Functie
ATP hydrolyse levert de energie die nodig is voor veel essentiële processen in organismen en cellen. Daartoe behoren intracellulaire signalering, DNA- en RNA-synthese, purinerge signalering, synaptische signalering, actief transport en spiercontractie. Deze onderwerpen zijn geen uitputtende lijst, maar omvatten enkele van de vitale rollen die ATP vervult.
ATP in intracellulaire signalering
Signaaltransductie leunt zwaar op ATP. ATP kan dienen als substraat voor kinasen, de meest talrijke ATP-bindende eiwitten. Wanneer een kinase een eiwit fosforyleert, kan een signaalcascade worden geactiveerd, die leidt tot modulatie van diverse intracellulaire signaalwegen. Kinaseactiviteit is van vitaal belang voor de cel en moet daarom strak gereguleerd worden. De aanwezigheid van het magnesium-ion helpt bij de regulering van de kinase-activiteit. De regulatie gebeurt via magnesiumionen die in de cel aanwezig zijn als een complex met ATP, gebonden aan de fosfaatzuurstofcentra. Naast de kinase-activiteit kan ATP ook fungeren als een alomtegenwoordige trigger van intracellulaire afgifte van boodschappers. Deze boodschappers omvatten hormonen, verschillende enzymen, lipide mediatoren, neurotransmitters, stikstofmonoxide, groeifactoren en reactieve zuurstofspecies. Een voorbeeld van het gebruik van ATP bij intracellulaire signalering is ATP dat fungeert als substraat voor adenylaatcyclase. Dit proces vindt meestal plaats in G-eiwit gekoppelde receptorsignaleringspaden. Na binding aan adenylaat cyclase zet ATP zich om in cyclisch AMP, dat helpt bij het signaleren van het vrijkomen van calcium uit intracellulaire voorraden. Het cAMP heeft andere rollen, waaronder secundaire boodschappers in hormoonsignaleringscascades, activering van proteïnekinases, en regulering van de functie van ionenkanalen.
DNA/RNA Synthese
DNA en RNA synthese vereist ATP. ATP is een van de vier nucleotide-trifosfaatmonomeren die nodig zijn bij de synthese van RNA. Bij de DNA-synthese wordt een soortgelijk mechanisme gebruikt, behalve dat bij de DNA-synthese het ATP eerst wordt getransformeerd door een zuurstofatoom uit de suiker te verwijderen om desoxyribonucleotide, dATP, te verkrijgen.
Purinerge signalering
Purinerge signalering is een vorm van extracellulaire paracriene signalering die wordt bemiddeld door purine nucleotiden, waaronder ATP. Dit proces omvat gewoonlijk de activering van purinerge receptoren op cellen in de nabijheid, waarbij signalen worden overgebracht om intracellulaire processen te reguleren. ATP wordt vrijgemaakt uit vesiculaire voorraden en wordt gereguleerd door IP3, naast andere gebruikelijke exocytotische reguleringsmechanismen. ATP wordt gezamenlijk opgeslagen en vrijgegeven onder de neurotransmitters, wat de notie ondersteunt dat ATP een noodzakelijke mediator is van purinerge neurotransmissie in zowel sympathische als parasympathische zenuwen. ATP kan verschillende purinerge reacties induceren, waaronder controle van autonome functies, neurale glia interacties, pijn, en controle van de vaattonus.
Neurotransmissie
De hersenen zijn de grootste verbruiker van ATP in het lichaam, en verbruiken ongeveer vijfentwintig procent van de totale beschikbare energie. Een grote hoeveelheid energie wordt besteed aan het handhaven van de ionenconcentraties voor een goede neuronale signalering, alsmede aan de synaptische transmissie. Synaptische transmissie is een energie-intensief proces. In de presynaptische terminal is ATP nodig voor het tot stand brengen van ionengradiënten die neurotransmitters in vesikels brengen, en voor het prepareren van de vesikels voor vrijgave door exocytose.Neuronale signalering is afhankelijk van de actiepotentiaal die de presynaptische terminal bereikt, en die het vrijgeven van de geladen vesikels signaleert. Dit proces is afhankelijk van ATP dat de ionenconcentratie in het axon herstelt na elke actiepotentiaal, waardoor een nieuw signaal kan ontstaan. Actief transport is verantwoordelijk voor het terugbrengen van de natrium- en kaliumionconcentraties naar de basiswaarden na een actiepotentiaal via de Na/K ATPase. Tijdens dit proces wordt één ATP-molecuul gehydrolyseerd, worden drie natriumionen uit de cel getransporteerd en worden twee kaliumionen terug de cel in getransporteerd, die beide tegen hun concentratiegradiënten in bewegen.Actiepotentialen die langs de axon naar beneden reizen, zetten bij het bereiken van de presynaptische terminal de vesiculaire vrijgave in gang. Nadat de ionengradiënten tot stand zijn gebracht, planten de actiepotentialen zich vervolgens langs de axon voort door depolarisatie van het axon, waarbij een signaal naar de terminal wordt gezonden. Er zijn ongeveer een miljard natriumionen nodig om een enkele actiepotentiaal te propageren. Neuronen moeten bijna een miljard moleculen AT hydrolyseren om de natrium/kalium-ionconcentratie te herstellen na elke depolarisatie van de cel.Excitatoire synapsen domineren grotendeels de grijze stof van de hersenen. In de synaptische spleet worden blaasjes met glutamaat vrijgemaakt om postsynaptische excitatoire glutaminerge receptoren te activeren. Voor het laden van deze moleculen zijn grote hoeveelheden ATP nodig, omdat in één enkel blaasje bijna vierduizend moleculen glutamaat zijn opgeslagen. Aanzienlijke hoeveelheden energie zijn nodig om het vrijkomen van het vesikeltje te initiëren, de glutamaterge postsynaptische processen aan te drijven, en het vesikeltje en het overgebleven glutamaat te recycleren. Daarom, vanwege de grote hoeveelheden energie die nodig zijn voor het inpakken van glutamaat, bevinden mitochondriën zich in de nabijheid van glutamatergische blaasjes.
ATP in Muscle Contraction
Spiercontractie is een noodzakelijke functie van het dagelijks leven en zou niet kunnen plaatsvinden zonder ATP. Er zijn drie primaire rollen die ATP vervult in de werking van spiercontractie. De eerste is het opwekken van kracht tegen aangrenzende actinefilamenten door het cycliseren van myosine cross-bridges. De tweede is het pompen van calciumionen uit het myoplasma over het sarcoplasmatisch reticulum tegen hun concentratiegradiënten in door middel van actief transport. De derde functie van ATP is het actieve transport van natrium- en kaliumionen over het sarcolemma, zodat calciumionen kunnen worden vrijgemaakt wanneer de input wordt ontvangen. De hydrolyse van ATP drijft elk van deze processen aan.