Chuyên đề 2: ATP: đồng tiền năng lượng hoàn hảo cho tế bào

NĂNG LƯỢNG SINH HỌCBIOLOGICAL ENERGYCHUYÊN ĐỀ: ATP: Đồng Tiền Năng Lượng Hoàn Hảo Cho Tế BàoATP: The Perfect Energy Currency for the CellGVHD: TS. VÕ VĂN TOÀNHVTH: NGUYỄN THỊ ÁI TRINH10/2009 GÓI NĂNG LƯỢNG ĐÔIMặc dù ATP chứa hầu hết năng lượng cho mọi phản ứng, tại những thời điểm hầu hết năng lượng được đòi hỏi. Giải pháp là ATP giải phóng 2 photphat thay vì một, tạo ra một adenosine monophotphat (AMP) cộng với một chuỗi hai photphat gọi là pyrophotphat.Cách mà AMP được xây dựng thành ATP trở lại làm sáng tỏ cho sự đúng đắn và sự phức tạp của hệ thống năng lượng tế bào Những enzim dùng trong đường phân, chu trình axit citric và hệ thống vận chuyển điện tử, tất cả quá chính xác đến nỗi chúng sẽ chỉ thay thế một photphat đơn độc duy nhất.Chúng không thể cộng 2 photphat mới vào một phân tử AMP để hình thành ATP. Giải pháp là một enzim phức tạp được gọi là adenylate kinase-enzim vận chuyển một photphat đơn độc từ ATP đến AMP, hình thành 2 ADP. AK AMP +ATP → 2ADP K12 phân tử ADP có thể sau đó đi vào chu trình kreb được thiết kế để biến đổi ADP thành ATP. Adenylate kinase đòi hỏi một nguyên tử Mg- và đây là một trong những nguyên nhân giải thích tại sao chế độ ăn uống đầy đủ Mg là quan trọng Adenylate kinase là một enzim có tổ chức cao nhưng rắn chắc với trung tâm hoạt động của nó nằm sâu trong phân tử.Trung tâm hoạt động sâu được đòi hỏi bởi vì các phản ứng chất xúc tác nhạy với nước.Nếu phân tử nước cư trú giữa ATP và AMP, sau đó photphat có thể bẻ ATP thành ADP và giải phóng một photphat tự do thay vì sự vận chuyển một photphat từ ATP đến AMP để hình thành ADP. enzyme ATP + H2O  ADP + Pi + năng lượngĐể ngăn cản điều này, adenylate kinase được thiết kế sao cho trung tâm hoạt động của nó tại vị trí kết thúc của eo sâu trong cấu trúc nằm gần quanh giữa ATP và AMP, ngăn phản ứng từ nước.Nhiều enzym khác dùng ATP trên hệ thống này để che chở cho trung tâm hoạt động của chúng nhằm ngăn cản những phản ứng không thích hợp xuất hiện. Hệ thống này đảm bảo rằng chỉ những chất thải xuất hiện là sự hao mòn, sửa chữa và thay thế của những bào quan tế bào. Pyrophotphat và axit pyrophotphoric, cả hai đều là những dạng vô cơ của photpho, cũng phải bị bẻ gãy,vì vậy chúng có thể được phục hồi.Sự tan vỡ của photphat này được hoàn thành bởi enzim vô cơ pyrophotphataseEnzim pyrophosphatase 	Enzim này cắt pyrophotphat thành 2 photphat tự do mà có thể dùng để tổng hợp ATP ( Goodsell,1996,p.79). Hệ thống này đạt kết quả đáng ngạc nhiên đến nỗi mà nó sản xuất không chất thải.Hệ thống này còn làm kinh ngạc khi xét đến cấu trúc chi tiết phức tạp của nó.Goodsell,(1996,p.79) nói thêm rằng “bộ máy sản xuất năng lượng của chúng ta được thiết kế cho sự sản xuất ATP:nhanh, hiệu quả và đạt số lượng lớn”Chất mang năng lượng chính, cơ thể dùng là ATP, nhưng những nucleotit khác hoạt động mạnh cũng được sử dụng là timin, guanin, uracin và citosin để tạo ARN và AND.Chu trình krebs chỉ tổng hợp ATP từ ADP nhưng năng lượng chứa trong ATP có thể được chuyển đến một trong những nucleoside khác bằng những phương thức của một enzim được gọi là nucleoside diphosphat kinase. ATP + NTP ADP +NTP Enzim này vận chuyển photphat từ một nucleoside triphosphat, thường là ATP đến một nucleoside diphosphat như guanozin diphosphat ( GDP) để hình thành guanozintriphosphat(GTP)Nucleoside diphotphat kinase làm việc nhờ một trong sáu trung tâm hoạt động của nó liên kết với nucleoside triphotphat(NTP) và giải phóng photphat- được gắn chặt với histidin.Sau đó NTP mà bây giờ là một diphotphat (NDP), được giải phóng, và một NDP khác liên kết với vị trí tương tự và kết quả là một photphat được liên kết với enzim được vận chuyển hình thành NTP mới. Rất nhiều trong số những enzim khác tồn tại để ATP vận chuyển năng lượng của nó đến những vị trí khác –nơi nó được cần. 	Mỗi enzym phải được thiết kế một cách đặc biệt để thực hiện chức năng duy nhất của nó và hầu hết trong số những enzym này quyết định cho sức khoẻ và cuộc sống.	Cơ thể có tính linh động , và thỉnh thoảng cuộc sống có thể được thực hiện khi một trong những enzym này bị khiếm khuyết –như người thường bị khuyết tật.Hơn nữa những máy móc hỗ trợ thỉnh thoảng tồn tại vì vậy cơ thể có thể đạt được cùng mục tiêu trong suốt dãy xen kẽ hoá sinh.Những ví dụ đơn giản này minh chứng hùng hồn, cơ sở của thiết kế xây dựng thành cơ thể. Chúng cũng chứng minh cho sự phức tạp của cơ thể và quá trình sinh lý của nó.SỰ TRUYỀN THÔNG TIN CỦA PHÂN TỬ	Không có ATP, cuộc sống như chúng ta hiểu là không thể tồn tại. Đó là một phân tử được thiết hoàn hảo, phức tạp giữ vai trò then chốt trong việc cung ứng kích thước gói năng lượng hợp lý cho bàn thắng của hàng ngàn lớp phản ứng mà xuất hiện trong tất cả các dạng sống. Thậm chí những virus dựa vào một phân tử ATP tái bản để kí sinh trong cơ thể người.Hệ thống năng lượng ATP nhanh,hiệu quả cao,sản xuất quay vòng ATP nhanh và có thể đáp ứng nhu cầu chuyển hoá năng lượng một cách nhanh chóng.Hơn nữa, phân tử ATP hết sức phức tạp đến nỗi mà chúng ta bây giờ mới bắt đầu hiểu cách nó làm việc. Mỗi phân tử ATP có hơn 500 đơn vị khối lượng nguyên tử ( 500 AMUs).Trong thuật ngữ sản xuất, phân tử ATP là một cái máy với một mức độ tổ chức ở phẩm cấp nghiên cứu hiển vi or a standard television( Darnell, Lodish, and Baltimore, 1996).Giữa những câu hỏi của những người ủng hộ thuyết tiến hoá phải trả lời bao gồm như sau: “ cuộc sống đã tồn tại trước ATP như thế ?’’ và “Cuộc sống có thể tồn tại như thế nào nếu không có ATP từ lúc không có dạng sống như chúng ta biết ngày nay có thể làm điều đó?”“ATP đã có thể tiến hoá như thế nào?” và “những hình thái chuyển tiếp được đòi hỏi để tiến hoá thành phân tử ATP phức tạp là ở đâu?”Không có những “ứng cử viên” khả thi tồn tại và không có “ai” có thể tồn tại bởi vì chỉ có một phân tử ATP hoàn hảo có thể thực hiện một cách thích đáng vai trò của nó trong tế bào.Thêm vào,một ứng cử viên phân tử ATP tiềm năng không được tuyển chọn cho sự tiến hoá cho tới khi nó đang làm việc và cuộc sống đã không thể tồn tại nếu không có ATP hoặc một phân tử tương tự mà thực hiện cùng chức năng.ATP là một ví dụ của phân tử mà hiển thị sự phức tạp không thể làm tối giản được nữa mà vẫn còn chức năng.( Behe,1996 ).ATP đã có thể được tạo ra chỉ là một đơn vị để thực hiện chức năng trực tiếp trong cuộc sống và điều này là đúng đối với những phân tử năng lượng phức tạp khác dùng trong cuộc sống như GTPMặc dù những phân tử năng lượng khác có thể dùng cho những chức năng nhất định của tế bào. Nhưng không có gì thay thế một cách hài lòng tất cả những chức năng của ATP. Hơn 100.000 phân tử chi tiết khác giống ATP cũng được thiết kế để cho phép con người tồn tại. Và tất cả những vấn đề giống nhau đó liên quan đến nguồn gốc tồn tại của chúng.Nhiều đại phân tử tồn tại những chi tiết lớn hơn ATP nhưng có tổ chức năng lượng thấp hơn, và để cho cuộc sống tồn tại tất cả chúng phải làm việc với nhau như một đơn vị.SỰ TƯƠNG PHẢN GIỮA SỰ SẢN XUẤT ATP Ở TẾ BÀO NHÂN SƠ VÀ NHÂN CHUẨNMột kẻ hở lớn tồn tại giữa tế bào prokaryote( vi khuẩn và vi khuẩn lam) và các dạng của tế bào eukaryote(động vật nguyên sinh, thực vật và động vật):Prokaryote và eukaryote khác nhau hoàn toàn và hình dung một cách rõ ràng một sự lưỡng phân rõ rệt trong sự tiến hoá của sự sốngTính chất phức tạp của eukaryote lớn hơn nhiều so với sự phức tạp của prokaryote đến nỗi mà nó khó hình dung một eukaryote đã có thể nảy sinh từ bất kì prokaryote đã biết như thế nào?(Hickman et al.,1997,plasmid.39) Một vài trong số những sự khác nhau là prokaryote thiếu bào quan, một khung xương tế bào chất và hầu hết cấu trúc khác hiện có trong tế bào eukaryote.Do đó chức năng của hầu hết bào quan và những phần cấu trúc siêu hiển vi phải được thực hiện trong vi khuẩn bởi màng tế bào và sự gấp nếp của màng tế bào gọi là mesosome.