อะไรเป็นตัวกำหนดว่าปฏิกิริยาที่ใช้ ATP สร้าง ADP หรือ AMP
ปฏิกิริยาส่วนใหญ่ที่ใช้ ATP ดูเหมือนจะเกี่ยวข้องกับ:
ATP → ADP + Pi
แต่ในบางปฏิกิริยาคือ
ATP →แอมป์ + PPi
ตามด้วยไฮโดรไลซิสของไพโรฟอสเฟต:
PPi → 2Pi
มีหลักการใดบ้างที่กำหนดปฏิกิริยาที่ต้องใช้ ATP สร้าง ADP และตัวใดสร้าง AMP และมีสาเหตุใดที่ทำให้การสร้างอนินทรีย์ฟอสเฟตไม่ดำเนินการดังต่อไปนี้?
ATP → ADP + Pi
ADP → AMP + Pi
คำตอบ
สรุป
เป็นธรรมชาติของปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่กำหนดว่าปฏิกิริยาของ ATP เกี่ยวข้องกับการไฮโดรไลซิสของพันธะβ-หรือγ-ฟอสโฟอันไฮไดรด์ หากส่วนหนึ่งของโมเลกุล ATP รวมอยู่ในผลิตภัณฑ์อย่างใดอย่างหนึ่งการเลือกพันธะที่จะแยกออกมาจากเคมีของปฏิกิริยา ถ้าการไฮโดรไลซิส (ที่มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระเป็นลบΔG) ถูกจับคู่กับปฏิกิริยาที่มีΔGบวกการไฮโดรไลซิสของพันธะฟอสโฟอันไฮไดรด์เดี่ยว (γ-) มักจะเพียงพอด้วยการผลิต ADP และ Pi หากพลังงานอิสระของการไฮโดรไลซิสของพันธะฟอสโฟแอนไฮไดรด์ถูก 'ถ่ายโอน' ไปยังโมเลกุลอื่นเพื่อ 'เปิดใช้งาน' สำหรับบทบาทการถ่ายโอนกลุ่มเฉพาะ (มักใช้ในการสังเคราะห์โมเลกุลขนาดใหญ่) พันธะสองพันธะมักจะแตก: พันธะแรก ( β-) ถ่ายโอนพลังงานอิสระด้วยการผลิต pyrophosphate ในขณะที่อย่างที่สอง (ตอนนี้อยู่ใน pyrophosphate) จะถูกไฮโดรไลซ์โดยไม่ก่อให้เกิดผล (พลังงานอิสระที่สูญเสียไปเป็นความร้อน) เพื่อให้แน่ใจว่าปฏิกิริยาโดยรวมไม่สามารถย้อนกลับได้
การพิจารณาพลังงานในปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับ ATP
ฉันได้พูดถึงเรื่องนี้บางส่วนในคำตอบสำหรับคำถามอื่นแต่เป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องชี้แจงเรื่องนี้ตั้งแต่เริ่มแรก ในการพิจารณาปฏิกิริยาทางชีววิทยาเป็นเรื่องปกติที่จะใช้วิธีการทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งพิจารณาการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระทางอุณหพลศาสตร์(กิ๊บส์) (ΔG)ของปฏิกิริยา นี่เป็นเพราะอ้างจากBerg et al :
- ปฏิกิริยาสามารถเกิดขึ้นเองได้ก็ต่อเมื่อΔGเป็นลบ
- ระบบอยู่ในสภาวะสมดุลและจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงสุทธิหาก ifG เป็นศูนย์
- ปฏิกิริยาไม่สามารถเกิดขึ้นเองได้หากΔGเป็นบวก จำเป็นต้องมีการป้อนพลังงานอิสระเพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาดังกล่าว
วรรณคดีให้ค่าของการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระมาตรฐาน ΔG oสำหรับปฏิกิริยากล่าวคือค่าที่ได้รับภายใต้สภาวะที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ทั้งหมดถูกกำหนดที่ความเข้มข้นเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระที่แท้จริง ΔGขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ (ผลกระทบต่อมวล)
การไฮโดรไลซิสของพันธะβ-และγ-ฟอสโฟอันไฮไดรด์ของ ATP ทั้งสองมีค่าΔG oของ ca เป็นลบสูง –45 และ –30 กิโลจูลต่อโมลตามลำดับ†
การใช้งานของเอทีพีเพื่อผลักดันให้เกิดปฏิกิริยาที่ไม่เอื้ออำนวย s
ในหลาย ๆ กรณีการไฮโดรไลซิสของ ATP จะควบคู่ไปกับปฏิกิริยาที่ไม่เอื้ออำนวยอย่างมีพลัง (หนึ่งที่มี a + ve ΔG o ) เพื่อให้ปฏิกิริยาคู่มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระเชิงลบโดยรวมและด้วยเหตุนี้ปฏิกิริยาที่เอื้ออำนวยต่อการเกิดก็สามารถเกิดขึ้นได้:
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)
ในตัวอย่างสมมุตินี้ 20 kJ / mol ของพลังงานอิสระของการไฮโดรไลซิสของ ATP ถูกใช้เพื่อเปลี่ยน A เป็น B ส่วนอีก 10 kJ / mol จะสูญเสียไปเป็นความร้อน แต่ทำให้ปฏิกิริยากลับไม่ได้เป็นหลัก พลังงานของการย่อยสลายเพียงเดียวพันธบัตร phosphoanhydride เพียงพอสำหรับการนี้และจะประสบความสำเร็จโดยการย่อยสลายของพันธบัตรγที่มีการผลิตของADP (การไฮโดรไลซิสของพันธะβจะ 'หลุด' พันธะที่สองในไพโรฟอสเฟตซึ่งไม่สามารถใช้การไฮโดรไลซิสได้อย่างมีประสิทธิผล) ตัวอย่างคือการเปลี่ยนไพรูเวตเป็นออกซาโลอะซีเตตในกลูโคโนเจเนซิสซึ่งพลังงานจำเป็นในการสร้างพันธะคาร์บอน - คาร์บอน:
CH 3 COCOO - + HCO 3 - + ATP → COO - CH 2 COCOO - + ADP + Pi
การรวม ATP เข้ากับผลิตภัณฑ์
ในบางกรณีไม่ได้มีเพียงการไฮโดรไลซิสของพันธะฟอสโฟอันไฮไดรด์เท่านั้น แต่ยังมีส่วนประกอบทางเคมีของ ATP รวมอยู่ในผลิตภัณฑ์อย่างใดอย่างหนึ่งด้วย ในกรณีนี้ปฏิกิริยาเคมีที่แท้จริงจะเป็นตัวกำหนดพันธะที่ถูกไฮโดรไลซ์
ในปฏิกิริยาประเภทแรกกลุ่มฟอสเฟตจะรวมอยู่ในผลิตภัณฑ์ซึ่งในกรณีนี้จะเห็นได้ชัดว่าเป็นγ-phosphate และADPจะถูกสร้างขึ้น ตัวอย่างง่ายๆคือปฏิกิริยาเฮกโซไคเนส:
กลูโคส + ATP →กลูโคส 6-P + ADP
โดยพื้นฐานแล้วปฏิกิริยาจะไม่สามารถย้อนกลับได้เนื่องจากพลังงานของพันธะเฮกโซสฟอสเฟตนั้นน้อยกว่าพันธะฟอสโฟแอนไฮไดรด์มาก
ในประเภทที่สองของการเกิดปฏิกิริยาองค์ประกอบของเอทีพีแอมป์ (หรือโมเลกุลคล้ายกัน) รวมอยู่ในหนึ่งในผลิตภัณฑ์เพื่อให้ผลิตภัณฑ์อื่น ๆ ที่จะต้องpyrophosphate ตัวอย่างที่ชัดเจนคือปฏิกิริยา RNA polymerase ซึ่งสำหรับวัตถุประสงค์ของเราสามารถแสดงเป็น:
------ ribose-3′OH + ATP → ------ ไรโบส - 3′O-PO 2 -O-5′-Adenosine + PPi
ATP และปฏิกิริยา 'กระตุ้น': เหตุผลสำหรับไพโรฟอสเฟต
ในปฏิกิริยาบางอย่างของ ATP พลังงานของพันธะฟอสโฟแอนไฮไดรด์จะถูกใช้เพื่อสร้างพันธะของพลังงานอิสระที่คล้ายกันของไฮโดรไลซิสซึ่งสามารถใช้ในภายหลังเพื่อกระตุ้นปฏิกิริยาอื่น ๆ ในกรณีนี้ปฏิกิริยาอาจเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระเพียงเล็กน้อยเพื่อให้ดูเหมือนว่าสามารถย้อนกลับได้ง่าย ในหลาย ๆ กรณีเช่นนี้พันธะβ phosphoanhydride จะถูกแยกออกทำให้เกิด pyrophosphate เหตุผลก็คือจากนั้นไพโรฟอสเฟตจะถูกเปลี่ยนเป็นฟอสเฟตในปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยไพโรฟอสฟาเตสซึ่งมี DG ที่เป็นลบสูงและด้วยเหตุนี้จึงไม่สามารถย้อนกลับได้เนื่องจากพลังงานอิสระของการไฮโดรไลซิสของพันธะฟอสโฟแอนไฮไดรด์ในไพโรฟอสเฟตจะสูญเสียไปเป็นความร้อน
A + ATP → B + AMP + PPi ΔG = 0 kJ/mol (reversible)
PPi → 2 Pi ΔG = –33 kJ/mol (irreversible)
ตัวอย่างที่มักให้เพื่ออธิบายสิ่งนี้คือปฏิกิริยาโพลีเมอเรสของกรดนิวคลีอิก แต่ถึงแม้ว่าสิ่งนี้จะนำไปใช้กับพวกเขาด้วย แต่ธรรมชาติของปฏิกิริยาของพวกมันก็จำเป็นต้องสร้างไพโรฟอสเฟต ในบางกรณีเป็นกรณีที่เกิดปฏิกิริยากระตุ้นอื่น ๆ ส่วนใหญ่ แต่อาจชัดเจนกว่าที่จะพิจารณาสิ่งที่องค์ประกอบของ ATP รวมอยู่ในตัวกลางชั่วคราวแทนที่จะเป็นส่วนประกอบของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ปฏิกิริยาดังกล่าวคือการกระตุ้นกรดอะมิโนสำหรับการสังเคราะห์โปรตีน:
กรดอะมิโน + ATP → aminoacyl-AMP + PPi
อะมิโนอะซิล - แอมป์ + tRNA →อะมิโนอะซิล - tRNA + แอมป์
'การกระตุ้น' คือการก่อตัวของพันธะที่มีพลังงานไฮโดรไลซิสอิสระสูงในอะมิโนอะซิล - แอมป์จากพันธะβฟอสฟอนไฮไดรด์ จากนั้นจะใช้ในการขับเคลื่อนปฏิกิริยาที่สร้างพันธะระหว่างกรดอะมิโนกับ tRNA การสร้างไพโรฟอสเฟตช่วยให้มั่นใจได้ว่าขั้นตอนสำคัญในการสังเคราะห์โปรตีนจะกลับไม่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
†บทบาทที่เป็นไปได้ของความแตกต่างของพลังงานอิสระของการย่อยสลาย
ความจริงที่ว่าพลังงานอิสระมาตรฐานของการไฮโดรไลซิสของพันธะβ phosphoanhydride นั้นมากกว่าพันธะγ phosphoanhydride อาจมีความเกี่ยวข้องในบางกรณีเนื่องจาก @ user1136 ได้โต้แย้งในคำตอบของเขาสำหรับคำถามนี้
DNA polymerase ใช้รูปแบบของปฏิกิริยา NTP -> NMP + PPi ซึ่งตามมาด้วยการย่อยสลายอย่างรวดเร็วของ pyrophosphate ด้วยเหตุผลที่สำคัญมาก มันทำให้ปฏิกิริยากลับไม่ได้ (หรือเหมือนกลับไม่ได้) ปฏิกิริยาย้อนกลับเป็นไปไม่ได้ (ในทางปฏิบัติ) เนื่องจากเพื่อให้เกิดขึ้นสารประกอบหลายชนิดจะต้องรวมตัวกันอีกครั้งในบริเวณที่เร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์และกระบวนการที่ไม่เกิดขึ้นเองหลายอย่างจะต้องเกิดขึ้นพร้อมกัน ดังนั้นในกรณีของ DNA polymerase การพิจารณาที่สำคัญคือการกลับไม่ได้ของปฏิกิริยา ในทางกลับกันหากเป้าหมายหลักของคุณคือการเก็บเกี่ยวพลังงาน (เช่นการเผาผลาญ) คุณสามารถกระตุ้นปฏิกิริยาผ่านชุดขั้นตอนที่อาจย้อนกลับได้