20.6. Az ATP energiatároló képességének szerkezeti okai

Az ATP terminális foszforsavanhidrid csoportjának hidrolízise nagy negatív szabadentalpia változással jár, más szóval a foszforsavanhidrid kötés egy úgynevezett makroerg kötés. A makroerg kötést szokták pongyolán „nagyenergiájú” kötésnek is hívni, de ez félrevezető. A kötési energia ugyanis az az energia, amit a kötés felbontásához be kell fektetni. Itt pedig éppen fordítva, arról az energiáról (szabadentalpia változásról) van szó, ami a kötésbomlás nyomán hasznos munkára fordítható. Az ATP-ADP átalakulás tehát a felbomló foszforsavanhidrid kötés makroerg volta miatt exergonikus, munkavégzésre fogható folyamat.

Ennek szerkezeti okai az alábbiakban foglalhatók össze (lásd 20.9. ábra).

Az ATP-ben négy negatív töltés is közel van egymáshoz, és ezek elektrosztatikusan taszítják egymást. A gamma helyzetű foszforsavanhidrid kötés hidrolízisével a terminális foszfát a töltések egy részével együtt távozik, így csökken ez a taszítás.

A távozó inorganikus foszfát egy olyan stabil rezonanciaszerkezetet vesz fel, amilyet az ATP szerkezetben nem vehetett fel. A foszfátion hidratáltsága is nagyobb lesz, mint a foszforilcsoporté volt.

A hátramaradó ADP rész azonnal deprotonálódik, ami szintén egy exergonikus lépés. Ráadásul ezzel a termékek száma három lesz, a két kiindulási anyaggal szemben, ami entrópikusan is hozzájárul a szabadentalpia csökkenéshez.

Mindezek miatt az ATP-ADP átalakulásra jellemző standard moláris szabadentalpia változás -30,5 kJ/mol. Ugyanakkor, ahogyan azt a kémiai reakciókat kísérő szabadentalpia változással kapcsolatban már levezettük, a tényleges, a sejtben lezajló reakció szabadentalpia változása a standard értéken kívül a reakcióban résztvevő anyagok aktuális koncentrációjától is függ.

Ezen felül azt is figyelembe kell venni, hogy a sejtekben az ATP és az ADP is Mg2+-ionokkal  komplexben szerepel. Magnéziumionok nélkül az ATP-nek négy, az ADP-nek három negatív töltése lenne, az arány tehát négyharmad. Mg2+-ionokkal komplexben az ATP-nek két, az ADP-nek egy negatív töltése van, az arány tehát kettő. Tehát ilyenkor a töltéseffektus nagyobb.

A két hatás eredőjeként a sejtekben lévő koncentrációviszonyokat figyelembe véve az ATP-hidrolízist kísérő tényleges moláris szabadentalpia változás -50 kJ/mol körül van. Ezt az értéket foszforilációs  potenciálnak  is nevezik. Precízen és röviden fogalmazva azt mondhatjuk, hogy az ATP azért kitüntetett helyzetű „energia valuta”, mert nagy a foszfáttranszfer potenciálja.

20.9. ábra: Fizikokémiai tényezők, ami miatt az ATP-ADP átalakulás exergonikus

20.9. ábra: Fizikokémiai tényezők, ami miatt az ATP-ADP átalakulás exergonikus

Habár az ATP hidrolízise nagymértékben exergonikus, az ATP kinetikailag stabil vegyület, mert a hidrolízishez szükséges aktiválási szabadentalpia magas. Az ATP hidrolízis csak megfelelő enzim jelenlétében zajlik nagy sebességgel. Emlékezzünk rá vissza, hogy egy reakció ΔG értéke semmit nem mond a reakció sebességéről. A sebesség az aktiválási szabadentalpia (ΔG*) értékétől függ.