Gruppenübertragungspotenzial

Grundidee und Bedeutung

Das Gruppenübertragungspotential beschreibt in der Biochemie, wie gut eine chemische Gruppe unter Energieabgabe übertragen werden kann. Es zeigt damit die Richtung des Energieflusses an. Als Maß dient meist die auf den physiologischen pH-Wert 7 bezogene freie Standardenthalpieänderung ΔG^{0′}. Die freie Standardenthalpieänderung ΔG^{0} wird dagegen für pH 0 angegeben.

Verglichen wird die Hydrolyse, also die Spaltung einer Verbindung mit Wasser. Negative ΔG^{0′}-Werte bedeuten, dass die Reaktion exergon ist: Sie läuft bereitwillig ab und setzt Energie frei. Je negativer der Wert ist, desto energiereicher ist die Bindung, desto höher ist das Gruppenübertragungspotential und desto wahrscheinlicher erfolgt die Übertragung der Gruppe. Positive ΔG^{0′}-Werte zeigen dagegen ein fehlendes Gruppenübertragungspotential an: Für die Übertragung müsste Energie zugeführt werden; die Reaktion ist endergon.

Beispielsweise hat die Hydrolyse von Glycerin-3-phosphat zu Glycerin und anorganischem Phosphat P_{i} einen Wert von ΔG^{0′} = −9,2 kJ/mol. Die Spaltung von ATP zu ADP und P_{i} liefert dagegen ΔG^{0′} = −30,5 kJ/mol. Deshalb wird ATP eher hydrolysiert als Glycerin-3-phosphat.

Bei der Übertragung einer Phosphatgruppe spricht man vom Phosphorylierungspotential. Auch Thioesterverbindungen mit Coenzym A können ein hohes Gruppenübertragungspotential besitzen. Lebewesen benötigen ATP als Energiequelle und müssen es fortlaufend aus ADP neu bilden. Dafür sind phosphorylierte Metabolite mit einem höheren Gruppenübertragungspotential als ATP nötig. Umgekehrt kann ATP Glucose phosphorylieren, weil ATP ein höheres Gruppenübertragungspotential besitzt als die entstehenden Glukosephosphate.

Werte, Vergleiche und Reaktionskopplung

Die Tabelle ordnet Hydrolysereaktionen nach ihren ΔG^{0′}-Werten bei pH 7 unter Standardbedingungen. Besonders hohe Gruppenübertragungspotentiale besitzen Adenylylsulfat mit −88,0 kJ·mol^{−1}, Phosphoenolpyruvat (PEP) mit −62,2 kJ·mol^{−1}, 1,3-Bisphosphoglycerat mit −49,6 kJ·mol^{−1} und Acetylphosphat mit −44,0 kJ·mol^{−1}. Succinyl-CoA und Kreatinphosphat liegen jeweils bei −43,3 kJ·mol^{−1}.

Für ATP werden je nach Bedingungen unterschiedliche Werte genannt: ATP → ADP + P_{i} hat −35,7 kJ·mol^{−1}; bei Überschuss an Mg^{2+} beträgt der Wert −30,5 kJ·mol^{−1}. Weitere Werte sind beispielsweise Acetyl-CoA → Acetat + CoA mit −31,5 kJ·mol^{−1}, Glucose-1-phosphat → Glucose + P_{i} mit −21,0 kJ·mol^{−1}, Glucose-6-phosphat → Glucose + P_{i} mit −14,0 kJ·mol^{−1} sowie Glycerin-3-phosphat → Glycerin + P_{i} mit −9,2 kJ·mol^{−1}. P_{i} bezeichnet anorganisches Phosphat, PP_{i} anorganisches Pyrophosphat.

Glucosephosphate wie Glucose-1-phosphat und Glucose-6-phosphat sind thermodynamisch stabiler als ATP. Formal wären sie durch Umkehrung ihrer Hydrolyse leichter herzustellen als ATP. Mit den Enzymen Glucokinase oder Hexokinase kann ATP seinen Phosphatrest dennoch bereitwillig auf Glucose übertragen.

Zur ATP-Bildung eignen sich nur Metabolite mit höherem Gruppenübertragungspotential als ATP. Dazu zählen Arginin-phosphat, das Crustaceen zum ATP-Gewinn einsetzen, Kreatinphosphat als schnell verfügbare Energiereserve des Skelettmuskels, Succinyl-CoA für den GTP-Gewinn im Citratzyklus sowie 1,3-Bisphosphoglycerat und PEP in der Glykolyse.

Bei PEP wird die stark exergone Umwandlung zu Pyruvat mit der endergonen ATP-Synthese aus ADP gekoppelt. PEP → Pyruvat + P_{i} liefert etwa −60 kJ/mol, während ADP + P_{i} → ATP etwa +35 kJ/mol benötigt. Insgesamt ergibt sich für PEP + ADP → Pyruvat + ATP ein Wert von −25 kJ/mol. Die gekoppelte Gesamtreaktion ist somit exergon und kann ATP bereitstellen. Unter physiologischen Bedingungen beeinflussen die aktuellen Konzentrationen die Werte; deshalb kann ΔG^{0′} von den Tabellenwerten abweichen.