آدنوزین تری فسفات : تعریف، ساختار، تولید، سنتز، کاربرد

آدنوزین تری فسفات (ATP) یک مولکول پیروفسفات است که انرژی را برای انجام فرآیندهای متابولیک فراهم می کند، یعنی حفظ حیات یک سلول.

این یک ترکیب آلی پیچیده با انرژی بالا است که انرژی را برای انجام فرآیندهای متابولیک فراهم می کند. از آن به عنوان “واحد مولکولی ارز” انتقال انرژی درون سلولی یا “ارز انرژی سلول” یا “واحد انرژی سلول” یاد می شود. این منبع انرژی اولیه برای استفاده و ذخیره سازی در داخل هر سلول است.

آدنوزین تری فسفات یک مولکول آلی پیچیده است که از آدنین، ریبوز و یک بخش تری فسفات تشکیل شده است. انرژی آزاد شده در طول تنفس سلولی به شکل دو پیوند فسفودی استر در مولکول ATP به دام افتاده است. در طول هیدرولیز این پیوندهای فسفودی استر پر انرژی در مولکول های ATP، انرژی آزاد می شود و سپس برای فعالیت های سلولی استفاده می شود.

• نام IUPAC: آدنوزین 5′- (تترا هیدروژن تری فسفات)
• فرمول مولکولی: C10H16N5O13P3
• وزن مولکولی: 507.18 گرم بر مول
• چگالی: 1.04 گرم بر سانتی متر مکعب
• حلالیت: محلول در آب

ساختار آدنوزین تری فسفات

از آدنین، ریبوز و یک بخش تری فسفات تشکیل شده است. آدنوزین توسط اتم 9 نیتروژن به اتم 1 کربنی ریبوز متصل می شود که به نوبه خود در اتم 5 کربنی قند به گروه تری فسفات متصل می شود. سه گروه فسفات یک قسمت تری فسفات را تشکیل می دهند. آنها گروه های فسفات آلفا (α)، بتا (β) و گاما (γ) نامیده می شوند. سه پیوند فسفودی استر وجود دارد. یکی بین گروه های فسفات، دومی بین گروه های فسفات و سومی بین فسفات و قند ریبوز. دو مورد اول پیوند فسفودی استر با انرژی بالا هستند و در طول هیدرولیز انرژی تولید می کنند. از این رو، هیدرولیز ATP به ADP (آدنوزین دی فسفات) و دوباره به AMP (آدنوزین مونوفسفات) انرژی تولید می کند، اما شکستن پیوند فسفودی استر بین ریبوز و فسفات نیاز به انرژی دارد.

تولید ATP

ATP یک ترکیب غنی از انرژی است که عمدتاً در طی تنفس سلولی در سلول های هوازی و بی هوازی سنتز می شود. اکسیداسیون گلوکز، لیپیدها (چربی ها) و اسیدهای آمینه، مولکول های آدنوزین تری فسفات را در داخل سلول ها تولید می کند. انرژی آزاد شده در طی اکسیداسیون این مواد مغذی به شکل پیوند فسفودی استر با انرژی بالا در مولکول آدنوزین تری فسفات به دام می افتد.

گلوکز و آدنوزین تری فسفات

کربوهیدرات منبع اصلی انرژی است. کربوهیدرات هایی که به اشکال مختلف مصرف می شوند (نشاسته، ساکارز، دکستروز، لاکتوز، فروکتوز و غیره) بیشتر به شکل مونوساکارید “گلوکز” تجزیه می شوند. گلوکز سپس تحت واکنش های متابولیکی، گلیکولیز، چرخه کربس و فسفوریلاسیون اکسیداتیو قرار می گیرد و اکسید می شود تا انرزي آزاد شود. این انرژی آزاد شده به دام افتاده و به شکل ATP ذخیره می شود.

به طور مشابه، متابولیسم پروتئین‌ها و لیپیدها نیز محصولات نهایی ساده‌ای مانند استیل CoA، سوکسینیل CoA، کتو اسیدها، آمونیاک و غیره تولید می‌کنند که سپس در معرض چرخه کربس و فسفوریلاسیون اکسیداتیو قرار می‌گیرند تا مولکول‌های آدنوزین تری فسفات را تولید کنند.

مکانیسم سنتز ATP

سنتز آدنوزین تری فسفات طی چندین فرآیند سلولی از جمله واکنش های فسفوریلاسیون رخ می دهد. می تواند در هر دو شرایط هوازی و بی هوازی رخ دهد. راههای مهم تولید ATP عبارتند از:

• تنفس سلولی (فسفوریلاسیون اکسیداتیو، فسفوریلاسیون در سطح بستر)
• بتا اکسیداسیون و کاتابولیسم لیپیدی
• کاتابولیسم پروتئین
• فسفوریلاسیون فوتو و تخمیر.

1. تنفس سلولی

این فرآیندی است که در آن گلوکز به استیل – CoA کاتابولیز می شود و برای سنتز آدنوزین تری فسفات در معرض فسفوریلاسیون اکسیداتیو قرار می گیرد. این مکانیسم اصلی برای سنتز بیشتر ATP مورد نیاز یک سلول است. تولید ATP از طریق تنفس سلولی در دو مرحله مختلف اتفاق می افتد.

آ. فسفوریلاسیون سطح بستر

تولید ATP به طور مستقیم در طی گلیکولیز اتفاق می افتد. در مسیر گلیکولیتیک، اکسیداسیون G-3-P توسط آنزیم دهیدروژناز G-3-P یک گروه فسفات با انرژی بالا اضافه می کند که در واکنش بعدی مولکول آدنوزین تری فسفات تولید می شود.

در واکنشی دیگر، انرژی آزاد شده در طول دهیدراسیون 2-فسفوگلیسرات، پیوند فسفات کم انرژی را به یک پیوند فسفات پر انرژی تبدیل می کند که در واکنش بعدی به ADP منتقل می شود و مولکول ATP تولید می کند.

سپس پیرووات توسط کمپلکس‌های پیروات دهیدروژناز به مولکول استیل-CoA اکسید می‌شود. استیل-CoA تشکیل شده سپس در معرض چرخه کربس قرار می گیرد، جایی که برای تولید یک معادل ATP، یعنی مولکول GTP، سه مولکول NADH و یک مولکول FADH2، اکسید می شود. این مولکول های NADH و FADH2 حامل های الکترونی هستند که وارد ETC (زنجیره انتقال الکترون) می شوند و مولکول های ATP را تولید می کنند.

ب فسفوریلاسیون اکسیداتیو

ترکیبات میانی مانند NADH و FADH2 تولید شده در طی گلیکولیز، دکربوکسیلاسیون پیرووات و چرخه کربس به عنوان حامل الکترون استفاده می شوند و به عنوان بستر در زنجیره انتقال الکترون (ETC) قرار می گیرند که گرادیان پروتون تولید می کند. گرادیان پروتون با کیمیوسموز همراه است، جایی که آنزیم سنتاز ATP ،ATP را سنتز می کند.

2. فتوفسفوریلاسیون

این فرآیندی است که در آن انرژی نور برای فسفریله کردن ADP به ATP در داخل سلول های حاوی کلروفیل استفاده می شود. واکنش کلی فتوفسفوریلاسیون را می توان به صورت زیر بیان کرد:

ADP + light energy + Pi → ATP

دو نوع است؛ فتوفسفوریلاسیون حلقوی و غیر حلقوی

آ. فتوفسفوریلاسیون چرخه ای

این فرآیند فوتوفسفوریلاسیون است که در آن الکترون های آزاد شده توسط رنگدانه P700 Photosystem-I به Photosystem-I بازیافت می شوند. الکترون آزاد شده تحت یک ETC قرار می گیرد که یک گرادیان پروتون تولید می کند که برای تولید ATP توسط  ATP سنتاز در فرآیندی به نام کیمیوسموز استفاده می شود. این عمدتا در سلول های باکتریایی رخ می دهد.

ب فتوفسفوریلاسیون غیر حلقوی

این فرآیند فوتوفسفوریلاسیون است که در آن الکترون های آزاد شده به سیستم فتوسیستمی که آنها را تولید می کند بازیافت نمی شوند. در این مکانیسم، هر دو فتوسیستم-I و -II به طور همزمان برانگیخته می شوند. الکترون های آزاد شده توسط P680 فتوسیستم-II از طریق فسفوریلاسیون ADP توسط آنزیم سنتاز ATP در کیمیوسموز از طریق یک ETC تولید کننده ATP عبور داده می شوند. سپس از الکترون‌ها برای جایگزینی الکترون‌های از دست رفته توسط P700 فتوسیستم-II در طول تحریک نور استفاده می‌شود. سپس الکترون های آزاد شده توسط فتوسیستم-II برای کاهش NADP+ به NADPH استفاده می شود. این عمدتا در سلول های گیاهی رخ می دهد و باعث آزاد شدن یک مولکول O2 در هر مرحله می شود.

3. بتا اکسیداسیون

این یک واکنش کاتابولیک است که در آن اسیدهای چرب به استیل – CoA اکسید می شوند که سپس در معرض چرخه کربس و ETC به طور همزمان برای تولید ATP قرار می گیرند. در طول هر چرخه بتا اکسیداسیون، یک NADH، استیل – CoA و FADH2 تولید می شود. این محصولات میانی سپس ATP آزاد شده را در چرخه کربس و فرآیندهای فسفوریلاسیون اکسیداتیو متابولیزه می کنند.

4. تخمیر

این فرآیند تولید اسید آلی یا الکل از طریق احیای پیروات تولید شده توسط گلیکولیز قند (گلوکز) است. در فرآیند تنفس بی هوازی رخ می دهد. این یک فرآیند فسفوریلاسیون در سطح بستر است که در آن 2 مولکول ATP از یک مولکول گلوکز تولید می شود. محصول نهایی یا اسید لاکتیک یا اتانول است. این محصولات به دلیل کمبود اکسیژن نمی توانند وارد فسفوریلاسیون اکسیداتیو شوند. از این رو دیگر مولکول آدنوزین تری فسفات تولید نمی شود. بنابراین نسبت به فرآیند تنفس هوازی در تولید ATP کمتر موثر است.

هیدرولیز آدنوزین تری فسفات

این فرآیند واکنش کاتابولیک است که در آن پیوندهای فسفودی استری غنی از انرژی مولکول‌های ATP شکسته می‌شوند (هیدرولیز می‌شوند)، و انرژی و مولکول‌های غیرآلی فسفات در حضور آب و آنزیم ATPase آزاد می‌شوند. این یک واکنش اگزرگونیک است که در آن انرژی ذخیره شده در پیوند فسفودی استر در طول تشکیل ATP آزاد می شود. این انرژی آزاد شده توسط سلول برای انجام چندین فعالیت و واکنش سلولی استفاده می شود.

آدنوزین تری فسفات ابتدا هیدرولیز می شود و یک پیوند فسفودی استر غنی از انرژی را می شکند و ADP را تشکیل می دهد. مولکول ADP را می توان بیشتر هیدرولیز کرد و پیوند فسفودی استر غنی از انرژی دیگری را شکست و AMP را تشکیل داد. تجزیه پیوند فسفودی استر توسط آنزیم ATP هیدرولاز (ATPase) در حضور آب کاتالیز می شود. هیدرولیز ATP یک واکنش برگشت پذیر است، یعنی ADP و AMP را می توان از مولکول ATP فسفریله کرد.

هیدرولیز ATP به ADP 7.3 کیلوکالری در مول انرژی آزاد می کند. می توان آن را به صورت زیر بیان کرد:

جایی که:

∆G=  Gibbs free energy = – 7.3 kCal/mol energy

هیدرولیز بیشتر ADP به AMP،  هفت و نیم کیلوکالری در مول انرژی آزاد می کند. می توان آن را به صورت زیر بیان کرد:

جایی که:

∆G=  Gibbs free energy = – 7.5 kCal/mol energy

واکنش کلی را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

کاربرد ATP

1. آدنوزین تری فسفات با تامین انرژی برای تشکیل یا شکستن پیوند نقش مهمی در واکنش های آنابولیک ایفا می کند. منبع اصلی انرژی برای واکنش ها و فرآیندهای سلولی است. انرژی به شکل ATP در داخل سلول های زنده ذخیره و منتقل می شود. تمام اشکال دیگر انرژی شیمیایی در سلول قبل از استفاده به ATP تبدیل می شود.
2. فرآیندهای حیاتی مانند انقباض-انبساط عضلات، حرکات سلولی، انتقال تکانه، پمپاژ قلب، گردش خون و غیره به هیدرولیز ATP به عنوان سوخت نیاز دارند.
3. ATP به عنوان منبع انرژی برای انتقال مولکول ها به داخل و خارج سلول در طی مکانیسم های انتقال فعال استفاده می شود.
4. ATP به عنوان یک منبع انرژی ذخیره شده درون سلولی عمل می کند.
5. ATP در فرآیندهای سیگنال دهی داخل سلولی نقش دارد. آنها به عنوان بستری برای کینازها برای انتقال فسفات، آنزیم های آدنیلات سیکلاز و غیره عمل می کنند. ATP به cAMP (AMP حلقوی) تبدیل می شود، که به عنوان مولکول های سیگنال ثانویه در طول فرآیندهای سیگنال دهی درون سلولی عمل می کند.
6. ATP همچنین در سیگنال دهی خارج سلولی و انتقال عصبی نقش دارد. در طی فرآیند سیگنال دهی پورینرژیک، آدنوزین تری فسفات برای ارتباط سلول به سلول استفاده می شود. همچنین به عنوان یک انتقال دهنده عصبی در چندین فرآیند سیگنال دهی عصبی عمل می کند.

همچنین در ادامه

7. ATP برای بیوسنتز مولکول های DNA و RNA مورد نیاز است. گیراز DNA پروکاریوت ها یا DNA توپوایزومراز II به ATP به شکل dATP (دئوکسی ریبونوکلئوتید آدنوزین تری فسفات) نیاز دارد.

8. همچنین با فعال کردن آنزیم های آمینواسیل – tRNA سنتتاز در واکنش های سنتز پروتئین نقش دارد.

9. چندین ناقل کاست اتصال ATP (انتقال دهنده های ABC) در غشای سلولی وجود دارند که از انرژی اتصال و هیدرولیز ATP برای انتقال سلولی مانند جذب ویتامین ها، یون های فلزی، پیش سازهای بیوسنتزی و غیره و خروج لیپیدها، باقی مانده های دارو، استرول ها و غیره استفاده می کنند.

10. آدنوزین تری فسفات های تزریقی به عنوان داروهای تشخیصی و درمانی برای برخی از اختلالات قلبی (برادی آریتمی قلبی) استفاده می شوند.

11. مشخص شده است که آدنوزین تری فسفات به عنوان یک هیدروتروپ بیولوژیکی عمل می کند. ATP می تواند از تجمع حرارتی پروتئین ها و حلالیت پروتئین ها جلوگیری کند.

12. ATP همچنین به دلیل خواص ضد پیری آن در حال مطالعه است و در داروهای ضد پیری استفاده می شود.