Struktur ATP, Pembentukan dan Fungsi – Mata Uang Energi Metabolisme Seluler

Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi di alam semesta kita tidak pernah hilang atau hancur tetapi diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Konsep ini dapat ditunjukkan dengan menganalisis cara kita memperoleh energi dari lingkungan kita dan bagaimana energi ini diubah menjadi bentuk yang dapat digunakan untuk menggerakkan proses seluler yang diperlukan untuk kehidupan. Sebagai hewan, kita mengkonsumsi energi ini terlebih dahulu melalui makanan kita. Energi kimia yang tersimpan dalam glukosa dalam makanan dilepaskan dan diubah menjadi energi potensial melalui jalur katabolik yang dikenal sebagai respirasi seluler. Energi potensial ini kemudian diubah menjadi energi kinetik, siap digunakan untuk menyalakan berbagai fungsi kimia, mekanik atau lokomotif yang dibutuhkan oleh sel. Esai ini akan menjelaskan proses-proses yang memicu pelepasan energi ini dan bagaimana ia digunakan dalam tubuh. Ini juga bertujuan untuk menjelaskan gagasan 'mata uang energi' di dalam sel dengan menguraikan struktur dan pembentukan molekul yang bertanggung jawab untuk menyediakannya: ATP atau adenosine triphosphate.

ATP adalah nukleosida yang terdiri dari gula ribosa sentral, basis adenin purin dan rantai tiga kelompok fosfat. Ini adalah sumber energi langsung di dalam sel dan terbentuk selama tiga tahap. Tahap pertama dimulai dengan memanen energi kimia dari oksidasi molekul glukosa. Proses ini terjadi di sitoplasma dan dikenal sebagai glikolisis. Karena energi di dalam molekul organik disimpan di dalam atom-atom individu, ia hanya bisa dilepas dengan memecah ikatan yang mengikat atom-atom itu. Ini membutuhkan 'pengeluaran energi' dua molekul ATP untuk membantu pemecahan glukosa menjadi substrat menengah yang disebut gliseraldehida-3-fosfat. Pemecahan lebih lanjut memungkinkan koenzim NAD + untuk mengambil elektron berenergi tinggi dan ion hidrogen, membentuk dua molekul NADH.

Ia juga melepaskan energi yang memungkinkan gugus fosfat berikatan dengan ADP, membentuk dua molekul ATP dalam suatu proses yang disebut fosforilasi tingkat substrat. Kerusakan lebih lanjut ke piruvat menghasilkan dua molekul tambahan ATP, memberikan glikolisis 'laba' energi keseluruhan dari dua ATP. Tahap selanjutnya dari respirasi sel juga menghasilkan ATP dengan tingkat fosforilasi substrat. Tahapan ini, yang dikenal sebagai Siklus Asam Sitrat, melengkapi oksidasi glukosa dan berlangsung di mitokondria sel. Piruvat berdifusi melalui membran sel dan mengalami beberapa reaksi kimia untuk membentuk Asetil Co-A, menghasilkan karbon dioksida sebagai produk limbah. NADH dan FADH2 juga membawa elektron selama tahap ini juga. Dua molekul ATP lainnya diproduksi yang dapat segera digunakan oleh sel untuk energi.

Mayoritas ATP diproduksi oleh tubuh kita dibentuk oleh tahap ketiga dan terakhir dari respirasi seluler dalam proses yang disebut fosforilasi oksidatif. Ini dikenal sebagai tahap transfer elektron di mana NADH dan FADH2 menyerahkan elektron yang mereka peroleh dari glikolisis dan Siklus Asam Sitrat, melepaskan energi. ATP kemudian dihasilkan oleh enzim yang disebut ATP sintase yang menggunakan gradien ion hidrogen untuk menangkap energi yang dilepaskan dari elektron berenergi tinggi. Dengan cara ini, fosforilasi oksidatif menghasilkan 34 molekul ATP untuk setiap molekul glukosa. Dengan demikian, semua energi kimia yang dipanen dari molekul glukosa asli sekarang menjadi ATP dalam bentuk energi potensial, siap digunakan untuk pekerjaan seluler.

Ini adalah pengaturan molekul ATP yang kemudian memungkinkan pelepasan energi potensial ini. Penguraian ATP ke ADP dan regenerasi konsekuen adalah apa yang memberi setiap sel mata uang untuk bertahan hidup dan melaksanakan pekerjaan seluler untuk fungsi tertentu. Karena ketiga gugus fosfat bermuatan negatif, molekul tidak stabil dan dengan mudah melepaskan gugus fosfat terminalnya melalui hidrolisis untuk membentuk ADP (adenosine diphosphate) dan molekul fosfat anorganik. Reaksi ini eksergonik, melepaskan kira-kira segitiga -13 kkal.mol. Reaksi digambarkan sebagai eksergonik ketika melepaskan energi ke sekitarnya dan terjadi secara spontan, memberikan produk yang memiliki energi potensial kurang dari reaktannya. Reaksi endergonic membutuhkan input energi dari sekitarnya dan produk memiliki energi potensial lebih dari reaktan. Ini adalah kemampuan ATP untuk beberapa reaksi endergonik dan eksergonik yang membuat hidup dapat terus berlanjut. Dengan melepaskan gugus fosfat dalam transformasi eksergonik ATP menjadi ADP, ini memungkinkan reaktan lain untuk mengambilnya dan mendapatkan energi untuk memungkinkan terjadinya reaksi endergonik. Proses ini dikenal sebagai penggabungan energi dalam sel.

Gagasan ATP sebagai mata uang energi adalah bourne dari gagasan bahwa ATP harus terlebih dahulu 'dihabiskan' (dalam bentuk 2 molekul ATP dalam tahap glikolisis) untuk mendapatkan 'keuntungan' dari 36 molekul ATP per molekul glukosa teroksidasi. . Tanpa daur ulang dan pengelolaan energi yang berkelanjutan di sel-sel kita oleh ATP, kita tidak akan memiliki energi untuk membuat darah baru, bergerak di sekitar, membersihkan tubuh kita dari racun atau bahkan bereproduksi. Pentingnya ATP disorot pada tahun 1997 ketika Hadiah Nobel Kimia dibagi antara Boyer, Walker & Skou, ketika mereka mengkonsolidasikan struktur ATP dan peran ATP sintase.