Cosa determina se una reazione che utilizza ATP produce ADP o AMP?

Aug 17 2020

La maggior parte delle reazioni che utilizzano l'ATP sembrano coinvolgere:

ATP → ADP + Pi

ma in alcuni la reazione è

ATP → AMP + PPi

seguita da idrolisi del pirofosfato:

PPi → 2Pi

Esiste un principio che determina quali reazioni che richiedono ATP generano ADP e quali generano AMP? E c'è qualche motivo per cui la generazione di fosfato inorganico non procede come segue?

ATP → ADP + Pi

ADP → AMP + Pi

Risposte

6 David Aug 17 2020 at 23:38

Sommario

È la natura della reazione biochimica che determina se una reazione di ATP coinvolge l'idrolisi del legame β- o γ- fosfoanidride. Se una parte della molecola di ATP viene incorporata in uno dei prodotti, la scelta del legame da scindere emerge dalla chimica della reazione. Se l'idrolisi (con una variazione negativa di energia libera, ΔG) viene accoppiata a una reazione con un ΔG positivo, l'idrolisi del singolo legame (γ-) fosfoanidride di solito è sufficiente, con la produzione di ADP e Pi. Se l'energia libera di idrolisi del legame fosfoanidride viene 'trasferita' ad un'altra molecola per 'attivarla' per un ruolo di trasferimento di gruppo specializzato (spesso nella sintesi di macromolecole) due legami vengono spesso rotti: il primo ( β-) trasferisce l'energia libera con la produzione di pirofosfato, mentre la seconda (ora nel pirofosfato) viene idrolizzata in modo non produttivo (energia libera persa come calore) per garantire che la reazione complessiva sia irreversibile.

Considerazioni energetiche nelle reazioni che coinvolgono ATP

Ne ho discusso più a lungo in una risposta a un'altra domanda , tuttavia è importante chiarirlo all'inizio. Nel considerare le reazioni biologiche, è usuale adottare un approccio termodinamico in cui viene considerata la variazione di energia libera (ΔG) termodinamica (Gibbs) della reazione. Questo perché, per citare Berg et al. :

  • Una reazione può verificarsi spontaneamente solo se ΔG è negativo.
  • Un sistema è in equilibrio e non può aver luogo alcuna variazione netta se ΔG è zero.
  • Una reazione non può verificarsi spontaneamente se ΔG è positivo. È necessario un input di energia libera per guidare una tale reazione.

La letteratura fornisce i valori delle variazioni di energia libera standard , ΔG o , per le reazioni, cioè i valori ottenuti in condizioni in cui la concentrazione di tutti i reagenti e prodotti è posta alla stessa concentrazione. L' effettiva variazione di energia libera, ΔG, dipende dalla concentrazione di reagenti e prodotti (effetti di azione di massa).

L'idrolisi dei legami β- e γ- fosfoanidride dell'ATP hanno entrambi un alto valore negativo di ΔG o di ca. –45 e –30 kJ per mol, rispettivamente †.

L'utilizzo di ATP per guidare reazione sfavorevole s

In molti casi l'idrolisi dell'ATP è accoppiata a una reazione energeticamente sfavorevole (una con un + ve ΔG o ) in modo che la reazione accoppiata abbia una variazione di energia libera complessivamente negativa e quindi la reazione energeticamente favorevole può avvenire:

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)

In questo esempio ipotetico, 20 kJ / mol dell'energia libera di idrolisi dell'ATP vengono utilizzati per convertire A in B, gli altri 10 kJ / mol vengono persi come calore, ma rende la reazione essenzialmente irreversibile. L'energia di idrolisi di un solo legame fosfoanidridico è sufficiente per questo, ed è ottenuta dall'idrolisi del legame γ con la produzione di ADP . (L'idrolisi del legame β "scioglierebbe" il secondo legame nel pirofosfato, dove la sua idrolisi non può essere utilizzata in modo produttivo.) Un esempio è la conversione del piruvato in ossalacetato nella gluconeogenesi, in cui è richiesta energia per formare un legame carbonio-carbonio:

CH 3 COCO - + HCO 3 - + ATP → COO - CH 2 COCO - + ADP + Pi

Incorporazione di ATP nei prodotti

In alcuni casi non c'è solo l'idrolisi di un legame fosfoanidridico, ma un componente chimico dell'ATP è incorporato in uno dei prodotti. In questo caso la reazione chimica effettiva determina quale legame viene idrolizzato.

Nel primo tipo di reazione un gruppo fosfato viene incorporato nel prodotto, nel qual caso questo sarà ovviamente il γ-fosfato e verrà generato ADP . Un semplice esempio di ciò è la reazione esochinasi:

Glucosio + ATP → Glucosio 6-P + ADP

La reazione è essenzialmente irreversibile poiché l'energia del legame esoso fosfato è molto inferiore a quella del legame fosfoanidride.

Nel secondo tipo di reazione la componente AMP di ATP (o molecole simili) è incorporata in uno dei prodotti, quindi l'altro prodotto deve essere pirofosfato . L'esempio ovvio è la reazione della RNA polimerasi, che per i nostri scopi può essere rappresentata come:

------ ribosio-3′OH + ATP → ------ ribosio - 3′O-PO 2 -O-5′-Adenosina + PPi

ATP e reazioni di "attivazione": razionale per pirofosfato

In alcune reazioni di ATP l'energia di un legame fosfoanidride viene utilizzata per creare un legame di simile energia libera di idrolisi, che può essere utilizzato successivamente per attivare altre reazioni. In questo caso la reazione può comportare poca o nessuna variazione di energia libera, in modo da sembrare facilmente reversibile. In molti di questi casi il legame β fosfoanidride viene scisso, generando pirofosfato. La ragione di ciò è che il pirofosfato viene quindi convertito in fosfato in una reazione catalizzata dalle pirofosfatasi, che ha un alto DG negativo ed è quindi essenzialmente irreversibile perché l'energia libera di idrolisi del legame fosfoanidridico nel pirofosfato viene persa come calore.

A + ATP → B + AMP + PPi     ΔG = 0 kJ/mol (reversible)
PPi → 2 Pi                  ΔG = –33 kJ/mol (irreversible)

Gli esempi spesso forniti per spiegare questo sono le reazioni della polimerasi dell'acido nucleico, ma, sebbene questo si applichi anche a loro, la natura della loro reazione richiede la generazione di pirofosfato. In una certa misura questo è il caso della maggior parte delle altre reazioni di attivazione, ma potrebbe essere più chiaro considerarne una in cui il componente di ATP è incorporato come intermedio temporaneo, piuttosto che come componente del prodotto finale. Una tale reazione è l'attivazione degli amminoacidi per la sintesi proteica:

amminoacido + ATP → amminoacil-AMP + PPi

amminoacil-AMP + tRNA → amminoacil-tRNA + AMP

L '“attivazione” è la formazione di legami con un'elevata energia libera di idrolisi nell'amminoacil-AMP dal legame β fosfoanidride. Questo viene quindi utilizzato per guidare la reazione formando un legame tra l'amminoacido e il tRNA. La generazione di pirofosfato garantisce l'effettiva irreversibilità di questo passaggio chiave nella biosintesi delle proteine.

† Possibile ruolo delle differenze di energia libera di idrolisi

Il fatto che l'energia libera standard di idrolisi del legame β fosfoanidride sia maggiore di quella del legame γ fosfoanidride può anche essere rilevante in alcuni casi, come ha sostenuto @ user1136 nella sua risposta a questa domanda .

1 e-gabrielyan Aug 17 2020 at 23:11

La DNA polimerasi utilizza questa forma di reazione NTP -> NMP + PPi che è seguita da una rapida degradazione del pirofosfato per un motivo molto importante. Rende la reazione irreversibile (o quasi irreversibile). La reazione all'indietro è (praticamente) impossibile perché, affinché avvenga, più composti devono riunirsi simultaneamente nel sito catalitico dell'enzima e più processi non spontanei devono avvenire simultaneamente. Quindi, nel caso della DNA polimerasi, una considerazione importante è l'irreversibilità della reazione. D'altra parte, se il tuo obiettivo principale è raccogliere energia (ad esempio il metabolismo), puoi catalizzare la reazione attraverso una serie di passaggi potenzialmente reversibili.