Trình bày cấu trúc và chức năng của ATP | Myphamthucuc.vn

ATP (ađênôzin triphôtphat) là một phân tử có cấu tạo gồm các thành phần: ađênin, đường ribôzơ và 3 nhóm phôtphat. Đây là một hợp chất cao năng vì liên kết giữa hai nhóm phôtphat cuối cùng trong ATP rất dễ bị phá vỡ để giải phóng năng lượng. Chính các nhóm phôtphat đều mang điện tích âm nên khi nằm gần nhau luôn có xu hướng đẩy nhau ra vì thế liên kết này rất dễ bị phá vỡ. Cùng tìm hiểu cấu trúc, chức năng và vai trò của ATP:

Cấu trúc của ATP

Dựa theo đặc điểm sinh hóa, ATP được phân loại là một nucleoside triphosphate để thể hiện cấu tạo gồm có 3 phần liên kết với nhau theo thứ tự:

– Adenine: một cấu trúc vòng bao gồm các nguyên tử C, H và N

– Ribose: một phân tử đường có 5 Carbon

– Phần đuôi với 3 phân tử phosphat vô cơ (Pi). Liên kết giữa 2 Pi cuối cùng chứa rất nhiều năng lượng. Do đó việc phân tách các phần này chính là mấu chốt của quá trình giải phóng năng lượng của ATP.

ATP truyền năng lượng cho các hợp chất khác thông qua chuyển nhóm phôtphat cuối cùng để trở thành ADP (ađênôzin điphôtphat) và ngay lập tức ADP lại được gắn thêm nhóm phôtphat để trở thành ATP. Ở trạng thái nghỉ ngơi, trung bình mỗi ngày mỗi người sinh sản và phân hủy tới 40kg ATP và mỗi tế bào trong mỗi giây tổng hợp và phân hủy tới 10 triệu phân tử ATP

Chức năng của phân tử ATP

+ Tổng hợp nên các chất hóa học mới cần thiết cho tế bào: Những tế bào đang sinh trưởng mạnh hoặc những tế bào tiết ra nhiều prôtêin có thể tiêu tốn tới 75% năng lượng ATP mà tế bào tiết ra.

+ Vận chuyển các chất qua màng: vận chuyển chủ động cần tiêu tốn nhiều năng lượng. Ví dụ, tế bào thận của người cần sử dụng tới 80% ATP sinh sản ra để vận chuyển các chất qua màng trong quá trình lọc máu tạo nước tiểu.

+ Sinh công cơ học: Sự co của các tế bào cơ tim và cơ xương tiêu tốn một lượng ATP khổng lồ. Khi ta nâng một vật nặng thì gần như toàn bộ ATP của tế bào phải được huy động tức thì.

Vai trò của ATP đối với hoạt động của cơ thể con người

Chắc chắn từ trước đến nay có không ít người lầm tưởng rằng chất dinh dưỡng từ thức ăn chính là năng lượng sống mà chúng ta sử dụng. Thực tế thì sau khi tiêu hóa thức ăn, cơ thể sẽ dự trữ các chất dinh dưỡng dưới dạng carbohydrates (tinh bột), fat (chất béo) hay protein (chất đạm). Các chất này lại được phân giải thành hợp chất đơn giản hơn đó là glucose, acid amin, acid béo và theo đường máu vận chuyển đến các tế bào.

Tế bào không thể sử dụng trực tiếp các chất dinh dưỡng từ thức ăn

Tuy nhiên, các tế bào không thể trực tiếp lấy năng lượng từ những chất dinh dưỡng này. Chính vì vậy, chúng ta cần có các hệ năng lượng giúp xử lý, biến đổi chúng thành ATP. Các ATP này sẽ dự trữ và cung cấp năng lượng có thể sử dụng được cho các tế bào khi cần.

Cơ chế phân giải năng lượng của phân tử ATP là gì?

Trong môi trường ống nghiệm, khi một phân tử glucose phân tách thành CO₂ và nước đồng thời sẽ giải phóng khoảng 686 kcal/mol. Năng lượng này được tỏa ra dưới dạng nhiệt năng và phải sử dụng máy hơi nước thì mới có thể chuyển thành công cơ học. Hiển nhiên điều này là không thể xảy ra trong môi trường tế bào.

Quá trình phân giải và tái chế ATP

Nhờ có các ATP, nguồn năng lượng phân giải này sẽ được cất trữ vào trong đó. Khi tế bào cần năng lượng, ATP sẽ được thủy phân làm gãy liên kết giữa Oxi với nguyên tử photphat cuối cùng. Kết quả quá trình này sẽ tạo ra một phân tử phosphat vô cơ (Pi), một ADP (Adenosin Diphosphat) và khoảng 7 kcal/mol năng lượng. Lúc này, ADP sẽ ngay lập tức được chuyển đổi trở lại thành ATP nhờ có enzyme ATP synthase nằm trong màng ty thể.

Các hệ năng lượng trong cơ thể chúng ta

Ví dụ cơ thể người là một phương tiện lưu thông, bình chứa nhiên liệu chính là ATP thì các hệ năng lượng chính là động cơ máy móc của loại phương tiện đó. Mỗi loại phương tiện lại có khả năng di chuyển và nhu cầu sử dụng nhiên liệu khác nhau. Do đó, chúng ta cần có nhiều loại động cơ khác nhau để chuyển hóa năng lượng.

Hệ năng lượng trong cơ thể con người chúng ta cũng hoạt động tương tự như vậy. Đối với một người chơi cầu lông, nhu cầu sử dụng một hệ năng lượng sẽ không giống với một vận động viên chạy Marathon. Để đáp ứng nhu cầu này, quá trình tạo ATP của cơ thể sẽ được thực hiện thông qua 3 hệ năng lượng sau đây:

Hệ Phosphagen (Phosphate system)

Đây là hệ năng lượng được kích hoạt đầu tiên khi cơ thể cần năng lượng ngay lập tức bằng việc sử dụng trực tiếp một lượng rất nhỏ các ATP có sẵn trong cơ bắp. Bởi đặc tính của hệ này là kỵ khí, tức là không cần sử dụng oxy. Nhờ đó mà chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng năng lượng trong cả những tình huống khẩn cấp.

Sau khi nguồn ATP dự trữ cạn kiệt, hệ phosphagen sẽ phân giải creatine phosphate -một hợp chất có sẵn trong các tế bào cơ. Sau đó tiếp tục tổng hợp các ADP trở lại thành ATP

Tuy khả năng đáp ứng năng lượng nhanh nhất trong ba hệ, nhưng hệ phosphagen chỉ có duy trì hoạt động khoảng 6-10 giây. Do vậy, hệ năng lượng này thường có vai trò quan trọng trong các hoạt động thể chất có cường độ cực cao và khoảng thời gian cực ngắn. Sau khi nguồn ATP có sẵn cạn kiệt, bạn cần khoảng 3-5 phút để có thể tiếp hoạt động có cường độ tương tự.

Đó là lý do vì sao chúng ta thường thấy các vận động viên cử tạ hạng nặng hoặc chạy nước rút cần phải được nghỉ một lúc thì mới có thể tiếp tục thực hiện lại. Đối với các môn thể thao tương tự, chúng ta sẽ có một tỷ lệ để tập:nghỉ khoa học đó là 1:10 hoặc 1:12. Tức là cứ mỗi 1 giây sử dụng hệ phosphagen, bạn cần dành ra 10 đến 12 giây để cơ thể tích trữ lại các ATP trong cơ bắp.

Để dễ hình dung, chúng ta sẽ lấy ví dụ một vận động viên chạy nước rút. Trong 10 giây anh ta chạy được quãng đường là 100m. Để có thể đạt hiệu quả tương tự ở vòng thi tiếp theo, thời gian nghỉ ngơi tối thiểu của vận động viên này là 100 giây.

Nếu không được nghỉ đủ, anh ấy vẫn có khả năng chạy tiếp nhưng kết quả lúc này chỉ có thể đạt khoảng 80m/10 giây mà thôi. Vậy bạn đã hiểu bí quyết tối đa hóa năng lượng của quá trình tổng hợp ADP là gì hay chưa?

Hệ Glycolysis (Anaerobic System)

Hệ Glycolysis cũng hoạt động không cần oxy và tạo ra các ATP song song với hệ Photphagen nhưng hệ Glycolysis lại có tốc độ chậm hơn (khoảng 2-3 phút tiếp theo). Nguyên nhân là do Hệ Glycolysis sử dụng glucose trong máu và glycogen trong cơ để tạo thành các ATP. Quá trình chuyển đổi này cần tốn một khoảng thời gian nhất định so với việc sử dụng nguồn ATP sẵn có như hệ Photphagen.

Trong quá trình tổng hợp ATP, hệ Glycolysis cũng đồng thời sinh ra một lượng acid lactic. Và nhiều người tin rằng lượng acid lactic này là nguyên nhân chính gây nên cảm giác đau nhức cơ sau khi tập luyện thể thao. Tuy nhiên quan niệm này là không hoàn toàn chính xác.

Sự tổng hợp ATP của hệ Glycolysis

Theo nghiên cứu của các nhà khoa học, quá trình giải phóng năng lượng từ ATP cũng sinh ra một sản phẩm phụ đó là các nguyên tử Hydrogen hay còn gọi là ion H+. Khi tích tụ một lượng lớn ion H+, môi trường bên trong cơ bắp sẽ bị giảm độ pH, khiến chúng chứa đầy axit. Đây mới là “thủ phạm” thật sự gây ra các cơn đau nhức.

Để giảm bớt axit trong cơ, quá trình chuyển hóa glucose thành ATP sẽ tạo ra một chất có tên là Pyruvate. Chất này có thể kết hợp với ion H+ và tạo thành Lactate. Lượng Lactate này tiếp tục theo dòng tuần hoàn và được đẩy đến các bộ phận khác để tái chế trở thành năng lượng.

Tuy nhiên, nếu tốc độ sản sinh ion H+ nhanh hơn tốc độ đào thải Lactate, cơ bắp sẽ lại bị tăng tính axit và bắt đầu giảm sút năng suất hoạt động. Hiện tượng này còn được biết đến với tên gọi là ngưỡng Lactate (Lactate Threshold).

Chính vì thế, mục tiêu của các vận động viên các bộ môn thường xuyên sử dụng hệ Glycolysis ( chẳng hạn bóng đá., cầu lông, bóng chuyền,…) là phải tập luyện để nới rộng ngưỡng Lactate của mình. Để thực hiện, việc đầu tiên bạn cần xác định ngưỡng Lactate của mình. Từ đó lặp lại quá trình tập luyện đều đặn sao cho trên ngưỡng Lactate từng chút để cơ thể thích nghi dần.

Hệ Oxidative (Aerobic System)

Là hệ cung cấp năng lượng cho toàn bộ cơ thể dù là lúc nghỉ ngơi hay hoạt động nhẹ, hệ Oxidative là hệ duy nhất có Oxy để tạo thành các ATP. Do cần thời gian để phân giải hầu như tất cả các chất dinh dưỡng phức tạp trong cơ thể, nên hệ Oxidative có thời gian hoạt động lâu nhất. Tuy nhiên lượng ATP do hệ Oxidative lại cao gấp nhiều lần so với hai hệ còn lại. Thậm chí lượng ATP này có thể đảm bảo cho cơ thể chúng ta sử dụng liên tục trong vài giờ đồng hồ.

Sự tổng hợp ATP của hệ Oxidative

Bên cạnh đó, hệ Oxidative còn được đánh giá là trợ thủ đắc lực khi một người cần sử dụng đến hệ Photphagen hoặc Glycolysis. Cụ thể là:

– Đối với hệ Photphagen, hệ Oxidative sẽ giúp hồi phục lại lượng ATP dự trữ đã cạn kiệt trong lúc nghỉ ngơi. Do đó, chúng ta có thể thấy một người có hệ Oxidative hoạt động tốt sẽ nhanh chóng hồi phục sức lực hơn so với những người khác.

– Đối với hệ Glycolysis, hệ Oxidative giúp xử lý lượng Lactate sau khi được chuyển đến ở cơ quan bào Mitochondria ( cũng chính là nơi hệ Oxidative hoạt động). Chưa kể quá trình xử lý này còn giúp cơ thể có thêm một số năng lượng nhất định. Nếu có lợi thế là hệ Oxidative hoạt động tốt, khả năng kéo dãn ngưỡng Lactate của bạn sẽ tốt hơn người bình thường.

Như vậy, có thể thấy rằng quá trình tạo ATP của ba hệ trên không hề hoạt động độc lập. Nếu hệ Photphagen và Glycolysis mang tính dứt điểm nhanh chóng thì hệ Oxidative chính là chiến lược để cơ thể phục hồi thể trạng chờ cơ hội bứt phá. Có thể dễ dàng nhận thấy cách thức hoạt động này được rất nhiều vận động viên cần đến sức bền như Marathon, đua xe đạp hay bóng đá áp dụng.