ATP (ADENOSINTRIPHOSPHAT): STRUKTUR, FUNKTIONEN, HYDROLYSE - BIOLOGIE - 2025

Das ATP (Adenosintriphosphat) ist ein organisches Molekül mit hochenergetischen Bindungen, die durch einen Ring aus Adenin, Ribose und drei Phosphatgruppen gebildet werden. Es spielt eine grundlegende Rolle im Stoffwechsel, da es die Energie transportiert, die erforderlich ist, damit eine Reihe von zellulären Prozessen effizient funktionieren.

Es ist weithin unter dem Begriff "Energiewährung" bekannt, da seine Bildung und Verwendung leicht erfolgt und es ihm ermöglicht, für chemische Reaktionen, die Energie benötigen, schnell zu "bezahlen".

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Obwohl das Molekül für das bloße Auge klein und einfach ist, speichert es eine erhebliche Menge an Energie in seinen Bindungen. Phosphatgruppen haben negative Ladungen, die sich ständig abstoßen, was sie zu einer labilen Bindung macht, die leicht aufgebrochen werden kann.

Die Hydrolyse von ATP ist der Abbau des Moleküls durch die Anwesenheit von Wasser. Durch diesen Prozess wird die enthaltene Energie freigesetzt.

Es gibt zwei Hauptquellen für ATP: Phosphorylierung auf Substratebene und oxidative Phosphorylierung, wobei letztere die wichtigste und von der Zelle am häufigsten verwendete ist.

Die oxidative Phosphorylierung koppelt die Oxidation von FADH ₂ und NADH + H ⁺ in den Mitochondrien, und die Phosphorylierung auf Substratebene erfolgt außerhalb der Elektronentransportkette auf Wegen wie der Glykolyse und dem Tricarbonsäurezyklus.

Dieses Molekül ist für die Bereitstellung der Energie verantwortlich, die für die meisten Prozesse in der Zelle erforderlich ist, von der Proteinsynthese bis zur Fortbewegung. Darüber hinaus ermöglicht es den Verkehr von Molekülen durch Membranen und wirkt bei der Signalübertragung von Zellen.

Struktur

ATP ist, wie der Name schon sagt, ein Nukleotid mit drei Phosphaten. Seine besondere Struktur, insbesondere die beiden Pyrophosphatbindungen, machen es zu einer energiereichen Verbindung. Es besteht aus folgenden Elementen:

- Eine stickstoffhaltige Base, Adenin. Stickstoffbasen sind cyclische Verbindungen, die einen oder mehrere Stickstoffatome in ihrer Struktur enthalten. Wir finden sie auch als Komponenten in Nukleinsäuren, DNA und RNA.

- Ribose befindet sich im Zentrum des Moleküls. Es ist ein Pentose-Zucker, da er fünf Kohlenstoffatome hat. Seine chemische Formel lautet C ₅ H ₁₀ O ₅ . Kohlenstoff 1 von Ribose ist an den Adeninring gebunden.

- Drei Phosphatradikale. Die letzten beiden sind die "Hochenergiebindungen" und werden in den grafischen Strukturen durch das Neigungssymbol dargestellt: ~. Die Phosphatgruppe ist eine der wichtigsten in biologischen Systemen. Die drei Gruppen heißen Alpha, Beta und Gamma, vom nächsten bis zum weitesten.

Diese Verbindung ist sehr labil und teilt sich daher schnell, einfach und spontan, wenn die physiologischen Bedingungen des Körpers dies rechtfertigen. Dies liegt daran, dass die negativen Ladungen der drei Phosphatgruppen ständig versuchen, sich voneinander zu entfernen.

Eigenschaften

ATP spielt eine unverzichtbare Rolle im Energiestoffwechsel praktisch aller lebenden Organismen. Aus diesem Grund wird es oft als Energiewährung bezeichnet, da es in nur wenigen Minuten kontinuierlich ausgegeben und aufgefüllt werden kann.

ATP liefert direkt oder indirekt Energie für Hunderte von Prozessen und wirkt zusätzlich als Phosphatdonor.

Im Allgemeinen fungiert ATP als Signalmolekül in den Prozessen, die innerhalb der Zelle ablaufen. Es ist notwendig, die Komponenten von DNA und RNA zu synthetisieren, und für die Synthese anderer Biomoleküle ist es am Durchgang beteiligt Membranen unter anderem.

Die Verwendung von ATP kann in Hauptkategorien unterteilt werden: Transport von Molekülen durch biologische Membranen, Synthese verschiedener Verbindungen und schließlich mechanische Arbeit.

Die Funktionen von ATP sind sehr breit. Darüber hinaus ist es an so vielen Reaktionen beteiligt, dass es unmöglich wäre, sie alle zu nennen. Daher werden wir drei spezifische Beispiele diskutieren, um jede der drei genannten Verwendungen zu veranschaulichen.

Energieversorgung für den Natrium- und Kaliumtransport durch die Membran

Die Zelle ist eine hochdynamische Umgebung, in der bestimmte Konzentrationen beibehalten werden müssen. Die meisten Moleküle gelangen nicht zufällig oder zufällig in die Zelle. Damit ein Molekül oder eine Substanz eintreten kann, muss dies durch seinen spezifischen Transporter geschehen.

Transporter sind membranübergreifende Proteine, die als „Gatekeeper“ von Zellen fungieren und den Materialfluss steuern. Daher ist die Membran semipermeabel: Sie lässt bestimmte Verbindungen eindringen, andere nicht.

Einer der bekanntesten Transporte ist die Natrium-Kalium-Pumpe. Dieser Mechanismus wird als aktiver Transport klassifiziert, da die Bewegung von Ionen gegen ihre Konzentrationen erfolgt und die einzige Möglichkeit, diese Bewegung auszuführen, darin besteht, Energie in Form von ATP in das System einzuführen.

Es wird geschätzt, dass ein Drittel des in der Zelle gebildeten ATP verwendet wird, um die Pumpe aktiv zu halten. Natriumionen werden ständig aus der Zelle gepumpt, während Kaliumionen in umgekehrter Richtung gepumpt werden.

Logischerweise ist die Verwendung von ATP nicht auf den Transport von Natrium und Kalium beschränkt. Es gibt andere Ionen wie Kalzium, Magnesium, die diese Energiewährung benötigen, um eintreten zu können.

Teilnahme an der Proteinsynthese

Proteinmoleküle bestehen aus Aminosäuren, die durch Peptidbindungen miteinander verbunden sind. Um sie zu bilden, müssen vier hochenergetische Bindungen aufgebrochen werden. Mit anderen Worten muss eine beträchtliche Anzahl von ATP-Molekülen zur Bildung eines Proteins mittlerer Länge hydrolysiert werden.

Die Proteinsynthese findet in Strukturen statt, die Ribosomen genannt werden. Diese können den Code der Messenger-RNA interpretieren und in eine Aminosäuresequenz, einen ATP-abhängigen Prozess, übersetzen.

In den aktivsten Zellen kann die Proteinsynthese bis zu 75% des in dieser wichtigen Arbeit synthetisierten ATP steuern.

Andererseits synthetisiert die Zelle nicht nur Proteine, sondern benötigt auch Lipide, Cholesterin und andere essentielle Substanzen. Dazu benötigt sie die in den ATP-Bindungen enthaltene Energie.

Energie für die Fortbewegung bereitstellen

Mechanische Arbeit ist eine der wichtigsten Funktionen von ATP. Damit unser Körper beispielsweise Muskelfasern zusammenziehen kann, müssen große Energiemengen verfügbar sein.

Im Muskel kann chemische Energie dank der Reorganisation der Proteine ​​in mechanische Energie umgewandelt werden, die sich zusammenziehen kann. Die Länge dieser Strukturen wird modifiziert, verkürzt, was eine Spannung erzeugt, die sich in der Erzeugung von Bewegung niederschlägt.

In anderen Organismen erfolgt die Bewegung von Zellen auch dank des Vorhandenseins von ATP. Beispielsweise erfolgt die Bewegung von Zilien und Flagellen, die die Verdrängung bestimmter einzelliger Organismen ermöglicht, durch die Verwendung von ATP.

Eine andere besondere Bewegung ist die amöbische, bei der ein Pseudopod an den Zellenden hervorsteht. Mehrere Zelltypen verwenden diesen Fortbewegungsmechanismus, einschließlich Leukozyten und Fibroblasten.

Bei Keimzellen ist die Fortbewegung für die effektive Entwicklung des Embryos unerlässlich. Embryonale Zellen legen wichtige Entfernungen von ihrem Ursprungsort in die Region zurück, in der sie bestimmte Strukturen bilden müssen.

Hydrolyse

Die Hydrolyse von ATP ist eine Reaktion, bei der das Molekül in Gegenwart von Wasser abgebaut wird. Die Reaktion wird wie folgt dargestellt:

ATP + Wasser ⇋ ADP + P _i + Energie. Wobei sich der Ausdruck P _i auf die anorganische Phosphatgruppe bezieht und ADP Adenosindiphosphat ist. Beachten Sie, dass die Reaktion reversibel ist.

Die Hydrolyse von ATP ist ein Phänomen, bei dem eine immense Energiemenge freigesetzt wird. Das Aufbrechen einer der Pyrophosphatbindungen führt zur Freisetzung von 7 kcal pro Mol - speziell 7,3 von ATP zu ADP und 8,2 zur Herstellung von Adenosinmonophosphat (AMP) aus ATP. Dies entspricht 12.000 Kalorien pro Mol ATP.

Warum tritt diese Energiefreisetzung auf?

Weil die Hydrolyseprodukte viel stabiler sind als die ursprüngliche Verbindung, dh ATP.

Es sollte erwähnt werden, dass nur die Hydrolyse, die an den Pyrophosphatbindungen auftritt, um die Bildung von ADP oder AMP zu verursachen, zur Erzeugung von Energie in signifikanten Mengen führt.

Die Hydrolyse der anderen Bindungen im Molekül liefert nicht so viel Energie, mit Ausnahme der Hydrolyse von anorganischem Pyrophosphat, das eine große Energiemenge aufweist.

Die Freisetzung von Energie aus diesen Reaktionen wird verwendet, um Stoffwechselreaktionen innerhalb der Zelle durchzuführen, da viele dieser Prozesse Energie benötigen, um zu funktionieren, sowohl in den ersten Schritten der Abbauwege als auch bei der Biosynthese von Verbindungen. .

Beispielsweise umfassen die anfänglichen Schritte im Glucosestoffwechsel die Phosphorylierung des Moleküls. In den folgenden Schritten wird neues ATP generiert, um einen positiven Nettogewinn zu erzielen.

Unter energetischen Gesichtspunkten gibt es andere Moleküle, deren Freisetzungsenergie größer ist als die von ATP, einschließlich 1,3-Bisphosphoglycerat, Carbamylphosphat, Kreatininphosphat und Phosphoenolpyruvat.

ATP erhalten

ATP kann auf zwei Wegen erhalten werden: oxidative Phosphorylierung und Phosphorylierung auf Substratebene. Ersteres benötigt Sauerstoff, letzteres nicht. Etwa 95% des gebildeten ATP kommt in den Mitochondrien vor.

Oxidative Phosphorylierung

Die oxidative Phosphorylierung umfasst einen zweiphasigen Nährstoffoxidationsprozess: Gewinnung reduzierter Coenzyme NADH und FADH ₂ aus Vitaminen.

Die Reduktion dieser Moleküle erfordert die Verwendung von Wasserstoff aus Nährstoffen. In Fetten ist die Produktion von Coenzymen bemerkenswert, dank der enormen Menge an Wasserstoff, die sie in ihrer Struktur im Vergleich zu Peptiden oder Kohlenhydraten haben.

Obwohl es mehrere Wege der Coenzymproduktion gibt, ist der wichtigste Weg der Krebszyklus. Anschließend werden die reduzierten Coenzyme in den in den Mitochondrien befindlichen Atmungsketten konzentriert, die die Elektronen auf Sauerstoff übertragen.

Die Elektronentransportkette besteht aus einer Reihe membrangekoppelter Proteine, die Protonen (H +) nach außen pumpen (siehe Bild). Diese Protonen treten mittels eines anderen Proteins, der ATP-Synthase, die für die ATP-Synthese verantwortlich ist, in die Membran ein und durchqueren sie erneut.

Mit anderen Worten, wir müssen Coenzyme reduzieren, mehr ADP und Sauerstoff erzeugen Wasser und ATP.

Quelle: Von Bustamante Yess aus Wikimedia Commons

Phosphorylierung auf Substratebene

Die Phosphorylierung auf Substratebene ist nicht so wichtig wie der oben beschriebene Mechanismus und wird häufig mit der Fermentation in Verbindung gebracht, da sie keine Sauerstoffmoleküle erfordert. Obwohl dieser Weg sehr schnell ist, entzieht er wenig Energie, wenn wir ihn mit dem Oxidationsprozess vergleichen, wäre er ungefähr fünfzehnmal weniger.

In unserem Körper finden Fermentationsprozesse auf Muskelebene statt. Dieses Gewebe kann ohne Sauerstoff funktionieren, so dass es möglich ist, dass ein Glukosemolekül zu Milchsäure abgebaut wird (wenn wir zum Beispiel eine erschöpfende sportliche Aktivität ausüben).

Bei Fermentationen hat das Endprodukt noch Energiepotential, das extrahiert werden kann. Bei der Fermentation im Muskel sind die Kohlenstoffe in Milchsäure auf dem gleichen Reduktionsniveau wie die des Ausgangsmoleküls: Glucose.

Somit erfolgt die Energieerzeugung durch die Bildung von Molekülen mit hochenergetischen Bindungen, einschließlich 1,3-Bisphosphoglyrat und Phosphoenolpyruvat.

Bei der Glykolyse ist beispielsweise die Hydrolyse dieser Verbindungen mit der Produktion von ATP-Molekülen verbunden, daher der Begriff „auf Substratebene“.

ATP-Zyklus

ATP wird niemals gespeichert. Es befindet sich in einem kontinuierlichen Zyklus von Verwendung und Synthese. Dies schafft ein Gleichgewicht zwischen dem gebildeten ATP und seinem hydrolysierten Produkt ADP.

Quelle: Von Muessig aus Wikimedia Commons

Andere Energiemoleküle

ATP ist nicht das einzige Molekül aus Nucleosidbisphosphat, das im Zellstoffwechsel vorkommt. Es gibt eine Reihe von Molekülen mit ATP-ähnlichen Strukturen, die ein vergleichbares Energieverhalten aufweisen, obwohl sie nicht so beliebt sind wie ATP.

Das bekannteste Beispiel ist GTP, Guanosintriphosphat, das im bekannten Krebszyklus und im glukoneogenen Weg eingesetzt wird. Andere weniger verwendete sind CTP, TTP und UTP.

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