Apa yang menentukan apakah reaksi yang menggunakan ATP menghasilkan ADP atau AMP?
Sebagian besar reaksi yang menggunakan ATP tampaknya melibatkan:
ATP → ADP + Pi
tetapi dalam beberapa reaksinya adalah
ATP → AMP + PPi
diikuti dengan hidrolisis pirofosfat:
PPi → 2Pi
Apakah ada prinsip yang menentukan reaksi yang membutuhkan ATP yang menghasilkan ADP dan mana yang menghasilkan AMP? Dan adakah alasan mengapa pembentukan fosfat anorganik tidak berlanjut seperti berikut?
ATP → ADP + Pi
ADP → AMP + Pi
Jawaban
Ringkasan
Ini adalah sifat reaksi biokimia yang menentukan apakah reaksi ATP melibatkan hidrolisis ikatan β- atau γ- fosfoanhidrida. Jika bagian dari molekul ATP digabungkan ke dalam salah satu produk, pilihan ikatan yang akan dipecah muncul dari reaksi kimia. Jika hidrolisis (dengan perubahan energi bebas negatif, ΔG) digabungkan dengan reaksi dengan ΔG positif, hidrolisis ikatan fosfoanhidrida tunggal (γ-) biasanya mencukupi, dengan produksi ADP dan Pi. Jika energi bebas hidrolisis ikatan fosfoanhidrida sedang 'ditransfer' ke molekul lain untuk 'mengaktifkannya' untuk peran transfer kelompok khusus (sering kali dalam sintesis makromolekul) dua ikatan sering diputus: yang pertama ( β-) mentransfer energi bebas dengan produksi pirofosfat, sedangkan yang kedua (sekarang dalam pirofosfat) dihidrolisis secara tidak produktif (energi bebas hilang sebagai panas) untuk memastikan bahwa keseluruhan reaksi tidak dapat diubah.
Pertimbangan energi dalam reaksi yang melibatkan ATP
Saya telah membahas beberapa hal ini secara lebih panjang dalam menjawab pertanyaan lain , namun penting untuk mengklarifikasi hal ini di awal. Dalam mempertimbangkan reaksi biologis, biasanya untuk mengadopsi pendekatan termodinamika di mana termodinamika (Gibbs) Perubahan Energi Bebas (ΔG) reaksi dipertimbangkan. Ini karena, mengutip dari Berg et al. :
- Reaksi dapat terjadi secara spontan hanya jika ΔG negatif.
- Suatu sistem berada pada kesetimbangan dan tidak ada perubahan bersih yang dapat terjadi jika ΔG adalah nol.
- Reaksi tidak dapat terjadi secara spontan jika ΔG positif. Masukan energi bebas diperlukan untuk mendorong reaksi semacam itu.
Literatur memberikan nilai perubahan energi bebas standar , ΔG o , untuk reaksi, yaitu nilai yang diperoleh dalam kondisi di mana konsentrasi semua reaktan dan produk ditetapkan pada konsentrasi yang sama. Perubahan energi bebas aktual , ΔG, bergantung pada konsentrasi reaktan dan produk (efek aksi massa).
Hidrolisis ikatan β- dan γ- fosfoanhidrida ATP keduanya memiliki nilai negatif ΔG o ca. –45 dan –30 kJ per mol, masing-masing †.
Penggunaan ATP untuk mendorong reaksi yang tidak menguntungkan s
Dalam banyak kasus, hidrolisis ATP digabungkan ke reaksi yang tidak menguntungkan secara energik ( reaksi dengan + ve ΔG o ) sehingga reaksi gabungan memiliki perubahan energi bebas negatif secara keseluruhan dan karenanya reaksi yang menguntungkan secara energetik dapat terjadi:
A → B ΔG = 20 kJ/mol (unfavourable)
ATP → ADP + Pi ΔG = –30 kJ/mol (favourable)
A + ATP → B + ADP + Pi ΔG = –10 kJ/mol (favourable)
Dalam contoh hipotesis ini, 20 kJ / mol energi bebas hidrolisis ATP digunakan untuk mengubah A menjadi B, 10 kJ / mol lainnya hilang sebagai panas, tetapi membuat reaksi pada dasarnya tidak dapat diubah. Energi hidrolisis hanya dari ikatan fosfoanhidrida tunggal cukup untuk ini, dan dicapai dengan hidrolisis ikatan γ dengan produksi ADP . (Hidrolisis ikatan β akan 'melepaskan' ikatan kedua dalam pirofosfat, di mana hidrolisisnya tidak dapat digunakan secara produktif.) Contohnya adalah konversi piruvat menjadi oksaloasetat dalam glukoneogenesis, di mana energi diperlukan untuk membentuk ikatan karbon-karbon:
CH 3 COCOO - + HCO 3 - + ATP → COO - CH 2 COCOO - + ADP + Pi
Penggabungan ATP ke dalam produk
Dalam beberapa kasus, tidak hanya hidrolisis ikatan fosfoanhidrida, tetapi komponen kimia ATP dimasukkan ke dalam salah satu produk. Dalam hal ini reaksi kimia yang sebenarnya menentukan ikatan mana yang dihidrolisis.
Dalam jenis reaksi pertama, gugus fosfat dimasukkan ke dalam produk, dalam hal ini jelas akan menjadi γ-fosfat dan ADP akan dihasilkan. Contoh sederhananya adalah reaksi heksokinase:
Glukosa + ATP → Glukosa 6-P + ADP
Reaksi ini pada dasarnya tidak dapat diubah karena energi ikatan heksosa fosfat jauh lebih sedikit daripada energi ikatan fosfoanhidrida.
Pada reaksi jenis kedua , komponen AMP ATP (atau molekul serupa) dimasukkan ke dalam salah satu produk, sehingga produk lainnya haruslah pirofosfat . Contoh nyata adalah reaksi RNA polimerase, yang untuk tujuan kita dapat direpresentasikan sebagai:
------ ribose-3′OH + ATP → ------ ribose - 3′O-PO 2 -O-5′-Adenosine + PPi
ATP dan reaksi 'aktivasi': dasar pemikiran untuk pirofosfat
Dalam reaksi ATP tertentu, energi ikatan fosfoanhidrida digunakan untuk menciptakan ikatan energi bebas hidrolisis yang serupa, yang dengan sendirinya dapat digunakan kemudian untuk mengaktifkan reaksi lain. Dalam kasus ini reaksi mungkin melibatkan sedikit perubahan energi bebas, sehingga akan tampak mudah dibalik. Dalam banyak kasus, ikatan β fosfoanhidrida terputus, menghasilkan pirofosfat. Alasan untuk ini adalah bahwa pirofosfat kemudian diubah menjadi fosfat dalam reaksi yang dikatalisis oleh pirofosfat, yang memiliki DG negatif yang tinggi dan karenanya pada dasarnya tidak dapat diubah karena energi bebas hidrolisis ikatan fosfoanhidrida dalam pirofosfat hilang sebagai panas.
A + ATP → B + AMP + PPi ΔG = 0 kJ/mol (reversible)
PPi → 2 Pi ΔG = –33 kJ/mol (irreversible)
Contoh-contoh yang sering diberikan untuk menjelaskan hal ini adalah reaksi polimerase asam nukleat, tetapi, meskipun ini berlaku juga untuk reaksi tersebut, sifat reaksinya memerlukan pembentukan pirofosfat. Untuk beberapa hal ini adalah kasus dengan kebanyakan reaksi aktivasi lainnya, tetapi mungkin lebih jelas untuk mempertimbangkan reaksi di mana komponen ATP digabungkan sebagai perantara sementara, daripada sebagai komponen produk akhir. Reaksi semacam itu adalah aktivasi asam amino untuk sintesis protein:
asam amino + ATP → aminoasil-AMP + PPi
aminoacyl-AMP + tRNA → aminoacyl-tRNA + AMP
'Aktivasi' adalah pembentukan ikatan dengan energi bebas hidrolisis yang tinggi dalam aminoasil-AMP dari ikatan β fosfoanhidrida. Ini kemudian digunakan untuk mendorong reaksi yang membentuk ikatan antara asam amino dan tRNA. Pembangkitan pirofosfat memastikan ketidakterbalikan yang efektif dari langkah kunci dalam biosintesis protein ini.
† Kemungkinan peran perbedaan energi bebas hidrolisis
Fakta bahwa energi bebas standar hidrolisis ikatan β fosfoanhidrida lebih besar daripada energi bebas ikatan γ fosfoanhidrida mungkin juga relevan dalam beberapa kasus, seperti yang dikatakan @ user1136 dalam jawabannya untuk pertanyaan ini .
DNA polimerase menggunakan bentuk reaksi NTP -> NMP + PPi yang diikuti dengan degradasi pirofosfat yang cepat karena alasan yang sangat penting. Itu membuat reaksi tidak dapat diubah (atau kuasi tidak dapat diubah). Reaksi mundur (secara praktis) tidak mungkin karena agar dapat berlangsung, banyak senyawa harus bersatu kembali secara bersamaan di tempat katalitik enzim dan beberapa proses non-spontan harus terjadi secara bersamaan. Jadi, dalam kasus DNA polimerase, pertimbangan penting adalah tidak dapat diubahnya reaksi. Di sisi lain, jika tujuan utama Anda adalah memanen energi (misalnya metabolisme), Anda dapat mengkatalisasi reaksi melalui serangkaian langkah yang berpotensi dapat dibalik.