כיצד עובד ATP?

המולקולה הקטנה ATP, המייצגת אדנוזין טריפוספט, היא נושאת האנרגיה העיקרית לכל היצורים החיים. בבני אדם, ATP היא דרך ביוכימית לאגור ולהשתמש באנרגיה לכל תא בודד בגוף. אנרגיית ATP היא גם מקור האנרגיה העיקרי של בעלי חיים וצמחים אחרים.

ATP מורכב מבסיס החנקן האדיני, ריבוז הסוכר בעל חמש הפחמן ושלוש קבוצות פוספט: אלפא, בטא וגמא. הקשרים בין בטא לפוספטים גמא הם בעלי אנרגיה גבוהה במיוחד. כאשר קשרים אלה נשברים, הם משחררים מספיק אנרגיה כדי לעורר מגוון של תגובות ומנגנונים תאיים.

בכל פעם שתא זקוק לאנרגיה, הוא שובר את הקשר של פוספט בטא-גמא ליצירת דיפוספט אדנוזין (ADP) ומולקולת פוספט חופשית. תא אוגר עודפי אנרגיה על ידי שילוב של ADP ופוספט ליצירת ATP. תאים מקבלים אנרגיה בצורת ATP באמצעות תהליך הנקרא נשימה, סדרה של תגובות כימיות המחמצנות גלוקוז בעל שישה פחמן ליצירת פחמן דו חמצני.

ישנם שני סוגים של נשימה: נשימה אירובית ונשימה אנאירובית. נשימה אירובית מתרחשת עם חמצן ומייצרת כמויות גדולות של אנרגיה, בעוד שנשימה אנאירובית אינה משתמשת בחמצן ומייצרת כמויות קטנות של אנרגיה.

חמצון הגלוקוז במהלך הנשימה האירובית משחרר אנרגיה, המשמשת לאחר מכן לסינתזת ATP מ- ADP וזרחן אורגני (Pi). ניתן להשתמש בשומנים וחלבונים במקום גלוקוז עם שישה פחמן במהלך הנשימה.

הנשימה האירובית מתרחשת במיטוכונדריה של תא ומתרחשת בשלושה שלבים: גליקוליזה, מחזור קרבס ומערכת ציטוכרום.

במהלך הגליקוליזה, המתרחש בציטופלזמה, גלוקוז עם שישה פחמן מתפרק לשתי יחידות חומצה פירוביות שלוש פחמן. המימנים שמוסרים מצטרפים לנשא המימן NAD ליצירת NADH₂. התוצאה היא רווח נקי של 2 ATP. החומצה הפירובית נכנסת למטריקס של המיטוכונדריון ועוברת דרך חמצון, מאבדת פחמן דו חמצני ויוצרת מולקולה דו פחמנית הנקראת אצטיל CoA. המימנים שנלקחו משם מצטרפים עם NAD לייצור NADH₂.

מחזור קרבס, המכונה גם מחזור חומצת לימון, מייצר מולקולות בעלות אנרגיה גבוהה של NADH ו- flavin adenine dinucleotide (FADH₂), ועוד כמה ATP. כאשר אצטיל CoA נכנס למחזור קרבס, הוא משלב עם חומצה בעלת ארבע פחמן הנקראת חומצה אוקסאלואצטית כדי ליצור את החומצה בעלת שש הפחמן הנקראת חומצת לימון. אנזימים גורמים לסדרה של תגובות כימיות, המרות את חומצת הלימון ומשחררות אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה ל- NAD. באחת התגובות משתחרר מספיק אנרגיה כדי לסנתז מולקולת ATP. עבור כל מולקולת גלוקוז יש שתי מולקולות של חומצה פירובית שנכנסות למערכת, כלומר נוצרות שתי מולקולות ATP.

מערכת הציטוכרום, המכונה גם מערכת נושאת המימן או שרשרת העברת האלקטרונים, היא החלק בתהליך הנשימה האירובי שמייצר הכי הרבה ATP. שרשרת הובלת האלקטרונים נוצרת מחלבונים על הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה. NADH שולח יוני מימן ואלקטרונים לשרשרת. האלקטרונים נותנים אנרגיה לחלבונים בקרום, המשמשים לאחר מכן לשאיבת יוני מימן על פני הממברנה. זרם יונים זה מסנתז ATP.

בסך הכל, 38 מולקולות ATP נוצרות ממולקולת גלוקוז אחת.