Funktion
ATP-Hydrolyse liefert die Energie, die für viele wichtige Prozesse in Organismen und Zellen benötigt wird. Dazu gehören intrazelluläre Signalübertragung, DNA- und RNA-Synthese, purinerge Signalübertragung, synaptische Signalübertragung, aktiver Transport und Muskelkontraktion. Diese Themen sind keine erschöpfende Liste, sondern umfassen einige der lebenswichtigen Funktionen von ATP.
ATP in der intrazellulären Signalübertragung
Die Signaltransduktion ist in hohem Maße von ATP abhängig. ATP kann als Substrat für Kinasen, die zahlreichsten ATP-bindenden Proteine, dienen. Wenn eine Kinase ein Protein phosphoryliert, kann eine Signalkaskade aktiviert werden, die zur Modulation verschiedener intrazellulärer Signalwege führt. Die Kinaseaktivität ist für die Zelle lebenswichtig und muss daher streng reguliert werden. Die Anwesenheit von Magnesiumionen trägt zur Regulierung der Kinaseaktivität bei. Die Regulierung erfolgt durch Magnesiumionen, die in der Zelle als Komplex mit ATP vorliegen und an die Phosphatsauerstoffzentren gebunden sind. Neben der Kinaseaktivität kann ATP als ubiquitärer Auslöser für die Freisetzung intrazellulärer Botenstoffe fungieren. Zu diesen Botenstoffen gehören Hormone, verschiedene Enzyme, Lipidmediatoren, Neurotransmitter, Stickstoffmonoxid, Wachstumsfaktoren und reaktive Sauerstoffspezies. Ein Beispiel für die Nutzung von ATP bei der intrazellulären Signalübertragung ist ATP, das als Substrat für die Adenylatzyklase dient. Dieser Prozess findet hauptsächlich in G-Protein-gekoppelten Rezeptor-Signalwegen statt. Nach der Bindung an die Adenylatcyclase wandelt sich ATP in zyklisches AMP um, das die Freisetzung von Kalzium aus den intrazellulären Speichern signalisiert. Das cAMP hat weitere Funktionen, darunter sekundäre Botenstoffe in Hormonsignalkaskaden, die Aktivierung von Proteinkinasen und die Regulierung der Funktion von Ionenkanälen.
DNA/RNA-Synthese
Die Synthese von DNA und RNA erfordert ATP. ATP ist eines der vier Nukleotidtriphosphatmonomere, die für die RNA-Synthese notwendig sind. Bei der DNA-Synthese kommt ein ähnlicher Mechanismus zum Einsatz, mit dem Unterschied, dass bei der DNA-Synthese das ATP zunächst durch Entfernen eines Sauerstoffatoms aus dem Zucker umgewandelt wird, um Desoxyribonukleotid, dATP, zu erhalten.
Purinerge Signalübertragung
Purinerge Signalübertragung ist eine Form der extrazellulären parakrinen Signalübertragung, die durch Purinnukleotide, einschließlich ATP, vermittelt wird. Dieser Prozess beinhaltet in der Regel die Aktivierung von purinergen Rezeptoren auf Zellen, die sich in der Nähe befinden, wodurch Signale zur Regulierung intrazellulärer Prozesse übertragen werden. ATP wird aus vesikulären Speichern freigesetzt und zusätzlich zu anderen üblichen exozytotischen Regulationsmechanismen durch IP3 reguliert. ATP wird gemeinsam mit anderen Neurotransmittern gespeichert und freigesetzt, was die Annahme stützt, dass ATP ein notwendiger Vermittler der purinergen Neurotransmission sowohl in sympathischen als auch in parasympathischen Nerven ist. ATP kann mehrere purinerge Reaktionen auslösen, darunter die Kontrolle autonomer Funktionen, neuronale Glia-Interaktionen, Schmerzen und die Kontrolle des Gefäßtonus.
Neurotransmission
Das Gehirn ist der größte ATP-Verbraucher im Körper und verbraucht etwa fünfundzwanzig Prozent der gesamten verfügbaren Energie. Ein großer Teil der Energie wird für die Aufrechterhaltung der Ionenkonzentrationen für die korrekte neuronale Signalübertragung sowie für die synaptische Übertragung aufgewendet. Die synaptische Übertragung ist ein energieaufwändiger Prozess. Am präsynaptischen Terminal wird ATP benötigt, um Ionengradienten aufzubauen, die Neurotransmitter in Vesikel transportieren, und um die Vesikel für die Freisetzung durch Exozytose vorzubereiten. Dieser Prozess hängt davon ab, dass ATP die Ionenkonzentration im Axon nach jedem Aktionspotenzial wiederherstellt, so dass ein weiteres Signal erfolgen kann. Der aktive Transport ist dafür verantwortlich, dass die Natrium- und Kaliumionenkonzentrationen nach dem Auftreten eines Aktionspotenzials durch die Na/K-ATPase auf die Grundwerte zurückgesetzt werden. Während dieses Prozesses wird ein Molekül ATP hydrolysiert, drei Natriumionen werden aus der Zelle transportiert und zwei Kaliumionen werden in die Zelle zurücktransportiert, die sich beide gegen ihren Konzentrationsgradienten bewegen.Aktionspotentiale, die das Axon hinunterwandern, initiieren die vesikuläre Freisetzung beim Erreichen des präsynaptischen Terminals. Nach dem Aufbau der Ionengradienten breiten sich die Aktionspotenziale dann durch die Depolarisierung des Axons das Axon hinunter aus und senden ein Signal in Richtung des Terminals. Für die Ausbreitung eines einzigen Aktionspotenzials sind etwa eine Milliarde Natriumionen erforderlich. Neuronen müssen fast eine Milliarde AT-Moleküle hydrolysieren, um die Natrium-/Kaliumionenkonzentration nach jeder Zelldepolarisation wiederherzustellen.Erregende Synapsen dominieren weitgehend die graue Substanz des Gehirns. Glutamat enthaltende Vesikel werden in den synaptischen Spalt freigesetzt, um postsynaptische erregende glutaminerge Rezeptoren zu aktivieren. Das Laden dieser Moleküle erfordert große Mengen an ATP, da in einem einzigen Vesikel fast viertausend Glutamatmoleküle gespeichert sind. Um die Freisetzung des Vesikels einzuleiten, die glutamatergen postsynaptischen Prozesse voranzutreiben und das Vesikel sowie das übrig gebliebene Glutamat zu recyceln, sind beträchtliche Mengen an Energie erforderlich. Aufgrund der großen Energiemengen, die für die Glutamatverpackung benötigt werden, befinden sich die Mitochondrien in unmittelbarer Nähe der glutamatergen Vesikel.
ATP in der Muskelkontraktion
Muskelkontraktion ist eine notwendige Funktion des täglichen Lebens und könnte ohne ATP nicht stattfinden. Es gibt drei Hauptaufgaben, die ATP bei der Muskelkontraktion erfüllt. Die erste besteht in der Erzeugung von Kraft gegen benachbarte Aktinfilamente durch die zyklische Bewegung von Myosin-Querbrücken. Die zweite ist das Pumpen von Kalziumionen aus dem Myoplasma durch das sarkoplasmatische Retikulum entgegen dem Konzentrationsgradienten durch aktiven Transport. Die dritte Funktion, die ATP erfüllt, ist der aktive Transport von Natrium- und Kaliumionen durch das Sarkolemm, so dass Kalziumionen freigesetzt werden können, wenn der Input ankommt. Die Hydrolyse von ATP treibt jeden dieser Prozesse an.