İçerik Başlıkları
Adenozin trifosfat (ATP) Nedir?
Vücut karmaşık bir organizmadır ve bu nedenle düzgün işleyişini sürdürmek için enerjiye ihtiyaç duyar. Adenozin trifosfat (ATP), hücresel düzeyde kullanım ve depolama için enerji kaynağıdır. ATP’nin yapısı, azotlu bir baz (adenin), bir riboz şekeri ve seri bağlı üç fosfat grubundan oluşan bir nükleosid trifosfattır. ATP, ikinci ve üçüncü fosfat grupları arasındaki bağda kolayca serbest bırakılabilir enerji sağladığından, genellikle hücrenin “enerji para birimi” olarak adlandırılır. Enerji sağlamanın yanı sıra, ATP’nin hidroliz yoluyla parçalanması, sinyalleşme ve DNA/RNA sentezi dahil olmak üzere çok çeşitli hücre işlevlerine hizmet eder. ATP sentezi, hücresel solunum, beta-oksidasyon ve ketozis dahil olmak üzere çoklu katabolik mekanizmalardan elde edilen enerjiyi kullanır.
ATP sentezinin çoğu, mitokondriyal matris içindeki hücresel solunumda meydana gelir: oksitlenen glikoz molekülü başına yaklaşık otuz iki ATP molekülü üretilir. ATP, iyon taşınması, kas kasılması, sinir impulsunun yayılması, substrat fosforilasyonu ve kimyasal sentez gibi işlemlerde enerji için tüketilir. Bu süreçler ve diğerleri, ATP için yüksek bir talep yaratır. Sonuç olarak, insan vücudundaki hücreler, düzgün çalışmasını sağlamak için günde 100 ila 150 mol ATP’nin hidrolizine bağlıdır.
Hücresel
ATP, fosfodiester bağları yoluyla bağlanan fosfat grupları nedeniyle “para birimi” olarak kullanmak için mükemmel bir enerji depolama molekülüdür. Bu bağlar, fosfat grupları arasında itici bir kuvvet uygulayan ilişkili elektronegatif yüklerden dolayı yüksek enerjilidir. Fosfat-fosfat bağlarında önemli miktarda enerji depolanır. Metabolik süreçler yoluyla ATP, ADP’ye veya ayrıca AMP’ye ve serbest inorganik fosfat gruplarına hidrolize olur. ATP’nin ADP’ye hidroliz süreci enerjik olarak uygundur ve Gibbs içermeyen -7.3 cal/mol enerji verir. [1] ATP, sürekli çalışan hücreyi beslemek için sürekli olarak yenilenmelidir. ATP’nin rutin hücre içi konsantrasyonu 1 ila 10 uM’dir. [2] Hücrede tutarlı bir ATP seviyesinin korunmasını sağlamak için birçok geri bildirim mekanizması mevcuttur. ATP sentazın arttırılması veya inhibisyonu yaygın bir düzenleyici mekanizmadır. Örneğin, ATP, glikolizde iki anahtar enzim olan fosfofruktokinaz-1 (PFK1) ve piruvat kinazı inhibe eder ve yeterli hücresel ATP olduğunda glikoz parçalanmasını engellemek için negatif bir geri besleme döngüsü görevi görür.
Tersine, ADP ve AMP, PFK1 ve piruvat kinazı aktive ederek, yüksek enerji talebinin olduğu zamanlarda ATP sentezini desteklemeye hizmet edebilir. Kalpte ATP sentezinin düzenlenmesinde yer alan düzenleyici mekanizmalar gibi diğer sistemler ATP’yi düzenler. Yeni deneyler, mitokondriyal flaşlar adı verilen on saniyelik patlamaların kalpteki ATP üretimini bozabileceğini göstermiştir. Bu mitokondriyal flaşlar sırasında, mitokondri reaktif oksijen türlerini serbest bırakır ve ATP sentezini etkili bir şekilde duraklatır. ATP üretim inhibisyonu, mitokondriyal flaşlar sırasında meydana gelir. Düşük enerji talebi sırasında, kalp kası hücreleri ATP üretmek için gerekli yapı taşlarını aldığında, mitokondriyal flaşlar daha sık gözlendi. Alternatif olarak, hızlı kalp kasılması sırasında enerji talebi yüksek olduğunda, mitokondriyal flaşlar daha az sıklıkla meydana geldi. Bu sonuçlar, önemli miktarlarda ATP’nin gerekli olduğu zamanlarda, sürekli ATP üretimine izin vermek için mitokondriyal flaşların daha az meydana geldiğini gösterdi. Tersine, düşük enerji çıkışı zamanlarında, mitokondriyal flaşlar daha düzenli olarak meydana geldiği ve ATP üretimini engellediği gösterilmiştir.[3]
İşlev
ATP hidrolizi, organizmalarda ve hücrelerde birçok temel işlem için gereken enerjiyi sağlar. Bunlar arasında hücre içi sinyalleşme, DNA ve RNA sentezi, Purinerjik sinyalleşme, sinaptik sinyalleşme, aktif taşıma ve kas kasılması yer alır. Bu konular ayrıntılı bir liste değildir, ancak ATP’nin gerçekleştirdiği hayati rollerden bazılarını içerir.
Hücre İçi Sinyalleşmede ATP
Sinyal iletimi büyük ölçüde ATP’ye dayanır. ATP, en çok sayıda ATP bağlayıcı protein olan kinazlar için bir substrat görevi görebilir. Bir kinaz bir proteini fosforile ettiğinde, çeşitli hücre içi sinyal yollarının modülasyonuna yol açan bir sinyal akışı aktive edilebilir. [4] Kinaz aktivitesi hücre için hayati önem taşır ve bu nedenle sıkı bir şekilde düzenlenmesi gerekir. Magnezyum iyonunun varlığı kinaz aktivitesinin düzenlenmesine yardımcı olur. [5] Regülasyon, hücrede fosfat oksijen merkezlerine bağlı ATP ile kompleks halinde bulunan magnezyum iyonları aracılığıyla yapılır.
Kinaz aktivitesine ek olarak ATP, hücre içi haberci salımının her yerde bulunan bir tetikleyicisi olarak işlev görebilir. [6] Bu haberciler hormonları, çeşitli enzimleri, lipid aracılarını, nörotransmitterleri, nitrik oksiti, büyüme faktörlerini ve reaktif oksijen türlerini içerir. [6] Hücre içi sinyalleşmede ATP kullanımının bir örneği, adenilat siklaz için bir substrat görevi gören ATP’de gözlemlenebilir. Bu süreç çoğunlukla G-proteini ile birleştirilmiş reseptör sinyal yollarında meydana gelir. Adenilat siklaza bağlandıktan sonra ATP, kalsiyumun hücre içi depolardan salınmasının sinyalini vermeye yardımcı olan siklik AMP’ye dönüşür. [7] cAMP’nin, hormon sinyal kaskadlarındaki ikincil haberciler, protein kinazların aktivasyonu ve iyon kanallarının işlevini düzenleme dahil olmak üzere başka rolleri vardır.
DNA/RNA Sentezi
DNA ve RNA sentezi ATP gerektirir. ATP, RNA sentezi sırasında gerekli olan dört nükleotid-trifosfat monomerinden biridir. DNA sentezi, DNA sentezi dışında benzer bir mekanizma kullanır, ATP önce şekerden bir oksijen atomunu çıkararak deoksiribonükleotid, dATP verecek şekilde dönüştürülür. [8]
Pürinerjik Sinyal
Purinerjik sinyal, ATP dahil olmak üzere pürin nükleotidlerinin aracılık ettiği bir hücre dışı parakrin sinyal şeklidir. Bu süreç genellikle yakın çevredeki hücrelerde pürinerjik reseptörlerin aktivasyonunu gerektirir, böylece hücre içi süreçleri düzenlemek için sinyaller iletilir. ATP veziküler depolardan salınır ve IP3 ve diğer yaygın ekzositotik düzenleyici mekanizmalar tarafından düzenlenir. ATP, nörotransmitterler arasında birlikte depolanır ve birlikte salınır, bu da ATP’nin hem sempatik hem de parasempatik sinirlerde pürinerjik nörotransmisyon için gerekli bir aracı olduğu fikrini destekler. ATP, otonomik fonksiyonların kontrolü, nöral glia etkileşimleri, ağrı ve damar tonusunun kontrolü dahil olmak üzere çeşitli pürinerjik tepkileri indükleyebilir. [9] [10] [11] [12]
Nörotransmisyon
Beyin, vücuttaki en yüksek ATP tüketicisidir ve mevcut toplam enerjinin yaklaşık yüzde yirmi beşini tüketir. [13] Uygun nöronal sinyalleşme ve sinaptik iletim için iyon konsantrasyonlarını korumak için büyük miktarda enerji harcanır. [14] Sinaptik iletim, enerji gerektiren bir süreçtir. Presinaptik terminalde, nörotransmitterleri veziküllere taşıyan iyon gradyanlarını oluşturmak ve vezikülleri ekzositoz yoluyla salınmaya hazırlamak için ATP gereklidir. [14]Nöronal sinyalleme, presinaptik terminale ulaşan ve yüklü veziküllerin salınmasını işaret eden aksiyon potansiyeline bağlıdır.
Bu süreç, ATP’nin her aksiyon potansiyelinden sonra aksondaki iyon konsantrasyonunu eski haline getirerek başka bir sinyalin oluşmasına izin vermesine bağlıdır. Aktif taşıma, Na/K ATPaz yoluyla bir aksiyon potansiyeli meydana geldikten sonra sodyum ve potasyum iyonu konsantrasyonlarını başlangıç değerlerine sıfırlamaktan sorumludur. Bu işlem sırasında, her ikisi de konsantrasyon gradyanlarına karşı hareket eden bir ATP molekülü hidrolize edilir, üç sodyum iyonu hücre dışına taşınır ve iki potasyum iyonu hücreye geri taşınır.
Akson boyunca ilerleyen aksiyon potansiyelleri, presinaptik terminale ulaştıktan sonra veziküler salınımı başlatır. İyon gradyanlarını oluşturduktan sonra, aksiyon potansiyelleri daha sonra terminale doğru bir sinyal göndererek aksonun depolarizasyonu yoluyla akson boyunca yayılır. Tek bir aksiyon potansiyelini yaymak için yaklaşık bir milyar sodyum iyonu gereklidir. Nöronların, her hücre depolarizasyonundan sonra sodyum/potasyum iyon konsantrasyonunu eski haline getirmek için yaklaşık bir milyar ATP molekülünü hidrolize etmesi gerekecektir. [13]Uyarıcı sinapslar, beynin gri maddesine büyük ölçüde hakimdir.
Glutamat içeren veziküller, postsinaptik uyarıcı glutaminerjik reseptörleri aktive etmek için sinaptik yarığa salınacaktır. Bu moleküllerin yüklenmesi, tek bir vezikülde depolanan yaklaşık dört bin glutamat molekülü nedeniyle büyük miktarlarda ATP gerektirir. [13] Vezikülün salınmasını başlatmak, glutamaterjik postsinaptik süreçleri yürütmek ve vezikül ile arta kalan glutamatı geri dönüştürmek için önemli enerji depoları gereklidir. [13] Bu nedenle, glutamat paketlemesi için gereken büyük miktarda enerji nedeniyle mitokondri, glutamaterjik veziküllere yakındır. [15]
Kas Kasılmasında ATP
Kas kasılması günlük yaşamın gerekli bir işlevidir ve ATP olmadan gerçekleşemez. ATP’nin kas kasılması eyleminde gerçekleştirdiği üç ana rol vardır. Birincisi, miyozin çapraz köprülerinin çevrimi yoluyla bitişik aktin filamentlerine karşı kuvvet üretilmesidir. İkincisi, miyoplazmadan kalsiyum iyonlarının aktif taşıma kullanılarak sarkoplazmik retikulum boyunca konsantrasyon gradyanlarına karşı pompalanmasıdır. ATP tarafından gerçekleştirilen üçüncü işlev, girdi alındığında kalsiyum iyonlarının salınabilmesi için sodyum ve potasyum iyonlarının sarkolemmadan aktif olarak taşınmasıdır. ATP’nin hidrolizi bu süreçlerin her birini yönlendirir. [16]
Mekanizma
Birçok işlem, mevcut metabolik koşullara bağlı olarak vücutta ATP üretme yeteneğine sahiptir. ATP üretimi, hücresel solunum, beta-oksidasyon, ketozis, lipid ve protein katabolizmasından kaynaklanan oksijen varlığında ve ayrıca anaerobik koşullar altında meydana gelebilir.
Hücresel solunum
Hücresel solunum, glikozu asetil-CoA’ya katabolize etme işlemidir ve oksidatif fosforilasyon sırasında oksitlenecek ve ATP verecek yüksek enerjili elektron taşıyıcıları üretir. Hücresel solunumun ilk adımı olan glikoliz sırasında, bir glikoz molekülü iki piruvat molekülüne ayrılır. Bu işlem sırasında, PFK1 ve piruvat kinaz enzimleri tarafından substrat fosforilasyonu yoluyla iki ATP üretilir. Ayrıca iki indirgenmiş NADH elektron taşıyıcı molekülünün üretimi vardır. Piruvat molekülleri daha sonra piruvat dehidrojenaz kompleksi tarafından oksitlenerek bir asetil-CoA molekülü oluşturulur.
Asetil-CoA molekülü daha sonra sitrik asit döngüsünde karbon dioksit ve indirgenmiş elektron taşıyıcıları vermek üzere tamamen oksitlenir. Sitrik asit döngüsünü tamamladıktan sonra, toplam verim, bir ATP eşdeğeri olan iki karbon dioksit molekülüdür. üç NADH molekülü ve bir FADH2 molekülü. Bu yüksek enerjili elektron taşıyıcıları daha sonra elektronları, hidrojen iyonlarının (protonların) gradyanlarına karşı mitokondriyal matristen iç zar boşluğuna aktarıldığı elektron taşıma zincirine aktarır.
ATP molekülleri daha sonra elektrokimyasal gradyan gücü ATP sentazı aşağı doğru hareket eden protonlar olarak sentezlenir.[9] Üretilen ATP miktarı, hangi elektron taşıyıcısının protonları bağışladığına bağlı olarak değişir. Bir NADH molekülü iki buçuk ATP üretirken, bir FADH2 molekülü bir buçuk ATP molekülü üretir. [17]
Beta Oksidasyon
Beta-oksidasyon, organizmalarda ATP sentezi için başka bir mekanizmadır. Beta-oksidasyon sırasında, yağ asidi zincirleri kalıcı olarak kısalır ve Asetil-CoA molekülleri oluşur. Her beta-oksidasyon döngüsü boyunca, yağ asidi iki karbon uzunluğu kadar indirgenerek, sitrik asit döngüsünde oksitlenebilen bir asetil-CoA molekülü ve yüksek enerjilerini aktaran NADH ve FADH2’den birer molekül üretir. taşıma zincirine elektron. [18]
Ketozis
Ketoz, keton cisimlerinin katabolizması yoluyla ATP veren bir reaksiyondur. Ketoz sırasında, keton cisimleri enerji üretmek için katabolizmaya uğrar ve mitokondride oksitlenen asetoasetat molekülü başına yirmi iki ATP molekülü ve iki GTP molekülü üretir.
Anaerobik Solunum
Hücresel solunum sırasında oksijen kıt olduğunda veya mevcut olmadığında, hücreler anaerobik solunum geçirebilir. Anaerobik koşullar sırasında, NADH’yi NAD+’ya oksitleyememe nedeniyle NADH moleküllerinde bir artış olur, bu da GAPDH’nin hareketlerini ve glikoz tüketimini sınırlar. NADH’nin homeostatik seviyelerini korumak için, piruvat laktata indirgenir ve laktik fermantasyon olarak bilinen bir süreçte bir NADH molekülünün oksidasyonu sağlanır. Laktik fermantasyonda, glikolizde oluşturulan iki NADH molekülü, NAD+ rezervuarını korumak için oksitlenir. Bu reaksiyon, glikoz molekülü başına yalnızca iki ATP molekülü üretir.
İlgili Test
Birçok yöntem hücre içi ATP seviyelerini hesaplayabilir. Yaygın olarak kabul edilen bir protokol, lusiferinin oksidasyonunu sağlayan bir enzim olan ateşböceği lusiferazının kullanılmasını içerir. [19] Bu reaksiyon, biyolüminesans olarak bilinen ve ölçülebilir bir ışık fotonu salan bu reaksiyonun enerji çıkışı nedeniyle ölçülebilir.
Klinik Önem
Ağrı Kontrolünde ATP’lerin Rolü
ATP, klinik çalışmalarda akut perioperatif ağrıda bir azalma olduğunu göstermektedir. [20] Bu çalışmalarda hastalara intravenöz ATP verildi. İntravenöz adenosin infüzyonu, A1 adenozin reseptörü üzerinde etki ederek, enflamasyonda gözlemlenen ağrı giderici etkilere nihai olarak yardımcı olan bir sinyal zincirini başlatır. Çalışmalar, adenozin bileşiklerinin orta dozlarda uygulandığında allodini ve hiperaljeziyi azalttığını göstermiştir. [20] A1 adenozin reseptörü aktivasyonu, bazı durumlarda potansiyel olarak haftalarca süren, yavaş başlangıçlı ve uzun süreli etki sağlaması nedeniyle etkili ağrı müdahalesi sağlar. [20]
Anestezi
ATP takviyesi, anestezi sırasında olumlu sonuçlar üretti. Kanıtlar, düşük doz adenosinin nöropatik ağrıyı, iskemik ağrıyı ve hiperaljeziyi morfine benzer bir düzeye indirdiğini göstermektedir. [21] Adenosin, postoperatif opioid kullanımını da azalttı, bu da potansiyel olarak uzun süreli bir A1 adenozin reseptörü aktivasyonu olduğunu göstermektedir.
Kardiyoloji ve Cerrahi
ATP’nin pulmoner hipertansiyondan etkilenen hastalarda güvenli ve pratik bir pulmoner vazodilatör olduğu gösterilmiştir. [21]
Referanslar
-
- [1]Meurer F, Do HT, Sadowski G, Held C, Metabolik reaksiyonların standart Gibbs enerjisi: II. Glikoz-6-fosfataz reaksiyonu ve ATP hidrolizi. Biyofiziksel kimya. 2017 Nisan;[PubMed PMID: 28282626]
- [2]Beis I,Newsholme EA, Omurgalılardan ve omurgasızlardan alınan dinlenme kaslarındaki adenin nükleotidlerinin, fosfajenlerin ve bazı glikolitik ara maddelerin içeriği. Biyokimya dergisi. 1975 Ekim; [PubMed PMID: 1212224]
- [3]Wang X,Zhang X,Wu D,Huang Z,Hou T,Jian C,Yu P,Lu F,Zhang R,Sun T,Li J,Qi W,Wang Y,Gao F,Cheng H, Mitokondriyal flaşlar ATP homeostazını düzenler kalpte. eYaşam. 2017 10 Temmuz; [PubMed PMID: 28692422]
- [4]Mishra NS,Tuteja R,Tuteja N, Bitkilerde MAP kinaz ağları aracılığıyla sinyalleşme. Biyokimya ve biyofizik arşivleri. 2006 1 Ağustos; [PubMed PMID: 16806044]
- [5]Lin X,Ayrapetov MK,Sun G, Bir protein tirozin kinazın aktif bölgesi ile iki değerlikli bir metal aktivatörü arasındaki etkileşimlerin karakterizasyonu. BMC biyokimyası. 23 Kasım 2005; [PubMed PMID: 16305747]
- [6]Zimmermann H, Hücre Dışı ATP ve diğer nükleotidler-hücreler arası haberci salımının her yerde bulunan tetikleyicileri. Pürinerjik sinyalizasyon. 2016 Mart;[PubMed PMID: 26545760]
- [7]Kamenetsky M, Middelhaufe S, Bank EM, Levin LR, Buck J, Steegborn C, Memeli hücrelerinde cAMP oluşumunun moleküler detayları: iki sistemin hikayesi. Moleküler biyoloji dergisi. 29 Eylül 2006; [PubMed PMID: 16934836]
- [8]Joyce CM,Steitz TA, Polimeraz yapıları ve işlevi: bir temadaki varyasyonlar? Bakteriyoloji Dergisi. 1995 Kasım; [PubMed PMID: 7592405]
- [9]Bonora M,Patergnani S,Rimessi A,De Marchi E,Suski JM,Bononi A,Giorgi C,Marchi S,Missiroli S,Poletti F,Wieckowski MR,Pinton P, ATP sentezi ve depolanması. Pürinerjik sinyalizasyon. 2012 Eylül; [PubMed PMID: 22528680]
- [10]Cárdenas C,Miller RA,Smith I,Bui T,Molgó J,Müller M,Vais H,Cheung KH,Yang J,Parker I,Thompson CB,Birnbaum MJ,Hallows KR,Foskett JK, Temel InsP3 hücre biyoenerjetiği düzenlemesi mitokondriye reseptör Ca2 transferi. Hücre. 23 Temmuz 2010; [PubMed PMID: 20655468]
- [11]Pablo Huidobro-Toro J, Verónica Donoso M, Sempatik ortak iletim: ATP ve noradrenalinin koordineli eylemi ve bunların insan vasküler nöroefektör kavşaklarında nöropeptit Y ile modülasyonu. Avrupa farmakoloji dergisi. 1 Ekim 2004; [PubMed PMID: 15464018]
- [12]Coco S,Calegari F,Pravettoni E,Pozzi D,Taverna E,Rosa P,Matteoli M,Verderio C, ATP’nin kültürde astrositlerden depolanması ve salınması. Biyolojik kimya Dergisi. 2003 10 Ocak;[PubMed PMID: 12414798]
- [13]Attwell D, Laughlin SB, Beynin gri maddesinde sinyalleşme için bir enerji bütçesi. Serebral Kan Akışı ve Metabolizma Dergisi: Uluslararası Serebral Kan Akışı ve Metabolizma Derneği’nin resmi dergisi. 2001 Ekim; [PubMed PMID: 11598490]
- [14]Harris JJ, Jolivet R, Attwell D, Sinaptik enerji kullanımı ve temini. Nöron. 2012 6 Eylül;[PubMed PMID: 22958818]
- [15]Wong-Riley MT, Sitokrom oksidaz: nöronal aktivite için endojen bir metabolik belirteç. Nörobilimlerdeki eğilimler. 1989 Mart; [PubMed PMID: 2469224]
- [16]Barclay CJ, Kasılma enerjisi. Kapsamlı Fizyoloji. 2015 Nisan; [PubMed PMID: 25880520]
- [17]Rich PR, Keilin’in solunum zincirinin moleküler mekanizması. Biyokimya Topluluğu işlemleri. 2003 Aralık; [PubMed PMID: 14641005]
- [18]Ronnett GV, Kim EK, Landree LE, Tu Y, Obezite tedavisi için bir hedef olarak yağ asidi metabolizması. Fizyoloji [PubMed PMID: 15878185]
- [19]Brovko LYu, Romanova NA, Ugarova NN, Birlikte hareketsiz hale getirilmiş bir üç enzim reaktif maddesinin (adenilat kinaz, piruvat kinaz ve ateşböceği lusiferaz) kullanımıyla bakteriyel hücre içi AMP, ADP ve ATP’nin biyolüminesan testi. Analitik biyokimya. 1994 1 Ağustos; [PubMed PMID: 7978286]
- [20]Hayashida M, Fukuda K, Fukunaga A, Ağrı kontrolü için adenosin ve ATP’nin klinik uygulaması. Anestezi Dergisi. 2005 [PubMed PMID: 16032451]
- [21]Agteresch HJ, Dagnelie PC, van den Berg JW, Wilson JH, Adenosin trifosfat: yerleşik ve potansiyel klinik uygulamalar. İlaçlar. 1999 Ağustos [PubMed PMID: 10473017]
ÜRÜN BİLGİSİ İÇİN TIKLAYINIZ!