Vor allem ATP bestimmt den Energiekreislauf in der Zelle, es ist sozusagen die Energiewährung, die zwischen abbauenden und aufbauenden Stoffwechselvorgängen vermittelt.
Menschliche Zellen erhalten ihre Energie (freie Enthalpie) aus dem Abbau energiereicher organischer Nährstoffe. Sie verwenden diese Energie um ATP herzustellen. Die „ATP – Energie“ ist beteiligt an der Synthese von energiereichen Verbindungen, am aktiven Stofftransport und ermöglicht mechanische Bewegung (Muskelzelle, Transportproteine).
Worum gehts?
Ausgehend von der Struktur und den sich daraus ergebenden Eigenschaften von Adenosintriphosphat (ATP) vermittelt die Seite einen Einblick in die Wirkungsweise von ATP als universeller Energieüberträger in Zellen.
Struktur
ATP kommt in allen lebenden Zellen vor.
Das Molekül besteht aus der stickstoffhaltigen Base Adenin, der Ribose und drei Molekülen Phosophorsäure.
Bindungen:
- Anhydridbindungen
- Esterbindung
- N-glykosidische Bindung
Die Phosphorsäuren liegen in Zellen in dissozierter Form vor, so dass das Molekül stark negativ geladen ist.
Durch Abspaltung eines Phosphatrestes entsteht ADP und eines weiteren Phosphatrestes AMP.
Die benachbarten negativen Ladungen der Phosphorsäure wirken stark abstoßend (elektrostatische Spannung)
Die Phosphosäurekette kann man aufgrund der negativen Ladung mit einer gespannten Feder vergleichen. Wird ein Phosphatrest abgespalten, verliert das Gesamtsystem an Spannung. Das erklärt, warum die hydrolytische Spaltung von ATP so exergon ist.
Eigenschaften
ATP – Hydrolyse
Die Hydrolyse von ATP ist eine exergone Reaktion.
Hydrolytische Spaltung
Durch die Spaltung der Anhydridbinung verringert sich elektrostatische Abstoßung.
Dissoziation
ADP dissoziert sofort und gibt H+ ab.
Die Spaltung der Phosphorsäureanhydridbindung findet nur statt, wenn ein Enzym vorhanden ist.
Die Hydrolyse von ATP kann keine endergonen Reaktionen antreiben. Sie bewirkt ausschließlich die Freisetzung von Wärme, die keine chemischen Reaktionen antreiben kann.
Prozesse bei denen eine einfache Hydrolyse Molekülstrukturen verändert
ATP bindet kovalent an ein Molekül, durch die sich anschließende Hydrolyse wechselt es in einen anderen Zustand. Der Wechsel zwischen diesen zwei Zustanden führt zu einer mechanischen Bewegung:
- Muskelkontraktion
- Bewegung von Proteinen an der DNA
- Bewegung von Riobosomen entlang der mRNA (Translation, Proteinbiosynthese)
ATP als Mittler zwischen energieliefernden und energieverbrauchenden Reaktionen
Das Schema veranschaulicht die Mittlerfunktion von ATP zwischen exergonen und endergonen Reaktionen:
Dabei liefert ATP die Energie für die endergone Reaktion der Substanz C zur Substanz D.
Dies wird in der Regel durch einen Pfeil symbolisiert bei dem ATP zu ADP + P reagiert. Bei dieser Darstellung scheint es so, als ob durch die Hydrolyse von ATP zu ADP + P die endergone Reaktion angetrieben wird.
Dem ist nicht so, da durch eine einfache Hydolyse nur Wärme freigesetzt wird, die nicht genutzt werden kann.
Bei der Darstellung der ATP – Umsetzung handelt es sich um eine Vereinfung einer sonst zweistufig ablaufenden Rekation, wie sie im Folgenden dargestellt ist.
Phosphorylierung
Übertragung einer Phosphatgruppe…
- auf ADP zur Bildung von ATP, wichtige Prozesse sind die Photophosphorylierung der Photosynthese und Oxidative Phosphorylierung der Atumungskette)
- von ATP auf ein anderes Molekül, das dadurch energiereicher wir.
ATP liefert Energie durch Gruppenübertragung, nicht durch einfache Hydrolyse
Der Beitrag von ATP an einer Reaktion wird in der Regel in einer vereinfachten Schreibweise als Einzelschritt dargestellt.
Fast immer besteht bei einer solchen Darstellung die Reaktion aus zwei Teilreaktionen.
In der ersten Teilreaktion wird eine Phosphatgruppe von ATP auf Glutamat übertragen. Es erfolgt eine kovalente Bindung.
Im der zweiten Reaktion wird dann die Phosphatgruppe durch NH2 verdrängt und der Phosphorsäurerest freigesetzt.
Zusammenfassung
- ATP ist der Mittler zwischen katabolen und anabolen Stoffwechselprozessen: Energiewährung.
- Bei der Energieübertragung (Veränderung der freien Enthalpie) stehen sich endergonische und exergonische Reaktionen gegenüber: Sie bedingen einander.
- In den meisten Fällen erfolgt die Energieübertragung durch eine Phosphatgruppenübertragung.
- Eine einfache Hydrolyse von ATP hat nur selten direkten Einfluss auf molekulare Prozesse.
Bedeutung – Spanne der Energieübertragung
- Abgabe von Energie an endergone Reaktion
- Synthese informationsreicher Makromoleküle (DNA – RNA – Proteine)
- aktiver Stofftransport (Natrium – Kalium – Pumpe)
- Bewegung: Bewegung der Ribosome, Transportproteine, Muskelbewegung usw.
Auf dem Lernpfad