Enzymen, kinasen genaamd, katalyseren de overdracht van fosforylgroepen naar organische moleculen. De bron van de fosforylgroep in de meeste fosforyleringsreacties is een molecuul dat adenosinetrifosfaat wordt genoemd, afgekort ATP.
Merk op dat het molecuul in wezen uit drie delen bestaat: een adenine nucleoside base, een vijf-koolstof suiker (ribose), en een trifosfaatgroep. De drie fosfaten worden aangeduid met de Griekse letters a, b en g. Adenosinedifosfaat (ADP) en adenosinemonofosfaat (AMP) spelen ook een belangrijke rol in de reacties van dit hoofdstuk.
Je zult ATP, ADP en AMP op veel verschillende manieren afgekort zien in deze tekst en in de biochemische literatuur. De drie structuren hieronder zijn bijvoorbeeld allemaal afgekorte afbeeldingen van ATP:
De volgende oefening zal je wat oefening geven in het herkennen van verschillende afkortingen voor biologische moleculen die fosfaatgroepen bevatten.
Template:VoorbeeldStart
Oefening 10.2: Hieronder staan een aantal voorstellingen, gelabeld A-S, van moleculen die fosforylgroepen bevatten. Er worden verschillende afkortingen gebruikt. Rangschik A-S in groepen van tekeningen die hetzelfde molecuul weergeven, maar met verschillende afkortingen (of helemaal geen afkorting).
Wanneer we het hebben over de energie van een ATP-molecuul dat wordt ‘verbruikt’, bedoelen we dat een fosforylgroep wordt overgedragen van ATP naar een ander acceptormolecuul, waardoor het acceptormolecuul een hogere reactiviteit krijgt. Bijvoorbeeld, in veel fosforyloverdrachtreacties (zoals de fosforylering van glucose, dat we als voorbeeld gebruikten in paragraaf 10.1D) wordt het gamma (γ) fosfaat van ATP overgedragen aan een organische acceptor, waarbij ADP vrijkomt.
In andere reacties wordt de base, ribose, en het alfafosfaat overgedragen aan het organische molecuul om een organisch-AMP adduct te vormen, terwijl anorganisch pyrofosfaat (PPi) wordt vrijgemaakt.
Ofwel worden de bèta- en gammafosfaatgroepen samen overgedragen, waarbij AMP vrijkomt.
In al deze reacties wordt een relatief stabiel organisch molecuul omgezet in een hoger energetisch gefosforyleerd product. Dit geactiveerde product kan vervolgens reageren op manieren die zijn stabielere, niet-gefosforyleerde tegenhanger niet zou kunnen – fosforylgroepen zijn, zoals we weten, veel betere verlatingsgroepen in nucleofiele substitutiereacties dan de hydroxylgroep van alcoholen. Hoewel de omzetting van een energielager beginproduct in een energierijker product op zichzelf thermodynamisch bergopwaarts gaat, gaat de totale fosforyltransferreactie thermodynamisch bergafwaarts, omdat bij de omzetting van ATP in ADP of AMP – het verbreken van een fosfaat-anhydridebinding – heel veel energie vrijkomt. Met andere woorden, de energie die is opgeslagen in de fosfaat-anhydridebinding van ATP is “besteed” om een geactiveerd (hoger energetisch) molecuul te creëren. Wanneer AMP of ADP weer wordt omgezet in ATP, is energie uit brandstofmoleculen (of uit zonlicht) nodig om de hoogenergetische anhydridebinding weer te vormen (dit proces wordt verderop in dit hoofdstuk besproken)
De verklaring waarom de fosfaat-anhydridebindingen in ATP zo energetisch zijn, ligt hoofdzakelijk in het concept van ladingsscheiding. Herinner je uit sectie 10.1 dat ATP, bij de fysiologische pH van ~7, bijna volledig geïoniseerd is met een totale lading van bijna -4. Wanneer één van de twee anhydride bindingen wordt verbroken, kunnen de negatieve ladingen op de fosfaatgroepen zich scheiden, waardoor een deel van de afstoting van dezelfde lading die in ATP bestond, wordt opgeheven. Je kunt je dit voorstellen als een spoel die openveert.
Een andere reden heeft te maken met de energie van solvatie door water. Wanneer bijvoorbeeld het gammafosfaat van ATP wordt overgebracht naar een alcohol, kunnen de omringende watermoleculen meer waterstofbruginteracties vormen met de producten (ADP en het organische fosfaat) dan mogelijk was met ATP en alcohol. Deze extra solvatie-interacties stabiliseren de producten van de fosforylering ten opzichte van de uitgangsstoffen.
Je zult meer leren over de thermodynamische rol van ATP in metabolische routes als je een les biochemie volgt – wat het belangrijkste is om op dit moment te begrijpen is dat, vanwege de energie die is opgeslagen in zijn fosfaat anhydride bindingen, ATP een krachtige fosforylgroep donor is, en als zodanig wordt gebruikt in veel belangrijke biochemische reacties. Enkele voorbeelden worden in het vervolg van dit hoofdstuk besproken.