Οι μέχρι σήμερα

 

Οι μέχρι σήμερα "Ενώσεις του Μήνα"

 

---2006---

Υπερφθοροοκτανοϊκό οξύ (PFOA)

Ασπαρτάμη

Φυλλικό οξύ

Φθαλικός δι-(2-αιθυλoεξυλo) εστέρας (DEHP)

Δεκαμεθυλοκυκλοπεντασιλοξάνιο

Γενιπίνη

Ιματινίβη (Glivec)

Καψαϊκίνη

DDT

---2007---

Ρεσβερατρόλη

Ισιλίνη

Ελαιοευρωπεΐνη

Δενατόνιο (Bitrex)

ω-3 & ω-6 λιπαρά οξέα

Οκτανιτροκυβάνιο

cis-Διαμμινοδιχλωρολευκόχρυσος (Cisplatin)

Αβοβενζόνη

Εξαφθοριούχο θείο

Αφλατοξίνες

Εξασθενές χρώμιο

Τετραβρωμοδισφαινόλη-Α (TBBPA)

---2008---

Υπεροξείδιο του υδρογόνου

Ενώσεις τριβουτυλοκασσιτέρου

Τετραϋδροκανναβινόλη

Υπερχλωρικό οξύ και άλατά του

Τρενβολόνη (Τριενολόνη)

Εξαφθοριούχο ουράνιο

Μεθάνιο

Βαρύ ύδωρ

Θαλιδομίδη

Στεβιόλη και γλυκοζίτες της

Μελαμίνη

Ισοκυανικό μεθύλιο (MIC)

---2009---

Μεθαδόνη

Υδραζωτικό οξύ και άλατά του

Αιθυλενοδιαμινοτετραοξικό οξύ (EDTA)

Καφεΐνη

Νικοτίνη

Ινσουλίνη

'Οζον

Ακρυλαμίδιο

Οσελταμιβίρη (Tamiflu)

Παράγοντας Ενεργοποίησης Αιμοπεταλίων (PAF)

Ακετυλοσαλικυλικό οξύ (Ασπιρίνη)

Τριφθοριούχο χλώριο

---2010---

Διμεθυλοϋδράργυρος

Ουρικό οξύ

Βενζόλιο

Κινίνη

Αδρεναλίνη (Επινεφρίνη)

Διοξίνη (TCDD)

Πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC)

Φερροκένιο

Ταξόλη (Πακλιταξέλη)

Μαγικό οξύ

Μεθανόλη

Διαιθυλαμίδιο του λυσεργικού οξέος (LSD)

---2011---

Χλωροφόρμιο

Διμεθυλοσουλφοξείδιο (DMSO)

Σύντομη Ιστορία της Χημείας (για το έτος Χημείας)

Διφθοριούχο ξένο

Αιθυλένιο

α-Τοκοφερόλη

Τρυγικό οξύ

Οξικό οξύ

Αμμωνία

Χλωριούχο νάτριο

---2012---

Γλυκόζη

Βενζο[a]πυρένιο

Μονοξείδιο του άνθρακα

Υποξείδιο του αζώτου

Πενικιλλίνη G

Στρυχνίνη

Νιτρογλυκερίνη

Υποχλωριώδες οξύ και άλατά του

---2013---

Βαρφαρίνη

Λυκοπένιο

5'-Αδενοσινο-τριφωσφορικό οξύ (ATP)

Αρτεμισινίνη

Καμφορά

Ακεταλδεΰδη

Μυρμηκικό οξύ

---2014---

Ανιλίνη

Διοξείδιο του άνθρακα

Οξείδιο του αργιλίου (Αλουμίνα)

L-Ασκορβικό οξύ (βιταμίνη C)

Όξινο και ουδέτερο ανθρακικό νάτριο

---2015---

Θειικό οξύ

Βανιλίνη

L-DOPA (Λεβοντόπα)

Γλυκίνη

---2016---

Θειικό ασβέστιο

Υδροκυάνιο και κυανιούχα άλατα

Βορικό οξύ και βορικά άλατα

'Οξινο γλουταμικό νάτριο (MSG)

Η χημική ένωση του μήνα

 [Μάιος - Ιούνιος 2013]

 

Επιμέλεια σελίδας:

Θανάσης Βαλαβανίδης, Καθηγητής - Κωνσταντίνος Ευσταθίου, Καθηγητής

 

Φυσικoχημικές ιδιότητες [Αναφ. 1]:

Εμφάνιση: 'Αμορφο (υαλώδες) άχρωμο, στερεό

Μοριακός τύπος: C10H16N5O13P3

Σχετική μοριακή μάζα: 507,18

Σημείο τήξεως (το δινάτριο άλας): 187ºC (υπό αποσύνθεση)

Πυκνότητα (το δινάτριο άλας): 1,04 g/cm3

Συντελεστής απορρόφησης, ε = 15,4x104 M-1cm-1 (259 nm),

pH διαλύματος 1%: περίπου 2.

[α]D22 = -26,7º (c = 3,095).

Η ένωση είναι εξαιρετικά ευδιάλυτη στο νερό. Καθιζάνει ως τετραϋδρικό ή εξαϋδρικό άλας με Ba.

Ισχύς ως οξύ: pKa1 = 4,31, pKa2 = 6,76 (25ºC, σε διάλυμα 0,10 Μ NaCl, [Αναφ. 1γ]), δηλ. δρα ως ασθενές διπρωτικό οξύ. Αν και μπορεί να υποστεί περαιτέρω διάσταση, αυτό προϋποθέτει αλκαλικό διάλυμα, όπου όμως η τριφωσφορική ομάδα θα υδρολυθεί.

Το υδατικό διάλυμά του είναι σταθερό στους 0ºC για αρκετές ώρες. Σταθερότερα είναι τα υδατικά διαλύματά του, που περιέχουν ρυθμιστικό διάλυμα με pH στην περιοχή 6,8-7,4.

 

5'-Αδενοσινο-τριφωσφορικό οξύ (ATP) 

5'-Adenosine-triphosphoric acid (ATP) 

 

"Η ανακάλυψη του ATP αποτελεί ίσως το σπουδαιότερο επίτευγμα της Βιοχημείας που δεν τιμήθηκε με βραβείο Nobel"

 

Ιστορικά στοιχεία για τo 5'-αδενοσινο-τριφωσφορικό οξύ [Αναφ. 2]

Ο Γερμανός βιοχημικός Hans Karl Heinrich Adolf Lohmann (1898-1978). Δεξιά χειρόγραφο του όπου διακρίνεται ο τύπος του ATP. Το ότι δεν τιμήθηκε με βραβείο Nobel για την ανακάλυψη του τόσο σημαντικού για τη βιοχημεία μορίου, αποτέλεσε θέμα πολλών συζητήσεων.

To 5'-αδενοσινο-τριφωσφορικό οξύ (5'-adenosine triphosphoric acid, ATP), είναι μια πρωταρχικής σημασίας βιοχημική ουσία η οποία συναντάται σε όλους τους αερόβιους και μη οργανισμούς (φυτικούς και ζωικούς) και δρα ως φορέας χημικής ενέργειας. Διεθνώς έχει καθιερωθεί η σύντμηση ATP (προφέρεται "έι-τι-πι").

Το ATP κατά τον σχηματισμό του παραλαμβάνει ενέργεια την οποία μεταφέρει όπου χρειάζεται και την αποδίδει διασπώμενο (εξεργονική αντίδραση) σε μια άλλη αντίδραση που χρειάζεται την ενέργεια αυτή για να πραγματοποιηθεί (ενδεργονική αντίδραση). Τα μόρια του ATP έχουν χαρακτηριστικά ονομασθεί ως ενεργειακή νομισματική μονάδα στις ενδοκυτταρικές μεταβιβάσεις ενέργειας από το ένα βιοχημικό μόριο στο άλλο.

Η ενέργεια αποθηκεύεται σε προσωρινή βάση στα μόρια του ΑΤΡ ως χημική ενέργεια μέχρις ότου γίνει χρήση της σε διάφορες βιολογικές διεργασίες, όπως η οικοδόμηση ουσιών απαραίτητων για τη διατήρηση και την ανάπτυξη των ζώντων οργανισμών (π.χ. πρωτεϊνοσύνθεση), η μετάδοση νευρικών παλμών, η συστολή των μυών για την παραγωγή μηχανικού έργου και η ενεργός μεταφορά μέσα από κυτταρικές μεμβράνες.

Ανακάλυψη του ATP. Το ATP ανακαλύφθηκε ουσιαστικά συγχρόνως από δύο ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες που ειδικεύονταν στη χημεία των φωσφορικών βιοχημικών ενώσεων: Την ομάδα του Lohmann στο Πανεπιστήμιο του Βερολίνου και την ομάδα των Fiske και Subbarow στο Πανεπιστήμιο του Harvard.

Το 1929, ο Γερμανός βιοχημικός Hans Karl Heinrich Adolf Lohmann (1898-1978) στο Εργαστήριο Βιοχημείας του Πανεπιστημίου του Βερολίνου, σε δημοσίευσή του αναφέρει την απομόνωση του ATP από εκχυλίσματα μυών και ήπατος [Αναφ. 2δ]. O Lohmann σε προγενέστερη εργασία του είχε διατυπώσει την υπόθεση ότι ο φωσφόρος θα μπορούσε να βρίσκεται σε ενώσεις που βρίσκονται στους μυς, όχι απλώς στη μορφή εστέρων του φωσφορικού οξέος (H3PO4), αλλά και στη μορφή εστέρων του διφωσφορικού (πυροφωσφορικού) οξέος (H4P2O7).

Το ίδιο έτος, οι βιοχημικοί Cyrus H. Fiske (1890-1978) και Yellapragada SubbaRow (1895-1948) στο Πανεπιστήμιο Harvard, έδειξαν ότι ο φωσφόρος στα εκχυλίσματα μυών δεν προερχόταν αποκλειστικά από φωσφορικά ιόντα, αλλά μεγάλο μέρος του προερχόταν από φωσφορικούς εστέρες και δημοσίευσαν εργασία σχετική με φωσφορούχες ενώσεις, που απομόνωσαν από μυς και το ήπαρ (φωσφορική κρεατίνη και ATP) [Αναφ. 2ε].

Οι ερευνητές είχαν διαπιστώσει ότι οι φωσφορικοί εστέρες αζωτούχων οργανικών βάσεων, που είχαν απομονώσει από τους ζωικούς μυς, απελευθέρωναν φωσφορικά ιόντα μετά από μια μυική δραστηριότητα (π.χ. μυική συστολή), ενώ ανασχηματίζονταν κατά την ανάπαυση του μυός [Αναφ. 2στ].

Αριστερά: ο Αμερικάνος βιοχημικός Cyrus H. Fiske (1890-1978). Δεξιά: ο Ινδός Yellapragada SubbaRow (1895-1948). Οι δύο επιστήμονες του Harvard που ουσιαστικά συγχρόνως με τον Lohmann ανακάλυψαν το ATP.

Πρέπει να σημειωθεί ότι λόγω των περιορισμένων μέσων εκείνης της εποχής, οι μελέτες αυτές πραγματοποιούνταν με εξαιρετική δυσκολία και βασίζονταν στην καθίζηση των φωσφορικών εστέρων με διάφορα κατιόντα μετάλλων (Cu, Hg, Ba), όπως και στην παρακολούθηση των απελευθερούμενων φωσφορικών ιόντων. Μια μέθοδος χρωματομετρικού προσδιορισμού των φωσφορικών, που είχαν βελτιώσει σημαντικά οι Fiske και SubbaRow λίγα χρόνια πριν, είχε βοηθήσει αποφασιστικά τις μελέτες αυτές [Αναφ. 2ζ].

Δομή του ATP. Ο επόμενος στόχος ήταν ο προσδιορισμός της δομής του ATP. Οι Fiske και SubbaRow απομόνωσαν το ATP ως το μετά αργύρου άλας του, του οποίου προσδιόρισαν σωστά τον μοριακό τύπο C10H13O13N5P3Ag3. Ο Lohmann προσδιόρισε τα συστατικά τμήματα του ATP, όταν διαπίστωσε ότι με όξινη υδρόλυση ένα μόριο της ουσίας παρείχε εύκολα δύο μόρια φωσφορικού οξέος, ένα μόριο αδενίνης (μιας πουρίνης) και ένα μόριο 5-φωσφορικής ριβόζης.

Ο χημικός τύπος του ATP επιβεβαιώθηκε 20 χρόνια αργότερα από τον Σκώτο βιοχημικό Alexander Todd (1907-1997), στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. Το 1949, ο Todd συνέθεσε με επιτυχία του ATP το 1949, καθώς και το φλαβινο-αδενινο-δινουκλεοτίδιο (flavin adenine dinucleotide, FAD) το 1954. Περιέγραψε επίσης τη δομή της βιταμίνης Β12 το 1955. Για τις ανακαλύψεις του βραβεύθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Χημείας το 1957.

Ο ζωτικός βιοχημικός ρόλος του ATP. Το ATP είναι ένα νουκλεοτίδιο το οποίο χρησιμοποιείται στα κύτταρα ως συνένζυμο από πλήθος ενζύμων για τη μεταφορά χημικής ενέργειας. Την ενέργεια αυτή την προσλαμβάνει κατά τη σύνθεσή της και την αποδίδει κατά την υδρόλυσή της (κυρίως) προς 5'-αδενοσινο-διφωσφορικού οξέος (ADP), έτσι ώστε να προχωρήσει μια άλλη βιοχημική αντίδραση συζευγμένη με την υδρόλυση του ATP .

Τα μόρια του ATP συχνά παρομοιάζονται ως επαναφορτιζόμενες μοριακές μπαταρίες. Ως 5'-αδενοσίνο-μονοφωσφορικό οξύ (AMP) η μοριακή μπαταρία ουσιαστικά είναι "αφόρτιστη", ως 5'-αδενοσινο-διφωσφορικό οξύ (ADP) είναι κατά το ήμισυ φορτισμένη, ενώ ως 5'-αδενοσινο-τριφωσφορικό οξύ (ATP) είναι πλήρως φορτισμένο.

Το ATP είναι ένα από τα τελικά προϊόντα της φωτοφωσφορυλίωσης στα φυτά, της κυτταρικής αναπνοής (cellular resipration) και της ζύμωσης. Χρησιμοποιείται από ένζυμα και δομικές πρωτεΐνες σε πολλές κυτταρικές διεργασίες, στις οποίες περιλαμβάνονται βιοσυνθετικές αντιδράσεις, η κινητικότητα (motility) και ο πολλαπλασιασμός. Η σύνθεση του ATP πραγματοποιείται στις κυτταρικές δομές που είναι γνωστές ως μιτοχόνδρια (mitochοndria), ενώ στους φυτικούς οργανισμούς πραγματοποιείται στους χλωροπλάστες (chloroplasts).

Αναφέρεται χαρακτηριστικά ότι ένα ενεργό κύτταρο σε ένα δευτερόλεπτο καταναλίσκει χημική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη σε περισσότερα από δύο εκατομμύρια μόρια ΑΤΡ προκειμένου να λειτουργήσει ο βιοχημικός μηχανισμός του. 'Εχει εκτιμηθεί ότι στον οργανισμό του ανθρώπου υπάρχει ποσότητα ATP κατά μέσον όρο ίση προς 100 g (αναφέρονται ποσότητες 50 έως 250 g) [Αναφ. 2θ]. Ακόμη, αναφέρεται ότι ποσότητα 250 g ATP εμπεριέχει περίπου τόση ενέργεια, όση ενέργεια βρίσκεται αποθηκευμένη σε μια κοινή μπαταρία τύπου ΑΑ.

Η "μπαταρία" αυτή είναι "επαναφορτιζόμενη", αφού συνεχώς επανασχηματίζεται το ATP από τα προϊόντα μερικής (ADP) ή πλήρους υδρόλυσής της (AMP), ως αποτέλεσμα καταβολισμού (χημικών καύσεων) άλλων θρεπτικών ουσιών που λαμβάνονται με την τροφή ή είναι αποθηκευμένες στον οργανισμό (σάκχαρα, λίπη, πρωτεΐνες). H λειτουργία του ATP θυμίζει την μπαταρία ενός συμβατικού τύπου αυτοκινήτου: Είναι απαραίτητη για την εκκίνηση, αλλά και τη συνεχή λειτουργία της μηχανής του (σπινθηριστές, φώτα, κλιματισμός, μονάδες ελέγχου) και συνεχώς βρίσκεται σε μια κατάσταση φόρτισης/εκφόρτισης. Αναφέρεται ότι κατά τη διάρκεια ενός 24ώρου, ο άνθρωπος συνθέτει μέσω της κυτταρικής αναπνοής και καταναλίσκει συνολική ποσότητα ATP, που ανάλογα με τις σωματικές του δραστηριότητες μπορεί να φθάσει (ή και να ξεπεράσει) το βάρος του!

Πρέπει να τονιστεί ότι το ATP δεν αποτελεί υλικό μακροχρόνιας αποθήκευσης χημικής ενέργειας. Τέτοια υλικά είναι κατά κύριο λόγο οι υδατάνθρακες (π.χ. το γλυκογόνο) και τα λιποειδή. Ανάλογα, τα υγρά καύσιμα είναι εκείνα που θα δώσουν την απαιτούμενη ενέργεια σε ένα συμβατικό αυτοκίνητο για μια μεγάλη διαδρομή και όχι η ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στην μπαταρία του. Αν κάποια κύτταρα χρειασθούν ενέργεια, τα μόρια αποθήκευσης ενέργειας διασπώνται και η εκλυόμενη χημική ενέργεια κατά μεγάλο μέρος της χρησιμοποιείται για τη σύνθεση μορίων ATP, τα οποία μεταφέρουν την ενέργεια αυτή εκεί όπου χρειάζεται και την αποδίδουν με την υδρόλυσή τους.

Το 1941, αναδείχθηκε ο κεντρικός ρόλος του ATP στον ενεργειακό μεταβολισμό από τις ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες του Αμερικανού (Γερμανικής καταγωγής) βιοχημικού Fritz Albert Lipmann (1899-1986, Βραβείο Nobel Φυσιολογίας - Ιατρικής του 1953) και του Δανού βιοχημικού Herman Kalckar (1908-1991). Οι δύο επιστήμονες θεωρούνται ως οι θεμελιωτές της βιοενεργητικής (bioenergetics), δηλαδή του τομέα της βιοχημείας που με βάση τους θερμοδυναμικούς νόμους εξετάζει τις ενεργειακές μεταβολές, τις συνυφασμένες με την ανταλλαγή της ύλης, δηλαδή με τον μεταβολισμό (= καταβολισμός + αναβολισμός), που είναι η βασική λειτουργία για όλες τις δραστηριότητες του ζωντανού οργανισμού και για το φαινόμενο της ζωής στο σύνολό του [Αναφ. 2ια].

 
Συνοπτική παρουσίαση του μηχανισμού φόρτισης/εκφόρτισης της "μοριακής μπαταρίας" του συστήματος ATP/ADP: Το ATP υδρολύεται προς ADP και παρέχει την απαιτούμενη ενέργεια για τη βιοσύνθεση των απαραίτητων βιομορίων για τη λειτουργία του κυττάρου και του οργανισμού γενικότερα, δηλ. κατά τον αναβολισμό απλούστερων ενώσεων σε πιο σύνθετα μόρια. Το ADP επανασχηματίζει το ATP προσλαμβάνοντας ενέργεια από την "καύση" των τροφών (σάκχαρα, λίπη, πρωτεΐνες), δηλ. κατά τον καταβολισμό τους σε απλούστερα μόρια, μεγάλο μέρος των οποίων χρησιμοποιείται κατά τον αναβολισμό.

 

Αριστερά: Fritz Albert Lipmann (1899-1986, Βραβείο Nobel Φυσιολογίας - Ιατρικής του 1953). Δεξιά: Herman Kalckar (1908-1991). Ερμήνευσαν τον ρόλο του ATP στις μεταβολικές διεργασίες στα κύτταρα και έθεσαν τις βάσεις της βιοενεργητικής.

 

Δομή και χημικές ιδιότητες του 5'-αδενοσινο-τριφωσφορικού οξέος

Τρία είναι τα επιμέρους τμήματα που συγκροτούν το μόριο του ATP:

(α) Η οργανική βάση αδενίνη, η οποία ανήκει τις πουρίνες (6-αμινο-πουρίνη) και είναι και μία από τις τέσσερις βάσεις που συνθέτουν το μόριο του DNA (οι άλλες τρεις είναι: η επίσης πουρίνη γουανίνη και οι δύο πυριμιδίνες θυμίνη και κυτοσίνη).

(β) το σάκχαρο ριβόζη (μια τυπική πεντόζη), ένα σάκχαρο που συναντούμε στο RNA, αλλά και σε οξειδοαναγωγικά συνένζυμα, όπως το σύστημα NAD+/NADH (βλ. παρακάτω). Η αδενίνη και η ριβόζη μέσω του Ν-γλυκοζιτικού δεσμού συγκροτούν την αδενοσίνη (τυπικός νουκλεοζίτης) και

(γ) μια τριφωσφορική ομάδα στην οποία βρίσκονται και ομοιοπολικοί δεσμοί P-O που περιέχουν την εσωτερική ενέργεια του ATP την οποία αποδίδουν κατά την υδρολυσή τους.

         

Συντακτικός τύπος (όπου διακρίνονται οι τρεις συστατικές μονάδες) και τρισδιάστατη δομή του ATP. Η αποθηκευμένη ενέργεια βρίσκεται στην τριφωσφορική ομάδα και ειδικότερα στους ομοιοπολικούς δεσμούς P-O που στο σχήμα υποδεικνύονται με κόκκινο χρώμα. Η ενέργεια αυτή αποδίδεται κατά την υδρόλυση των δεσμών αυτών.

 

Δομή του τριφωσφορικού ανιόντος P3O105-

Πολυφωσφορικά οξέα και άλατα τους [Αναφ. 3]

Ο φωσφόρος(V) εκτός από το κοινό τριπρωτικό φωσφορικό οξύ3PO4) μπορεί να σχηματίσει μια σειρά πολυφωσφορικών οξέων με τον γενικό τύπο Η(n+2) [PnO3n+1], ως προϊόντα μερικής αφυδάτωσης του φωσφορικού οξέος. Η δομή τους έχει ένα κοινό μοτίβο: Τα τετράεδρα PO4 συνδέονται ανά δύο μεταξύ τους μέσω ενός κοινού ατόμου οξυγόνου. Τα πιο γνωστά από τα οξέα αυτά είναι (με n = 2 και 3), δηλ. το διφωσφορικό οξύ (γνωστό και ως πυροφωσφορικό οξύ) Η4P2O7 και το τριφωσφορικό οξύ H5P3O10, ενώ έχουν απομονωθεί τα πολυφωσφορικά οξέα (ή άλατά τους) μέχρι n = 10. Εκτός από τα γραμμικά πολυφωσφορικά οξέα είναι γνωστά και κυκλικά πολυφωσφορικά οξέα, με γενικό τύπο Ηn[cyclo-(PO3)n] (n = 3 - 8).

Πολυφωσφορικά οξέα με n από 10 έως 50 μπορούν να ληφθούν ως υαλώδη ή άμορφα μίγματα. Εξαντλητική αφυδάτωση (π.χ. n>50) ουσιαστικά οδηγεί στο πολυμερούς χαρακτήρα μεταφωσφορικό οξύ (ΗPO3)n.

3PO4    H4P2O7 + H2O     3H3PO4    H5P3O10 + 2H2O    ....     nH3PO4    (HPO3)n + nH2O

Κυκλοεξαμεταφωσφορικό νάτριο

Πυροφωσφορικά άλατα παρασκευάζονται εύκολα με θερμική συμπύκνωση μονόξινων ή δισόξινων φωσφορικών αλάτων, ενώ τριφωσφορικά άλατα παρασκευάζονται σε βιομηχανική κλίμακα με ελεγχόμενη θέρμανση μίγματος μονόξινου και δισόξινου φωσφορικού άλατος:

2NaH2PO4      Na2H2P2O7 + H2O          2Na2HPO4      Na4P2O7 + H2O           2Na2HPO4 + NaH2PO4      Na5P3O10 + 2H2O

Τα υδατικά διαλύματα των αλάτων αυτών υδρολύονται με αργό ρυθμό εκλύοντας θερμότητα, ταχύτερα δε σε όξινα διαλύματα.

'Aλατα του πυροφωσφορικού οξέος χρησιμοποιούνται ως μαγειρικά πρόσθετα (όξινα και ουδέτερα άλατα) και ως λειαντικά υλικά σε οδοντόπαστες. 'Aλατα του τριφωσφορικού οξέος χρησιμοποιήθηκαν ως πρόσθετα σε συνθετικά απορρυπαντικά, λόγω της ικανότητάς τους να συμπλέκουν ισχυρά τα ιόντα μαγνησίου και ασβεστίου, καθιστώντας τα ικανά να δράσουν ακόμη και σε νερά υψηλής σκληρότητας.

Tο κυκλοεξαμεταφωσφορικό νάτριο, (NaPO3)6, γνωστό και ως άλας Graham (δεξιά), χρησιμοποιείται ως πρόσθετο τροφίμων (Ε452i) για την αύξηση του pH, όπως επίσης και για την αποσκλήρυνση του ύδατος.

 

Το ATP ως οξύ και συμπλεκτικό αντίδραστήριο. Η τριφωσφορική αλυσίδα καθιστά το ATP ένα τετραπρωτικό οξύ. Και τα 4 υδροξύλια, που είναι συνδεδεμένα με τα άτομα φωσφόρου (P-OH), μπορούν να υποστούν διάσταση. Ωστόσο, η διάσταση του ATP πέρα από το 2ο στάδιο προϋποθέτει αρκετά αλκαλικό διάλυμα που επιφέρει ταχεία υδρόλυση της ένωσης. Σε σχετικώς πρόσφατη βιβλιογραφία αναφέρονται οι δύο πρώτες σταθερές διάστασης: pKa1= 4,31 ± 0,02 και pKa2 = 6,76 ± 0,02 (σε διάλυμα 0,10 Μ NaCl στους 25ºC [Αναφ. 1γ]).

Τα υδατικά διαλύματα του ATP (ελαφρώς όξινα ως έχουν ή σε διάλυμα τριχλωροξικού οξέος) αναφέρονται ως σταθερά για λίγες ώρες στους 0ºC. Σταθερότερα είναι τα διαλύματα του ATP σε ρυθμιστικά διαλύματα με pH στην περιοχή 6,8-7,4. Ασταθέστατο είναι το ATP σε αλκαλικά διαλύματα, όπου υδρολύεται ταχύτατα. Το ATP φυλάσσεται καλύτερα στη μορφή άνυδρου άλατος ή ως ένυδρο άλας σε κατάψυξη (-20ºC). Το ATP διατίθεται για ερευνητικούς σκοπούς ως διάλυμα 0,10 Μ το οποίο έχει ρυθμιστεί σε pH 7,0 με NaOH ή ως άλας με τρισυδροξυμεθυλαμινομεθάνιο (γνωστό ως Tris) (C10H16N5O13P3·2C4H11NO3·2H2O) [Αναφ. 4α,β].

Το ATP δρα και ως συμπλεκτικό αντιδραστήριο, έχοντας την ικανότητα να συμπλέκει διάφορα μεταλλοϊόντα. Ιδιαίτερα σταθερό είναι το σύμπλοκο με τα ιόντα Mg2+, τα οποία αποτελούν κανονικό συστατικό του κυτταροπλάσματος. Η σύμπλεξη αυτή είναι επόμενο να τροποποιεί τόσο τις σταθερές διάστασης, όσο και την υδρολυτική συμπεριφορά του ATP καθιστώντας το σταθερότερο. Με θερμομετρική ογκομέτρηση προσδιορίσθηκαν οι ακόλουθες τιμές της σταθεράς σχηματισμού του ATP με τα αναφερόμενα ιόντα με τα οποία σχηματίζει σύμπλοκα 1:1 [Αναφ. 4β-γ, ]:

Μg2+: 9554 ± 585        Ca2+: 3722 ± 211        Sr2+: 1381 ± 120        Li+: 25        Na+: 13        K+: 8   

Υδρόλυση του ATP. Το 5'-αδενοσινο-τριφωσφορικό οξύ και τα δύο παράγωγά του που προκύπτουν κατά τα διαδοχικά στάδια μερικής υδρόλυσής του, το 5'-αδενοσινο-διφωσφορικό οξύ (5'-adenosine diphosphoric acid, ΑDP) και το 5'-αδενοσινο-μονοφωσφορικό οξύ (5'-adenosine monophosphoric acid, ΑMP), δείχνονται παρακάτω:

To ATP υδρολύεται εύκολα προς 5'-αδενοσινο-διφωσφορικό οξύ και 5'-αδενοσινο-μονοφωσφορικό οξύ με έκλυση ενέργειας (εξεργονική αντίδραση). Η ενέργεια αυτή εκλύεται ως θερμότητα ή παρουσία κατάλληλου υποστρώματος (συζευγμένη αντίδραση) και ενζύμου μεταφέρεται ως χημική ενέργεια μαζί με μια φωσφορική ομάδα στα τελικά προϊόντα της ενζυμικής αντίδρασης.

Η υδρόλυση του ATP προς AMP μπορεί να πραγματοποιηθεί με δύο τρόπους: α) Σταδιακά, όπως δείχνεται παραπάνω με απελευθέρωση συνολικά 2 φωσφορικών οξέων (H3PO4). β) Απευθείας προς AMP με απελευθέρωση διφωσφορικού (ή πυροφωσφορικού) οξέος (H4P2O7) το οποίο μπορεί να υδρολυθεί προς φωσφορικό οξύ. Οι σχετικές αντιδράσεις και οι μεταβολές της ελεύθερης ενέργειας έχουν ως εξής [Αναφ. 2ια]:

Alexander Todd (1907-1997). Ο Σκώτος βιοχημικός που συνέθεσε πολλές ενώσεις βιοχημικού ενδιαφέροντος. Ετιμήθηκε με το βραβείο Nobel Χημείας το 1957.

Από τις παραπάνω αντιδράσεις φαίνεται πως η πλήρης υδρόλυση του ATP προς AMP και φωσφορικό οξύ μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω των δύο διαδρομών, δηλ. μέσω των αντιδράσεων 1α-1β ή μέσω των αντιδράσεων 2α-2β και προφανώς η συνολικά απελευθερούμενη ενέργεια είναι η ίδια μέσω της μίας ή της άλλης διαδρομής. Ακόμη, από τις τιμές ΔG είναι εμφανές ότι η ενέργεια των δύο ακραίων δεσμών P-O (φωσφόροι γ-P και β-P) είναι υπερδιπλάσια του αντίστοιχου δεσμού P-O (φωσφόρου α-P) που συνδέεται άμεσα με την αδενοσίνη. Στις περισσότερες περιπτώσεις βιοχημικών αντιδράσεων τροφοδοτούμενων ενεργειακά από το ATP, αυτό υδρολύεται προς ADP (αντίδραση 1α) και φωσφορικά ιόντα, ενώ σε λιγότερες το ATP υδρολύεται απ' ευθείας προς AΜP και πυροφωσφορικά ιόντα (αντίδραση 2α).

Τα ηλεκτρόνια των φωσφορικών δεσμών έλκονται προς διάφορες κατευθύνσεις και συγχρόνως απωθούνται από το αρνητικό φορτίο των οξυγόνων που συνιστούν το φορτίο των ανιόντων του ATP. 'Ετσι βρίσκονται σε μια "άβολη" υψηλή ενεργειακή κατάσταση. Κατά την υδρόλυση του φωσφοανυδριτικού δεσμού P-O-P, τα ηλεκτρόνια των φωσφορικών ομάδων περιέρχονται σε μια πιο "αναπαυτική" ενεργειακά χαμηλότερη θέση πλησιέστερα στους πυρήνες. Η διαφορά των δύο ενεργειακών καταστάσεων είναι η εκλυόμενη κατά την υδρόλυση ενέργεια.

Πρέπει να σημειωθεί ότι η αντίδραση εφυδάτωσης του P2O5 (υαλώδης μορφή) προς H3PO4 παρέχει 29,1 kcal/mol ή 14,5 kcal για κάθε γραμμομόριο παραγόμενου Η3PΟ4. Το ποσόν αυτό της θερμότητας συμβαδίζει με τα 7,3 kcal για κάθε γραμμομόριο παραγόμενου Η3PΟ4, που παρέχει κάθε (κατά το ήμισυ εφυδατωμένος) φωσφόρος του ATP κατά την "πλήρη εφυδάτωσή" του προς Η3PO4. 'Αλλες μορφές (άμορφο και κρυσταλλικό P2O5) παρέχουν μεγαλύτερα ποσά θερμότητας (34-45 kcal/mol) [Αναφ. 5α].

Οι παραπάνω αναφερόμενες τιμές ΔG σε κάθε περίπτωση είναι πολύ υψηλές (συγκριτικά με εκείνες άλλων βιοχημικών αντιδράσεων). Επιπλέον, πρέπει να θεωρηθούν ως ενδεικτικές, αφού αυτές εξαρτώνται σε κάποιο βαθμό από το περιβάλλον, π.χ. από το pH και την παρουσία ιόντων που συμπλέκονται με την τριφωσφορική ομάδα, όπως το Mg(II). 'Εχουν πραγματοποιηθεί διεξοδικές μελέτες πάνω στη θερμοδυναμική των προηγούμενων αντιδράσεων. Βέβαια, βιοχημικό ενδιαφέρον έχουν οι τιμές οι οποίες λαμβάνονται σε συνθήκες παρόμοιες με εκείνες που επικρατούν στο εσωτερικό των κυττάρων [Αναφ. 5β-γ].

Μεταφορά της ελεύθερης ενέργειας του ATP σε μη αυθόρμητες αντιδράσεις. Η αυθόρμητη διάσπαση του ATP προς ADP (ΔGº<0: εξεργονική αντίδραση) συζεύγνυται με αντίδραση οι οποία δεν χωρεί αυθόρμητα (ΔGº>0: ενδεργονική αντίδραση). Τυπικό παράδειγμα αποτελεί η αντίδραση φωσφορυλίωσης της γλυκερίνης:

Γλυκερίνη + φωσφορικό οξύ    γλυκερινο-3-φωσφορικό οξύ,    ΔG1º = +2,2 kcal/mol.

Η αντίδραση αυτή δεν πραγματοποιείται αυθόρμητα. Ωστόσο, αν συζευχθεί με την αυθόρμητη διάσπαση του ATP:

ATP    ADP + φωσφορικό οξύ,    ΔG2º = -7,3 kcal/mol,

η συνολική αντίδραση γίνεται:

Γλυκερίνη + ATP    γλυκερινο-3-φωσφορικό οξύ + ADP,   ΔGολº = ΔG1º + ΔG2º = (+2,2 kcal/mol) + (-7,3 kcal/mol) = -5,1 kcal/mol.

Το αρνητικό πρόσημο του αθροίσματος των ελευθέρων ενεργειών δηλώνει ότι η συνολική αντίδραση χωρεί αυθόρμητα (εξεργονικά) προς τα δεξιά. Συνολικά, το ATP υπερκαλύπτει τις ενεργειακές ανάγκες της φωσφορυλίωσης της γλυκερίνης και το περίσσευμα της ενέργειας που προσφέρει χάνεται ως θερμότητα. Το σύστημα των συζευγμένων αντιδράσεων συνήθως παριστάνεται με καμπύλα βέλη όπως φαίνεται στο σχήμα κάτω αριστερά. Το σχήμα περιγράφει δύο συζευγμένες αντιδράσεις, αλλά είναι δυνατόν να υπάρχει μια αλληλουχία συζευγμένων αντιδράσεων, με κυκλική αναγέννηση των ενδιάμεσων ουσιών (κάτω δεξιά). Θα πρέπει να τονισθεί ότι όλες οι αντιδράσεις χωρούν παρουσία του αντίστοιχου για κάθε αντίδραση ενζύμου.

 

Σύνθεση του 5'-αδενοσινο-τριφωσφορικού οξέος

Σύνθεση του ATP στο εργαστήριο. Η πρώτη εργαστηριακή σύνθεση του 5'-αδενοσινο-τριφωσφορικού οξέος πραγματοποιήθηκε από τον Σκώτο βιοχημικό Alexander Todd (1907-1997) και τους συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο του Cambridge [Αναφ. 1θ, 6]. Η δυσκολία στη συγκεκριμένη σύνθεση ήταν η εισαγωγή της τριφωσφορικής ομάδας στην 5'-θέση της αδενοσίνης, της οποίας η σύνθεση είχε επιτευχθεί παλαιότερα.

Χρησιμοποιήθηκε το αντιδραστήριο χλωροφωσφoνικό διβενζύλιο, το οποίο παρασκευάζεται με χλωρίωση του φωσφονικού (ή φωσφορώδους) διβενζυλεστέρα (dibenzyl phοsphonate, (C6H5CH2O)2P(=O)H), αντιδραστήριο το οποίο είχε ήδη χρησιμοποιηθεί για την εισαγωγή της διφωσφορικής (πυροφωσφορικής) ομάδας.

Η αδενοσίνη αντιδρά με το χλωροφωσφονικό διβενζύλιο σε τρία επιμέρους στάδια, στο καθένα από τα οποία εισάγεται μια φωσφορική ομάδα. Στη συνέχεια οι βενζυλικές ομάδες απομακρύνονται με καταλυτική υδρογόνωσή τους προς τολουόλιο (αποβενζυλίωση).

Αν και το συνθετικό σχήμα του Todd δείχνει απλό, παρουσιάζονται πρακτικές δυσκολίες και ιδιαίτερα στο ενδιάμεσο στάδιο μερικής αποβενζυλίωσης του τριβενζυλοπαραγώγου του διφωσφορικού (πυροφωσφορικού) εστέρα, όπου προσεκτικά πρέπει να αποκαλυφθεί ένα μόνο υδροξύλιο, ώστε να προχωρήσει η σύνθεση στην εισαγωγή της τρίτης σε σειρά φωσφορικής ομάδας. 'Αλλη σημαντική δυσκολία στη σύνθεση αποτελεί η περιορισμένη σταθερότητα (λόγω εύκολης υδρόλυσης) του τελικού προϊόντος. Το γενικό σχήμα της σύνθεσης έχει ως εξής:

Αρχή της σύνθεσης του 5'-αδενοσινο-τριφωσφορικού οξέος (ATP) που πραγματοποιήθηκε από τον Todd και τους συνεργάτες του (1948).

 

Το ATP παράγεται στο κυτταρόπλασμα κατά τον αναβολισμό μικρών οργανικών μορίων απουσία οξυγόνου, ωστόσο οι μεγαλύτερες ποσότητές του παράγονται στα μιτοχόνδρια των κυττάρων παρουσία οξυγόνου.

Σύνθεση του ATP στους ζώντες οργανισμούς. Η σύνθεση του ATP στους ζώντες οργανισμούς πραγματοποιείται με δύο τελείως διαφορετικούς τύπους αντιδράσεων που απαιτούν την προσφορά ενέργειας:

(α) Σε επίπεδο υποστρώματος ενζυματικών αντιδράσεων: μια φωσφορική ομάδα προστίθεται έμμεσα στο 5'-αδενοσίνο-διφωσφορικό οξύ (ADP), μέσω μιας ενδιάμεσης φωσφορυλιωμένης ένωσης. Ο κυριότερος τρόπος είναι η γλυκόλυση, δηλ. η σταδιακή αποικοδόμηση της γλυκόζης προς πυροσταφυλικό οξύ (2 μόρια ανά μόριο γλυκόζης). Η όλη διεργασία προσφέρει (καθαρά) 2 μόρια ATP ανά 1 μόριο γλυκόζης, πραγματοποιείται στο κυτταρόπλασμα και δεν απαιτεί οξυγόνο.

Στη συνέχεια το πυροσταφυλικό οξύ μετατρέπεται σε ακετυλο-συνένζυμο και εισέρχεται (ως "καύσιμο") στον κύκλο Krebs, όπου παράγεται 1 μόριο ATP ανά μόριο πυροσταφυλικού. Η διεργασία αυτή πραγματοποιείται στα μιτοχόνδρια, τα οργανίδια του κυττάρου που έχουν χαρακτηρισθεί ως "εργοστάσια παραγωγής ενέργειας", αν και ορθότερο θα ήταν να χαρακτηριστούν ως "εργοστάσια πακεταρίσματος της ενέργειας", αφού η ενέργεια δεν "παράγεται", απλά υπάρχει και αλλάζει μορφές. Το συνολικό αποτέλεσμα είναι μόνο 4 μόρια ATP ανά μόριο γλυκόζης.

Ωστόσο, κατά τα στάδια αυτά παράγεται και σημαντικός αριθμός μορίων οξειδοαναγωγικών συνενζύμων (NADH και FADH2) στην ενεργειακώς πλούσια ανηγμένη μορφή που θα αξιοποιηθούν στη συνέχεια.

(β) Οξειδωτική φωσφορυλίωση: Και αυτή η διεργασία πραγματοποιείται στα μιτοχόνδρια. Κατά το στάδιο αυτό το Ο2 γίνεται ο τελικός αποδέκτης των ηλεκτρονίων που μεταφέρουν οι ανηγμένες μορφές των οξειδοαναγωγικών συνενζύμων που συμπαρήχθησαν μαζί με το ATP στις προηγούμενες διεργασίες. Η ενέργεια που εκλύεται δεσμεύεται σε επιπλέον 32 μόρια ATP.

Με βάση τα προηγούμενα από την "καύση" 1 μορίου γλυκόζης παράγονται συνολικά 36 μόρια ATP. Περισσότερες λεπτομέρειες πάνω στα διάφορα στάδια του καταβολισμού της γλυκόζης, του κύκλου Krebs και των εκπληκτικών μηχανισμών που συνιστούν την οξειδωτική φωσφορυλίωση, όπως και του παράδοξου ως προς τον τρόπο λειτουργίας του ενζύμου-"μοριακής μηχανής", το οποίο βιοσυνθέτει το ATP παρουσιάζονται στη συνέχεια.

 

Βασικά στοιχεία μεταβολισμού

Γενική διάκριση μεταβολικών διεργασιών σε καταβολικές και αναβολικές

Ως μεταβολισμός (metabolism) ορίζεται το σύνολο των χημικών μετασχηματισμών οι οποίοι πραγματοποιούνται μέσα στα κύτταρα των ζώντων οργανισμών. Οι αντιδράσεις αυτές καταλύονται από ένζυμα και καθιστούν τους ζώντες οργανισμούς ικανούς να αναπτυχθούν, να αναπαραχθούν, να αποκριθούν και να προσαρμοστούν στο περιβάλλον τους. Ως μεταβολισμός αναφέρεται και το σύνολο των χημικών αντιδράσεων που πραγματοποιούνται στους ζώντες οργανισμούς, στις οποίες περιλαμβάνονται οι διαδικασίες χώνευσης και μεταφοράς των ουσιών μεταξύ των διαφόρων κυττάρων.

Το σύνολο των αντιδράσεων του μεταβολισμού χωρίζονται σε δύο κατηγορίες:

(α) Αντιδράσεις καταβολισμού, κατά τις οποίες θρεπτικές οργανικές ουσίες που λαμβάνονται ως τροφή, ή βρίσκονται αποθηκευμένες στον ζώντα οργανισμό, διασπώνται με σκοπό την παραγωγή ενέργειας, αλλά και απλούστερες ενώσεις οι οποίες θα χρησιμοποιηθούν ως δομικά στοιχεία για τη σύνθεση απαραίτητων ουσιών για τη διατήρηση της ζωής μέρος των οποίων αποβάλλονται ως άχρηστες ή τοξικές για τον οργανισμό.

(β) Αντιδράσεις αναβολισμού, κατά τις οποίες χρησιμοποιούνται η ενέργεια και οι απλούστερες ενώσεις (δομικά στοιχεία), που ελήφθησαν κατά τον καταβολισμό για τη σύνθεση πολυπλοκότερων ενώσεων απαραίτητων για την ανάπτυξη και διατήρηση του ζώντος οργανισμού.

Βιομηχανικός εναλλάκτης θερμότητας. Με τους εναλλάκτες θερμότητας αξιοποιείται η θερμική ενέργεια που εκλύεται σε κάποιο στάδιο της βιομηχανικής παραγωγής, αντί να αφεθεί να διαχυθεί στο περιβάλλον.

Διακίνηση ενέργειας. Σε μια σωστά σχεδιασμένη βιομηχανική μονάδα χημικής σύνθεσης, όταν σε κάποιο στάδιο της όλης διεργασίας εκλύεται θερμότητα, λόγοι ενεργειακής οικονομίας επιβάλλουν η θερμότητα αυτή να μη χαθεί διαχεόμενη στο περιβάλλον, αλλά να αξιοποιηθεί π.χ. για τη θέρμανση άλλων χημικών αντιδραστήρων, όπου απαιτείται θέρμανση για να πραγματοποιηθούν κάποιες άλλες αντιδράσεις. Αυτό πραγματοποιείται με τους λεγόμενους εναλλάκτες θερμότητας (heat exchangers), όπου ένα θερμό αέριο ή υγρό (συνήθως υπέρθερμος ατμός), κυκλοφορεί μέσω σωλήνων που βρίσκονται σε επαφή με ένα άλλο σύστημα σωληνώσεων, όπου κυκλοφορεί ένα άλλο ρευστό που παραλαμβάνει ποσά θερμότητας από το προηγούμενο.

Στους ζωντανούς οργανισμούς δεν μπορεί να συμβεί κάτι αντίστοιχο. Στους οργανισμούς μεγάλο μέρος της εκλυόμενης ενέργειας από τις βιοχημικές αντιδράσεις καταβολισμού (που συχνά αναφέρονται ως "καύσεις" του οργανισμού) αποθηκεύεται προσωρινά σε βιοχημικές ενώσεις υψηλής ενέργειας  με κυριότερο αλλά και "σταθερότερο" εκπρόσωπό τους το ATP. 'Ετσι, αυτές οι αντιδράσεις αυτές συζεύγνυνται άμεσα ή έμμεσα με την αντίδραση φωσφορυλίωσης μορίων ADP προς ATP.

Στη συνέχεια, τα μόρια ATP, δρώντας ως συνένζυμο, συζεύγνυνται με ενζυμικές αντιδράσεις προσφέροντας την εκάστοτε απαιτούμενη ενέργεια. Οι αντιδράσεις αυτές είναι κατά κανόνα αντιδράσεις φωσφορυλίωσης απλών οργανικών μορίων προϊόντων καταβολικών (κυρίως) διεργασιών. Στις συνθήκες που επικρατούν στο κυτταρο, το ATP δεν μπορεί μόνο του (δηλ. απουσία ενζύμου) να υδρολυθεί και να απαλλαγεί από το ενεργειακό του φορτίο, κάτι που αν συνέβαινε θα το καθιστούσε άχρηστο από βιοχημική άποψη.

Κλασικός είναι ο χαρακτηρισμός του ATP ως "ενεργειακής νομισματικής μονάδας" και έτσι υπεισέρχεται σε υπολογισμούς του "ενεργειακού ισοζυγίου" και σε ενεργειακές "κοστολογήσεις" βιοχημικών διεργασιών. Για παράδειγμα, συχνά αναφέρεται ότι "η Α καταβολική αλληλουχία αντιδράσεων αποδίδει τόσες μονάδες (μόρια) ATP" ή, ανάλογα, "η Β αναβολική αλληλουχία αντιδράσεων απαιτεί τόσες μονάδες (μόρια) ATP".

Για να χαρακτηρισθεί μια βιοχημική ένωση ως ένωση υψηλής ενέργειας θα πρέπει η ελεύθερη ενέργεια υδρόλυσής της να ξεπερνά τα 7 kcal/mol. Κατά κανόνα βιοχημικές ενώσεις υψηλής ενέργειας είναι παράγωγα του φωσφορικού οξέος. Τυπικά παραδείγματα είναι οι ανάλογες με την ΑΤP και ΑDP ενώσεις με άλλες πουρινικές και πυριμιδινικές βάσεις (ουρακίλη, θυμίδινη, κυτοσίνη, γουανίνη, ινοσίνη, οι οποίες συμβολίζονται αντίστοιχα ως UTP, UDP, TTP, TDP, CTP, CDP, GTP, GDP, ITP και IDP), αλλά και πολλές άλλες ενώσεις [Αναφ. 2ια]:

Διακίνηση ηλεκτρονίων. Το οξειδωτικό που χρησιμοποιούν όλοι οι αερόβιοι οργανισμοί στις οξειδωτικές καταβολικές αντιδράσεις είναι το ατμοσφαιρικό οξυγόνο το οποίο προσλαμβάνεται με την αναπνοή. Από τις αντιδράσεις αυτές αντλούν ενέργεια, όπως και τις πρόδρομες ενώσεις για τις αναβολικές συνθέσεις. Ωστόσο, το ίδιο το οξυγόνο δεν μπορεί να είναι διαθέσιμο σε κάθε σημείο όπου θα πρέπει να πραγματοποιηθεί μια οξείδωση, ούτε αποτελεί την κατάλληλη μορφή οξειδωτικού για να προχωρήσουν οι καταβολικές αντιδράσεις με την απαιτούμενη εκλεκτικότητα και ταχύτητα.

Οι οργανισμοί διαθέτουν πλήθος ουσιών σχετικά μικρού μοριακού βάρους, οι οποίες δρουν ως συνενζύμα και υφίστανται τόσο σε οξειδωμένη, όσο και σε ανηγμένη μορφή. Πρόκειται για οξειδοαναγωγικά ζεύγη που χαρακτηρίζονται από εξαιρετική ηλεκτροχημική αντιστρεπτότητα, των οποίων η ανηγμένη τους μορφή δρα ως φορέας αναγωγικής ισχύος. Συχνά, τα ζεύγη αυτά αναφέρονται ως "διακινητές ηλεκτρονίων" ή -ισοδύναμα- ως "διακινητές ατόμων υδρογόνου". Οι ουσίες αυτές δρουν σε πλήρη συνεργασία με τις ενώσεις υψηλής ενέργειας, οι οποίες δρουν ως διακινητές ενέργειας, ωστόσο και οι ίδιες στην ανηγμένη τους μορφή είναι ενεργειακώς πλούσιες και την ενέργεια αυτή την αποδίδουν κατά την οξείδωσή τους.

Τα οξειδοαναγωγικό ζεύγη του νικοτιναμιδο-αδενινο-δινουκλεοτιδίου (NAD+/NADH) και του φλαβινο-αδενινο-δινουκλεοτιδίου (FAD/FADH2). Πρόκειται για τα κυριότερα συνένζυμο διακίνησης ηλεκτρονίων, τα οποίο εμπλέκονται σε πλήθος ενζυμικών αντιδράσεων οξειδοαναγωγικού χαρακτήρα κατά τον μεταβολισμό στους ζώντες οργανισμούς.

Ο πλέον τυπικός εκπρόσωπος των ενώσεων αυτών είναι το νικοτιναμιδο-αδενινο-δινουκλεοτίδιο (nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+/NADH), το οποίο συμβολίζεται στην οξειδωμένη (ή οξειδωτική) μορφή ως NAD+ (το + δηλώνει θετικό φορτίο εντοπισμένο στο νικοτιναμίδιο και όχι ότι η οξειδωμένη μορφή έχει συνολικό φορτίο +1) και στην ανηγμένη (ή αναγωγική) μορφή ως NADH. Κατά τις καταβολικές αντιδράσεις η οξειδωμένη μορφή δρα ως οξειδωτικό, παραλαμβάνοντας ηλεκτρόνια από την οξειδούμενη ουσία. Κατά τις αναβολικές αντιδράσεις η ανηγμένη μορφή NADH δρα ως φορέας ηλεκτρονίων και προσφέρει την απαραίτητη αναγωγική ισχύ.

Ο γραμμομοριακός λόγος των ελεύθερων μορφών NAD+/NADH στο κυτταρόπλασμα καθορίζει τη λεγόμενη οξειδοαναγωγική κατάσταση του κυττάρου και κυμαίνεται γύρω από την τιμή 700 στα υγιή κύτταρα των θηλαστικών, ενώ ο λόγος των συνολικών συγκεντρώσεών τους (ελεύθερα + δεσμευμένα σε πρωτεΐνες) κυμαίνεται από 3 έως 10. Η ανηγμένη μορφή του συνενζύμου (NADH) είναι ισχυρό αναγωγικό σώμα και ο σχηματισμός της από τη μορφή NAD+ απαιτεί προσφορά χημικής ενέργειας, που λαμβάνεται από το ATP ή άλλες ενεργειακώς πλούσιες ενώσεις.

'Αλλα ανάλογα συνένζυμα - οξειδοαναγωγικά ζεύγη είναι εκείνα του φλαβινο-αδενινο-δινουκλεοτίδιο (flavino adenino dinucleotide, FAD/FADH2) και του νικοτιναμιδο-αδενινο-φωσφορικού δινουκλεοτιδίου (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADP+/NADPH), ενός φωσφορυλιωμένου (στη ριβόζη) παραγώγου του NAD+/NADH.

'Αλλοι τελείως διαφορετικοί τύποι ενώσεων διακινητών ηλεκτρονίων είναι διάφορα πεπτίδια με θειούχα αμινοξέα (π.χ. γλουταθείον), κινοειδούς χαρακτήρα ενώσεις (π.χ. ουβικινόνη), βιταμίνες (π.χ. ασκορβικό οξύ), σιδηρο-θειο-πρωτεΐνες κ.α.

Γενικό σχήμα διάμεσου μεταβολισμού. Κατά τις διαδικασίες του μεταβολισμού πραγματοποιείται τεράστιος αριθμός βιοχημικών αντιδράσεων, κάθε μία από τις οποίες καταλύεται από ένα εξειδικευμένο ένζυμο. Οι περισσότερες από τις αντιδράσεις αυτές είναι συζευγμένες με αντιδράσεις, στις οποίες συμμετέχουν συνένζυμα διακίνησης ενέργειας, όπως το ATP, καθώς επίσης και συνένζυμα διακίνησης ηλεκτρονίων, εφόσον πρόκειται για αντιδράσεις οξείδωσης ή αναγωγής. Το γενικό σχήμα του διάμεσου μεταβολισμού δείχνεται στο επόμενο σχήμα:

Τα τρία στάδια του διάμεσου μεταβολισμού (με βάση την [Αναφ. 2ια], σχήμα 293).

 

Στο γενικό σχήμα του διάμεσου καταβολισμού διακρίνονται τρία στάδια Ι, ΙΙ και ΙΙΙ. Ο καταβολισμός ακολουθεί την πορεία είναι Ι ΙΙ ΙΙΙ και ο αναβολισμός την αντίθετη ΙΙΙ ΙΙ Ι. Τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα κάθε σταδίου και κατά πορεία συνοψίζονται στον ακόλουθο πίνακα:

Στάδιο

Κοινά χαρακτηριστικά

Καταβολική πορεία

Αναβολική πορεία

Ι

Μη αμφίδρομες ενζυμικές αντιδράσεις - Δεν υπάρχουν οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις

Εξεργονικές αντιδράσεις (ΔG<0) - Η εκλυόμενη ενέργεια δεν δεσμεύεται ως χημική (π.χ. με σχηματισμό ATP)

Ενδεργονικές αντιδράσεις (ΔG>0) - Η ενέργεια παραλαμβάνεται από το ATP - Το ATP υδρολύεται προς AMP

ΙΙ

- Αμφίδρομες ενζυμικές αντιδράσεις - Το ATP μεταφέρει ενέργεια από εξεργονικές σε ενδεργονικές αντιδράσεις - Υπάρχουν οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις καταλυόμενες από τα συνένζυμα/διακινητές ηλεκτρονίων

Αποδίδεται το 1/3 της ελεύθερης ενέργειας κατά την καύση των μονομερών - Μέρος της εκλυόμενης ενέργειας δεσμεύεται στο παραγόμενο ATP

Δεσμεύεται το 1/3 της ελεύθερης ενέργειας για τη σύνθεση των μονομερών από τις διαθέσιμες ποσότητες ATP

ΙΙΙ

- Κοινό στάδιο και για τις τρεις τάξεις θρεπτικών ουσιών - 'Ολες τους έχουν καταλήξει στη μορφή του "κοινού καυσίμου", το ακετυλο-συνένζυμο Α (CH3CO-S-CoA) που τροφοδοτεί τον κύκλο του Krebs - Χαρακτηρίζει αποκλειστικά αερόβιους οργανισμούς - Πλήρης καύση στα μιτοχόνδρια (τελικά προϊόντα: H2O, CO2, NH3 ή παράγωγά της, όπως η ουρία και το ουρικό οξύ) - Απόδοση των υπολοίπων 2/3 της ελεύθερης ενέργειας των αρχικών μονομερών

 

Γλυκόλυση [Αναφ. 7]

Η γλυκόζη θεωρείται ως η θρεπτική ύλη - "καύσιμο άμεσης δράσης". Κατά κανόνα, ο καταβολισμός της γλυκόζης αποτελεί τo κλασικότερo παράδειγμα υπολογισμού του "ενεργειακού ισοζυγίου", το οποίο εκφράζεται σε μόρια ATP που μπορούν να παραχθούν από την "καύση" ενός μορίου γλυκόζης.

Η αντίδραση πλήρους και άμεσης καύσης της γλυκόζης από το οξυγόνο έχει ως εξής:

C6H12O6  +  6 O2      6 CO2  +  6 H2O,      ΔGo = -686 kcal/mol

Από την παραπάνω συνολική αντίδραση προκύπτει ότι η ολοκληρωτική οξείδωση ενός μορίου γλυκόζης μέσω της γλυκόλυσης, της αντίδρασης του πυροσταφυλικού με το συνένζυμο Α και του κύκλου Κrebs προσφέρει μόνο 4 μόρια ATP, αλλά συγχρόνως παρέχει 10 μόρια NADH και 2 μόρια FADH2. Στα 12 τελευταία μόρια έχει μετουσιωθεί η μισή αναγωγική δύναμη του μορίου της γλυκόζης.  Η οξείδωση των ανηγμένων μορφών αυτών των συνενζύμων από το μοριακό οξυγόνο θα δώσει πολύ περισσότερα (τυπικά 32) μόρια ATP κατά το επόμενο στάδιο της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης, όπως συνοπτικά περιγράφεται στη συνέχεια.

 

 

Οξειδωτική φωσφορυλίωση [Αναφ. 10]

Η οξειδωτική φωσφορυλίωση (oxidative phosphorylation) από άποψη παραγόμενης ποσότητας αποτελεί τον κύριο μηχανισμό σύνθεσης ATP (από ADP και φωσφορικά ιόντα) στους αερόβιους οργανισμούς και πραγματοποιείται αποκλειστικά στα μιτοχόνδρια.

Η διαδικασία της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης μπορεί να διακριθεί σε δύο επιμέρους μηχανισμούς: (α) τον μηχανισμό της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων και (β) τον μηχανισμό της χημειώσμωσης.

Διαδικασία οξειδωτικής φωσφορυλίωσης: Αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων (μπλε βέλη)+ Χημειώσμωση. Στο σχήμα δείχνεται η διακίνηση των ηλεκτρονίων του NADH, που ως αποτέλεσμα έχει 1 μόριό του να "αντλεί" 6 πρωτόνια από τη μιτοχονδριακή μήτρα. Ίδια διαδρομή ακολουθεί και η διακίνηση των ηλεκτρονίων του FADH2 με μόνη διαφορά ότι ξεκινά από το 2ο στάδιο γιαυτό και 1 μόριό του "αντλεί" 4 πρωτόνια από τη μιτοχονδριακή μήτρα (κόκκινα βέλη).

Αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Η εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων είναι διάσπαρτη από ένζυμα-ιοντικές διαύλους, που συνιστούν μια αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων (electron transport chain, ACT). Αντίθετα, η εξωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων διαθέτει σχετικά μεγάλους πόρους, οι οποίοι ουσιαστικά επιτρέπουν την εξισορρόπηση του υγρού του διαμεμβρανικού χώρου με το κυτταρόπλασμα που περιβάλλει τα μιτοχόνδρια, αλλά αποτρέπει την άμεση διάχυση του υγρού της περιοχής αυτής στο κυτταρόπλασμα.

Η ενέργεια που απαιτείται για τη φωσφορυλίωση του ADP προς ATP προέρχεται από την αναγωγή του οξυγόνου από τις ανηγμένες μορφές των οξειδοαναγωγικών συνενζύμων NADH και FADH2 που παρήχθησαν κατά τα προηγούμενα στάδια. Συνεισφέρει επίσης και το NADH που παρήχθει κατά τη γλυκόλυση και βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα.

Ουσιαστικά, τα NADH και FADH2 φέρουν την αναγωγική δύναμη της τροφής που έχει λάβει και έχει καταβολήσει ο οργανισμός. Ωστόσο, η "διαδρομή" που ακολουθεί η ενέργεια και οι μορφές που αποκτά ενδιάμεσα, μέχρις ότου πραγματοποιηθεί ο σχηματισμός του ATP, είναι κάπως περίπλοκη και ιδιαιτέρως ενδιαφέρουσα.

Τα ηλεκτρόνια τα οποία διακινούνται ως ανηγμένη μορφή των οξειδοαναγωγικών συνενζύμων (NADH, FADH2), αφού πραγματοποιήσουν μια σειρά "διελεύσεων" μέσω των συμπλεγμάτων ενζύμων και ενώσεων, που βρίσκονται στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων, φθάνουν στον τελικό αποδέκτη τους, τα άτομα του μορίου Ο2 (από την αναπνοή) και τα ανάγουν προς ύδωρ.

Κατά τις διελεύσεις αυτές το ζεύγος των ηλεκτρονίων, που παρέχει το κάθε μόριο NADH ή FADH2, αντλούνται πρωτόνια από τη μιτοχονδριακή μήτρα προς τον διαμεμβρανικό χώρο. Κατά την άντληση αυτή δαπανάται σταδιακά, κατά τρόπο ελεγχόμενο και επωφελώς για τον οργανισμό το αρχικό ενεργειακό περιεχόμενό τους. Η όλη διαδικασία καταλύεται από σειρά συμπλεγμάτων πρωτεϊνών (multiprotein compexes), αλλά και απλούστερων ενώσεων (όπως π.χ. η λιπόφιλη κινόνη ουβικινόνη, συνένζυμο Q ή Q10), που βρίσκονται στην εσωτερική μεμβράνη και συνεργάζονται μεταξύ τους για την επίτευξη των διελεύσεων αυτών. Τα εμπλεκόμενα ένζυμα (κυτοχρώματα) έχουν οξειδοαναγωγικό χαρακτήρα με ενεργά κέντρα Fe(II)/Fe(III) και Cu(I)/Cu(II).

Ο τρόπος διακίνησης των ηλεκτρονίων σε κάποιο βαθμό θυμίζει το άθλημα της σκυταλοδρομίας, όπου το ρόλο της σκυτάλης παίζει το ζεύγος ηλεκτρονίων και οι αθλητές είναι τα ένζυμα και οι ενώσεις που παρεμβάλλονται στη διαδρομή: η κάθε ένωση ανάγεται από το εισερχόμενο ζεύγος ηλεκτρονίων και στη συνέχεια οξειδώνεται μεταβιβάζοντας το ζεύγος ηλεκτρονίων στην επόμενη κ.ο.κ.

Το καθαρό αποτέλεσμα αυτών των διελεύσεων είναι: 1 ζεύγος ηλεκτρονίων προερχόμενο από ένα μόριο NADH ανάγει όχι άμεσα αλλά κατά στάδια 1 άτομο οξυγόνου, σύμφωνα με την παρακάτω συνολική αντίδραση, προκαλώντας τη μεταφορά συνολικώς 6 πρωτονίων από τη μιτοχονδριακή μήτρα στον διαμεμβρανικό χώρο:

NADH  +  H+  +  1/2 O2      NAD+  +  H2O             Η αντίδραση αυτή προκαλεί και τη μεταφορά:    6 Η+ (από τη μήτρα)   6 Η+ (στον διαμεμβρανικό χώρο)

Ανάλογη είναι και τύχη του FADH2:

FADH2  +  1/2 O2      FAD  +  H2O                        Η αντίδραση αυτή προκαλεί και τη μεταφορά:    4 Η+ (από τη μήτρα)   4 Η+ (στον διαμεμβρανικό χώρο)

Peter Mitchell (1920-1992)

Η αρχική χημική ενέργεια των NADH και FADH2 τώρα έχει αλλάξει μορφή. 'Εχει πλέον μετατραπεί σε δυναμική ενέργεια λόγω της διαφοράς των συγκεντρώσεων (βαθμίδας συγκέντρωσης) των πρωτονίων από τις δύο πλευρές της εσωτερικής μεμβράνης, δηλ. μεταξύ του διαμεμβρανικού χώρου (με πλεόνασμα πρωτονίων) και της μιτοχονδριακής μήτρας (με έλλειμμα πρωτονίων). Επομένως, ο χώρος της μήτρας είναι αρνητικά φορτισμένος ως προς τον διαμεμβρανικό χώρο. Η στενότητα του τελευταίου σε συνδυασμό με τις αναδιπλώσεις της εσωτερικής μεμβράνης δεν επιτρέπουν ουσιαστικά τη διάχυση των πρωτονίων εκτός μιτοχονδρίων.

Η κατάσταση είναι ανάλογη με την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας σε έναν φορτισμένο πυκνωτή, υπό τη μορφή διαχωρισμένου ηλεκτρικού φορτίου (θετικού/αρνητικού) και όπου η ενέργεια αυτή μπορεί να αποδοθεί π.χ. ως θερμική, κατά την εκφόρτιση του πυκνωτή (επανασύνδεση ηλεκτρικού φορτίου) μέσω μιας ωμικής αντίστασης. Στην προκειμένη περίπτωση η "εκφόρτιση" αυτή πραγματοποιείται με τη χημειώσμωση και το εκπληκτικό ένζυμο ATP-συνθάση, η δε ενέργεια δεν θα διαχυθεί ως θερμότητα, αλλά θα αποθηκευτεί ως χημική ενέργεια σε νέα μόρια ATP.

ATP-συνθάση και χημειώσμωση. Στο τελικό στάδιο (φωσφορυλίωση του ADP προς ATP) πραγματοποιείται από ένα ογκώδες ένζυμο (600 kDa) - "μοριακή μηχανή", την ATP-συνθάση (ATP synthase). Ο τρόπος λειτουργίας αυτού του ενζύμου είναι ΕΚΠΛΗΚΤΙΚΟΣ στις λεπτομέρειές του.

Η αξιοποίηση των διαφορών συγκεντρώσεων Η+ (βαθμίδα [Η+]) για την παραγωγή έργου σε ένα κύτταρο αναφέρεται ως χημειώσμωση (chemiosmosis) και η σχετική θεωρία διατυπώθηκε για πρώτη φορά από τον Βρετανό βιοχημικό Peter Mitchell (1920-1992) κατά τη δεκαετία του 1960, η οποία ήταν πολύ δύσκολο να γίνει αποδεκτή με τις μέχρι τότε αντιλήψεις. Για τη θεωρία του αυτή ο Mitchell τιμήθηκε με το βραβείο Nobel Χημείας του 1978.

Η οξειδωτική φωσφορυλίωση οι μεταμορφώσεις της ενέργειας ακολουθούν το παρακάτω μάλλον παράδοξο σχήμα:

Η μεγαλύτερη συγκέντρωση των πρωτονίων στον διαμεμβρανικό χώρο σε σχέση με τη συγκέντρωσή τους στη μιτοχονδριακή μήτρα, προκαλεί μια αυθόρμητη συνεχή ροή των πρωτονίων από τον πρώτο χώρο στον δεύτερο, μέσω ενός διαύλου που παρέχει η ATP-συνθάση. Η ελεύθερη ενέργεια που απελευθερώνεται με αυτήν την αυθόρμητη ροή αξιοποιείται για τη σύνθεση του ATP. Η ροή των πρωτονίων έχει αποτέλεσμα την περιστροφή ενός τμήματος του ενζύμου, όπως το νερό προκαλεί τη ροή ενός νερόμυλου! Και η ροή αυτή είναι συνεχής, αφού συνεχώς λειτουργεί και η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων που περιγράφηκε προηγουμένως.

Διακρίνονται δύο χαρακτηριστικά τμήματα στην ATP-συνθάση: Το λιπόφιλο τμήμα Fo που περιβάλλεται από την εσωτερική μεμβράνη και το υδρόφιλο τμήμα F1 το οποίο προεξέχει και βρίσκεται στη μιτοχονδριακή μήτρα. Αποτελείται από 6 υπομονάδες: Τρεις όμοιες υπομονάδες με καταλυτικές θέσεις, εναλλάξ με τρεις όμοιες υπομονάδες χωρίς.

Καθώς διέρχονται τα πρωτόνια μέσω ενός πλευρικού στατικού διαύλου προκαλούν κουλομβικές απώσεις σε θετικώς φορτισμένα σημεία των υπομονάδων που συνθέτουν το τμήμα Fo αυτό προκαλώντας την περιστροφή του σε βήματα των 120º. Απαιτείται μια επαναρροή 8 έως 15 πρωτονίων στη μιτοχονδριακή μήτρα για μια πλήρη περιστροφή του τμήματος Fo, ανάλογα με το ζωικό είδος. Ο "ρότορας" του ενζύμου περιστρέφεται περίπου 100 φορές το δευτερόλεπτο. 'Ενα σύμπλεγμα ATP-συνθάσης παράγει 100-150 μόρια ATP το δευτερόλεπτο. Με βάση αυτούς τους ρυθμούς εκτιμάται πως κατά μέσο όρο ο άνθρωπος δημιουργεί ημερησίως ποσότητα ATP ίση με το βάρος του.

 

Αριστερά: Σχηματικό μοντέλο της ATP-συνθάσης και θέση της στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων. Κέντρο: Μοριακό μοντέλο όπου δείχνονται οι επιμέρους υπομονάδες που συγκροτούν την ATP-συνθάση: στατικό τμήμα F1 (α3β3γεδ), περιστρεφόμενο Fo (ab2c10-14) [Αναφ. 10θ]. Δεξιά: Κινούμενο σχέδιο που δείχνει τις φάσεις σύνθεσης του ATP. Τα σωματίδια ATP δείχνεται κόκκινα, του ADP και των φωσφορικών ροζ. Το περιστρεφόμενο τμήμα (Fo) του ενζύμου συνδέεται με τον έκκεντρο άξονα (μαύρος) (πηγή: [Αναφ. 8β]).

Την περιστροφή του Fo (ρότορας του "μοριακού κινητήρα") παρακολουθεί μια ασύμμετρη υπομονάδα του ενζύμου που αναφέρεται στο παραπάνω σχήμα ως άξονας, η οποία καθώς περιστρέφεται προκαλεί διαδοχικές παραμορφώσεις και πιέσεις στις καταλυτικές υπομονάδες που συνιστούν το τμήμα F1. Το τμήμα αυτό δρα σαν μηχανή "συναρμολόγησης": Παραλαμβάνει ένα μόριο ADP και ένα φωσφορικό ιόν και τα "συναρμολογεί" σχηματίζοντας ένα μόριο ATP! Σε τρεις φάσεις πραγματοποιούνται: (α) Η "σύλληψη" του ADP και του φωσφορικού ιόντος, (β) η σύνδεσή τους με σχηματισμό ATP και (γ) η απελευθέρωση του σχηματισμένου ATP προς τη μιτοχονδριακή μήτρα, από την οποία διαχέεται προς τον διαμεμβρανικό χώρο και τελικά προς το κυτταρόπλασμα. Ουσιαστικά, το ένζυμο μετασχηματίζει την κινητική ενέργεια σε χημική ενέργεια. Σε κάθε μία πλήρη περιστροφή πραγματοποιείται η σύνθεση μέχρι και τριών μορίων ATP, όπως δείχνονται παραστατικά στο παραπάνω κινούμενο σχέδιο.

Κάτι ακόμη εκπληκτικό: 'Εχει αποδειχθεί πειραματικά η αντιστρεπτότητα της δράσης του ενζύμου: Περιστροφή του "ρότορα" κατά την αντίστροφη φορά επιφέρει διάσπαση του ATP και μεταφορά πρωτονίων κατά την αντίθετη κατεύθυνση.

Ο μηχανισμός λειτουργίας του ενζύμου διευκρινίστηκε από τους Paul D. Boyer (University of California) και John E. Walker, (Cambridge, Μ. Βρετανίας), οι οποίοι τιμήθηκαν για την ανακάλυψή τους με το βραβείο Nobel Χημείας του 1997. Λεπτομερέστερες περιγραφές της δομής και της λειτουργίας της ATP-συνθάσης μπορούν να αναζητηθούν στη βιβλιογραφία [Αναφ. 10στ-θ].

 
Κινούμενο σχέδιο που δείχνει πως περίπου περιστρέφεται το τμήμα Fo της ATP-συνθάσης και παράγεται το ATP [Πηγή]. Κινούμενο σχέδιο που δείχνει τα στάδια σύνθεσης ATP με τη μηχανή της ATP-συνθάσης [Πηγή].   Paul D. Boyer (University of California) John E. Walker, (Cambridge, Μ. Βρετανίας)

 

 

Ενεργειακό ισοζύγιο

Για κάθε 2 επανερχόμενα πρωτόνια μέσω της ATP-συνθάσης αποδίδεται ενέργεια που προκαλεί φωσφορυλίωση 1 μορίου ADP προς ATP. Με βάση τα προηγούμενα 1 μόριο NADH "αξίζει" 3 μόρια ATP και ένα μόριο FADH2 "αξίζει" 2 μόρια ATP, οπότε από τη συνολική αντίδραση 4 ανά μόριο γλυκόζης θα παραχθούν:

(μόρια ATP)ολικά  =  (μόρια NADH) x 3   +   (μόρια FADH2) x 2   +   (μόρια ATP) =  10 x 3  +  2 x 2  +  4  =  38

Εδώ συνυπολογίζονται τα 2 μόρια NADH που παράγονται κατά τη γλυκόλυση. Ωστόσο, αυτά παράγονται στο κυτταρόπλασμα και όχι στη μιτοχονδριακή μήτρα όπως τα υπόλοιπα 8. Η μεταφορά τους στη μήτρα πραγματοποιείται κατά έμμεσο τρόπο, αφού η εσωτερική μεμβράνη δεν είναι διαπερατή από τα μόρια NADH. Στην ουσία δεν μεταφέρονται τα ίδια, αλλά η αναγωγική ισχύς τους μέσω συζευγμένων αντιδράσεων και με κατανάλωση ενέργειας ισοδύναμης με 1 μόριο ATP ανά μόριο NADH, οπότε το καθαρό αποτέλεσμα είναι:

1 μόριο γλυκόζης ενεργειακά ισοδυναμεί με 36 μόρια ATP

Στην πραγματικότητα, πάντοτε υπάρχουν ενεργειακές απώλειες, οπότε ο αριθμός 36 θα πρέπει να θεωρηθεί ως ο μέγιστος εφικτός.

Ενεργειακή απόδοση: Η ενεργειακή απόδοση της όλης διαδικασίας είναι: (36 mol ATP/mol γλυκόζης) x (7,3 kcal/mol ATP) x 100 / (686 kcal/mol γλυκόζης) = 42 %

 -  Με τις παραπάνω διεργασίες παραλαμβάνεται περίπου το 40% της ενέργειας που παρέχει η γλυκόζη

 - 'Ενα συμβατικού τύπου αυτοκίνητο αξιοποιεί μόνο το 25% της ενέργειας που παρέχουν τα καύσιμά του

Λιπαρά οξέα. Ανάλογες διαδρομές ακολουθούν και οι καταβολισμοί των λιπών. Οι εστέρες της γλυκερίνης υδρολύονται και η γλυκερίνη εισέρχεται στη διαδρομή της γλυκόλυσης ως φωσφογλυκεραλδεΰδη και από εκεί και πέρα ακολουθεί τη διαδρομή που περιγράφηκε προηγουμένως. Τα λιπαρά οξέα οξειδώνονται με μια διεργασία γνωστή ως β-οξείδωση (beta oxidation). Κατά τη διεργασία αυτή τα μόρια των λιπαρών οξέων διασπώνται σταδιακά (σε τμήματα δύο ανθράκων) για να σχηματίσουν ακετυλο-συνένζυμο Α, το οποίο υπεισέρχεται στο κύκλο Krebs. Tα συνολικώς παραγόμενα NAD και FADH2 υπεισέρχονται στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, όπως συνοπτικά περιγράφηκε προηγουμένως.

Για ένα κορεσμένο οξύ με 2n άνθρακες μπορεί με ανάλογους όπως προηγουμένως υπολογισμούς να δειχθεί ότι ισχύει η σχέση:

(μόρια ATP)ολικά = (n - 1) x 14   +   8

Έτσι, π.χ. ο καταβολισμός ενός μορίου παλμιτικού οξέος, CΗ3[CH2]14COOH, (με 2n = 16) παρέχει συνολικά: (μόρια ATP)ολικά = (8 - 1) x 14  +  8 = 106

Αναλυτικός προσδιορισμός ATP [Αναφ. 11]

Η λουσιφεράση είναι ένα ένα ένζυμο που λαμβάνεται από τις πυγολαμπίδες

Η καθιερωμένη μέθοδος προσδιορισμού ATP σε βιολογικά υγρά είναι εξαιρετικά απλή και βασίζεται στη βιοφωταύγεια (bioluminescence). Το ATP αντιδρά με λουσιφερίνη (luciferin) παρέχοντας μια ενδιάμεση ένωση, την αδενυλολουσιφερίνη, παρουσία του ενζύμου λουσιφεράση (luciferase), το ένζυμο που καταλύει την εκπομπή βιοφωταύγειας από τις πυγολαμπίδες, και παρουσία μικρής συγκέντρωσης ιόντων μαγνησίου, σε pH 7,8. Η ενδιάμεση ένωση αντιδρά με το διαλυμένο οξυγόνο παρέχοντας βιοφωταύγεια (με λmax = 560 nm), της οποίας η ένταση συσχετίζεται γραμμικά με την ποσότητα ATP του εξεταζόμενου δείγματος.

Ο βιοφωταυγειομετρικός προσδιορισμός του ATP είναι εξαιρετικά απλός, με μεγάλη εκλεκτικότητα και ιδιαίτερα ευαίσθητος με κατώτερο όριο ανίχνευσης ποσότητες ATP της τάξης του 0,1 pmol ATP (50 pg). Ο προσδιορισμός είναι ιδιαίτερα χρήσιμος στην έρευνα για την ανίχνευση της παραγωγής ATP σε διάφορες ενζυματικές αντιδράσεις, για τον προσδιορισμό της ενεργότητας των σχετικών ενζύμων.

Το ATP χάνεται γρήγορα στα νεκρά κύτταρα, αφού δεν λειτουργεί πλέον σ' αυτά η αναπνευστική αλυσίδα για την αναπλήρωσή του. Οπότε, μια ιδιαίτερα χρήσιμη εφαρμογή του βιοφωταυγειομετρικού προσδιορισμού του ATP είναι η ανίχνευση ζώντων κυττάρων, μικροοργανισμών και βακτηριακής μόλυνσης σε δείγματα τροφίμων, αίματος, ούρων, γάλατος, χώματος και αποβλήτων. Η μέθοδος αυτή παρέχει άμεσα αποτελέσματα σε αντίθεση με τη συμβατική μέθοδο των μικροβιακών καλλιεργειών, όπου συχνά απαιτούνται αρκετές ημέρες μέχρι να αναπτυχθούν ορατές αποικίες μικροβίων. Για τον σκοπό αυτό διατίθενται στο εμπόριο εύχρηστα φορητά φωταυγειόμετρα (βλ. σχήμα παρακάτω).

Η ίδια μέθοδος χρησιμοποιείται και στην έρευνα για την αντιμετώπιση του καρκίνου. Με τον βιοφωταυγειομετρικό προσδιορισμό του ATP είναι δυνατόν να διακριθεί αν η δράση ενός νέου αντικαρκινικού φαρμάκου σε ένα καρκινικό κύτταρο είναι κυτταροστατική ή κυτταροτοξική. 

 

Φωταυγειόμετρα (luminometers) εργαστηριακού πάγκου [πηγή] και φορητό [πηγή]. Το τελευταίο χρησιμοποιείται κυρίως για την ταχεία ανίχνευση μικροοργανισμών σε τρόφιμα.

Αλληλουχία αντιδράσεων κατά το βιοφωταυγειομετρικό προσδιορισμό ATP.

 

 

Εξαιρετικά εκπαιδευτικά video πάνω στα προηγούμενα θέματα από την McGraw-Hill

Πώς λειτουργεί το σύστημα NAD+/NADH Μηχανισμός γλυκόλυσης Κύκλος Krebs (γνωστός και ως "κύκλος κιτρικού οξέος") Σύνθεση ATP μέσω μεταφοράς ηλεκτρονίων (οξειδωτική φωσφορυλίωση) (βίντεο 1) Σύνθεση ATP μέσω μεταφοράς ηλεκτρονίων (οξειδωτική φωσφορυλίωση) (βίντεο 2)

 

Μερικά ακόμη από τα άφθονα εκπαιδευτικά video που υπάρχουν στο YouTube και στο διαδίκτυο γενικότερα πάνω στη δράση του ATP και στη σύνθεσή του στα μιτοχόνδρια.

 

Βιβλιογραφία - Πηγές από το Διαδίκτυο

  1. (α) Merck Index, 12th ed, σελ. 28 (adenosine triphosphate). (β) Wikipedia: "Adenosine triphosphate". (γ) Delepine A-S, Tripier R, Handel H: "Cyclen-based bismacrocycles for biological anion recognition. A potentiometric and NMR study of AMP, ADP and ATP nucleotide complexation", Org. Biomol. Chem. 6:1743-1750, 2008 (Abstract).

  2. (α) Langen P, Hucho F: "Karl Lohmann and the Discovery of ATP", Angew Chem Int Ed Engl. 47(10):1824-1827, 2008 (το κείμενο μπορεί να βρεθεί εδώ). (β) Wikipedia: "Karl Lohmann (Biochemiker)". (γ) www.nndb.com: "Karl Lohmann". (γ) Simoni RD, Hill RL, Vaughan M: "The Determination of Phosphorus and the Discovery of Phosphocreatine and ATP: the Work of Fiske and SubbaRow", J. Biol. Chem. 277:e21, 2002. (δ) Lohmann K: "Über die Pyrophosphatfraktion im Muskel", Naturwissenschaften 17(31):624-625, 1929 (Abstract, 1η σελ.). (ε) Fiske CH, SubbaRow Y: "Phosphorous compounds of muscle and liver", Science 70(1816):381-382, 1929 (Abstract). (στ) Fiske CH, SubbaRow Υ: "Phosphocreatine", J. Biol. Chem. 81:629-679, 1929. (ζ) Fiske CH, SubbaRow Υ: "The Colorimetric Determination of Phosphorus", J. Biol. Chem. 66:375-400, 1925. (η) Fiske CH: "The Nature of the Depressor Substance of the Blood", Proc Natl Acad Sci USA 20(1): 25-27, 1934. (θ) Baddiley J, Michelson AM, Todd AR: "Synthesis of Adenosine Triphosphate", Nature 161, 761-762, 1948 (Abstract). (ι) "Nature's Batteries' May Have Helped Power Early Lifeforms", Science Daily, May 25, 2010. (ια) Δημόπουλος ΚΑ, Αντωνοπούλου Σ: "Βασική Βιοχημεία" (Κεφ. "Εισαγωγή στο μεταβολισμό", σελ. 321-334), 2η έκδοση, 2009.

  3. (α) Greenwood NN, Earnshaw A: "Chemistry of the Elements", Pergamon Press, 1st ed. 1984, σελ. 608-611. (β) Wikipedia: "Polyphosphate". (γ) SPER Chemical Corporation: "Polyphosphate: Effective Sequestering Agent for Potable Water Systems", 2010.

  4. (α) Thermo Scientific Co: "ATP". (β) Sigma Co., Product information: "Adenosine 5'-triphosphate di(tris) salt dihydrate" (αρχείο PDF, 50 KB). (γ) Rayment I, Allingham J: "Myosin Motors: The Chemical Restraints Imposed by ATP", Controlled Nanoscale Motion Lecture Notes in Physics, 711:15-40, 2007 (αρχείο PDF, 2,8 MB). 

  5. (α) phosphorus.atomistry.com: "Phosphorus Pentoxide, P2O5". (β) Gajewski E, Steckler DK, Goldberg RN: "Thermodynamics of the Hydrolysis of Adenosine 5''triphosphate to Adenosine 5'-diphosphate", J. Biol. Chem. 261(27):12733-12737, 1986 (αρχείο PDF, 516 KB). (γ) Wilson JE, Chin A: "Chelation of divalent cations by ATP, studied by titration calorimetry", Analytical Biochemistry 193(1):16-19, 1991 (Abstract).

  6. Todd A: "Synthesis in the study of nucleotides", Nobel Lecture, December 11, 1957 (αρχείο PDF, 99 KB).

  7. Maxwell R: "Daily Newsletter: October 2, 2012 - Glycolysis part 2", Biology MOOC Newsletter Archive, Georgia State University."

  8. (α) Wikipedia: "Mitochondrion". (β) Georgia State University: "Mitochnondria". (γ) Willett K: "Mitochondria: The aerobic engines", BikeTech Review, May 2006.

  9. (α) University of Illinois: "Glycolysis, Krebs Cycle, and other Energy-Releasing Pathways". (β) Wikipedia: "Oxidative Phosphorylation".

10. (α) Rensselaer Polytechnic Institute: "Oxidative Phosphorylation: Chemiosmotic Coupling". (β) University of Cambridge, Medical Research Council: "Mitochondrial Biology Unit: ATP Synthase". (γ) Allchin D: "Peter Mitchell & How Cells make ATP" (αρχείο PDF, 16,2 MB). (δ) San Diego State University: "Ch. XXII. Oxidative Phosphorylation". (ε) Casiday R, Herman C, Frey R: "Energy for the Body: Oxidative Phosphorylation - Oxidation-Reduction Reactions Experiment", Department of Chemistry, Washington University St. Louis. (στ) Nicholson D: "ATP synthase", Sigma-Aldrich. (ζ) Boyer P: "A Research Journey with ATP Synthase", Journal of Biological Chemistry 277(42):39045-39061, 2002. (η) Dickson VK, Silvester JA, Fearnley IM, Leslie AGW, Walker JE: "On the structure of the stator of the mitochondrial ATP synthase", The EMBO Journal 25:2911-2918, 2006. (θ) Xing J, Liao J-C, Oster G: "Making ATP", Proc. Natl. Acad. Sci. 102:16539-16546, 2005. (ι) Crofts A: "Lecture 10: ATP Synthase", Biophysics 354, University of Illinois at Urbana-Champaign. (ια) Watt IN, Montgomery MG, Runswicka MJ, Leslie AGW, Walker JE: "Bioenergetic cost of making an adenosine triphosphate molecule in animal mitochondria", PNAS, 16823-16827, 2010.

11. (α) Sigma-Aldrich: "Adenosine 5′-triphosphate (ATP) Bioluminescent Assay Kit". (β) bmglabtech.com: "The use of an ATP bioluminescence assay to quantify cell cytotoxicity". (γ) LuminUltra Technologies Ltd.: "Τhe Science of 2nd Generation ATP Monitoring", Document v1.5, 2011 (αρχείο PDF, 267 KB). (δ) Long A: "Chemiluminescence, Bioluminescence, and the Luciferin-Luciferase ATP Detection Assay", University of Connecticut, 2011 (Power Point presentation, 8,86 MB). (ε) Chollet R, Ribault  S: "Use of ATP Bioluminescence for Rapid Detection and Enumeration of Contaminants: The Milliflex Rapid Microbiology Detection and Enumeration System", Bioluminescence - Recent Advances in Oceanic Measurements and Laboratory Applications, Dr. David Lapot, 2012 (αρχείο PDF, 1,33 MB). (στ) Rhedin AS, Tidefelt U, Jönsson K, Lundin A, Paul C: "Comparison of a bioluminescence assay with differential staining cytotoxicity for cytostatic drug testing in vitro in human leukemic cells", Leuk Res. 17(3):271-276, 1993 (PubMed).

 



 

Αποποίηση ευθυνών: Έχει καταβληθεί κάθε προσπάθεια για να εξασφαλισθεί η ορθότητα των πληροφοριών που περιλαμβάνονται σε αυτή τη σελίδα, ωστόσο ο έχων την επιμέλεια της σελίδας αυτής και το Τμήμα Χημείας δεν αναλαμβάνουν τη νομική ευθύνη για τυχόν σφάλματα, παραλείψεις ή ανακριβείς πληροφορίες. Επιπλέον, το Τμήμα Χημείας δεν εγγυάται την ορθότητα των αναφερόμενων σε εξωτερικές ιστοσελίδες, ούτε η αναφορά μέσω συνδέσμων (links) στις ιστοσελίδες αυτές, υποδηλώνει ότι το Τμήμα Χημείας επικυρώνει ή καθ' οιονδήποτε τρόπο αποδέχεται το περιεχόμενό τους.