Galenus

Adenosintrifosfát, ATP, adenosindifosfát, ADP, adenosinmonofosfát, AMP

Adenosinfosfátové koenzymy

Adenosintrifosfát je přenašečem energie

Zcela unikátní a centrální úlohu zaujímá v energetickém metabolismu buňky adenylátový systém. Zahrnuje celkem 6 složek - adenosintrifosfát (ATP), adenosindifosfát (ADP), adenosinmonofosfát (AMP), difosfát (pyrofosfát), anorganický fosfát (Pi) a kationt hořčíku (Mg2+). Pro úplnost informace je třeba doplnit, že AMP se v buňce vyskytuje ve dvou formách, první formou je klasický adenosinmonofosfát (označuje se AMP), druhou formou je cyklický adenosinmonofosfát (označuje se cAMP). Forma cyklického cAMP plní v buňce specifickou úlohu.

 

04-0297 adenosinfosfátové koenzymy

Cyklus ATP představuje přenos chemické energie z katabolických reakcí k různým procesům probíhajícím v buňce, které vyžadují dodání energie. ATP vzniká fosforylací ADP v tzv. spřažené reakci na úkor energie získané odbouráním složitějších organických sloučenin. Na následujícím schématu jsou uvedeny nejdůležitější sloučeniny s vysokým potenciálem pro přenos fosfátové skupiny (sukcinyl-CoA, fosfoenolpyruvát a 1,3-bisfosfoglycerát) a především proces oxidativní fosforylace, ve kterém se pro tvorbu vysokoenergetických (makroergických) fosfátů zhodnocuje energie vodíku (přesněji elektronů). Takto vytvořené ATP se pak účastní biosyntetických procesů, při kterých přenáší svoji terminální fosfátovou skupinu na řadu jiných molekul, kterým se tím zvyšuje jejich energetický potenciál a tyto jsou pak schopny vstupovat do reakcí vyžadujících dodávku energie (biosyntetické procesy, aktivace sloučenin, chemická práce). V jiných případech je štěpení ATP spojeno s transportem anorganických iontů a substrátů přes membrány proti jejich koncentračnímu gradientu (osmotická práce). Důležitou a nezastupitelnou úlohu má pak při svalové kontrakci (mechanická práce).

 

04-0301 adenosinfosfátové koenzymy

Vzniklé ADP je pak znovu fosforylováno na úkor oxidačních reakcí poskytujících energii a tím se cyklus uzavírá. Terminální fosfátová skupina ATP je tedy stále vyměňována za anorganický fosfát, který vytváří spolu s ADP novou molekulu ATP (musí být dodána energie). Tímto způsobem cyklus ATP/ADP propojuje procesy generující vysokoenergetický fosfát s procesy, které vysokoenergetický fosfát spotřebovávají.

Existují tři hlavní zdroje vysokoenergetických fosfátů účastnící se zachycení energie a jejího uskladnění. Jedná se o oxidativní fosforylaci, glykolýzu a citrátový cyklus. Existuje i skupina látek, které fungují jako zásobní forma vysokoenergetických fosfátů. Patří sem především kreatinfosfát (ve svalech a mozku obratlovců) a argininfosfát (u bezobratlých). Tyto látky se označují jako fosfageny. Za fyziologických podmínek slouží fosfageny k udržení potřebné hladiny ATP v případech jeho velké spotřeby, například při svalové práci (zelená šipka). Když je později (po ukončení velké spotřeby) ATP dostatek (poměr ATP/ADP je vysoký, je tedy málo ADP), dokáže buňka opět z nadbytku ATP vytvářet fosfageny (červená šipka). Ve svalu byl popsán kreatinový člunek, který přenáší vysokoenergetický fosfát z mitochondrií do sarkoplazmy a který pracuje jako energetický pufr. Předpokládá se, že tento mechanismus by mohl mít velký význam pro ochranu srdce před infarktem.

 

04-0302 adenosinfosfátové koenzymy

 

Kreatinfosfát je zajímavý tím, že vysokoenergetický fosfát je vázán na kreatin prostřednictvím aminoskupiny, což je málo obvyklá forma.

 

04-0298 adenosinfosfátové koenzymy

 

Ve vzorci jsou pro větší názornost zakresleny ve fosfátových skupinách jednoduché i dvojné vazby ke konkrétním atomům kyslíku. Ve skutečnosti se jedná o rezonanční hybridy, a proto se jednotlivé vazby nechovají vyloženě jako jednoduchá nebo dvojná vazba.

Historie objevování

Adenosintrifosfát byl vyizolován ze svalového extraktu C. Fiskem a Y. Subbarowem v USA a nezávisle ve stejné době i K. Lohmannem v Německu. Struktura byla studována pomocí jeho degradačních produktů již ve třicátých letech a v roce 1948 byl poprvé chemicky syntetizován A. Toddem.

Důležitost fosfátů byla objevena při studiu procesu glykolýzy (F. Cori a G. T. Cori), zejména pak objasněním úlohy, kterou ATP, ADP a anorganický fosfát v tomto procesu sehrávají. Zejména při pokusech zaměřených na objasnění energetického metabolismus při kontrakci svalů prováděných po roce 1940 bylo zjištěno, že ATP a kreatinfosfát se při smršťování svalových vláken rozkládají, ale mohou být opětovně resyntetizovány při spřažení s oxidativními procesy (W. A. Engelhardt a V. A. Bělicer). V okamžiku, kdy F. Lipmann a H. Kalckar prezentovali svoji teorii vysokoenergetických fosfátů, použili termín makroergické vazby a definovali ústřední roli ATP v systému spřažení exergonických a endergonických reakcí (1941), byla skutečně odstartována etapa zásadních objevů týkajících se energetického metabolismu buňky.

04-0296 lipmann

Dalšími zlomovými okamžiky v poznávání funkce celého adenylátového systému byly teorie anglického biologa a biochemika D. Keilina o postupné účasti cytochromů v přenosu elektronů v respiračním řetězci, chemická teorie oxidační fosforylace holandského biochemika Slatera (1953), teorie konformačního spřažení propagovaná P. D. Boyerem a konečně chemiosmotická teorie oxidační fosforylace anglického biochemika P. Mitchella (1961).

Struktura adenosintrifosfátu

Adenosinové koenzymy jsou nukleotidy. Skládají se z báze adeninu, cukru ribózy a fosforečné kyseliny, která je estericky navázaná na ribózu v pozici 5‘. Obsahuje-li sloučenina pouze jednu molekulu kyseliny fosforečné, jedná se o kyselinu adenylovou, nejčastěji označovanou jako adenosinmonofosfát (AMP). Jestliže se na první fosforečný zbytek naváže anhydridovou vazbou další molekula kyseliny fosforečné, vznikne adenosindifosfát (ADP), pokud se na tento druhý zbytek naváže další molekula kyseliny fosforečné, vznikne adenosintrifosfát (ATP).

 

04-0210 adenosinfosfátové koenzymy

 

V roce 1957 objevil E. W. Sutherland při studiu katalytického působení jaterní fosforylázy zvláštní formu AMP, tzv. cyklický adenosinmonofosfát (cAMP). V organismu vzniká účinkem adenylátcyklázy (nutná přítomnost Mg2+) a tento koenzym byl prokázán v jádrech buněk savců. cAMP se podílí na různých regulačních mechanismech jako druhý posel. Ovlivňuje vnitrobuněčné procesy týkající se sekrece látek, diferenciace a replikace, podílí se na uskladňování a mobilizaci sacharidů, lipidů, na indukování proteosyntézy. Ovlivňuje proces migrace buněk, permeabilitu buněčné membrány, podílí se na transportu iontů a aminokyselin, ovlivňuje membránový potenciál a neurohumorální přenos. Tato forma adenosinmonofosfátu tedy neplní úlohu akceptoru vysokoenergetického fosfátu, ale díky svému specifickému prostorovému uspořádání se uplatňuje jako signální molekula.

Fosforečné skupiny způsobují, že molekuly adenosinfosfátů vykazují relativně silné kyselé vlastnosti. AMP například při pH 7 prakticky odštěpuje oba protony a vyskytuje se jen jako dvojmocný aniont. Podobně se chovají i ADP (může odštěpit 3 protony) a ATP (může odštěpit až 4 protony ze svých fosforečných skupin). ATP při pH 7 má tři ze čtyř protonů plně ionizované, čtvrtý má hodnotu pK = 6,95 a je tedy ionizovaný přibližně z 50%. V případě ADP jsou při pH 7 ionizované plně 2 protony, třetí má hodnotu pK = 7,2 a je proto ionizovaný asi ze 40%. Negativní náboje všech fosfátových skupin vyvolávají vysokou afinitu pyrofosfátových skupin pro dvojmocné kationty, a protože je v buňce poměrně vysoká koncentrace hořčíkového kationtu, jsou ADP i ATP vázané v komplexech právě s tímto kationtem (mohou se vázat i s jinými, především s Ca). Afinita ATP pro Mg je asi 10x vyšší, než u ADP.

 

04-0304 adenosinfosfátové koenzymy

 

Komplexy s hořčíkem mají na hydrolýzu fosfoanhydridových vazeb značný vliv, protože ovlivňují ustavování rovnováhy mezi všemi 6 možnými komplexy. Stabilita těchto komplexů je významně ovlivněna pH, iontovou silou, koncentrací Mg2+ a koncentrací AMP, ADP a ATP. Vliv hořčíku je komplexní a významný. Afinita Mg2+ ke každé ze 6 uvedených fosforečných sloučenin je rozdílná a vzrůstá s hodnotou pH.

 

04-0303 adenosinfosfátové koenzymy

 

To, že změna Gibbsovy energie hydrolýzy ATP vzrůstá s nárůstem hodnoty pH vyplývá ze skutečnosti, že hodnoty disociačních konstant posledních stupňů ATP, ADP a fosfátu nejsou stejné (viz předchozí obrázek).

Přítomnost purinové báze způsobuje, že všechny tyto nukleotidy vykazují silnou ultrafialovou absorpci mezi 250 až 270 nm, což umožňuje jejich kvantitativní analýzu. Kruh ribózy a kruhy báze jsou situovány tak, že svírají úhel přibližně 90°. Tím se vodík (nebo v případě ribofuranózy hydroxyl) na druhém uhlíku ribózy dostává pod vliv atomu dusíku v poloze 3 purinové báze. To má velký význam pro průběh reakcí, při nichž ATP vystupuje jako koenzym.

Energie hydrolýzy

Aby bylo možné nějak vyjádřit potenciál fosfátové skupiny vázané na určitou molekulu pro přenos na jinou molekulu, je třeba zvolit nějaké standardní měřítko, které by umožňovalo určit směr reakce a také charakterizovat rovnovážné poměry dané reakce. Takovým měřítkem je právě změna standardní Gibbsovy energie ∆Go‘ pro hydrolýzu. Pro ATP dosahuje hodnoty přibližně - 30,5 kJ/mol a je asi v polovině na energetické škále makroergických fosforečných sloučenin.

 

04-0300 adenosinfosfátové koenzymy

V biochemii se používá termín potenciál fosfátové skupiny pro přenos a vyjadřuje se jako záporná hodnota ∆Go‘, tedy například pro fosfoenolpyruvát je to 61,9, pro fosfoarginin 32,2 apod. Každá sloučenina uvedená v tabulce nahoře má tendenci pozbýt své fosfátové skupiny ve prospěch molekuly, která se nachází v tabulce níže za předpokladu, že je přítomný katalyzátor schopný reakci urychlit. Nelze však zapomenout na to, že výsledná hodnota Gibbsovy energie pro danou reakci je vždy závislá na koncentračních poměrech všech substrátů a produktů reakce a uvnitř buňky jsou velmi odlišné od standardních koncentrací (1,0 M), pro které jsou ∆G uvedeny. Vezmou-li se v úvahu skutečné koncentrace Mg2+, ATP, ADP a fosfátu uvnitř buňky a provede se přepočet na vnitrobuněčné pH, vychází hodnota změny Gibbsovy energie pro hydrolýzu ATP přibližně - 52,3 kJ/mol. Protože je změna Gibbsovy energie hydrolýzy silně závislá na koncentraci reaktantů a vznikající komplexy s hořčíkem výrazně promlouvají do koncentračních poměrů, dochází k průběžným změnám v její hodnotě jak v časovém, tak i prostorovém sledu.

 

04-0309 adenosinfosfátové koenzymy

 

Jak je z tabulky patrné, ATP má střední pozici a může proto sloužit jako společný intermediát v mnoha enzymově katalyzovaných reakcích, při kterých se uskutečňuje přenos fosfátové skupiny. V biologických systémech je přenos chemické energie prostřednictvím společného intermediátu obecnou vlastností následných reakcí, přičemž nemusí vždy vyžadovat ATP nebo přenos fosfátové skupiny. Existují významné následné reakce, kdy se například přenáší vodík, aminoskupiny, acetyl a jiné a přitom i tyto reakce probíhají prostřednictvím společného intermediátu. Z určitých důvodů však buňka využívá pro přenos chemické energie především fosfátových skupin. Typickým příkladem, kdy není pro přenos energie využívána fosfátová skupina, je přenos acetylu pomocí acetyl-CoA v citrátovém cyklu.

V biologickém systému nedochází k hydrolýze fosforečných sloučenin v pravém slova smyslu, ale makroergická fosfátová skupina se přenáší na jinou molekulu. Tím je dána i odpověď na případnou otázku, proč má hydrolýza ATP zápornější hodnotu standardní Gibbsovy energie, než některých fosforylovaných cukrů. Standardní Gibbsova energie hydrolýzy (spíše přenosu) je dána rozdílem mezi volnou energií produktů a volnou energií výchozích látek. Fosfátový aniont má charakter rezonančního hybridu (při pH kolem 7), tzn., že nelze jednoznačně říct, který kyslík je vázán dvojnou vazbou, a který jednoduchou vazbou. Dvojná vazba v takovém hybridu má totiž charakter jednoduché vazby a naopak jednoduchá vazba má do značné míry charakter dvojné vazby. Tyto rezonanční hybridy jsou mnohem stálejší, mají nižší hodnotu Gibbsovy volné energie.

Fosfátové skupiny v ATP, ADP a také v AMP (včetně dalších organických fosforečných sloučenin) mají charakter rezonančních hybridů. Tyto hybridy jsou stabilizované různým množstvím rezonanční energie, která je závislá na rozložení nábojů u sousedních funkčních skupin. ATP má hodnotu negativního náboje při pH 7 asi 3,5, tzn., že se tyto skupiny vzájemně silně odpuzují. Při hydrolýze koncové fosfátové skupiny je aniont HPO42- odpuzován od vzniklého ADP3-. Tím je také vysvětleno, proč je téměř vyloučena zpětná reakce za opětovného vzniku ATP. Naopak u fosforylovaných cukrů (např. glukóza-6-fosfátu) nemá cukr (glukóza) po hydrolýze žádný náboj, neodpuzuje tedy uvolněnou fosfátovou skupinu a pravděpodobnost zpětné reakce je tedy mnohem větší. Oba terminální atomy fosforu v molekule ATP mají schopnost přitahovat elektrony a tak způsobují, že anhydridová vazba v ATP je více náchylná k hydrolýze, než vazba esterová v glukóza-6-fosfátu. Odlišné rozložení elektronů v ATP na rozdíl od ADP a anorganického fosfátu vyvolává zcela rozdílný stupeň hydratace. ATP je mnohem méně hydratován, než ADP a fosfát, což je opět jeden z důvodů, proč snadněji probíhá hydrolýza a je bráněno zpětné reakci.

Na tomto místě je vhodné zmínit jednu poznámku. Je nutné odlišovat pojem energie fosfátové skupiny a pojmu vazebné energie. Vazebná energie je energie nutná k rozštěpení vazby mezi atomem fosforu a atomem kyslíku v pojetí fyzikální chemie. Mluvíme-li o energii fosfátové skupiny, popisujeme sice také děj štěpení vazby mezi fosforem a kyslíkem v procesu hydrolýzy fosforečných esterů, ale současně se nová vazba mezi fosforem a kyslíkem vytváří. Energie fosfátové vazby tedy specificky vyjadřuje rozdíl v Gibbsově energii produktů a Gibbsovy energie výchozích látek při hydrolýze fosforečné sloučeniny.

Mechanismus přenosu fosfátové skupiny

ATP obsahuje dvě makroergické vazby a má tedy velkou schopnost přenášet skupiny. Záleží na tom, která vazba se reakce účastní a podle toho se přenáší odpovídající skupina. Mohou nastat proto 4 případy (modrá čísla ve schématu). Prvním případem je přenos ortofosfátového zbytku, přičemž se uvolňuje ADP. Druhým případem je přenos difosfátového zbytku, uvolňuje se AMP. Třetím případem je přenos adenosylmonofosfátového zbytku, uvolňuje se difosfát (pyrofosfát). Čtvrtým případem je přenos adenosylového zbytku, uvolňuje se ortofosfát a difosfát.

 

04-0299 adenosinfosfátové koenzymy

 

Nejčastější reakcí je první případ a obvykle je tato reakce spojena s nějakým výkonem buňky, např. svalový stah, aktivní transport apod. Změna Gibbsovy energie této hydrolýzy je silně negativní. Reakce probíhající podle druhého případu je specifická jen pro několik málo reakcí. Příkladem je tvorba 5-fosforibosylpyrofosfátu z ribóza-5-fosfátu. Reakce probíhající podle třetího způsobu je také poměrně častá a je spojována se vznikem sloučeniny s vysokým potenciálem pro přenos skupin, vzniká tzv. aktivovaná sloučenina. Příkladem je aktivace mastných kyselin nebo aktivace aminokyselin při tvorbě peptidické vazby. Často je však tato reakce energeticky nevýhodná, a proto dochází k hydrolýze pyrofosfátu účinkem pyrofosfatázy. Tím dojde k odstranění jedné reakční komponenty a posun rovnovážného stavu si vynutí pokračování reakce. Reakce podle čtvrtého případu jsou méně časté, příkladem je tvorba aktivního S-adenosylmethioninu.

Je třeba si také uvědomit, že pod označením anorganický fosfát se ve skutečnosti skrývá směs nejméně 2 forem, které samy o sobě vytváří určitý systém směřující k pomyslné rovnováze. V rozmezí pH 4 až 10 jsou to ionty H2PO4- (pK = 6,8) a HPO42-. Také difosfát (pyrofosfát) se ve skutečnosti nachází ve formě H2P2O72- (pK = 6,1), HP2O73- (pK = 9,0) a P2O74- (platí pro pH nad 4,4).

Pod pojmem anorganický fosfát se rozumí klasický anorganický aniont kyseliny fosforečné. Jakmile se však tento aniont chemicky naváže buď na ribózu, nebo na jiný fosforečný zbytek, chová se chemicky jinak a pak mluvíme o fosfátovém zbytku nebo makroergickém fosfátu. Správně by se však měl označovat jako vysokoenergetická fosfátová skupina. Značí se písmenem P v kroužku a vysoký energetický potenciál vazby se vyznačuje vlnovkou. Obecně právě vlnovka značí, že skupina připojená touto vazbou přenese po připojení na akceptor značné množství energie. Pojem makroergická vazba je však v biochemii přímo zakořeněný a i když není úplně správný, používá se stále.

Enzymatický přenos vysokoenergetických fosfátů na ADP

Z metabolického hlediska je rozhodujícím procesem dodávajícím vysokoenergetický fosfát pro ADP glykolýza, a to konkrétně 1,3-bisfosfoglycerát a fosfoenolpyruvát. Dalším zdrojem je fosfokreatin, který slouží jako zásobárna chemické energie ve svalech.

Jak 1,3-bisfosfoglycerát tak i fosfoenolpyruvát nejsou v buňce hydrolyzovány, ale přímo přenáší fosfátovou skupinu na ADP (fosforylace na substrátové úrovni). Následující dvě schémata znázorňují rozhodující reakce glykolýzy, při kterých dochází k přenosu vysokoenergetického fosfátu na ADP a přitom uskladňují většinu energie uvolněné při odbourávání glukózy na laktát.

 

04-0079 glykolýza

 

Změna standardní Gibbsovy energie této reakce činí -18,8 kJ/mol (vypočítaná z její rovnovážné konstanty pK = 2,07). Podle značně negativní hodnoty je jasné, že reakce bude za standardních podmínek probíhat prakticky kvantitativně směrem doprava (při výchozí koncentraci reagujících látek 1,0 M se více jak 99,9% přítomného ADP přemění na ATP). ∆G pro tuto reakci se rovná rozdílu mezi ∆G pro hydrolýzu 1,3-bisfosfoglycerátu a ∆G pro hydrolýzu ATP (-49,3 - (-30,5) = -18,8 kJ/mol). Podíl celkové Gibbsovy energie, který pohání tuto reakci, činí 38% (100 x 18,8/49,3). Tento podíl energie se uvolní v podobě tepla. Zbylých 62% uvolněné Gibbsovy energie je uloženo ve vytvořeném ATP. To, že 1,3-bisfosfoglycerát má tak vysoký potenciál pro přenos fosfátové skupiny je důsledkem toho, že se jedná o anhydridovou vazbu.

I v případě druhé reakce glykolýzy, při které se tvoří ATP, je situace obdobná. V tomto reakčním kroku je však ztráta energie ve formě tepla vyšší (méně energie se uloží do ATP). Spontánní přesmyk enol-formy pyruvátu na keto-formu je doprovázen uvolněním tepla, a to v konečném důsledku prakticky znemožní zpětný průběh reakce.

 

04-0082 glykolýza

 

∆G pro tuto reakci se rovná rozdílu mezi ∆G pro hydrolýzu fosfoenolpyruvátu a ∆G pro hydrolýzu ATP (-61,9 - (-30,5) = -31,4 kJ/mol). Podíl celkové Gibbsovy energie, který pohání tuto reakci, činí téměř 51% (100 x 31,4/61,9). Tento podíl energie se uvolní v podobě tepla. Zbylých 49% uvolněné Gibbsovy energie je uloženo ve vytvořeném ATP.

Studie s izotopy kyslíku ukázaly, že ve skutečnosti není přenášena celá fosforečná skupina, ale pouze fosfoskupina. Mechanismus přenosu je znázorněn na následujícím schématu.

 

04-0305 adenosinfosfátové koenzymy

 

Vodík uvolněný z hydroxylové skupiny ve formě protonu může asociovat s některým atomem kyslíku jak vzniklého ADP, tak i fosforylovaného akceptoru. Záleží pouze na poměrech v buňce. Ve schématu není uvolněný proton z důvodů větší přehlednosti znázorněný. Příkladem takového přenosu může být fosforylace glukózy na glukózo-6-fosfát v procesu glykolýzy.

Reverzibilita fosforylačních reakcí

Velká záporná hodnota změny standardní Gibbsovy energie neznamená, že v buňce musí reakce vždy probíhat zleva doprava. Dvě reakce, jejichž hodnota ∆G může být stejná, mohou za reálných podmínek v buňce ve skutečnosti probíhat každá jiným směrem. Reverzibilita reakce záleží totiž na skutečných koncentračních poměrech látek, které vytváří příslušnou reakční směs (viz například krok 6 v procesu glykolýzy).

 

04-0306 adenosinfosfátové koenzymy

 

Je-li například látka A rychle odčerpávána pro jinou reakci v buňce (koncentrace A je velice nízká), pak může dojít až k obrácení směru reakce. Podle tohoto principu se například řídí společné reakční kroky procesů glykolýzy a glukoneogeneze. Termodynamická analýza konkrétní reakce vyžaduje znalost následných reakcí, které mohou některý z produktů odbourávat nebo naopak syntetizovat a tím výrazně ovlivňovat průběh studované reakce.

Funkce AMP a pyrofosfátu

U některých reakcí, kde ATP plní úlohu donoru fosfátové skupiny, se odštěpují 2 terminální fosfátové skupiny ve formě pyrofosfátu. Změna Gibbsovy energie takové reakce je o něco vyšší, než když se odštěpuje pouze ortofosfát. Jako jeden z produktů reakce zůstává AMP. Příkladem takové reakce je aktivace mastných kyselin. Reakci katalyzuje acyl-CoA syntetáza (E2) Vzniklý pyrofosfát je dalším zdrojem energie. Protože je energie dodaná pro reakci rozštěpením ATP na AMP jen tak na hraně, aby reakce mohla vůbec proběhnout (je tedy velice snadný i opačný průběh reakce), dochází prakticky ve stejném čase i k hydrolýze vzniklého pyrofosfátu. Tato energie se uvolňuje v podobě tepla a tento energetický přepych si buňka dopřává jen proto, aby rychle odstranila jeden reakční produkt z reakční směsi. Tím je reakce tažena ve prospěch tvorby aktivované mastné kyseliny.

Buňka má samozřejmě zájem vzniklý AMP opět převést na ATP. Tento proces nemůže proběhnout prostým obrácením reakce hydrolýzy ATP na AMP a PPi, protože již došlo k rozštěpení pyrofosfátu účinkem pyrofosfatázy (E3) na dva anorganické fosfáty. Proto již musí buňka pracovat s fosforečnanovými anionty, které musí nejprve navázat na vhodnou organickou sloučeninu a zvýšit jejich energetickou hodnotu. Teprve v této formě je možné fosfátovou skupinu využít k fosforylaci ADP na ATP. Pro využití AMP je třeba zapojení dalšího enzymu adenylátkinázy, (E1, někdy označované jako myokináza), který katalyzuje refosforylaci AMP na ADP, přičemž donorem fosfátové skupiny je ATP. Dokud není přítomen ATP, není možná refosforylace AMP.

 

04-0308 adenosinfosfátové koenzymy

 

Ve schématu je žlutě znázorněno možné využití vzniklého anorganického fosfátu. Reakce s glyceraldehyd-3-fosfátem (GAP) v procesu glykolýzy je komplexní a vazbě fosforečnanového aniontu předchází oxidace aldehydické skupiny a vytvoření energeticky bohaté thioesterové vazby v aktivním centru enzymu. Energie této vazby se pak transformuje do acylfosfátové vazby. Fosforečnanový aniont poskytne nutný kyslík pro vytvoření karboxylové skupiny, která pak po přenesení vysokoenergetického fosfátu na ADP zůstane na molekule akceptoru (GAP). Tato reakce současně názorně ukazuje rozdíl mezi fosforečnanovým aniontem a fosfátovou skupinou. Ve fosforečnanovém aniontu jsou na atom fosforu navázané 4 atomy kyslíku a takto to v klasických anorganických chemických reakcích zůstává. Po navázání fosforečnanového aniontu na vhodnou organickou molekulu (např. zmíněný GAP) se ale fosforečnanový aniont (nyní je třeba již použít označení fosfátová skupina) chová jinak. Na další molekulu se totiž přenáší fosfátová skupina o jeden atom kyslíku chudší, protože jeden atom kyslíku zůstává na původní molekule. Na novou molekulu se fosfátová skupina naváže zase prostřednictvím kyslíku (ten ale patří nové molekule) a opět jsou na atom fosforu navázány 4 atomy kyslíku (viz schéma elektronových přesunů při přenosu terminální fosfátové skupiny ATP na akceptor).

Protože je reakce katalyzovaná adenylátkinázou vratná, má opačný směr reakce za úkol umožnit syntézu ATP z vysokoenergetického fosfátu obsaženého v ADP. Dále pak umožnit zvýšení koncentrace AMP za situace, kdy dochází k vyčerpání ATP a iniciovat tak zvýšení rychlosti katabolických procesů vedoucích k produkci ATP. Při průběhu reakce ve směru znázorněném šipkami na schématu má pak adenylátkináza zajistit, aby byl energeticky málo bohatý AMP opět vrácen do cyklu ATP/ADP.

Gibbsova energie hydrolýzy důležitých fosfátů

V následujícím přehledu jsou uvedeny údaje o změně standardní Gibbsovy energie při hydrolýze některých důležitých fosfátů za podmínky plné disociace protonů. Je třeba si uvědomit, že se jedná o situaci, která v buňce není zcela reálná, protože v ní nedochází k hydrolýze za vzniku fosforečnanového aniontu, ale k přenosu fosfátové skupiny. V přehledu jsou uvedeny hodnoty vztahující se k hydrolýze ve vodném prostředí, akceptorem fosfátové skupiny je tedy molekula vody. Proto je odlišná hodnota hydrolýzy ATP uvedená výše v textu od hodnoty v následujícím přehledu. Údaje jsou zpracovány podle W. P. Jenckse (1976).

 

04-0307 adenosinfosfátové koenzymy

Z tabulky je patrné, že vazba hořčíku na adenosintrifosfát ztěžuje jeho hydrolýzu, tedy přenos fosfátové skupiny je energeticky méně výhodný. Podobně to platí i pro ostatní adenosinfosfáty. Proto se při výpočtech používá hodnota -30,5 kJ/mol. Při tvorbě komplexů s vápníkem jsou hodnoty ∆G ještě méně příznivé pro hydrolýzu (jsou kladnější).

Související články

Adenosintrifosfát - rejstřík

Koenzymy - biochemie

Glykolýza - biochemie

Citrátový cyklus - biochemie

Termochemické zákony - biochemie

Kalorická hodnota potravin

Odkazy

Při zpracovávání textů a grafické stránky článků byly využity podklady z odborné literatury a internetu. Převzaté obrázky byly graficky upraveny pro potřeby tohoto webu. Kreslené obrázky podléhají autorským právům. Seznam použité literatury naleznete zde.

Zajímavé stránky

wikipedie