ATP Nedir? Canlılar İçin Neden Önemlidir?

Hücrenin normal fonksiyonlarını gerçekleştirebilmesi için gereken hareket, membran transportu ve makromoleküllerin sentezi gibi birçok olay enerji gerektirmektedir. Dolayısıyla, metabolik enerjinin üretimi ve kullanımı hücre biyolojisinin temelini oluşturur. Tüm hücreler, metabolik aktivitelerin gerçekleşmesi sırasında kullanılacak enerji kaynağı olarak Adenozin Trifosfat (ATP) kullanır.

Hücreler üç temel görev türü için kimyasal enerjiye ihtiyaç duyarlar: kimyasal iş, taşıma işi ve mekanik iş. Bu işleri kabaca açıklamak gerekirse kimyasal iş, monomerlerden polimerlerin sentezinde olduğu gibi kendiliğinden gerçekleşemeyecek endergonik tepkimelerin yürütülmesi, taşıma işi bileşiklerin zarlardan kendiliğinden geçiş yönünün ters yönünde pompalanması, mekanik iş ise sil hareketi, kas hücrelerinin kasılması ve hücre bölünmesi sırasında kromozomların hareketi gibi işlerdir.

Millicent Blake

Hücrelerin enerji kaynaklarını bu işler için kullanmalarını sağlayan kilit özellik, enerji eşlemesidir; yani endergonik bir süreci yürütmek için ekzergonik bir süreç kullanmalarıdır. Hücrelerdeki birçok enerji eşlemesine aracılık eden ATP, birçok durumda hücresel işe güç sağlayan enerji kaynağı olarak da işlev görür.

Serbest Enerji ve ATP

Biyokimyasal reaksiyonların enerjetiğini en iyi tanımlayan terim olan "Gibbs serbest enerjisi ($G$)", adını Josiah Willard Gibbs’den alır. Serbest enerji değişimi ($\Delta G$), entalpi (kimyasal reaksiyon sırasında serbestleşen ya da absorplanan ısı) ile entropi (bir reaksiyon sonucunda ortaya çıkan düzensizlik derecesi) değişikliklerinin etkilerini birleştirerek, bir reaksiyonun enerjetik olarak uygun olup olmadığını öngörmektedir. Tüm kimyasal reaksiyonlar enerjetik olarak uygun yönde ise serbest enerjideki azalma ile birlikte ($\Delta G<0$ reaksiyon kendiliğinden gerçekleşmektedir. Örneğin, A'nın B'ye dönüştüğü varsayımsal bir reaksiyonu incelediğimizde;

$A\leftrightarrows B$

$\Delta G<0$ olduğu takdirde, reaksiyon gösterildiği şekilde ileriye doğru gerçekleşecektir (A, B'ye dönüşecektir). Eğer ki 0">$\Delta G>0$ olursa, reaksiyon ters yönde ilerleyecek ve B, A'ya dönüştürülecektir.

Bir reaksiyonun $\Delta G$'si yalnızca reaktantların ve ürünlerin içsel özellikleri ile ilgili değildir, aynı zamanda konsantrasyonları ve sıcaklık gibi diğer reaksiyon koşulları ile de belirlenmektedir. Bu sebepten ötürü, bir reaksiyonun serbest enerji değişiminin standart koşullarda tanımlamak gerekir. Standart koşullarda, tüm reaktant ve ürünlerin 1 M konsantrasyonda ve 1 atm basınçta olduğu kabul edilir. Bir reaksiyonun serbest-enerji değişimi ($\Delta G^0$) denge durumu ile doğrudan ilişkilidir; çünkü gerçek $\Delta G$, hem $\Delta G^0$'ın, hem de reaktant ve ürünlerin konsantrasyonlarına bağlıdır. Örneğin;

$A\leftrightarrows B$

Reaksiyonunda, serbest enerji değişimi aşağıdaki gibi yazılabilir. Burada $R$ gaz sabiti ve $T$ mutlak sıcaklıktır.

$\Delta G=\Delta G^0+RT\ln \frac{[B]}{[A]}$

Denge durumunda $\Delta G$=0’dır ve reaksiyon dengededir, yani hiçbir yönde ilerlemez. $(K=[B]/[A],dengehalinde)$ yukarıdaki denkleme göre doğrudan$\Delta G^0$ ile ilişkili olup, şu iki şekil ile ifade edilebilir;

$0=\Delta G^0+RT\ln K,\Delta G^0=-RT\ln K$

Eğer gerçek oran, $\frac{[B]}{[A]}$, denge oranından ($K$) büyük ise, 0">$\Delta G>0$ olup, reaksiyon ters yönde, ($B$’nin $A$’ya dönüşümü) ilerler. Diğer taraftan, eğer $\frac{[B]}{[A]}$ oranı, denge oranından küçük ise $\Delta G<0$ olup, $A$, $B$’ye dönüşür.

Bu sebeplerden ötürü bir reaksiyonun standart serbest enerji değişimi ($\Delta G^0$), kimyasal dengesini belirler ve herhangi bir dizi koşul altında, reaksiyonun hangi yönde ilerleyeceğini öngörür. Biyokimyasal reaksiyonlar için, standart serbest enerji genelde$\Delta G^0$ olarak gösterilmektedir. Bu, hücre içindeki koşullara yakın olup pH'ı 7 olan sulu bir çözeltinin standart serbest enerji değişimidir.

Hücrede gerçekleşen makromoleküllerin sentezi gibi birçok reaksiyon, hücresel koşullarda termodinamik olarak elverişli değildir (yani 0">$\Delta G>0$). Bu reaksiyonların ilerleyebilmesi için ilave bir enerji kaynağına ihtiyaç vardır. Örneğin, şu reaksiyonu ele alalım;

$A\leftrightarrows B\Delta G=+10kcal/mol$

$A$’nın $B$’ye dönüşümü enerjetik yönden elverişli değildir. Çünkü reaksiyonun ileri yönde gidebilmesi için $+10kcal/mol$ miktar enerji gerekmektedir. Ancak, $A$’nın $B$’ye dönüşümü enerjetik olarak elverişli başka bir reaksiyon ile kenetlendiğinde reaksiyon ileri yönde gerçekleşir.

$C\leftrightarrows D,\Delta G=-20kcal/mol$

Bu iki reaksiyon birleştiğinde, kenetlenmiş reaksiyon aşağıdaki gibi yazılabilir.

$A+C\leftrightarrows B+D,\Delta G=-10kcal/mol$

Birleşmiş reaksiyonun $\Delta G$’si, her bir bileşenin ayrı ayrı serbest enerji değişiminin toplamıdır. Böylelikle kenetlenmiş reaksiyon enerjetik olarak elverişli hale gelmiş olup, ileri yönde hareket edecektir. Sonuçta, $A$’nın $B$’ye enerjetik olarak elverişsiz olan dönüşümü, büyük bir serbest enerji düşüşü gösteren ikinci bir reaksiyon ile kenetlenerek mümkün hale getirilmiştir. Enzimler de bu tür kenetlenmiş reaksiyonların eşgüdümlü (aynı anda) olarak yürütülmesinden sorumludur.

Hücre de bu temel mekanizmayı, biyolojik sistemlerinde gerçekleştireceği çok sayıda enerjetik yönden elverişsiz reaksiyonu yürütmek için kullanır. ATP, hücrede serbest enerji deposu olarak görev alarak bu süreçte merkezi bir rol oynar.

ATP’nin Yapısı ve Hidrolizi

ATP'nin yapısı, azotlu bir baz (adenin), bir riboz şekeri ve seri olarak bağlı üç fosfat grubundan oluşan bir nükleosit trifosfattır. ATP, ikinci ve üçüncü fosfat grupları arasındaki bağda kolayca salınabilir enerji barındırdığı için genellikle hücrenin "enerji para birimi" olarak adlandırılır. ATP’nin fosfat grupları arasında yer alan bağların kırılması sonucunda bir molekül inorganik fosfat (Pi) ATP’den ayrılır ve ATP adenozin difosfat (ADP) haline gelir. Bu tepkime ekzergonik olup, bir mol ATP’nin hidrolizi ile $7.3kcal$ enerji açığa çıkar.

Lumin Ultra

$ATP+H_{2}O\to ADP+P_i$

$\Delta G=-7.3kcal/mol(-30.5kJ/mol)$

Bu değer standart koşullar altında ölçülen serbest-enerji değişikliğidir. Ancak hücrelerin içindeki koşullar standart koşullar değildir. Bunun nedeni hücre içindeki ürün ve reaktant konsantrasyonlarının 1 M’dan farklı olmasıdır. Örneğin, ATP hidrolizi hücre içinde cereyan ettiğinde gerçek $\Delta G$ yaklaşık olarak $-13kcal/mol$ olup, bu değer standart koşullar altındaki ATP hidrolizi sonucu ortaya çıkan enerjiden %78 daha fazladır.

ATP’nin hidrolizi sonucu ortaya enerji çıktığı için, ATP’nin fosfat bağlarına ‘’yüksek enerjili fosfat bağları’’ denir. Ancak böyle bir terimin kullanılması yanlış anlaşılmaya neden olabilir. Çünkü, ATP’deki fosfat bağları, ‘’yüksek enerjili’’ ifadesinde anlatılmak istendiği gibi güçlü bağlar değildir, tepkimedeki reaktantlar (ATP ve su) ürünlere (ADP ve Pi) göre daha fazla enerji içerir. Yani ATP hidrolizi sırasında açığa çıkan enerji fosfat bağlarından kaynaklanmaz, daha düşük enerjili bir duruma doğru kimyasal değişimden meydana gelir.

Alp Togan

ATP ile suyun tepkimesi sonucu inorganik fosfat ve ATP meydana gelir ve açığa enerji çıkar. Alternatif olarak, ATP, AMP ile pirofosfata (PPi)’ye hidroliz edilebilir. Bu reaksiyonda, ATP’nin ADP’ye hidrolizinde ortaya çıkan miktarda serbest enerji açığa çıkar. Ancak, bu reaksiyonda üretilen pirofosfatın kendisi, ATP hidrolizindekine benzer bir $\Delta G$ ile hızlı bir şekilde hidroliz olur. Sonuçta, ATP’nin AMP’ye hidroliz edilmesinde açığa çıkan toplam serbest enerji miktarı, ATP’nin ADP’ye hidrolizinde açığa çıkanın iki katı kadardır.

Biyoloji Portalı

ATP hidrolizi, serbest enerjideki düşüş nedeniyle, hücrede diğer enerji gerektiren reaksiyonların gerçekleştirebilmesi için kullanılabilir. Örneğin, glikolizdeki birinci reaksiyon olan glukozun, glukoz-6-fosfata dönüşümünü inceleyelim.

$$\begin{gathered} \text{Glukoz Fosfat}(HP{O}_4^{-2})\to \text{Glukoz-6-fosfat}+H_{2}O \\ \Delta G=+3.3kcal/mol \end{gathered}$$

Reaksiyon bu şekilde yazıldığında, enerjetik yönden elverişsizdir ($\Delta G$>0). Bu yüzden reaksiyonun ileri yönde ilerleyebilmesi için ATP hidrolizine$(\Delta G=-7.3kcal/mol)$ kenetlenmesi gerekmektedir.

$ATP+H_{2}O\to ADP+P_i$

Birleşik reaksiyon aşağıdaki gibi yazılabilir.

$\text{Glukoz}+\text{ATP}\to \text{Glukoz-6-fosfat}+\text{ADP}$

Bu reaksiyon için serbest enerji değişimi, tek tek reaksiyonların serbest enerji değişimlerinin toplamıdır. Böylelikle, kenetlenmiş reaksiyon için$\Delta G=-4.0kcal/mol$olup, glukoz-6-fosfat oluşumu lehinedir.

Böyle enerji bağlanma durumuna başka bir örnek olarak Na/K pompası verilebilir. Sodyum-potasyum pompası (Na⁺/K⁺ pompası) sodyumu hücreden dışarı atar ve potasyumu hücrenin içine alır. ATP hidrolize edildiğinde, fosforilasyon adı verilen bir işlemle ATP bir fosfatını pompa proteinine aktarır. Na⁺/K⁺ pompası serbest enerjiyi kazanır ve hücrenin dışına üç Na⁺ salmasına izin veren bir konformasyonel değişikliğe uğrar. İki hücre dışı K⁺ iyonu proteine bağlanarak proteinin tekrar şekil değiştirmesine ve fosfatı boşaltmasına neden olur. ATP, Na⁺/K⁺ pompasına serbest enerji sağlayarak fosforilasyon olayı sonucu endergonik reaksiyonu yönlendirmiş olur.

Coursehero

Aralarında nükleozit trifosfatların (örn; guanozin, 5’trifosfat, GTP) bulunduğu bazı moleküller de yüksek enerjili bağlara sahip olup enerji gerektiren reaksiyonlarda ATP gibi kullanılabilirler. Ancak, reaksiyonların çoğunda serbest enerjiyi sağlayan ATP’dir. Dolayısıyla, hücre içinde enerji üreten reaksiyonlar ATP sentezi ile, enerji gerektirenler ise ATP hidrolizi ile kenetlenmiştir. Bu yüzden, ATP’nin yüksek enerjili bağları, serbest enerjinin kullanılabilir depo formunu oluşturarak hücre metabolizmasında merkezi rol oynamaktadır.

Enerji sağlamaya ek olarak, ATP'nin hidroliz yoluyla parçalanması, sinyalleşme ve DNA/RNA sentezi dahil olmak üzere çok çeşitli hücre işlevlerine hizmet eder. ATP sentezi, hücresel solunum, beta oksidasyonu ve ketozis dahil olmak üzere çoklu katabolik mekanizmalardan elde edilen enerjiyi kullanır.

ATP'nin hücre içinde kullanışlı olmasının nedeni, bir fosfat grubunun kaybetmesi ile ortaya çıkan enerjinin başka moleküllerin sağlayabileceği enerjiden daha fazla olmasıdır.

ATP ve Enerji İlişkisi

Herhangi bir ATP molekülünü incelersek, üç fosfat grubunun da eksi yüklü olduğunu görürüz. Aynı yüklerin birbirlerini ittiklerini hatırlayalım. Aynı işaretli yükler birbirlerine yakın olarak konumlandıklarında, bunların birbirini itmesi ATP molekülünün ilgili bölgesinde kararsızlık yaratır. Yani ATP’nin trifosfat kuyruğu sıkıştırılmış helezon şeklindeki bir yayın kimyasal eşdeğeri gibidir.

ATP, durmaksızın çalışan hücreye yakıt sağlamak için sürekli olarak yenilenmelidir. ATP'nin rutin hücre içi konsantrasyonu 1 ila 10 uM'dir. Hücrede tutarlı bir ATP seviyesinin korunmasını sağlamak için birçok geri bildirim mekanizması da mevcuttur. ATP-sentazın artırılması veya inhibisyonu, yaygın bir düzenleyici mekanizmadır. Örneğin ATP, glikolizde iki anahtar enzim olan fosfofruktokinaz-1 (PFK1) ve piruvat kinazı inhibe eder ve yeterli hücresel ATP olduğunda glikoz parçalanmasını önlemek için etkili bir şekilde negatif bir geri besleme döngüsü görevi görür.

Bu durumun aksine ADP ve AMP, yüksek enerji talebinde ATP sentezini teşvik etmeye hizmet eden PFK1 ve piruvat kinazı aktive edebilir. Diğer sistemler, örneğin kalpteki ATP sentezini düzenlemeye dahil olan düzenleyici mekanizmalarda olduğu gibi ATP sentezini düzenler. Yeni deneyler, mitokondriyal flaşlar olarak adlandırılan on saniyelik patlamaların kalpteki ATP üretimini durdurabileceğini göstermiştir. Bu mitokondriyal flaşlar sırasında, mitokondri reaktif oksijen türlerini serbest bırakır ve ATP sentezini etkin bir şekilde duraklatır.

Mitokondriyal flaş aktivitesinin üzerinde biraz daha duralım. Mitokondriyal flaş, mitokondride geçici olarak meydana gelen değişimlerdir. Bu değişimler pH ve membran potansiyeli değişimleri gibi çok sayıda geçici olayı kapsar. Bu olaylar eşzamanlı olarak gerçekleştiğinden bir dizi farklı mitokondriyal hedefli floresan gösterge ile flaş aktivitesi tespit edebilir.

ATP üretim inhibisyonu, mitokondriyal flaşlar sırasında meydana gelir. Düşük enerji talebi sırasında kalp kası hücrelerinde daha sık mitokondriyal flaşlar gözlenmektedir. Buna karşın hızlı kalp kasılması gibi durumlarda enerji talebi yüksek olduğunda, mitokondriyal flaşlar daha az sıklıkla meydana gelir. Sonuç olarak, önemli miktarda ATP'nin gerekli olduğu zamanlarda devam eden ATP üretimine izin vermek için mitokondriyal flaşlar daha az sıklıkla meydana gelmektedir. Tersine, düşük enerji çıkışı zamanlarında, mitokondriyal flaşlar daha düzenli meydana gelir ve ATP üretimi engellenmiş olur.

ATP sentezinin çoğu, mitokondriyal matris içindeki hücresel solunumda meydana gelir: oksitlenen glikoz molekülü başına yaklaşık otuz iki ATP molekülü üretir. ATP; iyon taşınması, kas kasılması, sinir uyarısının yayılması, substrat fosforilasyonu ve kimyasal sentez gibi süreçlerde enerji için tüketilir. Bu süreçler ve diğerleri, ATP için yüksek bir talep yaratır. Sonuç olarak, insan vücudundaki hücrelerin düzgün işleyişini sağlamak için günde 100 ila 150 mol ATP hidrolizi gerekir.

Study

ATP Hidrolizi

Eğer ki ATP bir test tüpü içinde hidroliz edilseydi, salınan serbest enerji ile tüp içindeki su ısınırdı. Aynı olay organizmada da meydana geldiğinden bu durum organizmanın yararına olabilir. Örneğin titreme durumunda, kas kasılması sırasında ısı üretmek ve vücudu ısıtmak için ATP hidrolizi kullanılır. Ancak, hücre içindeki birçok durumda tek başına ısı üretimi değerli bir enerji kaynağının etkin kullanılmamasına ve potansiyel olarak tehlikeli olmasına neden olur. Bunun yerine hücre proteinleri ATP hidrolizi sırasında açığa çıkan enerjiyi kimyasal, taşıma ve mekanik olmak üzere üç tip hücre işini gerçekleştirmek için kullanır.

Örneğin, hücreler özgül enzimler aracılığıyla ATP hidrolizi ile salınan enerjiyi doğrudan endergonik kimyasal tepkimeleri sürdürmek için kullanma yeteneğindedir. Eğer ki bir endergonik tepkimenin $\Delta G$’si ile ATP’nin hidrolizi sonucu açığa çıkan enerji miktarından az ise bu iki tepkime eşleşebilir. Böylece eşleşmiş tepkimelerin net sonucu ekzergonik olur. Bu eşleşme olayı bir fosfat grubunun ATP’den reaktant gibi bir başka moleküle aktarılması ile gerçekleşir. Fosfat grubuna kovalent olarak bağlanan bu molekül fosforile olmuş intermediyer olarak isimlendirilmektedir. Ekzergonik ve endergonik tepkimelerin eşleştirilmesindeki temel nokta, başlangıçta fosforile olmamış molekülden daha reaktif yani daha az kararlı olan bu fosforile intermediyerin oluşumudur.

Hücrelerdeki taşıma ve mekanik işlerin neredeyse hepsi ATP hidrolizi sonucu ortaya çıkan enerjiden güç alır. Bu iki iş durumu da ATP hidrolizi ile proteinin biçiminde ve sıklıkla da onun bir başka moleküle bağlanma yeteneğinde değişikliğe yol açar. Bazı hallerde bu durum taşıyıcı proteinin, fosforile olmuş bir intermediyer aracılığı ile mümkün olur. Motor proteinlerinin hücre iskeleti elemanları boyunca hareketleri ile oluşan mekanik işlerin birçoğunda bu döngünün başlaması, ATP’nin ilk olarak motor proteine kovalent olmayan bağlar ile bağlanmasıyla gelişir. Sonraki basamaklarda ATP, ADP ve Pi oluşturacak şekilde hidroliz olur. Bundan sonra başka bir ATP molekülü bu yapıya bağlanabilir. Her aşamada, motor proteinin biçimi ve hücre iskeletine bağlanma yeteneği değişir. Sonuç olarak protein hücre iskeleti üzerindeki rotası boyunca hareket eder.

Silas Beiley

ATP’nin hidrolizi sonucu proteinlerin biçimleri ve bağlanma özellikleri değişir. Bu olay iki şekilde gerçekleşir. Görselde, a’da doğrudan fosforilasyon ile bir zar proteini bir çözüneni aktif taşıma ile taşımaktadır. b’de ise ATP ve onun hidrolitik ürünlerinin non kovalent bağlar ile bağlanması sonucu dolaylı olarak gerçekleşir. Örneğin, vezikülleri (ve diğer organelleri) hücre iskeletindeki patikalarda hareket ettiren motor proteinler bu şekilde iş görürler.

ATP’nin Yeniden Oluşturulması (ATP Döngüsü)

ATP, biyolojik süreçlerde vücut tarafından sürekli tüketilir. Neyse ki, ATP yenilenebilir bir kaynaktır ve ADP’ye fosfat eklenmesi ile tekrardan oluşturulabilir. ADP’nin fosforilasyonu için gerekli olan serbest enerji, hücrede yıkım reaksiyonlarından (katabolizma) meydana gelir. İnorganik fosfat ve enerjinin bu şekilde çevrimi ATP Döngüsü olarak adlandırılır. ATP geri dönüşümü, katabolizmadan anabolizmaya enerji transferi için bir boru hattı olarak görev görür.

ATP döngüsü büyük bir hızla çalışır. Örneğin; çalışmakta olan bir kas hücresi tüm ATP havuzunu bir dakikadan az bir sürede yeniler. Bu dönüşüm, bir hücrede bir saniyede 10 milyon ATP molekülünün kullanılması ve yeniden oluşturulması anlamına gelir. Eğer ki ATP döngüsü olmasaydı; yani ATP, ADP’nin fosforilasyonu ile yenilenmeseydi, o zaman insanlar her gün neredeyse kendi vücut ağırlıkları kadar ATP tüketiyor olacaktı. Bu geri dönüşümlü olayın her iki yönü de yokuş aşağı olamayacağı için, ATP’nin ADP ve Pi’den yeniden oluşturulması zorunlu olarak endergoniktir.

$\text{ADP}+P_i\to \text{ATP}+H_{2}O$

$\Delta G=+7.3kcal/mol(+30.5kJ/mol)\text{(Standart Koşullarda)}$

Dreams Time

Hücredeki yıkım (katabolik) tepkimeleri sırasında açığa çıkan enerji ADP’nin fosforilasyonu için kullanılır ve ATP yenilenir. ATP’de depolanan kimyasal potansiyel enerji hücresel işlerin çoğunu gerçekleştirir.

ADP ve Pi’den ATP oluşumu kendiliğinden gerçekleşmediği için, vücut bu olayda enerjiye ihtiyaç duyar. Katabolik (ekzergonik) olaylar ve özellikle de hücre solunumu, endergonik bir reaksiyon olan ATP sentezi için enerji sağlamaktadır. Hayvanların aksine bitkiler ATP üretmek için güneş enerjisini kullanırlar. Dolayısıyla, ATP döngüsü katabolik yollardan anabolik yollara enerji transferi yapan bir döner kapı gibi çalışır.

Canlılar Neden ATP Molekülünü "Tercih" Ediyor?

Bileşik / Fosfat hidrolizinin $\Delta G^0$'ı, kj/mol

• Fosfoenolpirüvat (PEP) / -61.9
• Fosfokreatin /-43.1
• Pirofosfat / -33.5
• ATP (ADP’ye) /-30.5
• Glukoz-6-fosfat /-13.8
• Gliserol-3-fosfat /-9.2

PEP, ATP ve diğer fosforile bileşikleri fosforil grup transfer potansiyeline göre sınıflandırmak daha yararlı olacaktır. Çünkü transfer reaksiyonu için bu potansiyel $\Delta G^0$ ile ilişkilidir. Daha negatif $\Delta G^0$, fosforil grup transferine daha büyük bir eğilim gösterir. Yukarıdaki sıralamada gördüğümüz üzere fosfat grubunun hidrolizi sonucu daha fazla enerji salan moleküller olmasına rağmen hücreler neden enerji kaynağı olarak ATP’yi kullanırlar?

ATP sadece yüksek fosforil grup transfer yeteneğine sahip olması nedeni ile önemli değildir. Buna ek olarak ATP, fosforil grup transferi skalasında ortalama bir pozisyona sahiptir. Benzer şekilde iki reaksiyonu enerjetik olarak kenetlemek (bağlamak) için de ortak bir ara ürün olarak hizmet eder. Yani ATP üretimi olmadan, biyosentetik reaksiyonlara veya diğer enerji gerektiren süreçlere enerji transferinin bir anlamı yoktur.

Ayrıca hücreler önemli miktarda serbest enerji depolayamazlar. Büyük miktarlarda serbest enerji, hücrede aşırı ısı yaratacak ve sonunda hücreyi yok edecektir. Böyle bir durumda ATP etkili bir görev görür. Yani ATP, bir hücrenin enerji deposudur. Hücrelerin enerjiyi küçük paketler halinde güvenli bir şekilde depolamasını ve enerjiyi sadece ihtiyaç duyulduğu zaman kullanılmak üzere serbest bırakılmasını sağlar. Başka bir deyişle, ATP, gıdanın parçalanması gibi enerji açığa çıkaran reaksiyonlar ile sentez gibi enerji gerektiren eylemler arasındaki boşluğu kapatmaya hizmet eder.

Hücre İçi Sinyalleşmede ATP’nin Rolü

Hücreler arası sinyal iletimi büyük ölçüde ATP'in hidrolizi sonucu açığa çıkan enerjiye dayanır. ATP, en çok ATP bağlayıcı protein olan kinazlar için bir substrat görevi görür. Bir kinaz bir proteini fosforile ettiğinde, çeşitli hücre içi sinyal yollarının modülasyonuna yol açan bir sinyal kaskadı aktive edilebilir. Kinaz aktivitesi hücre için hayati önem taşır ve bu nedenle sıkı bir şekilde düzenlenmesi gerekir. Magnezyum iyonunun varlığı, kinaz aktivitesinin düzenlenmesine yardımcı olur.

Düzenleme, hücrede ATP ile bir kompleks halinde bulunan ve fosfat merkezlerine bağlanan magnezyum iyonları aracılığıyla gerçekleşir. Kinaz aktivitesine ek olarak ATP, hücre içi haberci salınımında bir tetikleyici olarak işlev görür. Bu haberciler, hormonları, çeşitli enzimleri, lipid aracılarını, nörotransmitterleri, nitrik oksiti, büyüme faktörlerini ve reaktif oksijen türlerini içerir. Hücre içi sinyalleşmede ATP kullanımına bir örnek, adenilat siklaz için bir substrat görevi üstlenen ATP'de görülür. Bu süreç çoğunlukla G-proteinine bağlı reseptör sinyal yollarında meydana gelir. Adenilat siklaza bağlanması ile ATP, hücre içi depolardan kalsiyum salınımı ile sinyal oluşmasına yardımcı olan siklik AMP'ye (cAMP) dönüşür. cAMP, hormon sinyalleme kaskadlarında ikincil haberciler, protein kinazların aktivasyonu ve iyon kanallarının işlevinin düzenlenmesi dahil olmak üzere başka rollere sahiptir.

DNA/RNA Sentezinde ATP’nin Rolü

DNA ve RNA sentezi ATP gerektirir. ATP, RNA sentezi sırasında gerekli olan dört nükleotid-trifosfat monomerinden biridir. RNA sentezinde üstlendiği göreve benzer şekilde DNA sentezinde de benzer bir mekanizma kullanır, ancak DNA sentezinde ATP önce şekerden bir oksijen atomu çıkarılıp dönüştürülerek deoksiribonükleotit, dATP elde edilir. 5'-adenilik asit olarak da adlandırılan adenozin monofosfat (AMP), sadece bir fosfat grubuna sahiptir. Bu molekül RNA'da bulunur ve genetik kodun bir parçası olan adenin içerir.

ATP bazı özellikler bakımından nükleik asitlere benzemektedir. Bu özellikler; adenin organik bazının bulunması, inorganik fosfat grubunun bulunması, glikozit bağın bulunması, ester (şeker-fosfat) bağının bulunması, 5 karbonlu şekere sahip olması ve protein, peptid bağı ve yağın bulunmamasıdır.

Purinerjik Sinyalizasyonda ATP’nin Rolü

Purinerjik sinyalleşme, ATP de dahil olmak üzere pürin nükleotidlerinin aracılık ettiği hücre dışı parakrin sinyalleşme şeklidir. Bu süreç genellikle yakın çevredeki hücreler üzerindeki purinerjik reseptörlerin aktivasyonunu, böylece hücre içi süreçleri düzenlemek için sinyallerin iletilmesini gerektirir. ATP veziküler depolardan salınır ve IP3 ve diğer yaygın ekzositotik düzenleyici mekanizmalar tarafından yönetilir. ATP, nörotransmitterler arasında depolanır ve birlikte salınır. Ayrıca bu olay, ATP'nin hem sempatik hem de parasempatik sinirlerde gerekli bir purinerjik nörotransmisyon aracısı olduğunu göstermektedir. ATP, otonomik fonksiyonların kontrolü, nöral glia etkileşimleri, ağrı ve damar tonusunun kontrolü dahil olmak üzere çeşitli purinerjik tepkileri indükleyebilir.

Nörotransmisyonda ATP’nin Rolü

Vücutta en çok ATP tüketen organ beyindir ve mevcut toplam enerjinin yaklaşık yüzde yirmi beşini tüketir. Beyin, uygun nöronal sinyalleşme ve sinaptik iletim için iyon konsantrasyonlarını dengede tutmak için büyük miktarda enerji harcar. Sinaptik iletim, enerji gerektiren bir süreçtir. Presinaptik terminalde, nörotransmiterleri veziküllere taşıyan iyon gradyanlarını oluşturmak ve vezikülleri ekzositoz yoluyla salınmaya hazırlamak için ATP gereklidir. Nöronal sinyalizasyon presinaptik terminale ulaşan ve yüklü veziküllerin salınmasını işaret eden aksiyon potansiyeline bağlıdır.

Bu süreç, ATP'nin her aksiyon potansiyelinden sonra aksondaki iyon konsantrasyonunu yenileyerek başka bir sinyalin oluşmasına izin vermesine bağlıdır. Aktif taşıma, Na/K ATPaz yoluyla bir aksiyon potansiyeli meydana geldikten sonra sodyum ve potasyum iyon konsantrasyonlarının başlangıç değerlerine sıfırlanmasından sorumludur. Bu işlem sırasında, bir ATP molekülü hidrolize edilir, hücreden üç sodyum iyonu taşınır ve her ikisi de konsantrasyon gradyanlarına karşı hareket eden iki potasyum iyonu hücreye geri taşınır.

Multi Yaşam

Akson boyunca ilerleyen aksiyon potansiyelleri, presinaptik terminale ulaştığında veziküler salınımı başlatır. İyon gradyanlarını oluşturduktan sonra, aksiyon potansiyelleri aksonun depolarizasyonu yoluyla akson boyunca ilerler ve terminale doğru bir sinyal gönderir. Tek bir aksiyon potansiyelini yaymak için yaklaşık bir milyar sodyum iyonu gereklidir. Nöronların, her hücre depolarizasyonundan sonra sodyum/potasyum iyon konsantrasyonunu eski haline getirmek için yaklaşık bir milyar ATP molekülünü hidrolize etmesi gerekmektedir. Uyarıcı sinapslar büyük ölçüde beynin gri bölgesinde bulunmaktadır.

Postsinaptik uyarıcı glutaminerjik reseptörleri aktive etmek için glutamat içeren veziküller sinaptik boşluğa salınacaktır. Bu moleküllerin yüklenmesi, tek bir kesecik içinde depolanan yaklaşık dört bin glutamat molekülü nedeniyle büyük miktarlarda ATP gerektirir. Vezikül salınımını başlatmak, glutamaterjik postsinaptik süreçleri yürütmek ve vezikülün yanı sıra arta kalan glutamatı geri dönüştürmek için önemli enerji depoları gereklidir. Bu nedenle, glutamat paketlemesi için gereken büyük miktarda enerji nedeniyle mitokondri, glutamaterjik veziküllere yakındır.

Kas Kasılmasında ATP’nin Rolü

Günlük yaşamın gerekli bir işlevi olan kas kasılması ATP olmadan gerçekleşemez. ATP'nin kas kasılma işlevinde gerçekleştirdiği üç ana rol vardır. Birincisi, miyozin çapraz köprülerinin çevrimi yoluyla bitişik aktin filamentlerine karşı kuvvet üretmek; ikinci olarak, aktif taşıma kullanarak miyop plazmadan gelen kalsiyum iyonlarının sarkoplazmik retikulum boyunca konsantrasyon gradyanlarına karşı pompalanmaktır. ATP tarafından gerçekleştirilen üçüncü işlev ise, girdi alındığında kalsiyum iyonlarının serbest bırakılabilmesi için sarkolemma boyunca sodyum ve potasyum iyonlarının aktif taşınmasıdır. ATP'nin hidrolizi bu süreçlerin her birini yürütür.

Bilgi Al

Bölünme ve Çoğalmada ATP’nin Rolü

Hücrelerin ya da Amip gibi bölünerek çoğalan canlıların, bölünme ve çoğalma işlemlerini gerçekleştirebilmek ATP enerjilerine gereksinimleri vardır.

Byjus

Ayrıca bitkilerin çiçek açması, hayvanların ve tek hücreli canlıların hareketi gibi iş gerektiren konularda da canlılar ATP’ye ihtiyaç duymaktadır.

ATP Üretim Mekanizmaları

Birçok süreç, mevcut metabolik koşullara bağlı olarak vücutta ATP üretme yeteneğine sahiptir. ATP üretimi; hücresel solunum, beta oksidasyon, ketoz, lipid ve protein katabolizması sonucunda, oksijen varlığında ve ayrıca anaerobik koşullar altında meydana gelebilir.

Hücresel Solunum

Hücresel solunum, glikozu asetil-CoA'ya katabolize etme, oksidatif fosforilasyon sırasında oksitlenecek ve ATP verecek yüksek enerjili elektron taşıyıcıları üretme sürecidir. Hücresel solunumun ilk adımı olan glikoliz sırasında, bir glikoz molekülü iki pirüvat molekülüne parçalanır. Bu işlem sırasında, PFK1 ve pirüvat kinaz enzimleri tarafından substrat fosforilasyonu yoluyla iki ATP üretilir. Ayrıca iki indirgenmiş NADH elektron taşıyıcı molekülün üretimi de vardır. Pirüvat molekülleri daha sonra pirüvat dehidrogenaz kompleksi tarafından oksitlenir ve bir molekül asetil-CoA molekülü oluşturur.

Asetil-CoA molekülü daha sonra sitrik asit döngüsünde karbondioksit ve indirgenmiş elektron taşıyıcıları verecek şekilde tamamen oksitlenir. Sitrik asit döngüsü tamamlandığında, toplam verim iki molekül karbondioksit, bir eşdeğer ATP'dir. Üç molekül NADH ve bir molekül FADH₂’dir. Bu yüksek enerjili elektron taşıyıcıları daha sonra elektronları, hidrojen iyonlarının (protonların) gradyanlarına karşı mitokondriyal matristen iç zar boşluğuna aktarıldığı elektron taşıma zincirine iletir. Üretilen ATP miktarı, hangi elektron taşıyıcısının protonları verdiğine bağlı olarak değişir. Bir NADH molekülü iki buçuk ATP üretirken bir FADH₂ molekülü bir buçuk ATP molekülü üretir.

Beta-Oksidasyon

Beta oksidasyon, organizmalarda ATP sentezi sağlayan başka bir mekanizmadır. Beta oksidasyonu sırasında yağ asidi zincirleri kalıcı olarak kısaltılır ve Asetil-CoA molekülleri oluşur. Her beta oksidasyon döngüsü boyunca, yağ asidi iki karbon uzunluğu kadar azalır ve sitrik asit döngüsünde oksitlenebilen bir asetil-CoA molekülü ve yüksek enerjilerini aktaran birer NADH ve FADH2 molekülü üretilir.

Ketozis

Ketoz, keton cisimlerinin katabolizması yoluyla ATP veren bir reaksiyondur. Ketoz sırasında, keton cisimleri enerji üretmek için katabolizmaya uğrayarak mitokondride oksitlenen yirmi iki ATP molekülü ve asetoasetat molekülü başına iki GTP molekülü üretir.

Anaerobik Solunum

Hücresel solunum sırasında oksijenin az veya mevcut olmadığı durumlarda, hücreler anaerobik solunum yapabilir. Anaerobik koşullarda, NADH'nin NAD+'ya oksitlenememesi nedeniyle NADH molekülleri birikir, bu da GAPDH ve glikoz tüketiminin etkilerini sınırlar. NADH'nin homeostatik seviyelerini korumak için, pirüvat laktata indirgenir ve laktik fermantasyon olarak bilinen bir işlemde bir NADH molekülünün oksidasyonu sağlanır. Laktik fermentasyonda, glikolizde oluşturulan iki NADH molekülü, NAD+ rezervuarını korumak için oksitlenir. Bu reaksiyon, glikoz molekülü başına sadece iki ATP molekülü üretir.

Biyoloji Dersim

Fotofosforilasyon

Fotofosforilasyon, güneş ışığından gelen enerjiyi kullanarak ADP’den ATP üretilmesidir. Bitkilere ve siyanobakterilere özgü bir yöntemdir. Bitkilerde ATP, kloroplast organelindeki tilakoid zarlarda sentezlenir. Bu sistem kendi başına oldukça karmaşık bir altyapı barındırdığı için kısaca açıklamakla yetineceğiz.

Fikir

Kemosentetik Fosforilasyon

Kemosentez, ışık enerjisi olmadan organik madde üretilmesidir. Gereken enerji; demir, kükürt, hidrojen veya azot gibi inorganik bileşiklerin veya metanın oksitlenmesi ile elde edilir.

Bazı bakteriler, ışık enerjisine ihtiyaç duymadan kimyevi enerji ile organik madde sentezlerler. Mesela azot, kükürt, demir ve hidrojen bakterileri klorofile sahip olmadıkları halde kemosentez sayesinde kendi enerjilerini üretebilirler. Bu şekilde kendi besinlerini üreten bakterilere “kemosentetik bakteriler” denir.

Webders

Kemosentetik fosforilasyon ise kemosentez reaksiyonlarında, kimyasal maddelerin oksitlenmesi sırasında açığa çıkan enerji ile ATP sentezi yapılmasıdır. Sadece kemosentezle besin üretebilen bazı türlerde gerçekleşir.

ATP Miktarının Tayin Edilmesi

Birçok yöntem ile hücre içi ATP seviyeleri hesaplanabilir. Yaygın olarak kabul edilen bir metod, lusiferinin oksidasyonunu sağlayan bir enzim olan ateş böceği lusiferazının kullanılmasını içerir. Bu reaksiyon, biyolüminesans olarak bilinen ve ölçülebilir olan bir ışık fotonunu serbest bırakarak, bu reaksiyondan enerji çıkışı sayesinde ölçülebilir.