Afbeelding in de hoofding: ATP cartoon. Bron: Pinterest van Roberta Negrelli – Paramecium Parlor.
ATP : ideale en universele energie eenheid
AdenosineTriPhosphate of ATP, het is de universele energiemolecule van elke levende cel op Aarde! Vreemd toch? De diversiteit van het leven is onvoorstelbaar groot. hoe komt het dan dat er geen diversiteit bestaat in de gebruikte energiedragers? Zijn er geen andere moleculen denkbaar met een energierijke binding die gemakkelijk kunnen gevormd worden wanneer energie beschikbaar is en terug kan ontbinden als die energie ergens terug moet afgegeven worden? Jawel, er zijn alternatieven denkbaar. Maar blijkbaar is er geenenkele zo ideaal als ATP. En blijkbaar hebben alle bestaande levensvormen dat ook ontdekt, en hebben ze zonder uitzondering gekozen om hiermee verder te functioneren. Dat is opmerkelijk. het doet vermoeden dat nieuwe levensvormen ook altijd weer die zeer efficiënte ATP zouden blijven verkiezen als energiedrager. En misschien buitenaards leven ook? Die kans is reëel.
Wat is er nu zo ideaal aan ATP?
Energie wordt ‘bezorgd’ in ideale pakketjes, die niet te klein en niet te groot zijn. Wanneer een fosfaat loskomt van ATP (en dus ADP + fosfaat vormt) door hydrolyse van de P-O verbinding, dan komt er per mol ongeveer 7,3 kcal (= 30.543 Joule) vrij. Per molecule is dat net genoeg om de meeste biochemische reacties in cellen te laten plaatsvinden. Het is ook niet meer dan dat, waardoor er geen overschot aan energie geleverd wordt, en dus geen vervelende restwarmte ontstaat bij elke reactie.
ATP kan zeer snel aangemaakt en ontbonden worden, volgens de behoeften van de cel. Via fotosynthese en ademhaling bijvoorbeeld, worden in zeer korte tijd grote hoeveelheden ATP aangemaakt. De cel stuurt die energiemoleculen naar alle plekken waar energie op dat moment vereist is. Zowel de productie van ATP als de afbraak tot ADP kan binnen elke cel tegelijk gebeuren. Het systeem is uiterst ‘reguleerbaar’.
De ATP molecule is ook opvallend eenvoudig en veelzijdig. Zo kan het bijvoorbeeld gebruikt worden als bouwstenen van RNA of andere biomoleculen. Het wordt ook soms gebruikt als signaalmolecule om bepaalde processen op te starten of af te remmen. Wanneer de fosfaatgroep wordt losgemaakt, kan deze gewoon oplossen in het celvocht of bijvoorbeeld overgedragen worden aan een andere moleculen (fosforylering) die dan zelf die energierijke binding nodig heeft voor de volgende stap in een bepaald metabolisch pad.
ATP is ook zeer goed oplosbaar in water, en kan opgeslagen worden in hoge concentratie wanneer geen energie gevraagd wordt. Wanneer dan plots energie nodig is, is het ook onmiddellijk beschikbaar en steeds reactief. En dit voor om het even welke celactiviteit. ATP is het beste compromis tussen energie-inhoud, veelzijdigheid, stabiliteit en reactiviteit.
Je kan de rol van ATP in levende wezens onmogelijk overschatten. Nick Lane gaf in zijn boek ‘The vital question’ volgende cijfers voor het menselijk lichaam: één cel verbruikt per seconde ongeveer 10 miljoen moleculen ATP. Ons hele lichaam verbruikt dus 60 tot 100 kilogram ATP per dag. Maar we hebben op elk moment slechts ongeveer 60 gram ATP in ons lichaam. Daarom moet elk ATP molecuul 1 of 2 keer per minuut worden herladen.
Hoe laadt een cel haar ‘batterij’ (ADP + P -> ATP)?
Wanneer er geen zuurstof beschikbaar is en wanneer er reeds een ander product aanwezig is waar een energierijke fosfaatgroep aan gebonden is, dan kan een ATP eenvoudig gevormd worden door een enzyme die de fosfaatgroep kan overzetten van het andere product (het ‘substraat’) naar een ADP. Dit is de zogenaamde substraat-niveau fosforylatie. Dit is een manier om ATP te vormen die wel door alle leven wordt toegepast, maar met weinig ATP opbrengst. Een voorbeeld hiervan is een stap in de zogenaamde glycolyse. Dat is de eerste reeks stappen die alle cellen doorlopen wanneer ze beginnen met de afbraak van glucose. Deze stap is getekend hieronder. Het enzym pyruvaat kinase zorgt er in dit geval voor dat de fosfaatgroep van het substraat gemakkelijk wordt overgezet op de ADP.
Mocht ATP alleen maar gevormd worden via deze weg, dan zou het leven minder krachtig en efficiënt zijn dan wat we hier op Aarde vaststellen. Het aardse leven heeft een slimme manier gevonden om veel efficiënter ATP aan te maken, op voorwaarde dat er zuurstof (of een andere goeie elektronen-acceptor) beschikbaar is. Die slimme manier brengt veel meer op aan energiemoleculen, en wordt oxydatieve fosforylatie genoemd. Eigenlijk hebben we het hier over ademhaling of respiratie. Ademhaling brengt dus veel energiemoleculen op, waarmee de cel vanalles kan doen. We gaan de mechanismen achter oxydatieve fosforylatie uitleggen in item 2.6.