Die ATP-Synthese

ATP ist der universelle Energieträger in der Zelle. Die Synthese, d.h. der Aufbau von ATP ist eine chemische Reaktion, die alle Lebewesen durchführen können, da Leben ohne ATP nicht möglich ist.

Der chemische Aufbau von ATP

Was der Name verrät:

Aden...       Adenin ist eine der vier Basen, die auch in der DNA und in der RNA auftreten
-os             "-osen" sind allgemein Zucker; hier ist der Zucker Ribose vorhanden, wie in der RNA
...in             "-in" steht allgemein für eine stickstoffhaltige organische Verbindung, wie hier die Stickstoffbase Adenin
tri-              dreifach vorhanden (Adenosin-di-phosphat, ADP, hat nur zwei Phosphatreste)
-phosphat   chemisch abgewandelte Phosphorsäure

 Der Zucker im Zentrum bindet nach der einen Seite Adenin und drei Phosphatreste nach der anderen Seite. Die Bindungen zwischen den Phosphaten, vor allem zum dritten Phosphatrest sind wenig stabil ( energiereich), und damit leicht spaltbar.

Die chemischen Eigenschaften und die Bedeutung von ATP

Die Spaltung von ATP – im einfachsten Fall durch Reaktion mit H₂O – verläuft unter Energiefreisetzung: ATP + H₂O  ADP + P_i + Energie

Es entsteht stabiles anorgansches Phosphat, P_i (Phosphorsäure, phosphate inorganic). Ähnliche Reaktionen des ATP "treiben" biochemische Vorgänge an:

- ähnlich wie mit Wasser reagiert ATP auch mit –OH Gruppen von organischen Substraten und überträgt auf diese Phosphat, z.B.:
ATP + 3-Phospho-Glycerinsäure  ADP + 1,3-Bisphosphoglycerinsäure
eine solche Phosphorylierung steigert die Reaktionsfähigkeit der organischen Moleküle, sie werden in die Lage versetzt organische Synthesereaktionen einzugehen, die sonst nicht möglich wären. Man sagt deshalb, dass ATP "chemische Arbeit" leistet.

- die Spaltung von ATP kann auch Transportvorgänge gegen das Konzentrationsgefälle antreiben, also den aktiven Transport mit Energie versorgen.

- die ATP-Spaltung versorgt den Muskel bei Leistung mechanischer Arbeit mit Energie

Die 3 Arten der ATP-Synthese

Es gibt zwei "moderne", d.h. in der Evolution später entstandene, leistungsfähigere Arten der ATP-Synthese, die in speziellen Organellen ablaufen: die Photophosphorylierung in den Chloroplasten und die Atmungskettenphosphorylierung in den Mitochondrien. Eine primitivere, d.h. evolutionsbiologische ältere, einfachere Art der Phosphorylierung, die allerdings weniger effizient ist, ist die Substratkettenphosphorylierung. Sie läuft im Cytoplasma ab.

Die Photophosphorylierung – ATP-Synthese bei der Lichtreaktion

Durch den lichtgetriebenen Elektronentransport zwischen den Photosystemen in der Thylakoidmembran werden erzwungenermaßen Protonen (H⁺) in den Thylakoidinnenraum gepumpt:

dadurch entsteht eine Art "Protonenüberdruck" im Thylakoiden. Ihrem Konzentrationsgefälle folgend strömen die H⁺ durch Poren nach außen ins Stroma. Diese Poren werden von dem Enzym ATP-Synthase gebildet, das ähnlich wie eine Turbine gebaut ist und ADP zum ATP aufphosphoryliert: ADP + P_i  ATP Im Endeffekt wird durch das Thylakoidsystem ein Teil der Lichtenergie in chemische Energie in Form von ATP verwandelt.

Die Atmungskettenphosphorylierung – ATP-Synthese im Mitochondrium

Mitochondrien sind auf die ATP-Gewinnung spezialisierte Organellen. In ihrer Innenmembran befindet sich eine ATP-Synthase und es findet wie in der Thylakoidmembran ein Elektronentransport statt. Dadurch ist die Atmungskettenphosphorylierung der Photophosphorylierung sehr ähnlich: Elektronen werden gepumpt und strömen anschließend durch die Poren der ATP-Synthase. Das treibt den Aufbau von ATP an: ADP + P_i  ATP

Die Substratkettenphosphorylierung – ATP-Synthesen beim Abbau des Kohlenstoffgerüsts der Glucose

Energiereiche Zwischenprodukte des Stoffwechsels binden anorganisches Phosphat P_i, das aber nur locker gebunden ist und auf ADP übertragen werden kann. Z.B. entsteht im Verlauf des Glukoseabbaus die Verbindung 1,3-Bisphosphoglycerinsäure, die mit ADP reagiert:

1,3-Bisphosphoglycerinsäure + ADP  3-Phosphoglycerinsäure + ATP