Ulrich Helmichs Biologie-Lexikon

ATP

ATP als Energieträger

Adenosintriphosphat ist der universelle Energieträger der Zelle, oft wird er in Schulbüchern mit einem wiederaufladbaren Akku verglichen. Ziel des gesamten Glucose-Abbaus in der Zelle ist die Bildung von möglichst viel ATP in den Mitochondrien. An sich ist auch Glucose ein energiereiches Molekül, aber der Abbau von Glucose zu Kohlendioxid und Wasser, der sehr viel Energie liefert, ist recht umständlich und dauert einige Zeit. Daher eignet sich Glucose nicht so gut als schneller Energielieferant. Aus diesem Grund wird die Glucose in einem aufwändigen Prozess (Glycolyse, Citratzyklus, Atmungskette) in ATP umgewandelt.

Die Oxidation von Glucose treibt die Bildung von ATP an, wie ein Zahnrad das andere

Die Oxidation von Glucose treibt die Bildung von ATP an, wie ein Zahnrad das andere

Auf diesem Bild sieht man zwei Energiediagramme. Links ist dargestellt, wie die Glucose oxidiert wird. Bei dieser sehr exothermen Reaktion wird viel Reaktionsenergie freigesetzt. Rechts ist die Bildung von ATP aus ADP und Phosphat zu sehen. Diese Reaktion ist endotherm, es muss also Energie aufgewandt werden. Die hierfür notwendige Energie wird von der ersten Reaktion geliefert, also von der Oxidation der Glucose. Die Abbildung ist insofern vereinfacht, als die bei der Glucose-Oxidation freigesetzte Energie sehr viele (über 30) ATP-Moleküle bilden kann.

ATP kann im Gegensatz zur Glucose extrem schnell abgebaut werden. Außerdem wird bei der ATP-Spaltung nicht so viel Energie freigesetzt wie bei der Oxidation eines Glucose-Moleküls. Mit ATP kann die Zelle die benötigte Energie also viel feiner dosieren als es mit der direkten Verwertung von Glucose möglich wäre.

Struktur

Das ATP-Molekül und seine Spaltung durch Wasser zu ADP und Pi

Das ATP-Molekül und seine Spaltung durch Wasser zu ADP und Pi

Das Adenosintriphosphat (ATP) setzt sich aus einem Adenin-Molekül, dem Zucker Ribose und drei Phosphatgruppen zusammen. Alle drei Komponenten sind auch am Bau der Nucleinsäuren (DNA, RNA) beteiligt. Hier hat die Natur offensichtlich eine "Mehrfachverwertung" von Bausteinen betrieben.

Energiefreisetzung

Im neutralen und alkalischen Milieu sind die drei Phosphatgruppen negativ geladen. Negative Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, und daher sind die Bindungen zwischen den Phosphatresten leicht zu spalten. Energie wird bei dieser Spaltung allerdings nicht frei. Die Reaktionsenergie der ATP-Hydrolyse von ca. -32 kJ/mol wird erst dann freigesetzt, wenn das abgespaltene Phosphat eine Hydrathülle bildet. Insofern ist die Phrase von den "energiereichen Bindungen" zwischen den Phosphatgruppen falsch, wie sie in manchen Schulbüchern steht.

Energiediagramm der Hydrolyse von ATP und der anschließenden Hydratisierung des Phosphats

Energiediagramm der Hydrolyse von ATP und der anschließenden Hydratisierung des Phosphats. Energiebeträge grob geschätzt, kein Anspruch auf Exaktheit, es geht nur um das Prinzip.

Bei der Spaltung dieser Bindungen wird keine Energie frei, sondern im Gegenteil, wie bei jeder Homo- oder Heterolyse muss Energie aufgewandt werden, um die Bindungsenergie zwischen den Gruppen zu überwinden. Allerdings sind die abgespaltenen Phosphatreste mehrfach negativ geladen, so dass sich in wässriger Lösung sofort eine Hydrathülle um die Phosphatreste bildet. Dabei entstehen Bindungen zwischen dem Phosphatrest und den Wasser-Molekülen der Hydrathülle. Die Bildung dieser neuen Bindungen ist ein exothermer Vorgang, und erst hierbei wird ein deutlicher Energiebetrag freigesetzt. Die Gesamtreaktion (Hydrolyse des ATP zu ADP und Pi und anschließende Bildung der Hydrathülle) ist dann exotherm und liefert ca. 32 kJ/mol ATP.

Bildung von ATP

Für die Synthese von ATP ist ein Enzym der inneren Mitochondrienmembran verantwortlich, eine ATPase. Angetrieben wird dieser ATPase durch ein Konzentrationsgefälle von Protonen, das sich quer über die innere Membran des Mitochondriums erstreckt. Wenn die Protonen entlang des Konzentrationsgefälles zurück in das Mitochondrium strömen (passive Diffusion), wird die in diesem Konzentrationsgefälle steckende Energie (das elektrochemische Potenzial) zur Synthse von ATP genutzt. Im Schnitt werden zwei bis drei Protonen benötigt, um ein ATP-Molekül herzustellen. Weitere Einzelheiten finden Sie im Abschnitt "Atmungskette" auf meinen Stoffwechselbiologie-Seiten.

Tierzellen nutzen die Oxidation von Glucose (oder anderen Nährstoffen), um die Energie für die Erzeugung des Protonengradienten zu erzeugen (aerobe Dissimilation), während Pflanzenzellen das Sonnenlicht hierfür verwenden (Photosynthese).