Năng lượng ATP là năng lượng gì?

Nếu không có ATP, chúng ta không thể hình thành suy nghĩ hoặc di chuyển cơ bắp. ATP giúp hệ thần kinh hoạt động, giúp tim đập và được xem là một loại “tiền tệ năng lượng” của cơ thể. Việc biết được năng lượng ATP là năng lượng gì rất quan trọng.

1. Năng lượng ATP là năng lượng gì?

Chúng ta là một sinh vật phức tạp cần năng lượng để duy trì hoạt động bình thường. Adenosine triphosphate (ATP) là nguồn năng lượng để sử dụng và lưu trữ ở cấp độ tế bào. Cấu trúc của ATP là 01 nucleoside triphosphate, bao gồm một bazơ nitơ (adenine), 01 đường ribose và 03 nhóm phosphate liên kết nối tiếp. 

ATP được xem là “tiền tệ năng lượng” của mọi tế bào sống. ATP cung cấp năng lượng từ việc giải phóng liên kết giữa nhóm phosphate thứ II và thứ III. Ngoài việc cung cấp năng lượng, quá trình thủy phân ATP sẽ phục vụ cho nhiều chức năng của tế bào, bao gồm truyền tín hiệu và tổng hợp DNA/RNA. Tổng hợp ATP sử dụng năng lượng thu được từ nhiều cơ chế dị hóa, bao gồm hô hấp tế bào, beta-oxy hóa và quá trình ketosis.

Phần lớn quá trình tổng hợp ATP diễn ra trong quá trình hô hấp tế bào bên trong ty thể, chúng tạo ra khoảng 32 ATP cho mỗi phân tử glucose bị oxy hóa. Năng lượng ATP được tiêu thụ để tạo năng lượng trong các quá trình vận chuyển ion, co cơ, truyền xung thần kinh, phosphoryl hóa chất nền và tổng hợp hóa học. Các quá trình này sẽ tạo ra nhu cầu cao về ATP. Do đó, các tế bào trong cơ thể con người phụ thuộc vào quá trình thủy phân 100 – 150 mol ATP mỗi ngày để đảm bảo hoạt động bình thường. Trong các phần tiếp theo, ATP sẽ được đánh giá thêm về vai trò của nó như một phân tử quan trọng trong hoạt động hàng ngày của tế bào.

Năng lượng ATP là dạng năng lượng gì? 

Thông qua các quá trình trao đổi chất, ATP bị thủy phân thành ADP hoặc thành AMP, và đồng thời giải phóng các nhóm phosphate vô cơ. Quá trình thủy phân ATP thành ADP có lợi về mặt năng lượng, quá trình này tạo ra năng lượng không có Gibbs là -7,3 cal/mol. ATP cần được bổ sung liên tục để cung cấp năng lượng, nồng độ ATP nội bào thông thường là 1 – 10 uM. 

Nhiều cơ chế phản hồi xảy ra liên tục nhằm đảm bảo duy trì được mức năng lượng ATP ổn định trong tế bào. Trong đo, sự tăng hoặc giảm enzym ATP synthase là một cơ chế điều hòa năng lượng ATP phổ biến. Ví dụ, quá nhiều ATP sẽ ức chế phosphofructokinase-1 (PFK1) và pyruvate kinase, đây là 2 enzyme chính trong quá trình phân giải đường, chúng tạo ra vòng phản hồi nhằm ức chế sự phân hủy glucose khi cơ thể đã có đủ ATP trong tế bào. Ngược lại, ADP và AMP có thể kích hoạt PFK1 và pyruvate kinase, giúp thúc đẩy quá trình tổng hợp ATP trong thời điểm cơ thể đang có nhu cầu năng lượng cao. 

2. Vai trò của nó với sức khỏe của tế bào và cơ thể?

Thủy phân ATP mang lại năng lượng cần thiết cho nhiều quá trình thiết yếu trong cơ thể sinh vật và trong tế bào. Chúng ảnh hưởng và chi phối các tín hiệu nội bào, quá trình tổng hợp DNA và RNA, ảnh hưởng đến tín hiệu Purinergic, tín hiệu synap, sự vận chuyển tích cực và co cơ. Đây là một số vai trò quan trọng mà ATP thực hiện:

2.1. ATP trong tín hiệu nội bào

Truyền tín hiệu phụ thuộc rất nhiều vào ATP. ATP có thể đóng vai trò là chất nền cho kinase – một loại protein liên kết ATP nhiều nhất. Khi phosphoryl hóa một protein kinase, một chuỗi tín hiệu sẽ được kích hoạt cho ra nhiều con đường truyền tín hiệu nội bào khác nhau. Hoạt động của kinase rất quan trọng đối với tế bào và do đó phải được điều chỉnh chặt chẽ. Sự hiện diện của ion magie sẽ điều hòa hoạt động của các kinase.

Sự điều hòa quá trình trên được thực hiện thông qua các ion magie tồn tại trong tế bào dưới dạng phức hợp với ATP, chúng liên kết với nhau tại các trung tâm oxy phosphat. Ngoài hoạt động của kinase, ATP có thể hoạt động như một chất kích hoạt phổ biến để giải phóng chất truyền tin nội bào. Các chất truyền tin này bao gồm hormone, nhiều loại enzyme, chất trung gian lipid, chất dẫn truyền thần kinh, oxit nitric, các yếu tố tăng trưởng và các loại oxy phản ứng. 

Một ví dụ về việc sử dụng ATP trong tín hiệu nội bào có thể được quan sát thấy trong ATP là hoạt động như một chất nền cho adenylate cyclase. Quá trình này chủ yếu xảy ra trong các con đường truyền tín hiệu thụ thể liên kết với protein G. Khi liên kết với adenylate cyclase, ATP chuyển thành AMP vòng, hỗ trợ truyền tín hiệu giải phóng canxi từ các kho dự trữ nội bào. cAMP có những vai trò bao gồm các chất truyền tin thứ cấp trong chuỗi tín hiệu hormone, kích hoạt protein kinase và điều chỉnh chức năng của các kênh ion. 

2.2. ATP tổng hợp DNA/RNA

Tổng hợp DNA và RNA cần ATP. ATP là một trong 4 monome nucleotide-triphosphate tham gia tổng hợp RNA. Tổng hợp DNA cũng sử dụng một cơ chế tương tự, ATP đầu tiên được chuyển đổi bằng cách loại bỏ một nguyên tử oxi khỏi đường để tạo ra deoxyribonucleotide, dATP. 

2.3. Truyền tín hiệu purinergic

Truyền tín hiệu purinergic là một dạng truyền tín hiệu ngoại bào được trung gian bởi các nucleotide purine, bao gồm ATP. Quá trình này thường bao gồm việc kích hoạt các thụ thể purinergic trên các tế bào trong phạm vi gần, từ đó chuyển tín hiệu để điều chỉnh các quá trình nội bào. 

ATP được giải phóng từ các kho dự trữ, được điều chỉnh bởi IP3 và các cơ chế điều hòa ngoại bào phổ biến khác. ATP được lưu trữ và giải phóng cùng với các chất dẫn truyền thần kinh, do đó càng củng cố thêm quan điểm cho rằng ATP là một chất trung gian cần thiết của quá trình dẫn truyền thần kinh purinergic ở cả hệ thần kinh giao cảm và phó giao cảm. ATP có thể gây ra một số phản ứng purinergic, bao gồm kiểm soát các chức năng tự chủ, tương tác tế bào thần kinh đệm, đau và kiểm soát trương lực mạch máu. 

2.4. Sự dẫn truyền thần kinh

Bộ não là bộ phận tiêu thụ ATP nhiều nhất trong cơ thể, tiêu thụ khoảng 25% tổng năng lượng có sẵn. Một lượng lớn năng lượng được sử dụng để duy trì nồng độ ion cho tín hiệu thần kinh và truyền synap thích hợp. 

Truyền synap là một quá trình đòi hỏi nhiều năng lượng. Tại đầu cuối trước synap, ATP rất cần thiết để thiết lập các gradient ion đưa các chất dẫn truyền thần kinh vào các túi và chuẩn bị giải phóng chúng thông qua quá trình xuất bào. Truyền tín hiệu thần kinh phụ thuộc vào điện thế hoạt động ở đầu cuối trước synap. Quá trình này phụ thuộc vào ATP, ATP giúp khôi phục nồng độ ion trong sợi trục sau mỗi điện thế hoạt động, cho phép một tín hiệu khác xảy ra. Vận chuyển tích cực chịu trách nhiệm thiết lập lại nồng độ ion natri và kali về giá trị cơ bản sau khi điện thế hoạt động xảy ra thông qua kênh Na / K ATPase. Trong quá trình này, 01 phân tử ATP bị thủy phân, 03 ion natri được vận chuyển ra khỏi tế bào và 02 ion kali được vận chuyển trở lại tế bào, cả hai đều di chuyển ngược với gradient nồng độ của chúng.

2.5. ATP trong sự co cơ

Sự co cơ là một chức năng cần thiết và quá trình này không thể xảy ra nếu không có ATP. Có 3 vai trò chính của ATP đối với quá trình co cơ. 

• Đầu tiên là thông qua việc tạo ra lực chống lại các sợi actin liền kề thông qua chu kỳ của các cầu nối ngang myosin. 
• Bơm các ion canxi từ cơ qua lưới cơ đi ngược với các gradient nồng độ của chúng do đó cần cách sử dụng vận chuyển tích cực. 
• Chức năng thứ ba do ATP thực hiện là vận chuyển tích cực các ion natri và kali qua màng cơ để các ion canxi được nhận vào. Quá trình thủy phân ATP sẽ góp phần thúc đẩy từng quá trình này xảy ra.

2.6. Vai trò của ATP trong việc kiểm soát cơn đau

ATP chứng minh khả năng giảm đau cấp tính khi phẫu thuật trong các nghiên cứu lâm sàng. Trong các nghiên cứu này, bệnh nhân được truyền ATP tĩnh mạch hoặc truyền adenosine tĩnh mạch tác động lên thụ thể adenosine A1, khởi đầu một chuỗi truyền tín hiệu hỗ trợ các tác dụng giảm đau do tình trạng viêm. 

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các hợp chất adenosine có tác dụng làm giảm cơn đau dị cảm. Việc kích hoạt thụ thể adenosine A1 giúp can thiệp cơn đau hiệu quả do có tác dụng khởi phát chậm và kéo dài, vì vậy trong một số trường hợp phương pháp này có thể sử dụng kéo dài trong nhiều tuần. 

2.7. Gây tê

Bổ sung ATP tạo ra kết quả tích cực trong quá trình gây mê. Bằng chứng cho thấy liều thấp adenosine làm giảm đau thần kinh, đau do thiếu máu cục bộ và tăng đau ở mức tương đương với morphin. Adenosine cũng làm giảm việc sử dụng opioid sau phẫu thuật, cho thấy khả năng kích hoạt thụ thể adenosine A1 kéo dài.

2.8. Tim mạch và phẫu thuật

ATP đã được chứng minh là thuốc giãn mạch phổi an toàn và hiệu quả ở những bệnh nhân bị tăng huyết áp phổi. Tương tự như vậy, adenosine và ATP có thể được sử dụng trong quá trình phẫu thuật để gây hạ huyết áp ở bệnh nhân. 

3. Kết luận

Năng lượng ATP là nguồn năng lượng chính đối với tế bào của cơ thể người và đối với trong mọi dạng sống trên hành tinh này. Tất cả các tế bào đều tạo ra ATP (ATP không di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác) và sử dụng ATP để cung cấp năng lượng cho hầu hết các quá trình của mình.

Tóm lại, ATP là phân tử mang năng lượng và đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc vận chuyển năng lượng đến các nơi cần thiết để tế bào sử dụng. Chỉ có thông qua ATP, tế bào mới sử dụng được các thế năng hóa học cất giấu trong cấu trúc phân tử hữu cơ khá đơn giản này. Do đó, mọi người chúng ta cần tích cực tăng cường ATP để cơ thể có thêm năng lượng sống tràn trề.

Tài liệu tham khảo: Learn.genetics.utah.edu, Ncbi.nlm.nih.gov