Năng lượng trong tế bào và cấu trúc ATP

Ở khoá học trước, em đã biết vận chuyển chủ động qua màng sinh chất — bơm natri–kali chẳng hạn — cần năng lượng lấy trực tiếp từ ATP (same-grade bridge). Năng lượng không tự sinh ra hay mất đi, tế bào chỉ chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác: năng lượng hoá học trong liên kết của glucose, năng lượng ánh sáng ở lá cây, năng lượng cơ học khi cơ co. Nhưng phần lớn phản ứng trong tế bào — co cơ, tổng hợp protein, vận chuyển chủ động, dẫn truyền xung thần kinh — không lấy năng lượng trực tiếp từ glucose hay ánh sáng. Chúng lấy từ một phân tử trung gian duy nhất.

ATP (adenosine triphosphate) là một nucleotide đặc biệt, gồm ba phần: một base nitrogen tên adenine, một đường ribose 5 carbon, và một chuỗi ba nhóm phosphate gắn nối tiếp vào đường ribose. Ba nhóm phosphate đều mang điện tích âm nên đẩy nhau rất mạnh khi đứng cạnh nhau trong cùng một phân tử — giống ba người tích điện cùng dấu bị nhốt chung một chỗ chật hẹp. Chính lực đẩy này làm liên kết giữa nhóm phosphate thứ hai và thứ ba trở nên kém bền, dễ bị cắt đứt và giải phóng một lượng năng lượng đáng kể khi bị phá vỡ — sinh học gọi đây là liên kết cao năng, không phải vì bản thân liên kết mạnh, mà vì năng lượng giải phóng khi nó bị cắt là lớn và dùng được ngay.

Khi một enzyme cắt liên kết cao năng này bằng phản ứng thuỷ phân, ATP mất đi nhóm phosphate cuối cùng, trở thành ADP (adenosine diphosphate) và một nhóm phosphate tự do, kí hiệu Pi. Phản ứng $\text{ATP} + H_2O \rightarrow \text{ADP} + P_i$ giải phóng khoảng 30,5 kJ năng lượng cho mỗi mol ATP bị thuỷ phân — con số này chỉ mang tính minh hoạ, vì giá trị thực trong tế bào sống thay đổi theo điều kiện, nhưng đủ để em hình dung đây là một lượng năng lượng dùng được ngay cho phản ứng khác, chẳng hạn làm sợi actin trượt trên sợi myosin khi cơ co. Nhưng ADP không phải điểm kết thúc. Ti thể, thông qua hô hấp tế bào, gắn trở lại một nhóm phosphate vào ADP, dùng năng lượng lấy từ phân giải glucose, để tái tạo ATP. Phản ứng tổng hợp này đi ngược chiều phản ứng thuỷ phân và đòi hỏi năng lượng đưa vào thay vì giải phóng ra.

Đây là điểm quan trọng nhất của bài học: ATP không phải một kho năng lượng tích trữ sẵn để dùng dần như tinh bột hay lipid. Tại một thời điểm, lượng ATP có mặt trong tế bào rất nhỏ so với nhu cầu năng lượng cả ngày. Thay vào đó, mỗi phân tử ATP liên tục bị thuỷ phân thành ADP rồi được tái tạo trở lại thành ATP, hàng nghìn lần mỗi ngày ở một cơ thể đang hoạt động. Vì lẽ đó, ATP được gọi là đồng tiền năng lượng của tế bào — không phải vì nó chứa nhiều năng lượng nhất trong tế bào, mà vì nó là phương tiện trao đổi năng lượng nhanh, sẵn có ngay lập tức, và được nạp lại liên tục qua một chu trình khép kín ATP ⇌ ADP, chứ không phải một nguồn nhiên liệu dùng một lần.