Войти
Гидролиз АТФпроцесс катаболической реакции, при котором химическая энергия, которая была сохранена в высокоэнергетических фосфоангидридных связях в аденозинтрифосфате (АТФ), высвобождается при расщеплении этих связей, например, в мышцах, производя работу в виде механической энергии. Продукт представляет собой аденозиндифосфат (ADP) и неорганический фосфат, ортофосфат (P i ). АДФ можно дополнительно гидролизовать с получением энергии, аденозинмонофосфата (АМФ) и другого ортофосфата (P i ). Гидролиз АТФ является последним звеном между энергией, полученной из пищи или солнечного света, и полезной работой, такой как сокращение мышц, установление электрохимических градиентов через мембраны и биосинтетические процессы, необходимые для поддержания жизни.
Описание и типичный учебник, в котором ангидридные связи обозначаются как «высокоэнергетические... связи», могут ввести студентов в заблуждение. Связи P-O на самом деле довольно прочные (на ~ 30 кДж / моль прочнее, чем связи C-N), и сами по себе не особенно легко разрываются. Как отмечено ниже, энергия высвобождается при гидролизе АТФ. Однако, когда связи P-O разрываются, требуется подвод энергии. Это образование новых связей и неорганического фосфата с более низкой энергией с выделением большего количества энергии, что снижает общую энергию системы и делает ее более стабильной.
Гидролиз фосфата в АТФ является особенно экзергоническим, потому что образующийся молекулярный ион ортофосфата в значительной степени стабилизируется множественными резонансными структурами, что приводит к образованию продуктов (АДФ и P i ) ниже по энергии, чем 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. В определенных условиях высокий уровень гидролиза АТФ может способствовать молочнокислому ацидозу.
Гидролиз концевой фосфоангидридной связи - это в высшей степени экзергонический процесс. Количество выделяемой энергии зависит от условий в конкретной клетке. В частности, выделяемая энергия зависит от концентраций АТФ, АДФ и P i. Поскольку концентрации этих молекул отклоняются от значений в состоянии равновесия, величина изменения свободной энергии Гиббса (ΔG) будет все больше различаться. В стандартных условиях (концентрации АТФ, АДФ и P i равны 1M, концентрация воды равна 55 M) значение ΔG составляет от -28 до -34 кДж / моль.
Диапазон значений ΔG существует, потому что эта реакция зависит от концентрации катионов Mg, которые стабилизируют молекулу АТФ. Клеточная среда также вносит свой вклад в различия в величине ΔG, поскольку гидролиз АТФ зависит не только от исследуемой клетки, но также от окружающей ткани и даже компартмента внутри клетки. Следовательно, следует ожидать изменчивости значений ΔG.
Зависимость между стандартным изменением свободной энергии Гиббса Δ r G и химическим равновесием является показательной. Это соотношение определяется уравнением Δ r G = -RT ln (K), где K - константа равновесия, которая равна коэффициенту реакции Q в равновесии. Стандартное значение ΔG 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 вовлеченных молекул (а именно, АТФ, АДФ и P i ) далеки от стандартного 1 M. Фактически, концентрации более целесообразно измерять в мМ, что на три порядка меньше M. При использовании этих нестандартных концентраций расчетное значение Q намного меньше единицы. Связав Q с ΔG с помощью уравнения ΔG = Δ r G + RT ln (Q), где Δ r G - стандартное изменение свободной энергии Гиббса для гидролиза АТФ, Установлено, что величина ΔG намного превышает стандартное значение. Нестандартные условия в клетке фактически приводят к более благоприятной реакции.
В одном конкретном исследовании для определения ΔG in vivo у человека концентрация АТФ, АДФ и P i была измеряется 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 ΔG = -64 кДж / моль. После ишемии, когда мышца восстанавливается после нагрузки, концентрация АТФ составляет всего 1 мМ, а концентрация АДФ составляет около 7 мкмоль / л. Следовательно, абсолютное значение ΔG будет достигать -69 кДж / моль.
Сравнивая стандартное значение ΔG и экспериментальное значение ΔG, можно увидеть, что энергия, выделяемая при гидролизе АТФ, равна измеренное на людях, почти вдвое превышает энергию, производимую в стандартных условиях.
