Wie wird durch ATP Energie übertragen?

Adenosintriphosphat, kurz ATP, ist die wichtigste Energiewährung im Körper. ATP und dessen Energie ist unabdingbar für alle Menschen und Tiere. Dabei ist es für die Zellen zur Energiebereitstellung sehr wichtig.

Aufbau des Adenosintriphosphats

Der Energielieferant ATP ist ein Nukleotid. Dies ist ein Stoff, welcher aus Derivaten (Abkömmlingen) einer Pyrimidin- oder Purinbase, dem Kohlenhydrat Ribose oder Desoxyribose und Phosphat Resten bestehen. Adenosintriphosphat besteht aus der Purinbase Adenin, dem Kohlenhydrat Ribose und drei Phosphatresten.

Dabei ist im ATP Molekül das Adenin, beziehungsweise im Nukleotid Adenosin genannt, ß-N-glykosidisch an den Ribose-Rest gebunden. Dieser Ribose-Rest wiederum bindet an die alpha-Phosphatgruppe über eine Esterbindung. Die einzelnen Phosphatreste sind durch eine Phosphorsäureanhydrid-Bindung gebunden. Diese Bestandteile zusammen ergeben dann das ATP.

Abb. 1: Strukturformel des Adenosintriphosphats

Die energiereiche Anhydridbindung ist der Schlüssel, welcher ATP zur Energiewährung des Körpers und der Zellen macht. Wenn nämlich diese Bindung gespalten wird, wird chemische Energie freigesetzt. Es handelt sich, wegen der Freisetzung von Energie, um eine exotherme Reaktion. Somit dient ATP hauptsächlich der Energiebereitstellung.

Diese chemische Energie von ATP beträgt unter Standardbedingungen 30,5 kJ / mol, physiologisch dann circa 50 kJ / mol. Die Anhydrid-Bindung im ATP kann aber nur in Kombination mit Wasser gespalten werden. Dies nennt sich Hydrolyse.

Der ATP-Kreislauf

ATP wird im Körper beispielsweise in einer Muskelzelle ständig ge- und verbraucht, die Reaktion ist reversibel. Dies bedeutet, dass ATP zu ADP reagiert und von ADP wieder zu ATP regeneriert werden kann. Die Reaktion von Adenosintriphosphat zu Adenosindiphosphat nennt sich, wie oben schon erwähnt, Hydrolyse. Die Umkehrreaktion von ADP zu ATP nennt man Phosphorylierung, da dem ADP unter Energieverbrauch ein Phosphatrest angehängt wird.

ATP Abkömmlinge im Körper

Adenosintriphosphat (ATP) wird, wenn der erste Phosphatrest abgespalten wird, zu Adenosindiphosphat (ADP). Dies geschieht beziehungsweise bei weiterer Phosphatrest-Abspaltung zu Adenosinmonophosphat (AMP).

ADP

Das ADP ist beispielsweise auch Bestandteil der im Körper wichtigen Wasserstoffüberträger NADH und FAD. Beide sind dabei besonders bedeutend in der Energie liefernden Atmungskette, in welcher auch ATP hergestellt wird.

cAMP

Der ATP Abkömmling AMP spielt meist als cyclisches AMP, auch cAMP genannt, eine entscheidende Rolle im Körper. Dabei wird ATP durch die Adenylatcyclase zu cAMP. Normalerweise wird die Adenylatcyclase von einem G-Protein aktiviert und produziert cAMP. Dieses wirkt nun auf verschiedenste Stoffwechselwege als second messenger, also Signalüberträger.

Beim Glukagonkreislauf ist der ATP Abkömmling cAMP auch der wichtige second messenger, der dafür sorgt, dass Glukagon ausgeschüttet wird. Durch die Glukagonausschüttung wird letztendlich der Blutzuckerspiegel gesenkt.

Adenosintriphosphat-Verbrauch im Körper

Der menschliche Körper braucht ständig Energie in Form von ATP. Besonders gebraucht wird die ATP-Energie hier in den Muskelzellen und Nervenzellen, da diese einen sehr hohen Energiebedarf besitzen. Dabei dient wieder ATP als klassischer Energie Bereitsteller.

Wirkungsort von ATP

Im Folgenden lernst du die wichtigsten Stellen kennen, an denen Adenosintriphosphat zum Einsatz kommt.

Verbrauch von ATP bei der Glykolyse

ATP ist wichtig bei der Glykolyse, also dem Glucose-Abbau der Zelle zu Pyruvat. Dabei wird zwar auch ATP gewonnen, es muss aber erst einmal Energie in Form von ATP investiert werden, um die Reaktion ablaufen zu lassen.

Dies lässt sich beispielsweise an der ersten Reaktion der Reaktionskaskade bei der Glykolyse erkennen. Hier wird nämlich durch ATP Glucose zu Glucose-6-Phosphat aktiviert. Um dies zu gewährleisten, braucht es Energie in Form von ATP. Diese liefert das Adenosintriphosphat, indem es eine Phosphatgruppe der energiereichen Anhydrid-Bindung abspaltet und zu Adenosindiphosphat wird.

Die Reaktion kann man sich wie bei einem Wasserrad vorstellen. Erst wird Energie aufgewendet und das Wasser wird mit Mühe herauf gepumpt. Wenn das Wasser nun bei seinem Weg nach unten aber mehrere Wasserräder betreibt und dadurch Energie bereitstellen, kann durch einen Teil der Energie das Wasser wieder hinaufbefördert werden. Es wird also erst Energie investiert, diese bekommt man aber dann auch mehrfach zurück.

Verbrauch von ATP im Citratzyklus

Der Citratzyklus ist einer der wichtigsten Stoffwechselprozesse des Körpers. Dabei wird hier NADH und FADH2 produziert. Dieser Zyklus kann aber nur ablaufen, wenn vorher Energie in Form von ATP diese startet. Hier wird beispielsweise bei der Pyruvat-Carboxylase ATP benötigt, um Energie zu gewinnen.

Herstellungsort von ATP

Adenosintriphosphat ist sehr wichtig für verschiedenste Stoffwechselwege, weswegen es ununterbrochen hergestellt werden muss. Die ATP-Synthese läuft an verschiedenen Orten ab und wird im nächsten Artikel noch einmal näher behandelt.

ATP Herstellung bei der Glykolyse

ATP wird bei der Glykolyse nicht nur als Energiewährung verbraucht, es wird auch bei weiteren Schritten der Glykolyse hergestellt. Somit ist insgesamt die Energiebilanz dieses Stoffwechselwegs nicht schlecht.

Ein Beispiel für die Bildung von Adenosintriphosphat bei der Glykolyse wäre die Umwandlung von 1 zu 3: Bisphosphoglycerat zu 3-Phosphoglycerat. Damit ist die Glykolyse ein Energiebereitstellung-Prozess. Dieser wird durch das Kohlenhydrat Glucose angestoßen. Eine Glucose Einheit liefert in der Bilanz der Glykolyse circa 32 ATP Moleküle.

ATP Herstellung bei der ß-Oxidation

Beim Abbau von Fettsäuren wird auch Energie in Form von ATP gebildet. Wenn nun eine Fettsäurekette länger ist, liefert sie mehr Energie in Form von ATP als eine kürzere Kette. Bei der Abspaltung der Fettsäurereste wird nun ATP gebildet, pro C2 Einheit der Fettsäure wären dies circa 4 ATP (Entstehung von 1x FADH2 und 1x NADH = 4 ATP).

Deswegen kann zusammenfassend gesagt werden, dass Fett ein Energiespeicher ist, da die Energie der Fettsäuren leicht in Adenosintriphosphat zur Energiebereitstellung umgewandelt werden kann.

Die indirekte Adenosintriphosphat Herstellung

Bei den genannten Stoffwechselwegen wird aber meist nicht ATP direkt gebildet, sondern es wird der Wasserstoffüberträger NADH oder FADH2 indirekt gebildet. Diese geben ihre Protonen und auch Elektronen in der Atmungskette ab, wodurch indirekt der Konzentrationsgradient hergestellt und damit auch Adenosintriphosphat gebildet wird.

Wasserstoffüberträger (NADH und FADH2) werden in der Regel für die indirekte ATP-Bildung gebraucht.

Phosphorylierung durch ATP

Phosphorylierung ist die Übertragung eines Phosphat Restes (von beispielsweise ATP) durch Proteinkinasen auf bestimmte Proteine. Dadurch ist es möglich, verschiedenste Aktivierungen von Reaktionen zu bewirken. Bei der Phosphorylierung werden durch ATP häufig Enzyme aktiviert.

Enzyme

Enzyme sind Biokatalysatoren. Das bedeutet, dass sie eine chemische Reaktion beschleunigen, indem sie deren Aktivierungsenergie herabsetzen. Dabei werden sie jedoch nicht verbraucht und haben auch keinen Einfluss auf das Reaktionsgleichgewicht.

ATP – der Enzym Schalter

Enzyme können nun von ATP verändert werden, indem es eine Phosphatgruppe auf das Enzym überträgt. Dabei wirkt ATP als Coenzym. Die Enzym Veränderung nennt sich Interkonversion und dadurch können mit Hilfe von Adenosintriphosphat Enzyme entweder an- oder abgeschaltet werden.

Bei der Interkonversion von Enzymen mit Hilfe des ATPs kann man sich folgendes merken: ATP verändert die Enzyme so, dass diese ihr aktives Zentrum ändern. Mit diesem greifen sie an ihr Substrat an. Durch diese Veränderung passt nun das Substrat wie ein Puzzleteil in das aktive Zentrum des Enzyms.

Chaperone

Das Wort Chaperon bedeutet im französischen "Anstandsdame". So in etwa kann man sich diese auch vorstellen. Sie helfen bei der Proteinfaltung und sind deswegen sehr wichtig für den Körper und die Zellen.

Hsp70

Das Chaperon Hsp70 ist die Qualitätskontrolle der Proteinbiosynthese der Zelle und nimmt somit einen sehr wichtigen Stellenwert für sie ein. Es ist essentiell für das Funktionieren der einzelnen Zelle und des Organismus. Dieses Hsp70 kann aber nur unter ATP Verbrauch arbeiten. Somit ist Adenosintriphosphat ein Schlüssel zur korrekten Proteinfaltung bei uns im Körper.

ATP-Gewinnung im Detail

Adenosintriphosphat wird in der Atmungskettegebildet. Sie ist das zentrale Organ der Energiebereitstellung durch ATP. Die Atmungskette befindet sich in den Mitochondrien der Zelle.

Der Aufbau von Mitochondrien

Die Mitochondrien werden als Kraftwerk der Zelle bezeichnet. Wenn viel Energie in beispielsweise einer Muskelzelle benötigt wird, hat diese Zelle auch eine große Anzahl an Mitochondrien. Sie besteht aus einer äußeren (OMM) und einer inneren Mitochondrienmembran (IMM). Dazwischen befindet sich der Intermembranraum. Innerhalb der IMM befindet sich die Mitochondrienmatrix. Die innere Mitochondrienmembran ist dabei eingefaltet und in diesen Falten (Cristea) liegen die Komplexe der Atmungskette der Mitochondrien.

Abb. 2: Aufbau des Mitochondriums

Der ATP liefernde Prozess

Die Atmungskette besteht aus vier Komplexen und der ATP-Synthase. Die Wasserstoffüberträger FADH2 und NADH geben ihre Protonen und Elektronen ab und die freiwerdenden Elektronen durchlaufen die einzelnen Atmungsketten -Komplexe von I-IV. Diese fungieren als Protonen-Pumpen. Durch diesen Ablauf wird ein Konzentrationsgradient zwischen dem Intermembranraum und der Mitochondrienmatrix aufgebaut.

Die ATP-Synthese

Nun möchten die Protonen durch ihre Triebkraft aber möglichst ihre Konzentration ausgleichen, also in die Mitochondrienmatrix wandern. Da die Doppellipidschicht aber für sie unpassierbar ist (Barrierefunktion), müssen sie durch einen Kanal in das Mitochondrium gelangen, dem ATP-Synthase Kanal.

Der ATP-Synthase Kanal

Um nun den Protonengradienten in Energie umzuwandeln, gibt es die ATP-Synthase. Dies ist ein Kanal, welcher aus einem F0- und F1-Teil besteht. Beide zusammen sorgen dafür, dass dem ADP + P die richtige Form aufgezwungen wird. So kommt es zur Phosphorylierung des Adenosintriphosphats und damit zur Bildung von ATP.

Abb. 3: ATP Bildung durch den ATP-Synthase Kanal

Die Adenosintriphosphat Bilanz

In der Atmungskette der Mitochondrien sorgen NADH und FADH2 für den Konzentrationsgradienten der Protonen. Nun ist es dadurch möglich, für ein NADH-Molekül eine ungefähre ATP-Bilanz von 2,5 ATP und bei FADH2 (weil es nicht Komplex I der Atmungskette durchläuft) eine ATP-Bilanz von 1,5 ATP zuzuschreiben. Die Adenosintriphosphat Bilanz ist also bei NADH höher als bei FADH2.

Adenosintriphosphat - Das Wichtigste

• Adenosintriphosphat ist der wichtigste Energieträger des Körpers und dessen Zellen.
• ATP wird ständig ge- und verbraucht.
• Seine Energie erhält Adenosintriphosphat durch die chemisch-energiereiche Säureanhydrid-Bindung zwischen den Phosphatgruppen.
• Außer als reiner Energielieferant dient ATP zusätzlich noch als Ein- und Ausschalter für Enzyme.
• Adenosintriphosphat spielt eine wichtige Rolle bei der Proteinbiosynthese.

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