Аденозинтрифосфат

Аденозинтрифосфат (АТФ, аденозин-5'-трифосфат) — это нуклеозидтрифосфат, являющийся универсальным источником энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых клетках. Представляет собой молекулу, запасающую и переносящую энергию, необходимую для синтеза белков, мышечного сокращения, нервной проводимости, транспорта веществ через мембраны и многих других клеточных функций. Относится к классу макроэргических соединений, так как содержит химические связи с высоким энергетическим потенциалом.

История открытия

АТФ был открыт в 1929 году группой учёных: независимо друг от друга к этому пришли немецкий биохимик Карл Ломанн (в экстрактах мышц) и американские биохимики, работавшие в Институте Рокфеллера, Сайрус Фиске и Йеллапрагада Субрахманьян (в печени). Ломанн выделил и охарактеризовал вещество, назвав его «аденозинтрифосфорной кислотой». В 1935 году голландский биохимик Фриц Липман ввёл понятие «макроэргических связей» (обозначаемых символом ~) для описания высокоэнергетических фосфатных связей в АТФ. За открытие АТФ и его роли в клеточном метаболизме Липман в 1953 году получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Однако окончательное понимание структуры и функции АТФ (в частности, его роль в сокращении мышц) было установлено в 1940-х годах благодаря работам Владимира Энгельгардта и Милицы Любимовой в СССР, а также Альберта Сент-Дьёрдьи.

Химическое строение

Общая структура

Молекула АТФ состоит из трёх основных компонентов:

1. Азотистое основание — аденин (пуриновое производное).
2. Углевод — рибоза (пентоза).
3. Три остатка фосфорной кислоты, соединённых последовательно (α-, β- и γ-фосфатные группы).

Связь между рибозой и аденином — N-гликозидная. Между рибозой и первым фосфатом — сложноэфирная (фосфоэфирная). Связи между фосфатами — ангидридные (пирофосфатные). Именно последние две связи (между β- и γ-фосфатами, а также между α- и β-фосфатами) называют макроэргическими, так как при их гидролизе выделяется значительное количество свободной энергии (около 30,5–34,0 кДж/моль в стандартных условиях).

Макроэргические связи

Химическая формула АТФ — C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃. В клетке АТФ существует преимущественно в виде аниона АТФ⁴⁻. Атомы фосфора обозначают греческими буквами: α (ближайший к рибозе), β, γ (концевой). Разрыв γ-фосфатной связи (отщепление одного остатка фосфорной кислоты) приводит к образованию аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (H₃PO₄, или Pi), высвобождая энергию.

Формула гидролиза

\[ \text{АТФ} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{АДФ} + \text{H}_3\text{PO}_4 + \text{энергия} (30,5 \text{ кДж/моль}) \]

При дальнейшем гидролизе АДФ образуется аденозинмонофосфат (АМФ) и ещё один неорганический фосфат. В некоторых реакциях происходит гидролиз с отщеплением пирофосфата (PPi), что также высвобождает энергию.

Биологическая роль

АТФ выполняет несколько критически важных функций в клетке.

Энергетическая функция

АТФ является основным «энергетическим топливом» клетки. Все эндэргонические (требующие затраты энергии) реакции, включая биосинтез сложных молекул, мышечное сокращение, активный транспорт ионов против градиента концентрации, сопряжены с гидролизом АТФ. АТФ выполняет роль прямого донора энергии: его макроэргические связи расщепляются в нужном месте и в нужное время.

Синтез АТФ

В клетке АТФ постоянно регенерируется из АДФ и неорганического фосфата. Основные пути синтеза:

1. Окислительное фосфорилирование — происходит в митохондриях у эукариот (и на мембранах у прокариот). Энергия, выделяющаяся при переносе электронов по дыхательной цепи (градиент протонов), используется для присоединения фосфата к АДФ (фермент АТФ-синтаза). Это главный источник АТФ в клетках, дышащих кислородом.
2. Субстратное фосфорилирование — происходит в цитоплазме (при гликолизе) и в митохондриях (в цикле Кребса). Фосфатная группа переносится от метаболита (донора) на АДФ.
3. Фотофосфорилирование — происходит в хлоропластах растений и у фотосинтезирующих бактерий. Энергия света используется для создания градиента протонов и последующего синтеза АТФ.

Другие функции

Помимо энергетической, АТФ участвует в:

• Сигнальной трансдукции: активирует киназы (фосфорилирование белков).
• Метаболической регуляции: аллостерически регулирует активность многих ферментов (гликолиза, цикла Кребса, пентозофосфатного пути).
• Нейротрансмиссии: в синапсах нейронов АТФ может выступать в роли нейромедиатора (пуринергическая передача).
• Синтезе нуклеиновых кислот: АТФ — один из субстратов для РНК-полимераз (входит в состав РНК).
• Внутриклеточном транспорте: необходим для работы моторных белков (кинезина, динеина, миозина).
• Защите от осмотического шока: в эритроцитах АТФ-зависимые насосы поддерживают ионный баланс.
• Апоптозе: при низком уровне АТФ клетка может перейти от запрограммированной гибели (апоптоза) к некрозу.

Круговорот АТФ в клетке

Общий запас АТФ в клетке невелик (всего около 5–10 ммоль/л, что обеспечивает работу лишь на несколько секунд). Поэтому скорость регенерации АТФ должна быть высокой. В норме АТФ постоянно расщепляется (в ходе реакций, потребляющих энергию) и немедленно синтезируется заново. В условиях интенсивной мышечной нагрузки (например, бег на короткие дистанции) используется креатинфосфатная система (в мышцах) для быстрой регенерации АТФ, минуя окислительное фосфорилирование. При длительных нагрузках (бег, плавание) источником АТФ служит в основном окислительное фосфорилирование.

Энергетический запас (Креатинфосфат)

Креатинфосфат (креатин-фосфорная кислота) служит быстро мобилизуемым резервом высокоэнергетических фосфатов в мышечной и нервной ткани. Фермент креатинкиназа катализирует перенос фосфатной группы от креатинфосфата на АДФ, быстро восстанавливая АТФ во время кратковременных интенсивных нагрузок.

Использование энергии АТФ в клетке

Энергия, высвобождаемая при гидролизе АТФ, используется различными клеточными механизмами:

Количественные характеристики

• Энергия гидролиза АТФ (в стандартных физиологических условиях) варьирует от 30,5 до 34,0 кДж/моль (7,3–8,1 ккал/моль). В клетке, однако, из-за ионной силы и pH, энергия может достигать ~50–57 кДж/моль (≈12–14 ккал/моль).
• Концентрация АТФ в клетке составляет обычно 2–10 мМ (в зависимости от типа ткани и функционального состояния). В печени — около 3–4 мМ, в мышцах — 5–7 мМ.
• Скорость оборота АТФ у человека: в покое человек потребляет и синтезирует около 40–50 кг АТФ в сутки. При интенсивной физической нагрузке эта цифра может возрастать в 5–10 раз.
• Выход АТФ из одной молекулы глюкозы: при полном окислении (до CO₂ и H₂O) — около 30–32 молекул АТФ (у эукариот). В анаэробных условиях (гликолиз) — всего 2 молекулы АТФ.

Регуляция уровня АТФ

Клетки способны регулировать синтез и расход АТФ через:

• Аденилатную систему (измеряя отношение АТФ/АДФ/АМФ).
• Активацию или ингибирование ключевых ферментов метаболизма (фосфофруктокиназы, пируватдегидрогеназы, изоцитратдегидрогеназы) аллостерическими эффекторами (высокий уровень АТФ ингибирует; высокий АДФ/АМФ — активирует).
• Фосфорилирование с участием протеинкиназ (например, АМФ-активируемая протеинкиназа (АМФК) активируется при низком уровне АТФ).

Патологии, связанные с метаболизмом АТФ

Нарушения синтеза и использования АТФ лежат в основе многих заболеваний:

• Митохондриальные болезни (например, синдром Лея, синдром MELAS) — дефекты дыхательной цепи, приводят к недостатку АТФ.
• Гликогенозы (болезнь Мак-Ардла — тип V) — нарушение высвобождения глюкозы из гликогена, что ограничивает анаэробный синтез АТФ.
• Мышечная слабость и утомляемость при ряде метаболических миопатий.
• Ишемические состояния (инфаркт миокарда, инсульт) — резкое снижение синтеза АТФ из-за гипоксии.
• Нарушение работы АТФ-аз (например, мутация Na⁺/K⁺-АТФазы может вызывать неврологические расстройства).

Источники

• Ленинджер А. Основы биохимии. В 3 т. — М.: Мир, 1985.
• Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. — М.: Лаборатория знаний, 2020.
• Бойер П. Биохимия. — М.: Мир, 1986.
• Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия. — М.: Мир, 2012.
• Захаров Ф.П., Левунина Н.В. Обмен веществ и энергии. — М.: Изд-во МГУ, 2008.
• Alberts B. et al. Molecular Biology of the Cell. 7th ed. — Garland Science, 2021.
• Wilson D.F., Rumsey W.L., Green D.K. The role of ATP in cellular energy metabolism. — J. Biol. Chem., 1985.
• Lipmann F. Metabolic generation and utilization of phosphate bond energy. — Advances in Enzymology, 1941.