Informasi

7.26: ATP dalam Sistem Kehidupan - Biologi

7.26: ATP dalam Sistem Kehidupan - Biologi



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Tujuan pembelajaran

Jelaskan bagaimana sel menyimpan dan mentransfer energi bebas menggunakan ATP

Sebuah sel hidup tidak dapat menyimpan sejumlah besar energi bebas. Kelebihan energi bebas akan mengakibatkan peningkatan panas di dalam sel, yang akan mengakibatkan gerakan termal berlebihan yang dapat merusak dan kemudian menghancurkan sel. Sebaliknya, sel harus mampu menangani energi itu dengan cara yang memungkinkan sel menyimpan energi dengan aman dan melepaskannya untuk digunakan hanya jika diperlukan. Sel hidup mencapai ini dengan menggunakan senyawa adenosin trifosfat (ATP). ATP sering disebut "mata uang energi" sel, dan, seperti mata uang, senyawa serbaguna ini dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi sel. Bagaimana? Fungsinya mirip dengan baterai isi ulang.

Elemen YouTube telah dikecualikan dari versi teks ini. Anda dapat melihatnya secara online di sini: pb.libretexts.org/bionm1/?p=230

Ketika ATP dipecah, biasanya dengan menghilangkan gugus fosfat terminalnya, energi dilepaskan. Energi digunakan untuk melakukan kerja oleh sel, biasanya oleh pelepasan fosfat yang mengikat molekul lain, mengaktifkannya. Misalnya, dalam kerja mekanis kontraksi otot, ATP memasok energi untuk menggerakkan protein otot kontraktil. Ingat kerja transpor aktif pompa natrium-kalium dalam membran sel. ATP mengubah struktur protein integral yang berfungsi sebagai pompa, mengubah afinitasnya terhadap natrium dan kalium. Dengan cara ini, sel melakukan kerja, memompa ion melawan gradien elektrokimianya.

Struktur dan Fungsi ATP

Inti dari ATP adalah molekul adenosin monofosfat (AMP), yang terdiri dari molekul adenin yang terikat pada molekul ribosa dan satu gugus fosfat (Gambar 1). Ribosa adalah gula lima karbon yang ditemukan dalam RNA, dan AMP adalah salah satu nukleotida dalam RNA. Penambahan gugus fosfat kedua ke molekul inti ini menghasilkan pembentukan adenosin difosfat (ADP); penambahan gugus fosfat ketiga membentuk adenosin trifosfat (ATP).

Penambahan gugus fosfat ke molekul membutuhkan energi. Gugus fosfat bermuatan negatif dan dengan demikian saling tolak-menolak ketika disusun secara seri, seperti dalam ADP dan ATP. Tolakan ini membuat molekul ADP dan ATP secara inheren tidak stabil. Pelepasan satu atau dua gugus fosfat dari ATP, proses yang disebut defosforilasi, melepaskan energi.

Energi dari ATP

Hidrolisis adalah proses pemecahan makromolekul kompleks. Selama hidrolisis, air dipecah, atau dilisiskan, dan atom hidrogen yang dihasilkan (H+) dan gugus hidroksil (OH-) ditambahkan ke molekul yang lebih besar. Hidrolisis ATP menghasilkan ADP, bersama dengan ion fosfat anorganik (PSaya), dan pelepasan energi bebas. Untuk melakukan proses kehidupan, ATP terus dipecah menjadi ADP, dan seperti baterai yang dapat diisi ulang, ADP terus diregenerasi menjadi ATP dengan pemasangan kembali gugus fosfat ketiga. Air, yang dipecah menjadi atom hidrogen dan gugus hidroksilnya selama hidrolisis ATP, diregenerasi ketika fosfat ketiga ditambahkan ke molekul ADP, membentuk ATP.

Jelas, energi harus dimasukkan ke dalam sistem untuk meregenerasi ATP. Dari mana energi ini berasal? Di hampir setiap makhluk hidup di bumi, energinya berasal dari metabolisme glukosa. Dengan cara ini, ATP adalah penghubung langsung antara rangkaian terbatas jalur eksergonik katabolisme glukosa dan banyak jalur endergonik yang menggerakkan sel-sel hidup.

Fosforilasi

Ingatlah bahwa, dalam beberapa reaksi kimia, enzim dapat mengikat beberapa substrat yang bereaksi satu sama lain pada enzim, membentuk kompleks perantara. Kompleks antara adalah struktur sementara, dan memungkinkan salah satu substrat (seperti ATP) dan reaktan untuk lebih mudah bereaksi satu sama lain; dalam reaksi yang melibatkan ATP, ATP adalah salah satu substrat dan ADP adalah produk. Selama reaksi kimia endergonik, ATP membentuk kompleks antara dengan substrat dan enzim dalam reaksi. Kompleks perantara ini memungkinkan ATP untuk mentransfer gugus fosfat ketiganya, dengan energinya, ke substrat, suatu proses yang disebut fosforilasi. Fosforilasi mengacu pada penambahan fosfat (~P). Ini diilustrasikan oleh reaksi umum berikut:

A + enzim + ATP → [A enzim ~P] → B + enzim + ADP + ion fosfat

Ketika kompleks antara pecah, energi digunakan untuk memodifikasi substrat dan mengubahnya menjadi produk reaksi. Molekul ADP dan ion fosfat bebas dilepaskan ke dalam medium dan tersedia untuk didaur ulang melalui metabolisme sel.

Fosforilasi Substrat

ATP dihasilkan melalui dua mekanisme selama pemecahan glukosa. Beberapa molekul ATP dihasilkan (yaitu, diregenerasi dari ADP) sebagai akibat langsung dari reaksi kimia yang terjadi di jalur katabolik. Gugus fosfat dikeluarkan dari reaktan antara di jalur, dan energi bebas reaksi digunakan untuk menambahkan fosfat ketiga ke molekul ADP yang tersedia, menghasilkan ATP (Gambar 2). Metode fosforilasi yang sangat langsung ini disebut fosforilasi tingkat substrat.

Fosforilasi oksidatif

Sebagian besar ATP yang dihasilkan selama katabolisme glukosa, bagaimanapun, berasal dari proses yang jauh lebih kompleks, kemiosmosis, yang terjadi di mitokondria (Gambar 3) di dalam sel eukariotik atau membran plasma sel prokariotik.

Kemiosmosis, suatu proses produksi ATP dalam metabolisme sel, digunakan untuk menghasilkan 90 persen ATP yang dibuat selama katabolisme glukosa dan juga merupakan metode yang digunakan dalam reaksi terang fotosintesis untuk memanfaatkan energi sinar matahari. Produksi ATP melalui proses kemiosmosis disebut fosforilasi oksidatif karena keterlibatan oksigen dalam prosesnya.

Tujuan pembelajaran

ATP berfungsi sebagai mata uang energi untuk sel. Ini memungkinkan sel untuk menyimpan energi secara singkat dan mengangkutnya di dalam sel untuk mendukung reaksi kimia endergonik. Struktur ATP adalah nukleotida RNA dengan tiga fosfat terpasang. Karena ATP digunakan untuk energi, satu atau dua gugus fosfat terlepas, dan menghasilkan ADP atau AMP. Energi yang berasal dari katabolisme glukosa digunakan untuk mengubah ADP menjadi ATP. Ketika ATP digunakan dalam reaksi, fosfat ketiga untuk sementara melekat pada substrat dalam proses yang disebut fosforilasi. Dua proses regenerasi ATP yang digunakan bersama dengan katabolisme glukosa adalah fosforilasi tingkat substrat dan fosforilasi oksidatif melalui proses kemiosmosis.


Reaksi Oksidasi-Reduksi pada Organisme Hidup

Dalam sistem biologi, energi umumnya dilepaskan dari reaksi oksidasi-reduksi senyawa organik yang dikatalisis oleh enzim. Oleh karena itu, perlu dipahami dengan jelas sifat reaksi oksidasi-reduksi yang terjadi dalam sistem kehidupan. Senyawa organik yang paling umum digunakan sebagai substrat untuk produksi energi adalah glukosa.

Ketika satu mol glukosa setara dengan 180g dibakar di udara dalam kondisi non-biologis, 674 Kkal energi dibebaskan sebagai panas dan produknya adalah CO2 dan H2O. Ketika glukosa digunakan sebagai substrat untuk respirasi aerobik oleh suatu organisme, jumlah energi yang sama dibebaskan dan produknya adalah CO2 dan H2O (C6H12HAI6 = 6CO2 + 6H2O + 674 Kkal). Tetapi dalam respirasi hanya sebagian dari energi yang dibebaskan diubah menjadi energi kimia (ATP) dan sisanya hilang sebagai panas.

Pertanyaan mungkin muncul di mana energi molekul glukosa tersembunyi. Glukosa atau molekul lain memiliki energi yang tersimpan dalam elektron yang membentuk ikatan kimia antara atom-atom penyusun molekul. Energi diperlukan untuk mengikat atom bersama-sama dan disimpan dalam ikatan kimia sebagai energi potensial. Ketika ikatan ini diputus, energi dibebaskan dalam bentuk yang dapat digunakan.

Jumlah energi yang dapat dibebaskan dari molekul dikenal sebagai energi bebasnya, secara konvensional dinyatakan sebagai G. Dalam reaksi hipotetis, jika reaktan A dan B menghasilkan produk C dan D maka selisih antara energi bebas total A dan B dan energi bebas total C dan D disebut perubahan energi bebas yang dilambangkan dengan G.

Ketika reaktan A dan B menghasilkan C dan D dengan pembebasan energi, G secara konvensional diberi tanda negatif (-∆G) yang berarti reaksinya eksergonik. Di bawah kondisi standar, yaitu ketika kedua reaktan dan produk hadir dalam konsentrasi 1 molar pada suhu 25 ° C di bawah 1 atm. tekanan, G direpresentasikan sebagai G 0 yang merupakan perubahan energi bebas standar.

Harus dijelaskan bahwa reaksi kimia atau biokimia dapat berjalan secara spontan hanya jika eksergonik yaitu G negatif. Dengan kata lain, suatu reaksi akan berjalan secara spontan sampai perubahan energi bebas (∆G) bernilai nol dan pada tahap itu reaksi akan mencapai kesetimbangan. Pada kesetimbangan, konsentrasi reaktan dan produk sedemikian rupa sehingga kandungan energi bebas total reaktan dan produk sama yaitu G = 0. Pada tahap ini, konsentrasi produk lebih tinggi daripada reaktan.

Perubahan energi bebas standar (∆G°) suatu reaksi dapat dihitung dari persamaan AG°=-RT InK dimana R adalah konstanta gas yang bernilai 1,987, T adalah suhu mutlak (273 + °C) dan InK adalah logaritma natural dari konstanta kesetimbangan reaksi (2,303 log K). Dalam reaksi hipotetis A+B , <===> C+D, K dihitung dari rasio produk konsentrasi C+D dan A + B yaitu [C] x [D] /[A] x[B] = K. Jika rasio ini lebih besar dari 1, G° menjadi negatif. Dari persamaan di atas, AG dalam kondisi fisiologis dapat dihitung dari hubungan AG = AG° + RT InK.

Parameter penting lain dari reaksi oksidasi-reduksi adalah potensial redoks yang memberikan ukuran kuantitatif kecenderungan suatu senyawa atau unsur untuk kehilangan elektron. Dalam reaksi oksidasi-reduksi, elektron yang disumbangkan oleh satu senyawa atau unsur diterima oleh senyawa atau unsur lain. Akibatnya, donor menjadi teroksidasi (kehilangan elektron) dan akseptor menjadi tereduksi (penambahan elektron).

Jadi, oksidasi dan reduksi selalu berjalan beriringan. Pasangan reaksi tersebut umumnya dikenal sebagai reaksi redoks. Dalam kebanyakan sistem biologis, reaksi redoks melibatkan penghilangan atau penambahan atom hidrogen yaitu proton dan elektron. Reaksi tersebut dikatalisis oleh enzim yang disebut dehidrogenase.

Kecenderungan suatu senyawa untuk kehilangan elektron dinyatakan dalam kaitannya dengan kecenderungan molekul hidrogen untuk kehilangan elektron yaitu H2 <===> 2H + + 2e – . Untuk sistem biologis, potensial redoks dinyatakan sebagai potensial reduksi standar atau gaya gerak listrik (ggl) dalam volt ketika reaktan dan oksidan berada dalam konsentrasi 1,0 M pada pH 7,0 dan 25°C. Potensial redoks standar H2 —> 2H + + 2e – adalah -0,42v. Semakin positif potensial redoks, semakin besar kecenderungan untuk kehilangan elektron yaitu semakin besar kemampuan pengoksidasi.

Dalam organisme hidup, energi yang dilepaskan oleh reaksi eksergonik digunakan untuk mendorong reaksi endergonik dan juga untuk tujuan lain, seperti penggerak. Perpindahan energi dari satu reaksi ke reaksi lain terjadi melalui beberapa reaktan umum yang mengambil bagian dalam reaksi eksergonik dan endergonik.

Reaktan umum ini dicirikan oleh potensial transfer yang tinggi dan mereka disebut senyawa kaya energi. Yang paling umum dari senyawa tersebut adalah ATP. Gugus fosfat terakhir dari ATP terikat pada sisa molekul melalui ikatan yang tidak stabil dan dapat dengan cepat dipisahkan atau dipindahkan ke akseptor dengan pelepasan sejumlah besar energi bebas.

Dengan demikian, ATP memiliki potensi transfer yang tinggi dan dapat mengambil bagian dalam banyak reaksi biokimia.

Molekul ATP relatif lebih besar dalam ukuran dan, oleh karena itu, mereka tidak cocok untuk menyimpan energi. Untuk menyimpan energi, sistem kehidupan menggunakan molekul yang lebih kecil seperti glukosa di mana energi disimpan dalam ikatan kimia. Jadi, energi potensial glukosa harus dilepaskan melalui pemecahan molekul secara bertahap melalui reaksi katabolik. Dalam sistem kehidupan, glukosa dapat dikatabolisme oleh beberapa jalur.


Elektron dan Energi

Penghapusan elektron dari molekul, mengoksidasinya, menghasilkan penurunan energi potensial dalam senyawa teroksidasi. Elektron (kadang-kadang sebagai bagian dari atom hidrogen), tidak tetap tidak terikat, bagaimanapun, dalam sitoplasma sel. Sebaliknya, elektron digeser ke senyawa kedua, mengurangi senyawa kedua. Pergeseran elektron dari satu senyawa ke senyawa lain menghilangkan beberapa energi potensial dari senyawa pertama (senyawa teroksidasi) dan meningkatkan energi potensial senyawa kedua (senyawa tereduksi). Transfer elektron antar molekul penting karena sebagian besar energi yang tersimpan dalam atom dan digunakan untuk fungsi sel bahan bakar adalah dalam bentuk elektron berenergi tinggi. Transfer energi dalam bentuk elektron memungkinkan sel untuk mentransfer dan menggunakan energi secara bertahap—dalam paket-paket kecil dan bukan dalam satu ledakan tunggal yang merusak. Bab ini berfokus pada ekstraksi energi dari makanan, Anda akan melihat bahwa saat Anda melacak jalur transfer, Anda melacak jalur elektron yang bergerak melalui jalur metabolisme.


7.1 Energi dalam Sistem Kehidupan

Pada akhir bagian ini, Anda akan dapat melakukan hal berikut:

  • Diskusikan pentingnya elektron dalam transfer energi dalam sistem kehidupan
  • Jelaskan bagaimana ATP digunakan oleh sel sebagai sumber energi!

Produksi energi dalam sel melibatkan banyak jalur kimia terkoordinasi. Sebagian besar dari jalur ini adalah kombinasi dari reaksi oksidasi dan reduksi, yang terjadi pada waktu yang sama. Reaksi oksidasi melepaskan elektron dari atom dalam suatu senyawa, dan penambahan elektron ini ke senyawa lain adalah reaksi reduksi. Karena oksidasi dan reduksi biasanya terjadi bersamaan, pasangan reaksi ini disebut reaksi reduksi oksidasi, atau reaksi redoks.

Elektron dan Energi

Penghapusan elektron dari molekul (pengoksidasi), menghasilkan penurunan energi potensial dalam senyawa teroksidasi. Namun, elektron (kadang-kadang sebagai bagian dari atom hidrogen) tidak tetap tidak terikat dalam sitoplasma sel. Sebaliknya, elektron digeser ke senyawa kedua, mereduksi senyawa kedua. Pergeseran elektron dari satu senyawa ke senyawa lain menghilangkan beberapa energi potensial dari senyawa pertama (senyawa teroksidasi) dan meningkatkan energi potensial senyawa kedua (senyawa tereduksi). Transfer elektron antar molekul penting karena sebagian besar energi yang tersimpan dalam atom dan digunakan untuk fungsi sel bahan bakar adalah dalam bentuk elektron berenergi tinggi. Pemindahan energi dalam bentuk elektron berenergi tinggi memungkinkan sel untuk mentransfer dan menggunakan energi secara bertahap—dalam paket-paket kecil dan bukan dalam satu ledakan tunggal yang merusak. Bab ini berfokus pada ekstraksi energi dari makanan, Anda akan melihat bahwa saat Anda melacak jalur transfer, Anda melacak jalur elektron yang bergerak melalui jalur metabolisme.

Pembawa Elektron

Dalam sistem kehidupan, sekelompok kecil senyawa berfungsi sebagai angkutan elektron: mereka mengikat dan membawa elektron berenergi tinggi antar senyawa dalam jalur biokimia. Pembawa elektron utama yang akan kita pertimbangkan berasal dari kelompok vitamin B dan merupakan turunan dari nukleotida. Senyawa ini dapat dengan mudah direduksi (yaitu, mereka menerima elektron) atau dioksidasi (mereka kehilangan elektron). Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) (Gambar 7.2) berasal dari vitamin B3, niasin. NAD + adalah bentuk teroksidasi dari molekul NADH adalah bentuk tereduksi dari molekul setelah menerima dua elektron dan satu proton (yang bersama-sama setara dengan atom hidrogen dengan elektron ekstra). Perhatikan bahwa jika suatu senyawa memiliki "H" di atasnya, senyawa itu umumnya tereduksi (misalnya, NADH adalah bentuk tereduksi dari NAD).

NAD+ dapat menerima elektron dari molekul organik menurut persamaan umum:

Ketika elektron ditambahkan ke suatu senyawa, itu berkurang. Senyawa yang mereduksi senyawa lain disebut reduktor. Dalam persamaan di atas, RH adalah zat pereduksi, dan NAD + direduksi menjadi NADH. Ketika elektron dilepaskan dari suatu senyawa, itu teroksidasi. Senyawa yang mengoksidasi senyawa lain disebut oksidator. Dalam persamaan di atas, NAD + adalah agen pengoksidasi, dan RH dioksidasi menjadi R.

Demikian pula, flavin adenine dinucleotide (FAD + ) berasal dari vitamin B2, juga disebut riboflavin. Bentuk tereduksinya adalah FADH2. Variasi kedua NAD, NADP, mengandung gugus fosfat ekstra. Baik NAD + dan FAD + secara luas digunakan dalam ekstraksi energi dari gula, dan NADP memainkan peran penting dalam reaksi anabolik dan fotosintesis pada tanaman.

ATP dalam Sistem Kehidupan

Sebuah sel hidup tidak dapat menyimpan sejumlah besar energi bebas. Kelebihan energi bebas akan mengakibatkan peningkatan panas di dalam sel, yang akan mengakibatkan gerakan termal berlebihan yang dapat merusak dan kemudian menghancurkan sel. Sebaliknya, sel harus mampu menangani energi itu dengan cara yang memungkinkan sel menyimpan energi dengan aman dan melepaskannya untuk digunakan hanya jika diperlukan. Sel hidup mencapai ini dengan menggunakan senyawa adenosin trifosfat (ATP). ATP sering disebut "mata uang energi" sel, dan, seperti mata uang, senyawa serbaguna ini dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi sel. Bagaimana? Fungsinya mirip dengan baterai isi ulang.

Ketika ATP dipecah, biasanya dengan menghilangkan gugus fosfat terminalnya, energi dilepaskan. Energi digunakan untuk melakukan kerja oleh sel, biasanya ketika fosfat yang dilepaskan berikatan dengan molekul lain, sehingga mengaktifkannya. Misalnya, dalam kerja mekanis kontraksi otot, ATP memasok energi untuk menggerakkan protein otot kontraktil. Ingat kerja transpor aktif pompa natrium-kalium dalam membran sel. ATP mengubah struktur protein integral yang berfungsi sebagai pompa, mengubah afinitasnya terhadap natrium dan kalium. Dengan cara ini, sel melakukan kerja, memompa ion melawan gradien elektrokimianya.

Struktur dan Fungsi ATP

Inti dari ATP adalah molekul adenosin monofosfat (AMP), yang terdiri dari molekul adenin yang terikat pada molekul ribosa dan satu gugus fosfat (Gambar 7.3). Ribosa adalah gula lima karbon yang ditemukan dalam RNA, dan AMP adalah salah satu nukleotida dalam RNA. Penambahan gugus fosfat kedua ke molekul inti ini menghasilkan pembentukan adenosin difosfat (ADP) penambahan gugus fosfat ketiga membentuk adenosin trifosfat (ATP).

Penambahan gugus fosfat ke molekul membutuhkan energi. Gugus fosfat bermuatan negatif dan dengan demikian saling tolak-menolak ketika disusun secara seri, seperti dalam ADP dan ATP. Tolakan ini membuat molekul ADP dan ATP secara inheren tidak stabil. Pelepasan satu atau dua gugus fosfat dari ATP, suatu proses yang disebut defosforilasi, melepaskan energi.

Energi dari ATP

Hidrolisis adalah proses pemecahan makromolekul kompleks. Selama hidrolisis, air dipecah, atau dilisiskan, dan menghasilkan atom hidrogen (H + ) dan gugus hidroksil (OH - ), atau hidroksida, ditambahkan ke molekul yang lebih besar. Hidrolisis ATP menghasilkan ADP, bersama dengan ion fosfat anorganik (PSaya), dan pelepasan energi bebas. Untuk melakukan proses kehidupan, ATP terus dipecah menjadi ADP, dan seperti baterai yang dapat diisi ulang, ADP terus diregenerasi menjadi ATP dengan pemasangan kembali gugus fosfat ketiga. Air, yang dipecah menjadi atom hidrogen dan gugus hidroksil (hidroksida) selama hidrolisis ATP, diregenerasi ketika fosfat ketiga ditambahkan ke molekul ADP, membentuk ATP.

Jelas, energi harus dimasukkan ke dalam sistem untuk meregenerasi ATP. Dari mana energi ini berasal? Di hampir setiap makhluk hidup di Bumi, energinya berasal dari metabolisme glukosa, fruktosa, atau galaktosa, semua isomer dengan rumus kimia C6H12HAI6 tetapi konfigurasi molekulnya berbeda. Dengan cara ini, ATP adalah penghubung langsung antara rangkaian terbatas jalur eksergonik katabolisme glukosa dan banyak jalur endergonik yang menggerakkan sel-sel hidup.

Fosforilasi

Ingatlah bahwa, dalam beberapa reaksi kimia, enzim dapat mengikat beberapa substrat yang bereaksi satu sama lain pada enzim, membentuk kompleks perantara. Kompleks antara adalah struktur sementara, dan memungkinkan salah satu substrat (seperti ATP) dan reaktan untuk lebih mudah bereaksi satu sama lain dalam reaksi yang melibatkan ATP, ATP adalah salah satu substrat dan ADP adalah produk. Selama reaksi kimia endergonik, ATP membentuk kompleks antara dengan substrat dan enzim dalam reaksi. Kompleks perantara ini memungkinkan ATP untuk mentransfer gugus fosfat ketiganya, dengan energinya, ke substrat, suatu proses yang disebut fosforilasi. Fosforilasi mengacu pada penambahan fosfat (

P). Ini diilustrasikan oleh reaksi umum berikut, di mana A dan B mewakili dua substrat yang berbeda:

Ketika kompleks antara pecah, energi digunakan untuk memodifikasi substrat dan mengubahnya menjadi produk reaksi. Molekul ADP dan ion fosfat bebas dilepaskan ke dalam medium dan tersedia untuk didaur ulang melalui metabolisme sel.

Fosforilasi Substrat

ATP dihasilkan melalui dua mekanisme selama pemecahan glukosa. Beberapa molekul ATP dihasilkan (yaitu, diregenerasi dari ADP) sebagai akibat langsung dari reaksi kimia yang terjadi di jalur katabolik. Gugus fosfat dikeluarkan dari reaktan antara di jalur, dan energi bebas reaksi digunakan untuk menambahkan fosfat ketiga ke molekul ADP yang tersedia, menghasilkan ATP (Gambar 7.4). Metode fosforilasi yang sangat langsung ini disebut fosforilasi tingkat substrat.

Fosforilasi oksidatif

Sebagian besar ATP yang dihasilkan selama katabolisme glukosa, bagaimanapun, berasal dari proses yang jauh lebih kompleks, kemiosmosis, yang terjadi di mitokondria (Gambar 7.5) di dalam sel eukariotik atau membran plasma sel prokariotik. Kemiosmosis , suatu proses produksi ATP dalam metabolisme sel, digunakan untuk menghasilkan 90 persen ATP yang dibuat selama katabolisme glukosa dan juga merupakan metode yang digunakan dalam reaksi terang fotosintesis untuk memanfaatkan energi sinar matahari. Produksi ATP menggunakan proses kemiosmosis disebut fosforilasi oksidatif karena keterlibatan oksigen dalam proses tersebut.

Koneksi Karir

Dokter Penyakit Mitokondria

Apa yang terjadi ketika reaksi kritis respirasi seluler tidak berjalan dengan benar? Ini mungkin terjadi pada penyakit mitokondria, yang merupakan kelainan genetik metabolisme. Gangguan mitokondria dapat timbul dari mutasi pada DNA nukleus atau mitokondria, dan mengakibatkan produksi energi yang lebih sedikit daripada yang normal pada sel tubuh. Pada diabetes tipe 2, misalnya, efisiensi oksidasi NADH berkurang, berdampak pada fosforilasi oksidatif tetapi tidak pada langkah-langkah respirasi lainnya. Gejala penyakit mitokondria dapat mencakup kelemahan otot, kurangnya koordinasi, episode seperti stroke, dan kehilangan penglihatan dan pendengaran. Kebanyakan orang yang terkena didiagnosis pada masa kanak-kanak, meskipun ada beberapa penyakit onset dewasa. Mengidentifikasi dan mengobati gangguan mitokondria adalah bidang medis khusus. Persiapan pendidikan untuk profesi ini membutuhkan pendidikan tinggi, diikuti oleh sekolah kedokteran dengan spesialisasi genetika medis. Ahli genetika medis dapat menjadi dewan yang disertifikasi oleh American Board of Medical Genetics dan kemudian bergabung dengan organisasi profesional yang didedikasikan untuk mempelajari penyakit mitokondria, seperti Masyarakat Kedokteran Mitokondria dan Masyarakat untuk Gangguan Metabolik yang Diwarisi.


ATP dalam Sistem Kehidupan

Sebuah sel hidup tidak dapat menyimpan sejumlah besar energi bebas. Kelebihan energi bebas akan mengakibatkan peningkatan panas di dalam sel, yang akan mengakibatkan gerakan termal berlebihan yang dapat merusak dan kemudian menghancurkan sel. Sebaliknya, sel harus mampu menangani energi itu dengan cara yang memungkinkan sel menyimpan energi dengan aman dan melepaskannya untuk digunakan hanya jika diperlukan. Sel hidup mencapai ini dengan menggunakan senyawa adenosin trifosfat (ATP). ATP sering disebut "mata uang energi" sel, dan, seperti mata uang, senyawa serbaguna ini dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi sel. Bagaimana? Fungsinya mirip dengan baterai isi ulang.

Ketika ATP dipecah, biasanya dengan menghilangkan gugus fosfat terminalnya, energi dilepaskan. Energi digunakan untuk melakukan kerja oleh sel, biasanya oleh pelepasan fosfat yang mengikat molekul lain, mengaktifkannya. Misalnya, dalam kerja mekanis kontraksi otot, ATP memasok energi untuk menggerakkan protein otot kontraktil. Ingat kerja transpor aktif pompa natrium-kalium dalam membran sel. ATP mengubah struktur protein integral yang berfungsi sebagai pompa, mengubah afinitasnya terhadap natrium dan kalium. Dengan cara ini, sel melakukan kerja, memompa ion melawan gradien elektrokimianya.


33 Energi dalam Sistem Kehidupan

Pada akhir bagian ini, Anda akan dapat melakukan hal berikut:

  • Diskusikan pentingnya elektron dalam transfer energi dalam sistem kehidupan
  • Jelaskan bagaimana ATP digunakan oleh sel sebagai sumber energi!

Produksi energi dalam sel melibatkan banyak jalur kimia terkoordinasi. Sebagian besar dari jalur ini adalah kombinasi dari reaksi oksidasi dan reduksi, yang terjadi pada waktu yang sama. Reaksi oksidasi melepaskan elektron dari atom dalam suatu senyawa, dan penambahan elektron ini ke senyawa lain adalah reaksi reduksi. Karena oksidasi dan reduksi biasanya terjadi bersama-sama, pasangan reaksi ini disebut reaksi reduksi oksidasi, atau reaksi redoks.

Elektron dan Energi

Penghapusan elektron dari molekul (mengoksidasinya), menghasilkan penurunan energi potensial dalam senyawa teroksidasi. Elektron (kadang-kadang sebagai bagian dari atom hidrogen) tidak tetap tidak terikat, bagaimanapun, dalam sitoplasma sel. Sebaliknya, elektron digeser ke senyawa kedua, mengurangi senyawa kedua. Pergeseran elektron dari satu senyawa ke senyawa lain menghilangkan beberapa energi potensial dari senyawa pertama (senyawa teroksidasi) dan meningkatkan energi potensial senyawa kedua (senyawa tereduksi). Transfer elektron antar molekul penting karena sebagian besar energi yang tersimpan dalam atom dan digunakan untuk fungsi sel bahan bakar adalah dalam bentuk elektron berenergi tinggi. Pemindahan energi dalam bentuk elektron berenergi tinggi memungkinkan sel untuk mentransfer dan menggunakan energi secara bertahap—dalam paket-paket kecil dan bukan dalam satu ledakan tunggal yang merusak. Bab ini berfokus pada ekstraksi energi dari makanan, Anda akan melihat bahwa saat Anda melacak jalur transfer, Anda melacak jalur elektron yang bergerak melalui jalur metabolisme.

Pembawa Elektron

Dalam sistem kehidupan, sekelompok kecil senyawa berfungsi sebagai angkutan elektron: mereka mengikat dan membawa elektron berenergi tinggi antar senyawa dalam jalur biokimia. Pembawa elektron utama yang akan kita pertimbangkan berasal dari kelompok vitamin B dan merupakan turunan dari nukleotida. Senyawa ini dapat dengan mudah direduksi (yaitu, mereka menerima elektron) atau teroksidasi (mereka kehilangan elektron). Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) ((Gambar)) berasal dari vitamin B3, niasin. NAD + adalah bentuk teroksidasi dari molekul NADH adalah bentuk tereduksi dari molekul setelah menerima dua elektron dan satu proton (yang bersama-sama setara dengan atom hidrogen dengan satu elektron ekstra). Perhatikan bahwa jika suatu senyawa memiliki “H” di atasnya, senyawa tersebut umumnya tereduksi (misalnya, NADH adalah bentuk tereduksi dari NAD).

NAD+ dapat menerima elektron dari molekul organik menurut persamaan umum:

Ketika elektron ditambahkan ke suatu senyawa, itu berkurang. Senyawa yang mereduksi senyawa lain disebut reduktor. Dalam persamaan di atas, RH adalah zat pereduksi, dan NAD + direduksi menjadi NADH. Ketika elektron dilepaskan dari suatu senyawa, itu teroksidasi. Senyawa yang mengoksidasi senyawa lain disebut oksidator. Dalam persamaan di atas, NAD + adalah agen pengoksidasi, dan RH dioksidasi menjadi R.

Demikian pula, flavin adenine dinucleotide (FAD + ) berasal dari vitamin B2, juga disebut riboflavin. Bentuk tereduksinya adalah FADH2. Variasi kedua NAD, NADP, mengandung gugus fosfat ekstra. Baik NAD + dan FAD + secara luas digunakan dalam ekstraksi energi dari gula, dan NADP memainkan peran penting dalam reaksi anabolik dan fotosintesis pada tanaman.

ATP dalam Sistem Kehidupan

Sebuah sel hidup tidak dapat menyimpan sejumlah besar energi bebas. Kelebihan energi bebas akan mengakibatkan peningkatan panas di dalam sel, yang akan mengakibatkan gerakan termal berlebihan yang dapat merusak dan kemudian menghancurkan sel. Sebaliknya, sel harus mampu menangani energi itu dengan cara yang memungkinkan sel menyimpan energi dengan aman dan melepaskannya untuk digunakan hanya jika diperlukan. Sel hidup melakukannya dengan menggunakan senyawa adenosin trifosfat (ATP). ATP sering disebut "mata uang energi" sel, dan, seperti mata uang, senyawa serbaguna ini dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi sel. Bagaimana? Fungsinya mirip dengan baterai isi ulang.

Ketika ATP dipecah, biasanya dengan menghilangkan gugus fosfat terminalnya, energi dilepaskan. Energi digunakan untuk melakukan kerja oleh sel, biasanya ketika fosfat yang dilepaskan berikatan dengan molekul lain, sehingga mengaktifkannya. Misalnya, dalam kerja mekanis kontraksi otot, ATP memasok energi untuk menggerakkan protein otot kontraktil. Ingat kerja transpor aktif pompa natrium-kalium dalam membran sel. ATP mengubah struktur protein integral yang berfungsi sebagai pompa, mengubah afinitasnya terhadap natrium dan kalium. Dengan cara ini, sel melakukan kerja, memompa ion melawan gradien elektrokimianya.

Struktur dan Fungsi ATP

Inti dari ATP adalah molekul adenosin monofosfat (AMP), yang terdiri dari molekul adenin yang terikat pada molekul ribosa dan satu gugus fosfat ((Gambar)). Ribosa adalah gula lima karbon yang ditemukan dalam RNA, dan AMP adalah salah satu nukleotida dalam RNA. Penambahan gugus fosfat kedua ke molekul inti ini menghasilkan pembentukan adenosin difosfat (ADP) penambahan gugus fosfat ketiga membentuk adenosin trifosfat (ATP).

Penambahan gugus fosfat ke molekul membutuhkan energi. Gugus fosfat bermuatan negatif dan dengan demikian saling tolak-menolak jika disusun secara seri, seperti dalam ADP dan ATP. Tolakan ini membuat molekul ADP dan ATP secara inheren tidak stabil. Pelepasan satu atau dua gugus fosfat dari ATP, suatu proses yang disebut defosforilasi, melepaskan energi.

Energi dari ATP

Hidrolisis adalah proses pemecahan makromolekul kompleks. Selama hidrolisis, air dipecah, atau dilisiskan, dan menghasilkan atom hidrogen (H + ) dan gugus hidroksil (OH – ), atau hidroksida, ditambahkan ke molekul yang lebih besar. Hidrolisis ATP menghasilkan ADP, bersama dengan ion fosfat anorganik (PSaya), dan pelepasan energi bebas. To carry out life processes, ATP is continuously broken down into ADP, and like a rechargeable battery, ADP is continuously regenerated into ATP by the reattachment of a third phosphate group. Water, which was broken down into its hydrogen atom and hydroxyl group (hydroxide) during ATP hydrolysis, is regenerated when a third phosphate is added to the ADP molecule, reforming ATP.

Obviously, energy must be infused into the system to regenerate ATP. Where does this energy come from? In nearly every living thing on Earth, the energy comes from the metabolism of glucose, fructose, or galactose, all isomers with the chemical formula C6H12HAI6 but different molecular configurations. In this way, ATP is a direct link between the limited set of exergonic pathways of glucose catabolism and the multitude of endergonic pathways that power living cells.

Phosphorylation

Recall that, in some chemical reactions, enzymes may bind to several substrates that react with each other on the enzyme, forming an intermediate complex. An intermediate complex is a temporary structure, and it allows one of the substrates (such as ATP) and reactants to more readily react with each other in reactions involving ATP, ATP is one of the substrates and ADP is a product. During an endergonic chemical reaction, ATP forms an intermediate complex with the substrate and enzyme in the reaction. This intermediate complex allows the ATP to transfer its third phosphate group, with its energy, to the substrate, a process called phosphorylation. Phosphorylation refers to the addition of the phosphate (

P). This is illustrated by the following generic reaction, in which A and B represent two different substrates:

When the intermediate complex breaks apart, the energy is used to modify the substrate and convert it into a product of the reaction. The ADP molecule and a free phosphate ion are released into the medium and are available for recycling through cell metabolism.

Substrate Phosphorylation

ATP is generated through two mechanisms during the breakdown of glucose. A few ATP molecules are generated (that is, regenerated from ADP) as a direct result of the chemical reactions that occur in the catabolic pathways. A phosphate group is removed from an intermediate reactant in the pathway, and the free energy of the reaction is used to add the third phosphate to an available ADP molecule, producing ATP ((Figure)). This very direct method of phosphorylation is called substrate-level phosphorylation .

Oxidative Phosphorylation

Most of the ATP generated during glucose catabolism, however, is derived from a much more complex process, chemiosmosis, which takes place in mitochondria ((Figure)) within a eukaryotic cell or the plasma membrane of a prokaryotic cell. Chemiosmosis , a process of ATP production in cellular metabolism, is used to generate 90 percent of the ATP made during glucose catabolism and is also the method used in the light reactions of photosynthesis to harness the energy of sunlight. The production of ATP using the process of chemiosmosis is called oxidative phosphorylation because of the involvement of oxygen in the process.

Mitochondrial Disease Physician What happens when the critical reactions of cellular respiration do not proceed correctly? This may happen in mitochondrial diseases, which are genetic disorders of metabolism. Mitochondrial disorders can arise from mutations in nuclear or mitochondrial DNA, and they result in the production of less energy than is normal in body cells. In type 2 diabetes, for instance, the oxidation efficiency of NADH is reduced, impacting oxidative phosphorylation but not the other steps of respiration. Symptoms of mitochondrial diseases can include muscle weakness, lack of coordination, stroke-like episodes, and loss of vision and hearing. Most affected people are diagnosed in childhood, although there are some adult-onset diseases. Identifying and treating mitochondrial disorders is a specialized medical field. The educational preparation for this profession requires a college education, followed by medical school with a specialization in medical genetics. Medical geneticists can be board certified by the American Board of Medical Genetics and go on to become associated with professional organizations devoted to the study of mitochondrial diseases, such as the Mitochondrial Medicine Society and the Society for Inherited Metabolic Disorders.

Ringkasan Bagian

ATP functions as the energy currency for cells. It allows the cell to store energy briefly and transport it within the cell to support endergonic chemical reactions. The structure of ATP is that of an RNA nucleotide with three phosphates attached. As ATP is used for energy, a phosphate group or two are detached, and either ADP or AMP is produced. Energy derived from glucose catabolism is used to convert ADP into ATP. When ATP is used in a reaction, the third phosphate is temporarily attached to a substrate in a process called phosphorylation. The two processes of ATP regeneration that are used in conjunction with glucose catabolism are substrate-level phosphorylation and oxidative phosphorylation through the process of chemiosmosis.


7.26: ATP in Living Systems - Biology

Living systems can be studied by way of the scientific method which involves which of the following?

Using only deductive reasoning and not inductive reasoning

Using few subjects, but repeating the experiments and using controls

Using few subjects, but repeating the experiments

Using many subjects, but doing no statistical analysis

Using many subjects but having no controls

Which of the following molecules has the least amount of energy that you can use for intense physical exercise?

A chemically specifically designed to signal uncontrolled cell growth

Water since it promotes all chemical reactions

Nicotine produced in plants can be lethal to insects in that it causes a paralysis. Where does nicotine have its effect?

Nicotine receptors located in the nucleus of the cell

Nicotine receptors on the plasma membrane of brain cells

Nicotine receptors in the golgi bodies of neurons

Nicotine receptors on the mitochondria of brain cells

The aqueous (water) space between cells is which of the following?

All of these answers are correct

A hypo-osmotic solution can be defined as which of the following?

A solution separated from another by way of semipermeable membrane in which the hyposmotic solution has less electrolyes and more water than the other solution

A solution separated from another by way of semipermeable membrane in which the hyperosmotic solution has less electrolyes and more water than the other solution

A solution that is equal in concentration compared to another

A solution that is less concentrated relative to another

A solution that is more concentrated relative to another

Lactic acid in your muscles is the byproduct of which metabolic pathway?

Electron Transport System

Which of the following best describes the process of glycolysis?

A series of chemical reactions in the mitochondria that breakdown or catabolize glucose to produce ATP without oxygen

A series of chemical reactions that breakdown or catabolize protein to produce lactic acid in the presence of oxygen

A series of chemical reactions in the muscle cytoplasm that breaksdown or catabolize glucose to produce ATP without oxygen

A series of chemical reactions that produce enzymes

During oxidative phosphorylation, which of the following is phosphorylated with the assistance of ATP synthase?

In all animals who use oxidative phorphorylation to generate ATP, the ultimate electron acceptor is directly transported to all cells by way of which of the following?

After NADH is reduced at the Electron Transport system, the hydrogen ion subsequently does which of the following?

Which of the following has to exist for ATP synthase to be activated to directly produce ATP?

All of these answers are correct

Which of the following occurs when oxyhemoglobin reaches the capillaries of heart muscle?

Releases oxygen which leaves the capillary and diffuses into the cell

Absorbs oxygen from the mitochondria

Releases its oxygen which diffuses from the mitochondria to the capillary


Why should I measure/care about it?

Since Adenosine Triphosphate is present in all living and active microbial cells, it is an excellent indicator of overall microbiological content in fluids or deposits. To measure it we turn to a well known example of bioluminescence the tail of a firefly! Through a chemical reaction, ATP reacts with luciferase and light is produced. The amount of light can be quantified in a luminometer and the amount of ATP present can then be calculated. Because this reaction happens instantly, the amount of microbiological content can be quantified immediately.

Standard microbiological monitoring methods often require culturing microbes on media and waiting for them to reproduce and form visible colonies. It takes days or weeks to obtain results depending on the species, and these methods only capture <1% of the total population present.

In contrast, LuminUltra’s patented 2nd Generation ATP® Testing provides data to help you know what is happening in your system and represents a major upgrade over other microbiological tools. When combined with our myLuminUltra software, you gain a true total measurement of all microorganisms contained in your sample in just a few minutes.

Having rapid information allows you to take action at the earliest possible moment, saving time and money in the battle against microorganisms. By measuring ATP regularly, and being able to differentiate between cellular ATP inside active microorganisms and dissolved ATP released from dead cells, cause & effect relationships can be identified helping you solve microbiological challenges before it’s too late.


Biologi 171

Pada akhir bagian ini, Anda akan dapat melakukan hal berikut:

  • Discuss the importance of electrons in the transfer of energy in living systems
  • Explain how ATP is used by cells as an energy source

Energy production within a cell involves many coordinated chemical pathways. Most of these pathways are combinations of oxidation and reduction reactions, which occur at the same time. An oxidation reaction strips an electron from an atom in a compound, and the addition of this electron to another compound is a reduction reaction. Because oxidation and reduction usually occur together, these pairs of reactions are called oxidation reduction reactions, or redox reactions .

Electrons and Energy

The removal of an electron from a molecule (oxidizing it), results in a decrease in potential energy in the oxidized compound. The electron (sometimes as part of a hydrogen atom) does not remain unbonded, however, in the cytoplasm of a cell. Rather, the electron is shifted to a second compound, reducing the second compound. The shift of an electron from one compound to another removes some potential energy from the first compound (the oxidized compound) and increases the potential energy of the second compound (the reduced compound). The transfer of electrons between molecules is important because most of the energy stored in atoms and used to fuel cell functions is in the form of high-energy electrons. The transfer of energy in the form of high-energy electrons allows the cell to transfer and use energy in an incremental fashion—in small packages rather than in a single, destructive burst. This chapter focuses on the extraction of energy from food you will see that as you track the path of the transfers, you are tracking the path of electrons moving through metabolic pathways.

Electron Carriers

In living systems, a small class of compounds functions as electron shuttles: they bind and carry high-energy electrons between compounds in biochemical pathways. The principal electron carriers we will consider are derived from the B vitamin group and are derivatives of nucleotides. These compounds can be easily reduced (that is, they accept electrons) or oxidized (they lose electrons). Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) ((Figure)) is derived from vitamin B3, niacin. NAD + is the oxidized form of the molecule NADH is the reduced form of the molecule after it has accepted two electrons and a proton (which together are the equivalent of a hydrogen atom with an extra electron). Note that if a compound has an “H” on it, it is generally reduced (e.g., NADH is the reduced form of NAD).

NAD + can accept electrons from an organic molecule according to the general equation:

When electrons are added to a compound, it is reduced. A compound that reduces another is called a reducing agent. In the above equation, RH is a reducing agent, and NAD + is reduced to NADH. When electrons are removed from a compound, it is oxidized. A compound that oxidizes another is called an oxidizing agent. In the above equation, NAD + is an oxidizing agent, and RH is oxidized to R.

Similarly, flavin adenine dinucleotide (FAD + ) is derived from vitamin B2, also called riboflavin. Its reduced form is FADH2. A second variation of NAD, NADP, contains an extra phosphate group. Both NAD + and FAD + are extensively used in energy extraction from sugars, and NADP plays an important role in anabolic reactions and photosynthesis in plants.

ATP in Living Systems

A living cell cannot store significant amounts of free energy. Excess free energy would result in an increase of heat in the cell, which would result in excessive thermal motion that could damage and then destroy the cell. Rather, a cell must be able to handle that energy in a way that enables the cell to store energy safely and release it for use only as needed. Living cells accomplish this by using the compound adenosine triphosphate (ATP). ATP is often called the “energy currency” of the cell, and, like currency, this versatile compound can be used to fill any energy need of the cell. Bagaimana? It functions similarly to a rechargeable battery.

When ATP is broken down, usually by the removal of its terminal phosphate group, energy is released. The energy is used to do work by the cell, usually when the released phosphate binds to another molecule, thereby activating it. For example, in the mechanical work of muscle contraction, ATP supplies the energy to move the contractile muscle proteins. Recall the active transport work of the sodium-potassium pump in cell membranes. ATP alters the structure of the integral protein that functions as the pump, changing its affinity for sodium and potassium. In this way, the cell performs work, pumping ions against their electrochemical gradients.

ATP Structure and Function

At the heart of ATP is a molecule of adenosine monophosphate (AMP), which is composed of an adenine molecule bonded to a ribose molecule and to a single phosphate group ((Figure)). Ribose is a five-carbon sugar found in RNA, and AMP is one of the nucleotides in RNA. The addition of a second phosphate group to this core molecule results in the formation of adenosine diphosphate (ADP) the addition of a third phosphate group forms adenosine triphosphate (ATP).

The addition of a phosphate group to a molecule requires energy. Phosphate groups are negatively charged and thus repel one another when they are arranged in series, as they are in ADP and ATP. This repulsion makes the ADP and ATP molecules inherently unstable. The release of one or two phosphate groups from ATP, a process called dephosphorylation , releases energy.

Energy from ATP

Hydrolysis is the process of breaking complex macromolecules apart. During hydrolysis, water is split, or lysed, and the resulting hydrogen atom (H + ) and a hydroxyl group (OH – ), or hydroxide, are added to the larger molecule. The hydrolysis of ATP produces ADP, together with an inorganic phosphate ion (PSaya), and the release of free energy. To carry out life processes, ATP is continuously broken down into ADP, and like a rechargeable battery, ADP is continuously regenerated into ATP by the reattachment of a third phosphate group. Water, which was broken down into its hydrogen atom and hydroxyl group (hydroxide) during ATP hydrolysis, is regenerated when a third phosphate is added to the ADP molecule, reforming ATP.

Obviously, energy must be infused into the system to regenerate ATP. Where does this energy come from? In nearly every living thing on Earth, the energy comes from the metabolism of glucose, fructose, or galactose, all isomers with the chemical formula C6H12HAI6 but different molecular configurations. In this way, ATP is a direct link between the limited set of exergonic pathways of glucose catabolism and the multitude of endergonic pathways that power living cells.

Phosphorylation

Recall that, in some chemical reactions, enzymes may bind to several substrates that react with each other on the enzyme, forming an intermediate complex. An intermediate complex is a temporary structure, and it allows one of the substrates (such as ATP) and reactants to more readily react with each other in reactions involving ATP, ATP is one of the substrates and ADP is a product. During an endergonic chemical reaction, ATP forms an intermediate complex with the substrate and enzyme in the reaction. This intermediate complex allows the ATP to transfer its third phosphate group, with its energy, to the substrate, a process called phosphorylation. Phosphorylation refers to the addition of the phosphate (

P). This is illustrated by the following generic reaction, in which A and B represent two different substrates:

When the intermediate complex breaks apart, the energy is used to modify the substrate and convert it into a product of the reaction. The ADP molecule and a free phosphate ion are released into the medium and are available for recycling through cell metabolism.

Substrate Phosphorylation

ATP is generated through two mechanisms during the breakdown of glucose. A few ATP molecules are generated (that is, regenerated from ADP) as a direct result of the chemical reactions that occur in the catabolic pathways. A phosphate group is removed from an intermediate reactant in the pathway, and the free energy of the reaction is used to add the third phosphate to an available ADP molecule, producing ATP ((Figure)). This very direct method of phosphorylation is called substrate-level phosphorylation .

Oxidative Phosphorylation

Most of the ATP generated during glucose catabolism, however, is derived from a much more complex process, chemiosmosis, which takes place in mitochondria ((Figure)) within a eukaryotic cell or the plasma membrane of a prokaryotic cell. Chemiosmosis , a process of ATP production in cellular metabolism, is used to generate 90 percent of the ATP made during glucose catabolism and is also the method used in the light reactions of photosynthesis to harness the energy of sunlight. The production of ATP using the process of chemiosmosis is called oxidative phosphorylation because of the involvement of oxygen in the process.

Mitochondrial Disease Physician What happens when the critical reactions of cellular respiration do not proceed correctly? This may happen in mitochondrial diseases, which are genetic disorders of metabolism. Mitochondrial disorders can arise from mutations in nuclear or mitochondrial DNA, and they result in the production of less energy than is normal in body cells. In type 2 diabetes, for instance, the oxidation efficiency of NADH is reduced, impacting oxidative phosphorylation but not the other steps of respiration. Symptoms of mitochondrial diseases can include muscle weakness, lack of coordination, stroke-like episodes, and loss of vision and hearing. Most affected people are diagnosed in childhood, although there are some adult-onset diseases. Identifying and treating mitochondrial disorders is a specialized medical field. The educational preparation for this profession requires a college education, followed by medical school with a specialization in medical genetics. Medical geneticists can be board certified by the American Board of Medical Genetics and go on to become associated with professional organizations devoted to the study of mitochondrial diseases, such as the Mitochondrial Medicine Society and the Society for Inherited Metabolic Disorders.

Ringkasan Bagian

ATP functions as the energy currency for cells. It allows the cell to store energy briefly and transport it within the cell to support endergonic chemical reactions. The structure of ATP is that of an RNA nucleotide with three phosphates attached. As ATP is used for energy, a phosphate group or two are detached, and either ADP or AMP is produced. Energy derived from glucose catabolism is used to convert ADP into ATP. When ATP is used in a reaction, the third phosphate is temporarily attached to a substrate in a process called phosphorylation. The two processes of ATP regeneration that are used in conjunction with glucose catabolism are substrate-level phosphorylation and oxidative phosphorylation through the process of chemiosmosis.

Respons Gratis

Why is it beneficial for cells to use ATP rather than energy directly from the bonds of carbohydrates? What are the greatest drawbacks to harnessing energy directly from the bonds of several different compounds?

ATP provides the cell with a way to handle energy in an efficient manner. The molecule can be charged, stored, and used as needed. Moreover, the energy from hydrolyzing ATP is delivered as a consistent amount. Harvesting energy from the bonds of several different compounds would result in energy deliveries of different quantities.

Glosarium


Visualizing ATP Dynamics in Live Mice

Analysis of the dynamics of adenosine triphosphate (ATP) is vital to quantitatively define the actual roles of ATP in biological activities. Here, we applied a genetically encoded Förster resonance energy transfer biosensor “GO-ATeam” and created a transgenic mouse model that allows systemic ATP levels to be quantitatively, sensitively, noninvasively, and spatiotemporally measured under physiological and pathological conditions. We used this model to readily conduct intravital imaging of ATP dynamics under three different conditions: during exercise, in all organs and cells during myocardial infarction progression and in response to the application of cardiotoxic drugs. These findings provide compelling evidence that the GO-ATeam mouse model is a powerful tool to investigate the multifarious functions of cellular ATP in vivo with unprecedented spatiotemporal resolution in real-time. This will inform predictions of molecular and morphological responses to perturbations of ATP levels, as well as the elucidation of physiological mechanisms that control ATP homeostasis.

One Sentence Summary Intravital real-time imaging of ATP dynamics in multiple organs using GO-ATeam mice, can be used to quantitatively, sensitively, noninvasively, and spatiotemporally measure systemic ATP levels and provide a platform for preclinical pharmacological studies.


Tonton videonya: Energi dalam Sistem Kehidupan Bagian-2. IPA SMPMTs Kelas VII (Agustus 2022).