Enzymy zwane kinazami katalizują przenoszenie grup fosforowych do cząsteczek organicznych. Źródłem grupy fosforanowej w większości reakcji fosforylacji jest cząsteczka zwana trójfosforanem adenozyny, w skrócie ATP.
Zauważ, że cząsteczka składa się zasadniczo z trzech części: bazy nukleozydowej adeniny, pięciowęglowego cukru (rybozy) i grupy trifosforanowej. Trzy fosforany są oznaczone greckimi literami a, b, i g. Dwufosforan adenozyny (ADP) i monofosforan adenozyny (AMP) są również ważnymi graczami w reakcjach tego rozdziału.
Zobaczysz ATP, ADP i AMP skracane na wiele różnych sposobów w tym tekście i w całej literaturze biochemicznej. Na przykład, trzy poniższe struktury są skróconym przedstawieniem ATP:
Następujące ćwiczenie pozwoli Ci przećwiczyć rozpoznawanie różnych skrótów dla cząsteczek biologicznych, które zawierają grupy fosforanowe.
Szablon:ExampleStart
Ćwiczenie 10.2: Poniżej przedstawiono szereg reprezentacji, oznaczonych literami A-S, cząsteczek zawierających grupy fosforanowe. Użyto różnych skrótów. Ułóż A-S w grupy rysunków przedstawiających tę samą cząsteczkę, używając różnych skrótów (lub nie używając żadnego skrótu).
Gdy mówimy o „wydatkowaniu” energii cząsteczki ATP, mamy na myśli to, że grupa fosforanowa jest przenoszona z ATP na inną cząsteczkę akceptorową, dzięki czemu cząsteczka akceptorowa staje się bardziej reaktywna. Na przykład, w wielu reakcjach przeniesienia fosforylu (takich jak fosforylacja glukozy, której użyliśmy jako przykładu w sekcji 10.1D) fosforan gamma (γ) z ATP jest przenoszony na organiczny akceptor, uwalniając ADP.
W innych reakcjach zasada, ryboza, i fosforan alfa są przenoszone na cząsteczkę organiczną, tworząc addukt organiczny-AMP, podczas gdy nieorganiczny pirofosforan (PPi) jest uwalniany.
Okresowo, grupy fosforanowe beta i gamma są przenoszone razem, z uwolnieniem AMP.
We wszystkich tych reakcjach, stosunkowo stabilna cząsteczka organiczna jest przekształcana w produkt fosforylowany o wyższej energii. Ten aktywowany produkt może następnie reagować w sposób, w jaki jego bardziej stabilny, niefosforylowany odpowiednik nie mógłby – grupy fosforowe, jak wiemy, są znacznie lepszymi grupami opuszczającymi w reakcjach substytucji nukleofilowej niż grupa hydroksylowa alkoholi. Nawet jeśli przekształcenie związku wyjściowego o niższej energii w produkt o wyższej energii jest samo w sobie procesem termodynamicznie pod górkę, to ogólna reakcja przeniesienia fosforylu jest termodynamicznie pod górkę, ponieważ przekształcenie ATP w ADP lub AMP – rozerwanie wiązania bezwodnika fosforanowego – uwalnia bardzo dużo energii. Innymi słowy, energia zmagazynowana w wiązaniu bezwodnika fosforanowego ATP została „zużyta” na stworzenie aktywowanej (o wyższej energii) cząsteczki. Kiedy AMP lub ADP jest przekształcany z powrotem w ATP, energia z cząsteczek paliwa (lub ze światła słonecznego) jest wymagana do ponownego utworzenia wysokoenergetycznego wiązania bezwodnego (proces ten jest przedmiotem dyskusji w dalszej części tego rozdziału)
Wyjaśnienie, dlaczego wiązania bezwodnika fosforanowego w ATP są tak energetyczne, leży głównie w koncepcji separacji ładunków. Przypomnijmy sobie z rozdziału 10.1, że ATP, przy fizjologicznym pH ~7, jest prawie całkowicie zjonizowane z całkowitym ładunkiem bliskim -4. Kiedy jedno z dwóch wiązań bezwodnych zostaje zerwane, ujemne ładunki grup fosforanowych mogą się rozdzielić, eliminując część odpychania tych samych ładunków, które istniało w ATP. Można to sobie wyobrazić jako otwieranie się spirali.
Inny powód ma związek z energią solwatacji przez wodę. Kiedy fosforan gamma ATP jest przenoszony do alkoholu, na przykład, otaczające cząsteczki wody są w stanie utworzyć więcej oddziaływań wiązań wodorowych z produktami (ADP i fosforan organiczny) niż było to możliwe z ATP i alkoholem. Te dodatkowe interakcje solwatacyjne stabilizują produkty reakcji fosforylacji w stosunku do związków wyjściowych.
Dowiesz się więcej o termodynamicznej roli ATP w szlakach metabolicznych, jeśli weźmiesz udział w zajęciach z biochemii – to, co jest najważniejsze do zrozumienia w tym momencie, to fakt, że z powodu energii przechowywanej w wiązaniach bezwodnika fosforanowego, ATP jest potężnym donorem grupy fosforanowej i jest używany jako taki w wielu ważnych reakcjach biochemicznych. Kilka przykładów omówiono w dalszej części tej sekcji.
Przykłady są omówione w dalszej części tej sekcji.