ATP là gì? Vì sao tế bào cần ATP để hoạt động?

Cơ thể sinh vật cần năng lượng để duy trì các hoạt động sống bình thường. Adenosine triphosphate hay ATP là nguồn năng lượng để tế bào sử dụng và lưu trữ.

ATP là gì?

ATP là một nucleoside triphosphate, nó bao gồm các thành phần sau:

• Một base nitơ loại adenine
• Một đường ribose
• Ba nhóm phosphate liên kết nối tiếp nhau

ATP thường được gọi là “tiền tệ năng lượng” của tế bào vì nó giải phóng năng lượng khi liên kết giữa nhóm phosphate thứ hai và thứ ba bị cắt đứt. Ngoài ra, ATP còn thực hiện nhiều chức năng khác trong tế bào thông qua quá trình trình thủy phân ATP. Các chức năng này bao gồm truyền tín hiệu và tổng hợp ADN hoặc ARN.

Quá trình tổng hợp ATP sử dụng năng lượng thu được từ các cơ chế dị hóa sau:

• Hô hấp tế bào
• Beta-oxi hóa
• Ketosis

Phần lớn công đoạn tổng hợp ATP diễn ra trong quá trình hô hấp tế bào tại ti thể. Tại đây, khoảng 32 phân tử ATP được tạo ra sau khi oxi hóa một phân tử glucose. ATP có vai trò cung cấp năng lượng cho các quá trình như vận chuyển ion, co cơ, truyền xung thần kinh, phosphoryl hóa chất nền và tổng hợp chất hóa học. Các quá trình này cần rất nhiều ATP. Do đó, các tế bào trong cơ thể con người cần thủy phân 100–150 mol ATP mỗi ngày cho hoạt động bình thường.

ATP có khả năng lưu trữ năng lượng

ATP là phân tử lưu trữ năng lượng thông qua liên kết phosphodiester. Các liên kết này có năng lượng cao do điện tích âm tạo ra lực đẩy giữa các nhóm phosphate. Thông qua quá trình trao đổi chất, ATP thủy phân thành ADP hoặc thành AMP và giải phóng các nhóm phosphate vô cơ. ATP phải liên tục được bổ sung để cung cấp năng lượng cho tế bào hoạt động trơn tru. Nồng độ ATP nội bào thường dao động từ 1–10 uM. Trong tế bào, có nhiều cơ chế duy trì mức ATP ổn định; trong đó, quá trình tăng cường hoặc ức chế ATP synthase là một cơ chế phổ biến. Ví dụ, ATP ức chế enzyme phosphofructokinase-1 (PFK1) và pyruvate kinase để ngăn cản quá trình phân giải glucose khi lượng ATP trong tế bào đã đủ. Quá trình này gọi là điều hòa âm tính.

Chức năng của ATP

ATP trong tín hiệu nội bào

Quá trình truyền tín hiệu phụ thuộc rất nhiều vào ATP. ATP có vai trò là chất nền cho kinase. Khi kinase phosphoryl hóa một protein, nó kích hoạt một chuỗi tín hiệu dẫn đến hoạt hóa nhiều đường truyền tín hiệu nội bào khác nhau. Hoạt động của kinase rất quan trọng đối với tế bào. Do đó, quá trình này cần được kiểm soát chặt chẽ bằng phức hợp ion magie và ATP. Ngoài ra, ATP còn là chất kích hoạt phổ biến để giải phóng chất truyền tin nội bào.

Các chất truyền tin nội bào bao gồm:

• Hormone
• Enzyme
• Chất trung gian lipid
• Chất dẫn truyền thần kinh
• Oxit nitric
• Các yếu tố tăng trưởng
• Các loại oxi phản ứng

Một ví dụ về ATP tham gia vào quá trình truyền tín hiệu nội bào là ATP làm chất nền cho adenylate cyclase. Quá trình này chủ yếu xảy ra trong các đường tín hiệu thụ thể liên kết với protein G. Khi liên kết với adenylate cyclase, ATP chuyển thành AMP vòng để truyền tín hiệu giải phóng canxi từ các kho dự trữ nội bào. AMP vòng có các chức năng khác như truyền tin trong chuỗi tín hiệu hormone, kích hoạt protein kinase và điều chỉnh chức năng của các kênh ion.

Tổng hợp ADN và ARN

Quá trình tổng hợp ADN và ARN cần sử dụng ATP. Cụ thể, ATP là một trong bốn monome nucleotide-triphosphate cần thiết trong quá trình tổng hợp ARN. Đối với quá trình tổng hợp ADN, ATP sẽ biến đổi thành deoxyribonucleotide bằng cách loại bỏ một nguyên tử oxi ra khỏi phân tử đường.

Tín hiệu purinergic

Tín hiệu purinergic là con đường truyền tín hiệu ngoại bào trung gian bởi các nucleotide purine bao gồm ATP. Quá trình này gồm hoạt động kích hoạt thụ thể purinergic trên tế bào lân cận nhằm truyền tín hiệu điều chỉnh các quá trình nội bào. ATP được giải phóng từ các kho dự trữ trong túi và do IP3 cùng các cơ chế ngoại bào khác điều khiển. 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.

Dẫn truyền thần kinh

Não là nơi tiêu thụ nhiều ATP nhất trong cơ thể. Nó sử dụng khoảng 25% tổng lượng ATP có sẵn. Trong não, một lượng lớn năng lượng được sử dụng để duy trì nồng độ ion cho tín hiệu thần kinh và truyền synap. Truyền synap cần rất nhiều năng lượng. Tại đầu mút phía trước của synap, ATP được sử dụng để thiết lập gradient ion nhằm đưa chất dẫn truyền thần kinh vào các túi và giải phóng thông qua quá trình xuất bào. Ngoài ra, ATP cần để khôi phục nồng độ ion trong sợi trục sau mỗi điện thế hoạt động.

Sau khi thiết lập gradient ion, điện thế hoạt động lan truyền dọc sợi trục thông qua quá trình khử cực nhằm gửi tín hiệu đến đầu mút cuối. Tế bào thần kinh cần thủy phân gần một tỉ phân tử ATP để khôi phục nồng độ ion natri/kali sau mỗi lần khử cực tế bào.

Co cơ

Co cơ là chức năng cần thiết và xảy ra thường xuyên trong cuộc sống hằng ngày. Tuy nhiên, hoạt động này không thể diễn ra nếu không có ATP.

ATP thực hiện 3 chức năng chính trong quá trình co cơ:

• Tạo ra lực chống lại các sợi actin liền kề thông qua chu kì của các cầu nối ngang myosin
• Bơm các ion canxi ngược chiều gradient nồng độ từ tương bào cơ đến lưới cơ tương
• Vận chuyển chủ động ion natri và kali qua màng cơ để giải phóng ion canxi

Các quá trình sản xuất ATP trong cơ thể

Hô hấp tế bào

Hô hấp tế bào là quá trình biến đổi glucose thành acetyl-CoA. Quá trình này tạo ra các chất mang điện tử năng lượng cao và bị oxi hóa để tạo ra ATP. Giai đoạn đầu tiên của hô hấp tế bào là đường phân. Trong giai đoạn này, một phân tử glucose sẽ chuyển thành thành hai phân tử pyruvate. Đồng thời, hai ATP được tạo ra thông qua quá trình phosphoryl hóa chất nền bởi các enzyme PFK1 và pyruvate kinase. Ngoài ra, quá trình này còn sản xuất ra hai phân tử NADH. Sau khi được oxi hóa bởi phức hợp pyruvate dehydrogenase, các phân tử pyruvate tạo thành một phân tử acetyl-CoA. Sau đó, chu trình axit citric sẽ oxi hóa hoàn toàn phân tử acetyl-CoA nhằm tạo ra carbon dioxide và chất mang điện tử.

Sau khi kết thúc chu trình axit citric, tổng sản lượng thu được gồm có:

• 2 phân tử carbon dioxide
• Gần 1 phân tử ATP
• 3 phân tử NADH
• 1 phân tử FADH2

Các chất mang điện tử năng lượng cao này tiếp tục di chuyển đến chuỗi truyền electron để tổng hợp ATP. Lượng ATP thu được tùy vào chất mang điện tử đã cung cấp proton. Cụ thể, một phân tử NADH tạo ra 2,5 ATP, trong khi một phân tử FADH2 tạo ra 1,5 ATP.

Beta-oxi hóa

Beta-oxi hóa là một cơ chế khác để tổng hợp ATP trong cơ thể sinh vật. Quá trình này rút ngắn chuỗi axit béo và tạo ra phân tử acetyl-CoA. Sau mỗi chu kì beta-oxi hóa, axit béo giảm chiều dài tương đương hai carbon để tạo ra một phân tử acetyl-CoA, một phân tử NADH và FADH2.

Ketosis

Ketosis tạo ra ATP thông qua quá trình dị hóa thể ketone. Trong quá trình này, thể ketone trải qua giai đoạn dị hóa để tạo ra năng lượng. Cụ thể, quá trình ketosis tạo ra 22 phân tử ATP và 2 phân tử GTP sau khi oxi hóa một phân tử acetoacetate trong ti thể.

Hô hấp kị khí

Khi quá trình hô hấp tế bào thiếu oxi, hô hấp kị khí sẽ diễn ra. Trong điều kiện kị khí, các phân tử NADH tích tụ do không được oxi hóa thành NAD+, từ đó, hoạt động của GAPDH bị hạn chế. Do đó, pyruvate bị khử thành lactate để duy trì mức NADH nội môi cân bằng. Quá trình khử pyruvate dẫn đến hoạt động lên men lactic. Trong quá trình này, hai phân tử NADH do đường phân tạo ra được oxi hóa nhằm duy trì kho dự trữ NAD+. Phản ứng này tạo ra 2 phân tử ATP trên mỗi phân tử glucose.

Ý nghĩa lâm sàng

Vai trò của ATP trong kiểm soát cơn đau

Trong các nghiên cứu lâm sàng, người ta thấy rằng ATP có khả năng giảm đau cấp tính. Khi ATP được tiêm vào tĩnh mạch của người bệnh, nó tác động lên thụ thể adenosine A1 có chức năng mở đầu chuỗi truyền tín hiệu hỗ trợ quá trình giảm đau. Quá trình kích hoạt thụ thể adenosine A1 giúp can thiệp cơn đau hiệu quả do tác dụng khởi phát chậm và kéo dài. Trong một số ít trường hợp, tác dụng có thể kéo dài trong nhiều tuần.

ATP hỗ trợ gây tê

Bổ sung ATP sẽ hỗ trợ tích cực cho quá trình gây tê. Adenosine liều thấp làm giảm đau thần kinh, đau do thiếu máu cục bộ. Bên cạnh đó, adenosine cũng giúp hạn chế sử dụng opioid sau phẫu thuật vì khả năng kích hoạt thụ thể adenosine A1 kéo dài.

Tim mạch và phẫu thuật

ATP giúp giãn tĩnh mạch phổi an toàn và hiệu quả đối với những bệnh nhân tăng huyết áp phổi. Tương tự, adenosine và ATP cũng được sử dụng trong quá trình phẫu thuật nhằm làm giảm huyết áp của người bệnh.

Lời kết

ATP là yếu tố trao đổi năng lượng kết nối quá trình đồng hóa và dị hóa, đồng thời, nó cũng thúc đẩy các quá trình như co cơ, phosphoryl hóa và vận chuyển chủ động. Vì vậy, nếu không có ATP, con người không thể hình thành suy nghĩ hoặc thực hiện chức năng cơ bắp. ATP là nguồn năng lượng chính không chỉ trong tế bào, mà còn trong mọi dạng sống trên hành tinh này. Bên cạnh các chức năng quan trọng đối với tế bào, ATP còn có ý nghĩa lâm sàng trong y học.