Adenosintriphosphat

Adenosintriphosphat (ATP) ist die universelle Form unmittelbar verfügbarer Energie in jeder Zelle, gleichzeitig ein wichtiger Regulator energieliefernder Prozesse. ATP kann aus Energiespeichern (Glykogen, Kreatin-Phosphat) bei Bedarf freigesetzt werden. Das ATP-Molekül besteht aus einem Adenin-Rest, dem Zucker Ribose und drei Phosphat-Resten (alpha bis gamma) in Ester- (alpha) bzw. Anhydrid-Bindung (beta und gamma).

ATP

ATP als Energieträger

Da für die meisten in Zellen ablaufenden Reaktionen Energie benötigt wird, muss diese in irgend einer Form bereitgestellt werden. Dies geschieht über das Molekül ATP. Die Bindungen der drei Phosphatreste sind sehr energiereiche chemische Bindungen. Die Phosphate sind über so genannte Phosphoanhydrid-Bindungen miteinander verbunden. Werden diese Bindungen enzymatisch gespalten, entsteht das Adenosindiphosphat (ADP) bzw. das Adenosinmonophosphat (AMP). Dabei werden jeweils etwa 30kJ/mol Energie frei. Dieser freiwerdende Energiebetrag ermöglicht überlebenswichtige Stoffwechselreaktionen in den Zellen.

Als Energiequelle wird ATP für die grundlegendsten Stoffwechselprozesse aller Organismen genutzt: In pflanzlichen und tierischen Zellen liefert es die Energie für die Synthese von organischen Molekülen. Es spielt aber eine ebenso große Rolle bei aktiven Transportprozessen in den Zellen und durch Biomembranen hindurch sowie bei der Muskelkontraktion.

ATP als Cosubstrat (Coenzym)

ATP ist ein Substrat der Kinasen, d.h. einer Gruppe von Phosphat-übertragenden Enzymen, die im Metabolismus und bei der Stoffwechselregulation eine Schlüsselrolle spielen. Bedeutende Mitglieder der letzteren Gruppe sind die Proteinkinasen, die je nach ihrem Aktivierungsmechanismus als Proteinkinase A (PKA, cAMP-abhängig]]), Proteinkinase C (PKC, Calcium-abhängig), Calmodulin-abhängige Kinase, oder Insulin-stimulierte Proteinkinase (ISPK) bezeichnet werden, um nur einige Beispiele zu nennen. Unter Blutzucker werden einige Grundprinzipien angesprochen, nach denen eine Serie von Kinasen zu einer Enzymkaskade zusammengeschaltet sein kann.

Regeneration des ATP

Aus dem entstandenen AMP bzw. ADP regeneriert die Zelle das ATP in den Mitochondrien mittels dem Enzym ATP-Synthase. Dazu werden erneut anorganische Phosphatreste an das AMP bzw. ADP gebunden. Um den hohen Energiebedarf für diesen Bindungstyp zu erlangen gibt es verschiedene Möglichkeiten:

• Bei der Photosynthese der Pflanzen wird das ATP unter verwendung der Energie aus Sonnenlicht im Rahmen der so genannten Photophosphorylierung regeneriert.

• Im tierischen Organismus wird die im Traubenzucker steckende Energie durch Abbauprozesse während der Zellatmung freigesetzt und zum Aufbau der energiereichen Bindung verwendet.

• In allen Sauerstoffatmenden Organismen durch die oxidativen Phosphorylierung in den Mitochondrien (siehe auch Atmungskette. Dabei wird Energie hauptsächlich aus dem Abbau vonKohlenhydraten und Fetten, aber auch Aminosäuren mithilfe von Sauerstoff (aus der Luft, deshalb müssen wir atmen) oxidiert ("verbrannt").

• In geringerem Mass durch die Glykolyse im Cytoplasma der meisten Zellen

• Desweiteren gibt es Organismen, welche z.B. Wasserstoff veratmen (Energie aus Knallgas-Reaktion) oder ihre Energie aus Konzentrations- oder pH-Differenzen zwischen Umgebung und Zellinnerem gewinnen.

Allen gemeinsam ist jedoch, dass sie die Energie als ATP speichern.

ATP-Konzentrationen

In der Zelle ist die ATP-Konzentration eine Regelgröße:

• Absinken unter einen Schwellenwert (4-5 mM) aktiviert energieliefernde Reaktionen (siehe Phosphofructokinase);
• Übersteigen des Schwellenwertes bewirkt Energiespeicherung, z.B. durch
  • Bildung von Kreatin-Phosphat als schnell verfügbaren (ATP-liefernden) Speicher im Muskel;
  • Aufbau von Glykogen als "Energiepolster" in der Leber. Kohlenhydrat- und Proteinspeicher sind allerdings limitiert; weiterer Energieüberschuss führt (über Acetyl-CoA) zum Ausbau des Fettspeichers.

Bei einem durchschnittlichen erwachsenen Menschen entspricht die Menge ATP, die täglich in seinem Körper auf- und wieder abgebaut wird, in etwa seinem Körpergewicht.

Siehe auch: Regulatorfunktionen; Gruppenübertragungspotential