3.20: ATP-Energiespeicherung und freisetzung

ATP ist ein sehr instabiles Molekül. Wenn ATP nicht schnell zur Verrichtung von Arbeiten verwendet wird, dissoziiert es spontan in ADP und anorganisches Phosphat (P_i), und die während dieses Prozesses freigesetzte freie Energie geht als Wärme verloren. Die durch die ATP-Hydrolyse freigesetzte Energie wird verwendet, um Arbeiten im Inneren der Zelle auszuführen, und hängt von einer Strategie ab, die als Energiekopplung bezeichnet wird. Die Zellen koppeln die exergonische Reaktion der ATP-Hydrolyse mit endergonischen Reaktionen, so dass sie fortfahren können.

Ein Beispiel für die Energiekopplung mit ATP ist eine Transmembran-Ionenpumpe, die für die zelluläre Funktion extrem wichtig ist. Diese Natrium-Kalium-Pumpe (Na^+/K^+-Pumpe) treibt Natrium aus der Zelle und Kalium in die Zelle. Ein großer Prozentsatz des ATP einer Zelle wird für den Antrieb dieser Pumpe ausgegeben, da zelluläre Prozesse regelmäßig große Mengen an Natrium in die Zelle importieren und große Mengen an Kalium aus der Zelle exportieren. Die Pumpe arbeitet ständig daran, die zellulären Konzentrationen von Natrium und Kalium zu stabilisieren. Damit die Pumpe einen Zyklus drehen kann (drei Na⁺-Ionen exportieren und zwei K^+-Ionen importieren), muss ein ATP-Molekül hydrolysiert werden. Wenn ATP hydrolysiert wird, wird sein Gammaphosphat auf das Pumpprotein übertragen.

Dieser Prozess, bei dem eine Phosphatgruppe an ein Molekül bindet, wird als Phosphorylierung bezeichnet. Wie bei den meisten Fällen der ATP-Hydrolyse wird ein Phosphat aus ATP auf ein anderes Molekül übertragen. Im phosphorylierten Zustand verfügt die Na⁺/K^+-Pumpe über mehr freie Energie und wird zu einer Konformationsänderung veranlasst. Diese Änderung ermöglicht es ihm, Na⁺ an die Außenseite der Zelle abzugeben. Es bindet dann extrazelluläres K⁺, was durch eine weitere Konformationsänderung dazu führt, dass sich das Phosphat von der Pumpe löst. Diese Freisetzung von Phosphat löst die Abgabe des K⁺ an das Innere der Zelle aus. Im Wesentlichen wird die Energie, die bei der Hydrolyse von ATP freigesetzt wird, mit der Energie gekoppelt, die für den Antrieb der Pumpe und den Transport von Na⁺– und K^+-Ionen erforderlich ist. ATP leistet mit dieser Grundform der Energiekopplung durch Phosphorylierung zelluläre Arbeit.

Während zellulärer Stoffwechselreaktionen, wie z. B. der Nährstoffsynthese und des Nährstoffabbaus, müssen sich bestimmte Moleküle häufig in ihrer Konformation leicht verändern, um zu Substraten für den nächsten Schritt in der Reaktionsreihe zu werden. Ein Beispiel ist die Glykolyse, die allerersten Schritte der Zellatmung. In diesem ersten Schritt wird ATP benötigt, um Glukose zu phosphorylieren, wodurch ein energiereiches, aber instabiles Zwischenprodukt entsteht. Diese Phosphorylierungsreaktion führt zu einer Konformationsänderung, die es dem phosphorylierten Glukosemolekül ermöglicht, sich in den phosphorylierten Zucker Fruktose umzuwandeln. Fruktose ist ein notwendiges Zwischenprodukt, damit die Glykolyse voranschreiten kann. Hier stellt die exergonische Reaktion der ATP-Hydrolyse in Verbindung mit der endergonischen Reaktion der Glukosephosphorylierung einen Zwischenschritt auf dem Weg dar. Auch hier wurde die Energie, die durch das Aufbrechen einer Phosphatbindung innerhalb von ATP freigesetzt wurde, zur Phosphorylierung eines anderen Moleküls verwendet, wodurch ein instabiles Zwischenprodukt entstand und eine wichtige Konformationsänderung ausgelöst wurde.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Biology 2e, Section 6.4:ATP: Adenosintriphosphat