Adenosintriphosphat

Aufbau und Bedeutung von ATP

Adenosintriphosphat (ATP) ist ein Nukleotid und das Triphosphat des Nucleosids Adenosin. Es ist der universelle, unmittelbar verfügbare Energieträger der Zellen und reguliert energieliefernde Prozesse. ATP besteht aus einem Adeninrest, dem Zucker Ribose und drei Phosphaten, die als α-, β- und γ-Phosphat bezeichnet werden. Das α-Phosphat ist über eine Esterbindung gebunden, β und γ über Anhydridbindungen. Die Summenformel lautet C_{10}H_{16}N_{5}O_{13}P_{3}; die molare Masse beträgt 507,18 g·mol^{−1}.

Energieübertragung durch ATP

Zellen benötigen Energie für chemische Arbeit, etwa für die Synthese organischer Moleküle, für osmotische Arbeit wie den aktiven Stofftransport durch Biomembranen sowie für mechanische Arbeit bei Muskelkontraktionen. ATP überträgt diese Energie hauptsächlich durch die Spaltung seiner Phosphatbindungen.

Bei einer enzymkatalysierten Hydrolyse, also einer Spaltung mit Wasser, kann ATP eine oder zwei Phosphatgruppen abgeben. Dabei entstehen entweder Adenosindiphosphat (ADP) und Monophosphat oder Adenosinmonophosphat (AMP) und Pyrophosphat. Unter Standardbedingungen werden bei der Spaltung einer Bindung 32,3 kJ/mol, bei der Spaltung beider Bindungen 64,6 kJ/mol für Arbeitsleistungen nutzbar.

ATP als Signalmolekül

Innerhalb der Zelle dient ATP auch als Cosubstrat von Kinasen. Kinasen sind Enzyme, die Phosphatgruppen übertragen und dadurch Stoffwechselvorgänge sowie deren Regulation beeinflussen. Zu den genannten Proteinkinasen gehören die cAMP-abhängige Proteinkinase A (PKA), die Calcium-abhängige Proteinkinase C (PKC), Calmodulin-abhängige Kinasen und die Insulin-stimulierte Proteinkinase (ISPK), ein Enzym der Klasse Proteinkinase B. Kinasen können in einer Enzymkaskade hintereinander wirken; dies wird bei der Regulation des Blutzuckers deutlich.

Außerhalb der Zelle wirken ATP, ADP und Adenosin als Agonisten purinerger Rezeptoren. Ein Agonist aktiviert einen Rezeptor. Diese Rezeptoren spielen im zentralen und peripheren Nervensystem eine Rolle. ATP ist dadurch beispielsweise an der Durchblutungsregulation und an Entzündungsreaktionen beteiligt. Nach neuronalen Verletzungen wird ATP ausgeschüttet und kann die Vermehrung von Astrozyten und Neuronen anregen.

Regeneration von ATP

Nach der Energieabgabe muss ATP aus ADP oder AMP wiederhergestellt werden. Dies geschieht durch Substratkettenphosphorylierung oder Elektronentransportphosphorylierung, die auch Atmungskette genannt wird.

Bei der Substratkettenphosphorylierung wird ein Phosphatrest zunächst an ein Zwischenprodukt beim Abbau energiereicher Stoffe gebunden. Nach weiteren Umbauten wird dieser Phosphatrest auf ADP übertragen.

Bei der Elektronentransportphosphorylierung transportieren Elektronen- und Wasserstoff-Überträger Elektronen entlang eines Redoxgradienten über eine Membran. Dadurch werden Protonen auf eine Membranseite gepumpt: bei Bakterien nach außen, bei Eukaryoten aus der Matrix der Mitochondrien in den Intermembranraum. Es entsteht ein Protonengradient und damit ein chemiosmotisches Potenzial ΔP aus dem Protonenkonzentrationsunterschied ΔpH und der elektrischen Potentialdifferenz ΔΨ. Beim Rückfluss der Protonen durch die ATP-Synthase wird die energieverbrauchende Bindung von anorganischem Phosphat an ADP angetrieben. Manche Organismen verwenden statt Protonen Natriumionen und besitzen eine Na^{+}-abhängige ATP-Synthase.

Chemotrophe Organismen speisen unter anderem NADH, NADPH, FADH_{2} oder reduziertes Ferredoxin in die Atmungskette ein. Diese Stoffe entstehen beim Abbau von Kohlenhydraten oder Fettsäuren. Bei aeroben Organismen ist Sauerstoff der Elektronenakzeptor und Wasser entsteht; bei anaerober Atmung können beispielsweise Schwefel oder Eisen(II) Elektronen aufnehmen. Phototrophe Organismen nutzen Licht: Chlorophylle geben nach Lichtabsorption energiereiche Elektronen ab. Diese Photophosphorylierung findet bei grünen Pflanzen in Chloroplasten und bei Bakterien im Cytoplasma statt.

ATP-Versorgung in Muskel- und Herzmuskelzellen

Der ATP-Vorrat einer Muskelzelle beträgt etwa 6 mmol/kg Muskel und reicht bei maximaler Kontraktion nur ungefähr 2–3 Sekunden. Für die schnelle Regeneration steht Kreatinphosphat bereit: Säugetiermuskelzellen besitzen davon etwa 21 mmol/kg Muskel beziehungsweise 0,08 % pro Körpergewicht. Die Creatin-Kinase überträgt dessen Phosphorylgruppe auf ADP. Nach 6–10 Sekunden ist auch dieser Vorrat verbraucht; dann müssen die übrigen Mechanismen ATP bereitstellen.

Bei starker Muskelbeanspruchung wird Glucose durch Milchsäuregärung zu Lactat abgebaut, um schnell ATP zu gewinnen. In der Leber wird Lactat über Pyruvat unter ATP-Verbrauch wieder zu Glucose aufgebaut. Diese gelangt zurück zum Muskel; der Kreislauf heißt Cori-Zyklus. Im Notfall können Proteine zu Aminosäuren und meist weiter zu Pyruvat abgebaut werden. Pyruvat wird zu Alanin transaminiert, zur Leber transportiert und dort wieder zur Glucosebildung verwendet. Dies ist der Glucose-Alanin-Zyklus.

Der Herzmuskel nutzt vor allem Fettsäuren, die durch β-Oxidation in seinen zahlreichen Mitochondrien abgebaut werden. Außerdem kann er Glucose, Lactat über dessen Reoxidation zu Pyruvat, Ketonkörper und Glykogen nutzen. Bei hoher Belastung können bis zu 60 % der Energie aus der Oxidation von Lactat stammen.

Konzentration und täglicher Umsatz

Die ATP-Konzentration ist in der Zelle eine Regelgröße. Sinkt sie unter 4–5 mmol/l, werden energieliefernde Reaktionen aktiviert, beispielsweise über die Phosphofructokinase. Bei Überschreiten dieses Schwellenwertes wird Energie gespeichert, etwa als Kreatinphosphat im Muskel oder als Glykogen in der Leber. Kohlenhydrat- und Proteinspeicher sind begrenzt; weiterer Energieüberschuss wird über Acetyl-CoA als Fett gespeichert.

Ein durchschnittlicher Erwachsener baut täglich etwa ATP in Höhe der halben eigenen Körpermasse auf und ab. Ein 80 kg schwerer Mann setzt etwa 40 kg ATP täglich um. Das entspricht etwa 78,8 mol oder 4,75 × 10^{25} Molekülen, die jeweils neu gebildet werden. Bei intensiver körperlicher Arbeit kann der ATP-Umsatz 0,5 kg pro Minute erreichen.