Energieübertragung in der Zelle

Organische Verbindungen speichern chemische Energie. Die Zellen bauen mit Hilfe ihrer Enzyme komplexe organische Moleküle ab (z. B. Glucose), die reich an Energie sind, und setzen sie in einfachere Produkte mit geringerem Energiegehalt um. Ein Teil der Energie kann nützliche Arbeit verrichten, der Rest geht als Wärme verloren.

Lebende Systeme sind auf die kontinuierliche Zufuhr von freier Energie angewiesen. Sie dient drei Zielen:

• der Muskelkontraktion und anderen zellulären Bewegungen (z. B. Flimmerschlag),
• dem aktiven Transport von Molekülen und Ionen
• der Synthese von Biomolekülen aus einfacheren Stoffen.

Diese Prozesse halten lebende Systeme weit entfernt vom Gleichgewichtszustand. Bewegt sich eine Reaktion zum Gleichgewicht hin, dann wird Energie als Wärme frei und geht so dem System verloren. Eine Zelle kann jedoch die Energie auf endergonische (äußere Energie benötigende) Reaktionen übertragen, ohne den verlustreichen Umweg über Wärme zu gehen.

Der spezielle universelle biologische Träger der Energie ist ATP . Die zentrale Bedeutung des ATP für den Energieaustausch in lebenden Systemen haben 1941 FRITZ LIPMANN und HERMAN KALCKAR erkannt. Es ist in nahezu jeder Energieübertragung beteiligt. ATP hat das Bestreben, durch Abspaltung der endständigen Phosphatgruppe eine „Entspannung“ zu erreichen. Bei diesem Prozess wird Energie frei. Diese Energiequelle nutzt die Zelle, indem sie mit Hilfe von Enzymen Phosphatgruppen des ATP auf andere Moleküle überträgt. Diese Moleküle können nun eine Arbeit verrichten, wobei die Phosphatgruppe wieder abgespalten wird. Die meisten Aktivitäten der Zelle enden also mit einer Aufspaltung des ATP in zwei Produkte, die weniger Energie enthalten – ADP und anorganisches Phosphat.

Es entsteht sehr viel freie Enthalpie (Innere Energie eines Systems) $\Delta {\text{G}}^{\text{0}}$, wenn ATP zu ADP und anorganischem Phosphat (${\text{P}}_{\text{i}}$) oder zu AMP und Pyrophosphat ${\text{PP}}_{\text{i}}$ hydrolysiert wird.

${\text{ATP + H}}_{\text{2}}{\text{O = ADP + P}}_{\text{i}}{\text{+ H}}^{\text{+}}\Delta {\text{G}}^{\text{0}}\text{= -30}\text{,5 kJ/mol}$

${\text{ATP + H}}_{\text{2}}{\text{O = AMP + PP}}_{\text{i}}{\text{+ H}}^{\text{+}}\Delta {\text{G}}^{\text{0}}\text{= -30 kJ/mol}$

Die $\Delta {\text{G}}^{\text{0}}$-Werte hängen von der Ionenstärke des Mediums und den Konzentrationen von ${\text{Mg}}^{\text{2+}}$und ${\text{Ca}}^{\text{2+}}$ ab. Unter typischen zellulären Bedingungen beträgt der Wert $\Delta \text{G}=-50\text{kJ/mol}\text{.}$
Soll Energie von einer exergonischen (energiefreisetzenden) auf eine endergonische (energieverbrauchende) Reaktion übertragen werden, so tritt ATP als Überträger auf. ATP ist also gleichzeitig Endprodukt bei einer energiefreisetzenden und Ausgangsstoff bei einer energieverbrauchenden Reaktion.

Die Energie, die bei der ATP-Hydrolyse freigesetzt wird, dient zum Antrieb für Reaktionen, die die Zufuhr von Energie erfordern, z. B. Muskelkontraktionen. Damit die Zelle weiter existieren kann, muss sie ihren ATP-Vorrat immer wieder aus ADP und anorganischem Phosphat auffüllen. Eine aktive Muskelzelle regeneriert beispielsweise in jeder Sekunde ungefähr zehn Millionen ATP-Moleküle. So entsteht umgekehrt ATP aus ADP und ${\text{P}}_{\text{i}}$, wenn Nährstoffmoleküle in chemoheterotrophen Organismen oxidiert werden oder wenn fotoautotrophe Organismen Licht einfangen:

Damit ist dieser ATP/ADP-Zyklus der fundamentale Mechanismus für den Energieaustausch in lebenden Systemen.
Einige Biosynthesen werden von ATP-analogen Nucleotiden angetrieben, z. B. von Guanosintriphosphat GTP:

ATP + GDP = ADP + GTP

ATP + GMP = ADP + GDP