Вы когда-нибудь задумывались над вопросом «Откуда в живых организмах столько энергии для роста, развития, существования?» Ответ частично заключается в удивительной и чрезвычайно важной молекуле – АТФ, или аденозинтрифосфорной кислоте. Это универсальный переносчик энергии, его используют бактерии и растения, животные и грибы. АТФ обеспечивает сокращение мышц, транспорт молекул и ионов из одной клетки в другую, поддерживает протекание химических реакций, в том числе работу ферментов – биологических катализаторов (про один из которых мы писали ранее). Однако средний период существования молекулы с такой значимой ролью – несколько секунд. Каким же образом настолько нестабильное химическое соединение стало одним из наиболее важных для живых организмов?

Скелет АТФ

В начале стоит рассмотреть структуру АТФ: из каких компонентов состоит это вещество?

Структура АТФ. Энергия клетки.
Рисунок 1. Структура АТФ. Азотистое основание аденин соединено через атом озота с рибозой – пятиуглеродным сахаром. Также в составе присутствуют три остатка фосфорной кислоты в ионном виде (в котором АТФ существует в растворе). Показаны высокоэнергетические связи АТФ (волнистые линии красного цвета) и отрицательные заряды у атомов кислорода.

В аденозинтрифосфорной кислоте есть три части – аденин (одно из азотистых оснований – веществ, характерных для нуклеиновых кислот), пятиуглеродный сахар – рибоза, и три остатка фосфорной кислоты (благодаря последним вещество имеет «трифосфорную» часть в названии). Последняя часть позволяет АТФ быть энергетической валютой клетки – между остатками фосфорной кислоты образуются химические связи, содержащие много энергии, они называются макроэргическими связями. Фосфатные группы заряжены отрицательно, и возникает взаимное отталкивание одноименных зарядов внутри молекулы, из-за чего структура становится нестабильной. Таким образом, расщепление макроэргических связей выгодно и сопровождается выделением энергии (с точки зрения термодинамики, такая функция состояния, как энергия Гиббса, для реакции гидролиза АТФ принимает отрицательные значения, что говорит о самопроизвольности процесса)[1].

Гидролиз АТФ. Энергия клетки.
Рисунок 2. Схема распада АТФ под действием воды (гидролиза). На первой стадии из АТФ образуется АДФ (аденозиндифосфат), содержащий два остатка фосфорной кислоты, и отдельный ион фосфорной кислоты, а также выделяется энергия (+E). Разрушение второй макроэргической связи тоже выгодно, в данном процессе продуктом является АМФ (аденозинмонофосфат).

Энергетическая валюта живых организмов

В клетке и живом организме в целом протекает множество реакций, требующих энергетических затрат, благодаря чему АТФ оказывается крайне полезной: высвобождаемая энергия используется, например, для биосинтеза крупных молекул (о подробном механизме перехода энергии из АТФ в энергию, запускающую процессы, читатель может узнать дополнительно)[7]. Допустим, АТФ регулирует функционирование ферментов, синтезирующих нуклеиновые кислоты, – ДНК- или РНК-полимераз (изменение концентрации АТФ меняет скорость работы белков). В свою очередь, благодаря этому клетки в нашем организме способны делиться и нормально функционировать, реализуя закодированную в хромосомах генетическую информацию (создавая необходимые для жизнедеятельности РНК и белки, в том числе другие ферменты). Мало того, АТФ сама является субстратом для синтеза РНК, поскольку представляет собой активированный нуклеотид – молекула способна встраиваться в полинуклеотидную цепь при отщеплении двух концевых остатков фосфорной кислоты (образуется АМФ – аденозинмонофосфат, один из мономеров, то есть элементарных составляющих, РНК)[2]. Уже без этих «услуг» АТФ, которыми пользуется клетка, жизнь в привычном понимании не могла бы существовать. 

Транскрипция. Синтез РНК на матрице ДНК. Матричные реакции.
Рисунок 3. Схема транскрипции – синтеза РНК на основе одной из цепей ДНК (транскрибируемой). АТФ обеспечивает энергией работу фермента РНК-полимеразы, а также является субстратом для реакции удлинения цепи РНК (входит в группу свободных нуклеозидтрифосфатов)

Можно рассмотреть и другие примеры. Не секрет, что внутри наших клеток есть рибосомы – органеллы, позволяющие из отдельных аминокислот создать полноценную белковую молекулу. Белок дальше может особенным образом менять форму, соединяться с другими белковыми цепями, химически преобразовываться, и все эти стадии протекают с затратой энергии АТФ. Безусловно, и крупные молекулы липидов и углеводов, неотъемлемые участники метаболизма, синтезируются не без помощи этой великолепной молекулы. Вообще говоря, многие биомолекулы вовлекаются в метаболические пути после добавления к ним остатка фосфорной кислоты (фосфорилирования). Источником этого «активирующего» молекулу компонента тоже является АТФ, «жертвующая» свой концевой фосфат (эта реакция катализируется ферментами, носящими название «киназы»). 

Выходит, что благодаря «энергетическому курьеру» обеспечивается материальная основа клетки – биологические мембраны, органеллы, цитоплазматические и мембранные белки строятся с помощью АТФ.

Другие функции АТФ

АТФ играет ключевую роль и в иных процессах, таких как:

  • Механическая работа внутри клетки – работа моторных белков, транспортирующих органеллы из одной части цитоплазмы в другую. Например, белок кинезин перемещается по микротрубочкам, а миозин – по актиновым микрофиламентам. Разумеется, и сокращение мышц (работа актин-миозиновых комплексов в миоцитах) происходит при участии универсального переносчика энергии. 
Моторные белки микротрубочек. Кинезин и динеин. АТФазы.
Рисунок 4. Перенос грузов моторными белками внутри клетки. Показаны два белка, перемещающиеся по микротрубочкам – кинезин и динеин. Они движутся к разным концам микротрубочки («плюс» и «минус»), получая энергию из АТФ.
  • Транспорт ионов и молекул изнутри клетки во внеклеточное пространство и в обратном направлении. Важно отметить, что АТФ участвует именно в активном транспорте. Это перемещение веществ из пространства с низкой концентрацией в пространство с высокой (энергетически это невыгодно). Кстати, это помогает поддерживать постоянство условий в клетке – внутри нее почти всегда примерно одинаковая концентрация ионов за счет работы белковых «помп». Условие постоянства внутренней среды важно для протекания метаболических процессов. Например, ферменты часто не могут работать вне узкого диапазона концентраций тех или иных ионов).
Натрий-калиевый насос. Активный транспорт. Транспортные АТФазы.
Рисунок 5. Схема работы ионного насоса – натрий-калиевой помпы, которая откачивает ионы натрия из клетки и закачивает в нее ионы калия. Эта работа тоже требует затрат АТФ. Пояснение: Фн – неорганический фосфат, фосфорная кислота, образующаяся при гидролизе.

Интересно, что в клетке есть, допустим, такие помпы, которые изменяют концентрацию ионов водорода H+. Эти ионы обуславливают кислотность раствора. Подобные белки обеспечивают закисление среды внутри вакуолей, переваривающих пищу внутри клетки. Кислая среда в данном случае нужна для эффективной работы ферментов. Они расщепляют поступившие в клетку крупные молекулы на более мелкие, пригодные к дальнейшему использованию в обмене веществ. 

Фагоцитоз. Иммунитет.
Рисунок 6. Упрощенная схема обезвреживания бактерии клеткой иммунной системы. После поглощения бактерии в клетку «чужак» оказывается заперт в пузырьке – фагосоме. После слияния с другим пузырьком – лизосомой, содержащей пищеварительные ферменты, – происходит закисление среды вакуоли (фаголизосомы) и переваривание бактериальной клетки.

Сокращение мышечных волокон возможно не только благодаря использованию АТФ моторными белками. Это также происходит а счет того, что АТФ гидролизуется насосами, закачивающими ионы кальция в эндоплазматическую сеть (ЭПС) мышечных клеток. Выброс крупного количества этих ионов из образующегося бассейна в ЭПС – одно из условий работы мышц. Невероятно, что даже простое нажатие на клавишу при печати этого текста было бы невозможно без одной-единственной молекулы!

  • Передача сигналов между клетками: если внутри клетки АТФ работает как переносчик энергии, то при выделении молекул во внешнюю среду они могут быть сигнальными агентами. Например, клетка иммунной системы может встретиться с чужеродными или больными клетками, в том числе с возбудителями заболеваний или клетками опухолей. После этого она может секретировать АТФ, которая будет связываться с рецепторами клеток сердца, легких, почек и других органов. Получение сигнала изменит протекание физиологических процессов и подготовит организм, допустим, к воспалению[3].
  • Естественная денатурация – разрушение белковых молекул внутри клетки. Часто бывает так, что в клетке появляются белки, которые не могут правильно работать, нормально функционировать. Это обусловлено разными причинами. Например, рибосома может присоединить не ту аминокислоту к белковой цепи. Или сам белок может неправильно преобразоваться после синтеза. В таких случаях клетка принимает жесткие и необратимые меры – утилизирует бракованный продукт. Делается это с помощью крупных белковых комплексов – протеасом. Они, используя энергию АТФ, обеспечивают денатурацию отклоняющихся от нормы «индивидов»  белкового сообщества. 

Монетный двор: синтез энергетической валюты

Должно быть, у Вас возник вопрос: если АТФ участвует в огромном перечне процессов, откуда клетка берет источник колоссального количества этого вещества? Все просто: клетка синтезирует АТФ сама, в основном с помощью специальных органелл, митохондрий. Они не зря называются энергетическими станциями – в результате сложных циклических процессов с участием кислорода органические молекулы (например, получаемые с пищей) окисляются до углекислого газа и воды, при этом полученная энергия переводится в форму АТФ. Делается это с помощью уникальных ферментов, АТФ-синтаз, катализаторов реакции присоединения остатков фосфорной кислоты к АМФ и АДФ, поэтому данный процесс называется окислительным фосфорилированием. Еще АТФ образуется без участия кислорода при расщеплении глюкозы в цитоплазме (гликолизе). Однако число молекул в результате невелико (в среднем в 19 раз меньше, чем при участии митохондрий)[4]; в хлоропластах растений при фотосинтезе АТФ является одним из промежуточных продуктов, участвующих в синтезе углеводов. 

Синтез АТФ. Катаболизм. Гликолиз и окислительное фосфорилирование. Митохондрии.
Рисунок 7. Синтез АТФ в клетке. Гликолиз позволяет синтезировать АТФ без участия кислорода, далее в митохондриях цикл Кребса и окислительное фосфорилирование позволяют производить еще больше АТФ.

Сегодня мы кратко рассмотрели важный элемент организма, без которого невозможно представить жизнь в настоящем ее проявлении. Важно понять, что АТФ – уникальная молекула, благодаря которой живут и функционируют, общаются между собой клетки наших тканей, а значит, живем, функционируем и общаемся между собой мы – обитатели Земли. 

Еще больше интересного…

Часто биологи, да и не только они, задаются фундаментальными вопросами, такими как «Как возникла жизнь?», «Почему организм выглядит так, а не иначе?»  и т.п. Как это связано с АТФ? А вот как: биохимиков долгое время интересовал тот факт, что именно аденозинтрифосфорная кислота является универсальным переносчиком энергии, а не, например, другие нуклеозидтрифосфаты (такие как ГТФ или ЦТФ). А ведь они тоже содержат макроэргические связи и участвуют в синтезе нуклеиновых кислот!

Недавно ученые попытались понять, почему эволюция клетки пошла именно таким специфическим путем. АТФ – сложная молекула, и в истории Земли не могла возникнуть сразу. Согласно гипотезе, у нее был более простой по строению и механизму синтеза предшественник. На его роль биохимики выдвинули ацетилфосфат. Это вещество используется современными бактериями и археями как источник остатка фосфорной кислоты при синтезе АТФ из АДФ. Показано, что ацетилфосфат мог синтезироваться и участвовать в синтезе АТФ до возникновения жизни, на древней Земле, миллиарды лет назад[5]

Структура ацетилфосфата. Энергия клетки.
Рисунок 8. Молекула ацетилфосфата. Фиолетовым цветом выделен важный для нас остаток фосфорной кислоты.

Исследователи сосредоточились конкретно на реакции образования АТФ. Они установили, что она способна идти в слабокислой среде в присутствии ионов железа Fe3+, которые играли роль катализатора. Весьма удивительным оказалось то, что такая реакция может идти только для АТФ. Ни ГТФ, ни ЦТФ, ни иные нуклеозидтрифосфаты не вступали во взаимодействие с железом! Это странно для минерального катализатора, ведь избирательность скорее свойственна ферментам – биологическим молекулам. Ученые выяснили, почему процесс протекает именно так, с помощью моделирования связывания компонентов реакции между собой. Оказывается, ион железа, скорее всего, первоначально связывается с атомом N7 аденина, в тот же момент выхватывая ацетилфосфат из раствора. Если же моделировать тот же процесс, допустим, с ГТФ, то другие атомы азота будут препятствовать эффективному катализу[6].

Возможный механизм пребиотического синтеза АТФ. Энергия клетки.
Рисунок 9. Предполагаемый механизм реакции синтеза АТФ из ацетилфосфата и АДФ в присутствии ионов железа. Для проведения процесса иону железа необходимо связаться именно с атомом азота N7 кольца аденина.

Таким образом, если принять, что гипотеза группы исследователей верна, и процессы на предбиологической Земле проходили именно такими путями, то вполне очевидна причина выбора АТФ клетками. Новообразовавшиеся организмы использовали уже доступные реакции для обеспечения обмена веществ. Благодаря этому все организмы, окружающие нас, от видимых лишь в микроскоп бактерий до огромных китов, двигаются, питаются и вообще существуют за счет уже известной Вам молекулы.

Источники

  1. Sahlin K. High-energy phosphates and muscle energetics // Medicine and Sport Science. – 2004. – Т. 46. – С. 87-107.
  2. Stouthamer A. H. A theoretical study on the amount of ATP required for synthesis of microbial cell material // Antonie van Leeuwenhoek. – 1973. – Т. 39. – С. 545-565.
  3. Dou L. et al. Extracellular ATP signaling and clinical relevance // Clinical Immunology. – 2018. – Т. 188. – С. 67-73.
  4. Lunt S. Y., Vander Heiden M. G. Aerobic glycolysis: meeting the metabolic requirements of cell proliferation // Annual review of cell and developmental biology. – 2011. – Т. 27. – С. 441-464.
  5. https://elementy.ru/novosti_nauki/433284/Istochnikom_energii_dlya_drevneyshey_zhizni_mog_sluzhit_atsetilfosfat?from=rxblock
  6. https://elementy.ru/novosti_nauki/434046/ATF_stal_universalnoy_energeticheskoy_valyutoy_blagodarya_prostote_prebioticheskogo_sinteza
  7. Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. Биоэнергетика и метаболизм. Москва. Бином. В трех томах. Том 2. – 2014. – С.35

Источники рисунков

[I], [II]. Пальцын К.М. Использование изображений с указанием авторства и ссылки на первоисточник (заметку на сайте журнала).

[III]. Отредактированный рисунок с ресурса http://profil.adu.by/mod/book/view.php?id=3964

[IV]. http://profil.adu.by/mod/book/tool/print/index.php?id=3943

[V]. https://studopedia.ru/9_35284_b-aktivniy-transport-trebuet-zatrat-energii.html

[VI]. https://ru.wikipedia.org/wiki/Фагоциты

[VII]. https://thepresentation.ru/biologiya/mitohondrii-stroenie-funktsii-proishozhdenie-mitohondriy

[VIII]. https://elementy.ru/novosti_nauki/433284/Istochnikom_energii_dlya_drevneyshey_zhizni_mog_sluzhit_atsetilfosfat?from=rxblock

[IX]. https://elementy.ru/novosti_nauki/434046/ATF_stal_universalnoy_energeticheskoy_valyutoy_blagodarya_prostote_prebioticheskogo_sinteza

Изображение записи: https://www.acs.org/molecule-of-the-week/archive/a/adenosine-triphosphate.html

Подписаться на рассылку

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *