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Wenn der Bindungsbruch Energie absorbiert, warum wird sie dann durch die ATP-Hydrolyse freigesetzt?

Wenn der Bindungsbruch Energie absorbiert, warum wird sie dann durch die ATP-Hydrolyse freigesetzt?


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Wir wissen, dass die Bindungsbildung Energie freisetzt und der Bindungsbruch Energie absorbiert. Ich verstehe immer noch nicht, warum die ATP-Hydrolyse (die eine Bindung zwischen Sauerstoff und Phosphor bricht) Energie freisetzt, und zwar VIEL.


Die ATP-Synthese ist eigentlich ein endergonischer Prozess, daher ist eine oxidative Phosphorylierung erforderlich, um die Bildung von ATP voranzutreiben. Obwohl die P-O-Bindung eine große Energiemenge freisetzt, findet die Umkehrung dieses Prozesses bei ATP . nicht statt Hydrolyse. Bei der Hydrolyse wird das ATP in zwei Produkte zerlegt, mit dem Zugabe von Wasser, sind diese Produkte thermodynamisch stabiler, sodass Energie freigesetzt wird. Das Aufbrechen der P-O-Bindung erfordert zwar Energie, aber da durch die Zugabe des Wassers mehr Energie freigesetzt wird, setzt die Gesamtreaktion Energie frei. ATP ist ein thermodynamisch instabiles Molekül (Bindungsbruch setzt freie Energie frei), ist aber kinetisch stabil (Bindungsbruch hat eine hohe Aktivierungsenergie). Ich bin mir nicht sicher, was die genauen Gründe für die exergonische Hydrolyse von ATPs sind. In Lehrbüchern heißt es, dass die Hauptquellen der freien Energie, die mit der Dissoziation der P‐O-Bindung verbunden ist, die Relaxation der elektronischen Abstoßung, die erhöhte Resonanz der Produkte und die Stabilisierung der freien Solvatationsenergien der relevanten Spezies nach den Hydrolysen. Dieses Papier (DOI: 10.1021/acs.jpcb.7b00637) behauptet jedoch, dass die Solvatationseffekte bei der Hydrolyse die Produkte tatsächlich destabilisieren, aber ich bin mir der Gültigkeit dieses Papiers nicht sicher.


Wenn der Bindungsbruch Energie absorbiert, warum wird sie dann durch die ATP-Hydrolyse freigesetzt? - Biologie

Zellen koppeln die exergonische Reaktion der ATP-Hydrolyse mit endergonischen Reaktionen, um die Energie innerhalb der ATP-Bindungen zu nutzen.

Lernziele

Erklären Sie die Rolle von ATP als Währung der Zellenergie

Die zentralen Thesen

Wichtige Punkte

  • Adenosintriphosphat besteht aus der stickstoffhaltigen Base Adenin, dem Fünf-Kohlenstoff-Zucker Ribose und drei Phosphatgruppen.
  • ATP wird in der Reaktion ATP+H2O→ADP+Pi+ freie Energie zu ADP hydrolysiert, der berechnete ∆G für die Hydrolyse von 1 Mol ATP beträgt -57 kJ/mol.
  • Bei der Reaktion ADP+Pi+freie Energie→ATP+H2O wird ADP mit einem Phosphat zu ATP kombiniert.
  • Die bei der Hydrolyse von ATP zu ADP freigesetzte Energie wird verwendet, um zelluläre Arbeit zu verrichten, normalerweise durch Kopplung der exergonischen Reaktion der ATP-Hydrolyse mit endergonischen Reaktionen.
  • Natrium-Kalium-Pumpen nutzen die aus der exergonischen ATP-Hydrolyse gewonnene Energie, um Natrium- und Kaliumionen durch die Zellmembran zu pumpen, während die Phosphorylierung die endergonische Reaktion antreibt.

Schlüsselbegriffe

  • Energiekopplung: Energiekopplung tritt auf, wenn die von einer Reaktion oder einem System erzeugte Energie verwendet wird, um eine andere Reaktion oder ein anderes System anzutreiben.
  • endergonisch: Beschreibt eine Reaktion, die (Wärme-)Energie aus ihrer Umgebung aufnimmt.
  • exergonisch: Beschreibt eine Reaktion, die Energie (Wärme) an ihre Umgebung abgibt.
  • freie Energie: Gibbs freie Energie ist ein thermodynamisches Potenzial, das die nutzbare oder prozessinitiierende Arbeit misst, die von einem thermodynamischen System bei konstanter Temperatur und konstantem Druck (isotherm, isobar) erzielbar ist.
  • Hydrolyse: Ein chemischer Zersetzungsprozess, bei dem eine Bindung durch Zugabe von Wasser gespalten wird.

ATP: Adenosintriphosphat

Adenosintriphosphat (ATP) ist die Energiewährung für zelluläre Prozesse. ATP liefert die Energie sowohl für energieverbrauchende endergonische Reaktionen als auch für energiefreisetzende exergonische Reaktionen, die einen geringen Eintrag an Aktivierungsenergie erfordern. Wenn die chemischen Bindungen innerhalb von ATP aufgebrochen werden, wird Energie freigesetzt und kann für die zelluläre Arbeit genutzt werden. Je mehr Bindungen in einem Molekül enthalten sind, desto mehr potentielle Energie enthält es. Da die Bindung in ATP so leicht gebrochen und wiederhergestellt wird, ist ATP wie eine wiederaufladbare Batterie, die zelluläre Prozesse von der DNA-Replikation bis zur Proteinsynthese antreibt.

Molekulare Struktur

Adenosintriphosphat (ATP) besteht aus dem Molekül Adenosin, das an drei Phosphatgruppen gebunden ist. Adenosin ist ein Nukleosid, das aus der stickstoffhaltigen Base Adenin und dem Fünf-Kohlenstoff-Zucker Ribose besteht. Die drei Phosphatgruppen, die dem Ribosezucker am nächsten sind, werden als Alpha, Beta und Gamma bezeichnet. Zusammen bilden diese chemischen Gruppen ein Energiekraftwerk. Die beiden Bindungen zwischen den Phosphaten sind gleich hochenergetische Bindungen (Phosphoanhydrid-Bindungen), die beim Aufbrechen genügend Energie freisetzen, um eine Vielzahl von zellulären Reaktionen und Prozessen anzutreiben. Die Bindung zwischen Beta- und Gammaphosphat gilt als “hochenergetisch”, denn wenn die Bindung bricht, die Produkte [Adenosindiphosphat (ADP) und eine anorganische Phosphatgruppe (P .)ich)] haben eine niedrigere freie Energie als die Reaktanten (ATP und ein Wassermolekül). ATP-Aufspaltung in ADP und Pich wird Hydrolyse genannt, weil es ein Wassermolekül verbraucht (Hydro-, was “Wasser” bedeutet, und Lyse, was “Separation” bedeutet).

Adenosintriphosphat (ATP): ATP ist die primäre Energiewährung der Zelle. Es hat ein Adenosin-Rückgrat mit drei gebundenen Phosphatgruppen.

ATP-Hydrolyse und -Synthese

ATP wird in der folgenden Reaktion zu ADP hydrolysiert:

Wie die meisten chemischen Reaktionen ist die Hydrolyse von ATP zu ADP reversibel. Die Rückreaktion kombiniert ADP + Pich um ATP aus ADP zu regenerieren. Da die ATP-Hydrolyse Energie freisetzt, muss die ATP-Synthese eine Zufuhr von freier Energie erfordern.

In der folgenden Reaktion wird ADP mit einem Phosphat zu ATP kombiniert:

ATP und Energiekopplung

Wie viel freie Energie (∆G) wird bei der Hydrolyse von ATP genau freigesetzt und wie wird diese freie Energie verwendet, um zelluläre Arbeit zu verrichten? Der berechnete ∆G für die Hydrolyse von einem Mol ATP zu ADP und Pich beträgt –7,3 kcal/Mol (–30,5 kJ/Mol). Dies gilt jedoch nur unter Standardbedingungen, und der ∆G für die Hydrolyse von einem Mol ATP in einer lebenden Zelle ist fast doppelt so hoch wie unter Standardbedingungen: 14 kcal/mol (−57 kJ/mol).

ATP ist ein sehr instabiles Molekül. ATP dissoziiert spontan in ADP + P ., wenn es nicht schnell zur Arbeitsleistung verwendet wirdich, und die dabei freigesetzte freie Energie geht als Wärme verloren. Um die Energie innerhalb der ATP-Bindungen zu nutzen, verwenden Zellen eine Strategie namens Energiekopplung.

Energiekopplung in Natrium-Kalium-Pumpen

Energiekopplung: Natrium-Kalium-Pumpen nutzen die aus der exergonischen ATP-Hydrolyse gewonnene Energie, um Natrium- und Kaliumionen durch die Zellmembran zu pumpen.

Zellen koppeln die exergonische Reaktion der ATP-Hydrolyse mit den endergonischen Reaktionen zellulärer Prozesse. Beispielsweise nutzen Transmembran-Ionenpumpen in Nervenzellen die Energie von ATP, um Ionen durch die Zellmembran zu pumpen und ein Aktionspotential zu erzeugen. Die Natrium-Kalium-Pumpe (Na + /K + -Pumpe) treibt Natrium aus der Zelle und Kalium in die Zelle. Wenn ATP hydrolysiert wird, überträgt es sein Gammaphosphat in einem Prozess namens Phosphorylierung auf das Pumpprotein. Die Na + /K + -Pumpe gewinnt die freie Energie und erfährt eine Konformationsänderung, wodurch sie drei Na + nach außen aus der Zelle abgeben kann. Zwei extrazelluläre K + -Ionen binden an das Protein, wodurch das Protein wieder seine Form ändert und das Phosphat abgibt. Durch Abgabe von freier Energie an die Na + /K + -Pumpe treibt die Phosphorylierung die endergonische Reaktion an.

Energiekopplung im Stoffwechsel

Bei zellulären Stoffwechselreaktionen oder dem Auf- und Abbau von Nährstoffen müssen bestimmte Moleküle in ihrer Konformation geringfügig verändert werden, um Substrate für den nächsten Schritt der Reaktionsreihe zu werden. In den allerersten Schritten der Zellatmung wird Glukose durch den Prozess der Glykolyse abgebaut. ATP wird für die Phosphorylierung von Glucose benötigt, wodurch ein energiereiches, aber instabiles Zwischenprodukt entsteht. Diese Phosphorylierungsreaktion verursacht eine Konformationsänderung, die es Enzymen ermöglicht, das phosphorylierte Glucosemolekül in den phosphorylierten Zucker Fructose umzuwandeln. Fruktose ist ein notwendiges Zwischenprodukt, damit die Glykolyse voranschreiten kann. In diesem Beispiel ist die exergonische Reaktion der ATP-Hydrolyse mit der endergonischen Reaktion der Umwandlung von Glucose zur Verwendung im Stoffwechselweg gekoppelt.


Inhalt

Die Hydrolyse der endständigen phosphoanhydridischen Bindung ist ein stark exergonischer Prozess. Die Menge der freigesetzten Energie hängt von den Bedingungen in einer bestimmten Zelle ab. Insbesondere hängt die freigesetzte Energie von den Konzentrationen von ATP, ADP und P . abich. Da die Konzentrationen dieser Moleküle von den Gleichgewichtswerten abweichen, ändert sich der Wert der freien Gibbs-Energie (Δg) wird immer unterschiedlicher. Unter Standardbedingungen (ATP, ADP und Pich Konzentrationen sind gleich 1 M, Wasserkonzentration ist gleich 55 M) der Wert von Δg liegt zwischen -28 bis -34 kJ/mol. [5] [6]

Die Reichweite derg Wert existiert, da diese Reaktion von der Konzentration der Mg 2+ -Kationen abhängt, die das ATP-Molekül stabilisieren. Die zelluläre Umgebung trägt auch zu Unterschieden in der Δg Wert, da die ATP-Hydrolyse nicht nur von der untersuchten Zelle, sondern auch vom umgebenden Gewebe und sogar vom Kompartiment innerhalb der Zelle abhängt. Variabilität img Werte ist daher zu erwarten. [6]

Die Beziehung zwischen der Standardänderung der freien Gibbs-Energie ΔRg o und das chemische Gleichgewicht ist aufschlussreich. Diese Beziehung ist definiert durch die Gleichung ΔRg o = -RT ln(K), wo K ist die Gleichgewichtskonstante, die gleich dem Reaktionsquotienten ist Q Im Gleichgewicht. Der Standardwert von Δg für diese Reaktion liegt, wie erwähnt, zwischen -28 und -34 kJ/mol, experimentell ermittelte Konzentrationen der beteiligten Moleküle zeigen jedoch, dass die Reaktion nicht im Gleichgewicht ist. [6] Angesichts dieser Tatsache ist ein Vergleich zwischen der Gleichgewichtskonstante, K, und der Reaktionsquotient, Q, gibt Einblick. K berücksichtigt Reaktionen, die unter Standardbedingungen stattfinden, aber in der zellulären Umgebung sind die Konzentrationen der beteiligten Moleküle (nämlich ATP, ADP und Pich) sind weit vom Standard 1 M entfernt. Tatsächlich werden die Konzentrationen besser in mM gemessen, was um drei Größenordnungen kleiner als M ist. [6] Unter Verwendung dieser vom Standard abweichenden Konzentrationen wird der berechnete Wert von Q ist viel weniger als eins. Durch die Beziehung Q zu Δg mit der Gleichung Δg =Rg o + RT ln(Q), wobei ΔRg o die Standardänderung der freien Gibbs-Energie für die Hydrolyse von ATP ist, wird gefunden, dass der Betrag von Δg ist viel größer als der Standardwert. Die nicht standardmäßigen Bedingungen der Zelle führen tatsächlich zu einer günstigeren Reaktion. [7]

In einer bestimmten Studie, um Δ . zu bestimmeng in vivo beim Menschen die Konzentration von ATP, ADP und Pich wurde mit Kernspinresonanz gemessen. [6] In menschlichen Muskelzellen in Ruhe wurde eine ATP-Konzentration von etwa 4 mM und eine ADP-Konzentration von etwa 9 μM gefunden. Die Eingabe dieser Werte in die obigen Gleichungen ergibt Δg = -64 kJ/mol. Nach einer Ischämie, wenn sich der Muskel vom Training erholt, beträgt die ATP-Konzentration nur 1 mM und die ADP-Konzentration etwa 7 μM. Daher ist das absolute Δg würde bis zu -69 kJ/mol betragen. [8]

Durch Vergleich des Standardwertes von Δg und der experimentelle Wert von Δg, kann man sehen, dass die bei der Hydrolyse von ATP freigesetzte Energie, gemessen am Menschen, fast doppelt so viel ist wie die Energie, die unter Standardbedingungen erzeugt wird. [6] [7]


Energiekopplung in Natrium-Kalium-Pumpen

Abbildung (PageIndex<1>): Energiekopplung: Natrium-Kalium-Pumpen nutzen die aus der exergonischen ATP-Hydrolyse gewonnene Energie, um Natrium- und Kaliumionen durch die Zellmembran zu pumpen.

Zellen koppeln die exergonische Reaktion der ATP-Hydrolyse mit den endergonischen Reaktionen zellulärer Prozesse. Beispielsweise nutzen Transmembran-Ionenpumpen in Nervenzellen die Energie von ATP, um Ionen durch die Zellmembran zu pumpen und ein Aktionspotential zu erzeugen. Die Natrium-Kalium-Pumpe (Na + /K + -Pumpe) treibt Natrium aus der Zelle und Kalium in die Zelle. Wenn ATP hydrolysiert wird, überträgt es sein Gammaphosphat in einem Prozess namens Phosphorylierung auf das Pumpprotein. Die Na + /K + -Pumpe gewinnt die freie Energie und erfährt eine Konformationsänderung, wodurch sie drei Na + nach außen aus der Zelle abgeben kann. Zwei extrazelluläre K + -Ionen binden an das Protein, wodurch das Protein wieder seine Form ändert und das Phosphat abgibt. Durch Abgabe von freier Energie an die Na + /K + -Pumpe treibt die Phosphorylierung die endergonische Reaktion an.


Warum setzt das Entfernen einer Phosphatgruppe aus ATP Energie frei?

ATP hat drei verschiedene Phosphat Gruppen, aber die Anleihe hält die dritte Phosphat Gruppe ist instabil und wird sehr leicht gebrochen. Woher kommt ADP? Wann Phosphat wird entfernt, Energie wird freigesetzt und ATP wird ADP.

Was passiert außerdem, wenn ein Phosphatmolekül aus einer ATP-Verbindung entfernt wird? Normalerweise nur die äußeren Phosphat ist ENTFERNT von ATP Energie zu liefern, wenn dies tritt ATP . auf wird in Adenosindiphosphat (ADP) umgewandelt, die Form des Nukleotids mit nur zwei Phosphate. ATP ist in der Lage, zelluläre Prozesse durch die Übertragung von a Phosphat zu anderen gruppieren Molekül (ein Prozess namens Phosphorylierung).

Zweitens, wohin geht die Phosphatgruppe von ATP?

In der ersten Reaktion, a Phosphatgruppe wird übertragen von ATP zu Glukose, wodurch ein phosphoryliertes Glukosezwischenprodukt (Glukose-P) gebildet wird. Dies ist eine energetisch günstige (energiefreisetzende) Reaktion, weil ATP ist so instabil, d.h. "will" wirklich seine verlieren Phosphatgruppe.

Welche Reaktion zeigt, dass ATP seine Energie freisetzt?

In der Reaktion ADP+Pi+freie Energie&rarrATP+H2O wird ADP mit einem Phosphat zu ATP kombiniert. Die freigesetzte Energie aus dem Hydrolyse von ATP in ADP wird verwendet, um zelluläre Arbeit zu verrichten, normalerweise durch Kopplung der exergonischen Reaktion von ATP Hydrolyse mit endergonen Reaktionen.


Warum Energie freigesetzt wird, wenn Bindungen gebildet werden

Die klassische Mechanik funktioniert nicht wirklich, um zu beschreiben, wie / warum sich zwei Arten verbinden. Zum Beispiel sollten die positiven Ladungen von 2 Wasserstoffkernen voneinander abgestoßen werden und daher würde man meinen, dass Wasserstoffgas als Wasserstoffatome existieren sollte. Wasserstoffgas existiert jedoch als 2 Wasserstoffatome, die sich ein Elektronenpaar teilen, weil die Konfiguration der Elektronen um die beiden Protonen herum so ist, dass es eine niedrigere Energie hat, wenn die Elektronen "gemeinsam" sind, als wenn dies nicht der Fall ist.

In der Chemie sprechen wir nicht von Elektronen, die sich mit Protonen verbinden. In der Chemie ist eine Bindung, wenn ein Ion/Atom/Molekül "beschließt", Elektronen mit einem anderen Ion/Atom/Molekül zu teilen. Die beiden Spezies werden "beschließen", eine Bindung einzugehen, wenn die Energie des Gesamtsystems durch die Bildung von Bindungen abnimmt.

Es sind zwei Hauptfaktoren beteiligt, Entropie und Enthalpie, die gemeinhin als Unordnung bzw. Wärme bezeichnet werden. Die Beziehung dieser Faktoren zur Energie ist als Gibbs'sche Gleichung für die freie Energie ΔG=ΔH-TΔS bekannt (H ist Enthalpie und S ist Entropie). Damit ein Prozess spontan abläuft, muss ΔG negativ sein (alle Systeme tendieren zu einem möglichst niedrigen Energiezustand).

Wenn zwei Spezies zu einer werden, nimmt die Entropie des Systems (typischerweise) ab, was den [-TΔS]-Term positiv macht. Damit dieser Prozess spontan abläuft, muss der H-Term negativ genug sein, um den positiven TΔS-Term zu überwinden. Physikalisch wird dies als Hitze oder Funken oder eine Explosion oder was auch immer beobachtet. Jetzt haben Sie ein System, in dem kovalente Bindungen gebildet wurden und das System befindet sich im niedrigsten Energiezustand. Um den anderen Weg zu gehen, müssen Sie dem System Energie zurückgeben, um diese Bindungen zu lösen.

Das Lustige ist, dass pauschale Aussagen wie diese ein wenig irreführend sind. Selbst wenn ein Prozess spontan ist (insgesamt negatives ΔG), gibt es eine bestimmte Menge an Energie, die Sie in das System stecken müssen, um die Dinge in Gang zu setzen. Dies wird Aktivierungsenergie genannt und ist der Grund, warum das Holz, das Sie umgibt gerade jetzt nicht in Flammen aufgeht, während Sie diese Nachricht lesen.


Wie wird Energie aus ATP freigesetzt?

Durch das Aufbrechen der Phosphatbindung wird aus ATP Energie freigesetzt, so die University of Illinois in Chicago. Adenosintriphosphat oder ATP besteht aus einem Zucker namens Ribose, dem Molekül Adenin und drei Phosphatgruppen. Bei der Hydrolyse von ATP wird die letzte Phosphatgruppe auf ein anderes Molekül übertragen und damit die Phosphatbindung gespalten. Diese Reaktion bewirkt, dass Energie freigesetzt wird, um andere Aktivitäten innerhalb der Zelle anzutreiben.

ATP wird durch den Abbau von Glukose hergestellt, wie von Dr. Dawn Tamarkin vom Springfield Technical Community College angegeben. Durch den Abbau der Bindungen in Glucose in Gegenwart von Sauerstoff wird Energie erzeugt, um eine Phosphatgruppe an ADP zu addieren, um ATP zu bilden. Auf diese Weise werden 38 ATPs gebildet. Dieser Vorgang wird Zellatmung genannt.

Die Energie des ATP-Moleküls liegt in den Bindungen zwischen den Phosphatgruppen oder Pyrophosphatbindungen, sagt Dr. Mike Farabee vom Estrella Mountain Community College. Die Bindung zwischen der zweiten Phosphat- und der letzten Phosphatgruppe liefert die meiste Energie, etwa sieben Kilokalorien pro Mol. Wenn diese Bindung gebrochen wird, wird Adenosindiphosphat oder ADP gebildet.

Da ATP ständig verbraucht wird, muss es aufgefüllt werden. Laut der University of Illinois in Chicago verbraucht und regeneriert eine einzelne Muskelzelle, wahrscheinlich eine der größten ATP-Nutzer, 10.000.000 ATP-Moleküle pro Sekunde.


Einführung

ATP ist ein instabiles Molekül, das im Gleichgewicht mit Wasser zu ADP und anorganischem Phosphat hydrolysiert. Die hohe Energie dieses Moleküls kommt von den beiden energiereichen Phosphatbindungen. Die Bindungen zwischen Phosphatmolekülen werden Phosphoanhydridbindungen genannt. Sie sind energiereich und enthalten ein &DeltaG von -30,5 kJ/mol.

Abbildung 1: Struktur von ATP-Molekül bzw. ADP-Molekül. Oben ist der Adeninring mit einem Ribosezucker verbunden, der mit den Phosphatgruppen verbunden ist. Verwendet mit Genehmigung von Wikipedia Commons.


30 ATP: Adenosintriphosphat

Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

  • Erklären Sie die Rolle von ATP als zelluläre Energiewährung
  • Beschreiben Sie, wie Energie durch ATP-Hydrolyse freigesetzt wird

Selbst exergonische, energiefreisetzende Reaktionen benötigen eine geringe Menge an Aktivierungsenergie, um ablaufen zu können. Betrachten Sie jedoch endergonische Reaktionen, die viel mehr Energie erfordern, da ihre Produkte mehr freie Energie haben als ihre Reaktanten. Woher kommt innerhalb der Zelle die Energie, um solche Reaktionen anzutreiben? Die Antwort liegt in einem energieliefernden Molekül, das Wissenschaftler Adenosintriphosphat oder ATP nennen. Dies ist ein kleines, relativ einfaches Molekül ((Abbildung)), aber in einigen seiner Bindungen enthält es das Potenzial für einen schnellen Energieschub, der genutzt werden kann, um zelluläre Arbeit zu verrichten. Stellen Sie sich dieses Molekül als die primäre Energiewährung der Zellen vor, so wie Geld die Währung ist, die Menschen gegen Dinge tauschen, die sie brauchen. ATP treibt die meisten energieverbrauchenden Zellreaktionen an.

Wie der Name schon sagt, besteht Adenosintriphosphat aus Adenosin, das an drei Phosphatgruppen gebunden ist ((Abbildung)). Adenosin ist ein Nukleosid, das aus der stickstoffhaltigen Base Adenin und einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen, Ribose, besteht. Die drei Phosphatgruppen, die am weitesten vom Ribosezucker entfernt sind, sind Alpha, Beta und Gamma. Zusammen bilden diese chemischen Gruppen ein Energiekraftwerk. Allerdings liegen nicht alle Bindungen innerhalb dieses Moleküls in einem besonders energiereichen Zustand vor. Beide Bindungen, die die Phosphate verbinden, sind gleichermaßen hochenergetische Bindungen (Phosphoanhydrid-Bindungen), die beim Aufbrechen genügend Energie freisetzen, um eine Vielzahl von zellulären Reaktionen und Prozessen anzutreiben. Diese hochenergetischen Bindungen sind die Bindungen zwischen der zweiten und dritten (oder Beta- und Gamma-) Phosphatgruppe und zwischen der ersten und zweiten Phosphatgruppe. Diese Bindungen sind „hochenergetisch“, weil die Produkte eines solchen Bindungsbruchs – Adenosindiphosphat (ADP) und eine anorganische Phosphatgruppe (Pich) – haben eine deutlich geringere freie Energie als die Reaktanten: ATP und ein Wassermolekül. Da diese Reaktion unter Verwendung eines Wassermoleküls stattfindet, handelt es sich um eine Hydrolysereaktion. Mit anderen Worten, ATP hydrolysiert in der folgenden Reaktion zu ADP:

Wie die meisten chemischen Reaktionen ist die Hydrolyse von ATP zu ADP reversibel. Die Rückreaktion regeneriert ATP aus ADP + Pich. Zellen sind auf die ATP-Regeneration angewiesen, genauso wie Menschen darauf angewiesen sind, ausgegebenes Geld durch irgendeine Art von Einkommen zu regenerieren. Da die ATP-Hydrolyse Energie freisetzt, muss die ATP-Regeneration eine Zufuhr von freier Energie erfordern. Diese Gleichung drückt die ATP-Bildung aus:

Im Hinblick auf die Verwendung von ATP als Energiequelle bleiben zwei wichtige Fragen. Wie viel freie Energie wird bei der ATP-Hydrolyse genau freigesetzt und wie funktioniert diese freie Energie für die zelluläre Arbeit? Der berechnete ∆G für die Hydrolyse eines ATP-Mols zu ADP und Pich beträgt –7,3 kcal/Mol (–30,5 kJ/Mol). Da diese Berechnung unter Standardbedingungen zutrifft, würde man erwarten, dass unter zellularen Bedingungen ein anderer Wert existiert. Tatsächlich ist der ∆G für die Hydrolyse eines ATP-Mols in einer lebenden Zelle fast doppelt so hoch wie der Wert unter Standardbedingungen: –14 kcal/mol (−57 kJ/mol).

ATP ist ein sehr instabiles Molekül. ATP dissoziiert spontan in ADP + P ., wenn es nicht schnell zur Arbeitsleistung verwendet wirdich, und die dabei freigesetzte freie Energie geht als Wärme verloren. Die zweite Frage, die wir oben gestellt haben, diskutiert, wie die Freisetzung von ATP-Hydrolyseenergie die Arbeit innerhalb der Zelle verrichtet. Dies hängt von einer Strategie ab, die Wissenschaftler Energiekopplung nennen. Zellen koppeln die exergonische Reaktion der ATP-Hydrolyse, so dass sie fortschreiten können. Ein Beispiel für die Energiekopplung unter Verwendung von ATP ist eine Transmembran-Ionenpumpe, die für die Zellfunktion extrem wichtig ist. Diese Natrium-Kalium-Pumpe (Na + /K + -Pumpe) treibt Natrium aus der Zelle und Kalium in die Zelle ((Abbildung)). Ein großer Prozentsatz des ATP einer Zelle treibt diese Pumpe an, denn zelluläre Prozesse bringen viel Natrium in die Zelle und Kalium aus ihr heraus. Die Pumpe arbeitet ständig, um die zellulären Konzentrationen von Natrium und Kalium zu stabilisieren. Damit die Pumpe einen Zyklus durchlaufen kann (exportiert drei Na+-Ionen und importiert zwei K+-Ionen), muss ein ATP-Molekül hydrolysieren. Wenn ATP hydrolysiert, schwimmt sein Gamma-Phosphat nicht einfach weg, sondern es überträgt sich tatsächlich auf das Pumpprotein. Wissenschaftler nennen diesen Vorgang der Bindung einer Phosphatgruppe an ein Molekül Phosphorylierung. Wie bei den meisten ATP-Hydrolysefällen wird ein Phosphat von ATP auf ein anderes Molekül übertragen. Im phosphorylierten Zustand hat die Na + /K + -Pumpe mehr freie Energie und wird zu einer Konformationsänderung getriggert. Diese Änderung ermöglicht es, Na + an die Zellen nach außen freizugeben. Es bindet dann extrazelluläres K + , das durch eine weitere Konformationsänderung bewirkt, dass sich das Phosphat von der Pumpe löst. Diese Phosphatfreisetzung löst die Freisetzung von K + an die Zellen im Inneren aus. Im Wesentlichen koppelt sich die bei der ATP-Hydrolyse freigesetzte Energie mit der Energie, die erforderlich ist, um die Pumpe anzutreiben und Na + - und K + -Ionen zu transportieren. ATP verrichtet zelluläre Arbeit unter Verwendung dieser grundlegenden Form der Energiekopplung durch Phosphorylierung.

Die Hydrolyse eines ATP-Moleküls setzt 7,3 kcal/mol Energie frei (∆G = -7,3 kcal/mol Energie). Wenn 2,1 kcal/mol Energie benötigt wird, um ein Na + durch die Membran zu bewegen (∆G = +2,1 kcal/mol Energie), wie viele Natriumionen könnten dann die Hydrolyse eines ATP-Moleküls bewegen?

Während zellulärer Stoffwechselreaktionen, wie der Nährstoffsynthese und des Abbaus, müssen sich bestimmte Moleküle oft in ihrer Konformation geringfügig ändern, um Substrate für den nächsten Schritt in der Reaktionsreihe zu werden. Ein Beispiel ist während der allerersten Schritte der Zellatmung, wenn ein Zuckerglukosemolekül im Prozess der Glykolyse abgebaut wird. Im ersten Schritt wird ATP benötigt, um Glucose zu phosphorylieren, wodurch ein energiereiches, aber instabiles Zwischenprodukt entsteht. Diese Phosphorylierungsreaktion bewirkt eine Konformationsänderung, die es dem phosphorylierten Glucosemolekül ermöglicht, sich in den phosphorylierten Zucker Fructose umzuwandeln. Fruktose ist ein notwendiges Zwischenprodukt, damit die Glykolyse voranschreiten kann. Hier koppelt die exergonische Reaktion der ATP-Hydrolyse mit der endergonischen Reaktion der Umwandlung von Glucose in ein phosphoryliertes Zwischenprodukt im Stoffwechselweg. Wieder einmal wurde die Energie, die durch das Aufbrechen einer Phosphatbindung innerhalb von ATP freigesetzt wurde, für die Phosphorylierung eines anderen Moleküls verwendet, wodurch ein instabiles Zwischenprodukt entsteht und eine wichtige Konformationsänderung bewirkt wird.

Sehen Sie sich auf dieser Seite eine interaktive Animation des ATP-produzierenden Glykolyseprozesses an.

Abschnittszusammenfassung

ATP ist das primäre energieliefernde Molekül für lebende Zellen. ATP besteht aus einem Nukleotid, einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen und drei Phosphatgruppen. Die Bindungen, die die Phosphate verbinden (Phosphoanhydrid-Bindungen) haben einen hohen Energiegehalt. Die bei der ATP-Hydrolyse in ADP + P . freigesetzte Energieich führt zellulare Arbeit aus. Zellen verwenden ATP, um Arbeit zu verrichten, indem sie die exergonische Reaktion der ATP-Hydrolyse mit endergonischen Reaktionen koppeln. ATP spendet seine Phosphatgruppe durch Phosphorylierung an ein anderes Molekül. Das phosphorylierte Molekül befindet sich in einem energiereicheren Zustand und ist weniger stabil als seine nicht phosphorylierte Form, und diese zusätzliche Energie von Phosphat ermöglicht es dem Molekül, seine endergonische Reaktion einzugehen.

Fragen zur visuellen Verbindung

(Abbildung) Die Hydrolyse eines ATP-Moleküls setzt 7,3 kcal/mol Energie frei (∆G = -7,3 kcal/mol Energie). Wenn 2,1 kcal/mol Energie benötigt wird, um ein Na + durch die Membran zu bewegen (∆G = +2,1 kcal/mol Energie), wie viele Natriumionen könnte die Hydrolyse eines ATP-Moleküls bewegen?

(Abbildung) Drei Natriumionen konnten durch die Hydrolyse eines ATP-Moleküls bewegt werden. Der ∆G der gekoppelten Reaktion muss negativ sein. Die Bewegung von drei Natriumionen durch die Membran erfordert 6,3 kcal Energie (2,1 kcal × 3 Na + Ionen = 6,3 kcal). Die Hydrolyse von ATP liefert 7,3 kcal Energie, mehr als genug, um diese Reaktion anzutreiben. Die Bewegung von vier Natriumionen durch die Membran würde jedoch 8,4 kcal Energie erfordern, die mehr als ein ATP-Molekül liefern kann.

Rezensionsfragen

Die bei der Hydrolyse von ATP freigesetzte Energie beträgt____

  1. hauptsächlich zwischen den Alpha- und Beta-Phosphaten gespeichert
  2. gleich −57 kcal/mol
  3. von der Zelle als Wärmeenergie genutzt, um Arbeit zu verrichten
  4. Bereitstellung von Energie für gekoppelte Reaktionen

Welches der folgenden Moleküle hat wahrscheinlich die höchste potentielle Energie?

Fragen zum kritischen Denken

Glaubst du, dass die EEIN für die ATP-Hydrolyse ist relativ niedrig oder hoch? Erklären Sie Ihre Argumentation.

Die Aktivierungsenergie für die Hydrolyse ist sehr gering. Die ATP-Hydrolyse ist nicht nur ein exergonischer Prozess mit einem großen −∆G, sondern ATP ist auch ein sehr instabiles Molekül, das schnell in ADP + P . zerfälltich wenn nicht schnell genutzt. Dies deutet auf ein sehr niedriges E . hinEIN da es so schnell hydrolysiert.

Glossar



Bemerkungen:

  1. Chiram

    bemerkenswert, sehr lustige Idee

  2. Qaseem

    In my opinion this was already discussed

  3. Bothe

    Ich bestätige. Alle oben haben die Wahrheit gesagt. Lassen Sie uns diese Frage diskutieren.



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