP 的三磷酸基团带四个负电荷，由于它们之间的距离很近，相互排斥。当 ATP 水解时，它们之间的排斥力会减弱。
水合作用引起的稳定。与 ATP 的磷酸酐部分相比，ADP 和 Pi 可以更有效地结合更多的水，通过水合作用稳定 ADP 和 Pi。[3]
ATP 的消耗
[edit | edit source]ATP 水解所提供的巨大能量，对于克服创造大型大分子蛋白质所需的巨大自由能变化是必要的。ATP 中磷酸酐键的断裂为使生物反应自发（负自由能）提供了自由能来源。由于宇宙的熵量不断增加，因此在没有 ATP 的情况下，大型大分子形成是不利的。因此，ATP 产生的自由能总是被附近的吸热（需要能量）生物反应立即消耗。只有当 ATP 的放热反应与吸热反应偶联时，该反应才能进行，否则将无法获得热力学平衡。ATP 的消耗过程的第一步是酶将氨基酸连接到 ATP 的 a-磷酸酯上。这会导致焦磷酸盐的释放。这种释放被称为氨酰基腺苷酸中间体。然后，反应继续进行，酶催化氨基酸转移到腺苷残基的核糖部分上的两个 -OH 位置之一。ATP 能够将能量释放到细胞中，因为细胞维持的 ATP 浓度远远高于平衡浓度。高浓度的 ATP 使其成为驱动细胞中吸热反应的主要提供者。通过共同中间体偶联能量释放和消耗系统对于生物系统中的能量交换至关重要。[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 是生物系统中主要的直接自由能供体，这意味着它在形成后一分钟内就会被消耗。燃料分子（如葡萄糖和脂肪）中的碳被氧化为 CO2，释放的能量被用来从 ADP 和 Pi 中再生 ATP。燃料中的氧化作用一次进行一个碳原子，碳氧化能量在某些情况下被用来创造具有高磷酰基转移潜力的化合物，而在另一些情况下则被用来创造离子梯度，最终形成 ATP。[5]
与碳燃料偶联
[edit | edit source]ATP 与碳燃料的氧化直接偶联，并通过离子梯度的形成偶联。氧化能量最初被捕获为高磷酰基转移电位化合物，然后用于形成 ATP。在离子梯度中，由燃料分子氧化或光合作用产生的电化学势能最终驱动细胞中大多数 ATP 的合成。ATP 水解可用于形成不同类型和功能的离子梯度。
食物中的能量
[edit | edit source]汉斯·克雷布斯描述了从食物氧化中产生能量的三个阶段。
1. 食物中的大分子在称为消化的过程中被分解成更小的单元。蛋白质被水解为 20 种不同的氨基酸，多糖被水解为简单的糖，最后脂肪被水解为甘油和脂肪酸。
2. 许多小分子被降解为在代谢中起核心作用的几个简单单元。糖、脂肪酸、甘油和几种氨基酸被转化为乙酰辅酶 A 的乙酰基团。会产生一些 ATP，但量并不多。
3. ATP 是通过乙酰辅酶 A 的乙酰基团的完全氧化而产生的。最后阶段包括柠檬酸循环和氧化磷酸化，这是燃料分子氧化的最终途径。乙酰辅酶 A 将乙酰基团带入柠檬酸循环，在那里它们被完全氧化为 CO2。在每个被氧化的乙酰基团中，有四对电子被转移。然后，当电子从这些载体的还原形式流向 O2 时，会产生质子梯度，该梯度被用来合成 ATP。[6]
![[1]](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Catabolism.svg){kind=link}
参考文献
[edit | edit source]- ↑ Berg, Jeremy (2007). 生物化学，第6版. 纽约，纽约：萨拉·特尼。第110-111页。 ISBN 978-0-7167-8724-2.
{{cite book}}: 未知参数|coauthors=被忽略 (|author=建议) (帮助) - ↑ Berg, Jeremy (2007). 生物化学，第6版. 纽约，纽约：萨拉·特尼。第413-415页。 ISBN 978-0-7167-8724-2.
{{cite book}}: 未知参数|coauthors=被忽略 (|author=建议) (帮助) - ↑ Berg, Jeremy (2007). 生物化学，第6版. 纽约，纽约：萨拉·特尼。第415页。 ISBN 978-0-7167-8724-2.
{{cite book}}: 未知参数|coauthors=被忽略 (|author=建议) (帮助) - ↑ 生物化学，第6版. 纽约，纽约：萨拉·特尼。2007. 第110页。 ISBN 978-0-7167-8724-2.
{{cite book}}:|first=缺少|last=(帮助); 未知参数|=被忽略 (帮助); 未知参数|coauthors=被忽略 (|author=建议) (帮助) - ↑ Berg, Jeremy (2007). 生物化学，第6版. 纽约，纽约：萨拉·特尼。第417页。 ISBN 978-0-7167-8724-2.
{{cite book}}: 未知参数|coauthors=被忽略 (|author=建议) (帮助) - ↑ Berg, Jeremy (2007). 生物化学，第6版. 纽约，纽约：萨拉·特尼。第419-420页。 ISBN 978-0-7167-8724-2.
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1. Schwiebert, E. M. ABC 转运蛋白促进的 ATP 传导传输。Am. J. Physiolo., 1999, 276, C1-C8。
2. Lazarowski, E. R., Boucher, R. C. 和 Harden, K. T. 核苷酸释放机制及其作为 P2X 和 P2Y 受体激活分子的作用整合。Mol. Pharmacol., 2003, 64, 785-795。
3. Theander, S., Lew, D. P. 和 Nüße, O. 人中性粒细胞中 Ca2+ 诱导胞吐的颗粒特异性 ATP 需求。ATP 独立释放的证据。J. Cell Sci., 2002, 115, 2975-2983。
4. Sesti, C., Broekman, M. J., Drosopoulos, J. H., Islam, N., Marcus, A. J. 和 Levi, R. 心脏交感神经末梢的 Ectonucleotidase 调节 ATP 介导的去甲肾上腺素释放反馈。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. 核苷酸受体：血液细胞中新兴的调节分子家族。Blood, 2001, 97, 587-600。