Lexikon der Biologie: Adenosintriphosphat
Adenosintriphosphats [von *adeno -], Adenosin-5´-triphosphat (anionische Form der Adenosin-5´-triphosphorsäure), Abk. ATP, niedermolekulare chemische Verbindung aus Adenin, Ribose und 3 linear aneinandergereihten Phosphaten ( vgl. Kalottenmodell ). ATP wurde erstmals 1929 von Lohmann dargestellt (Isolation aus Froschmuskeln). Während das erste Phosphat als Ester am 5´-Kohlenstoff der Ribose verankert ist, sind die anderen beiden als Säureanhydride (Anhydride) gebunden. Die Bindungen des zweiten bzw. dritten Phosphats sind deshalb sehr energiereich und leicht aufzuspalten. Dabei wird zusammen eine Energie von 8–10 kcal/mol (ca. 30 kJ/mol) freigesetzt. Die reversible Hydrolyse von ATP = AMP˜P˜P (˜ bezeichnet die energiereiche Bindung) kann vollständig zu AMP (Adenosinmonophosphat unter Abspaltung von Pyrophosphat) oder nur zu ADP (Adenosin-5´-diphosphat unter Abspaltung von Orthophosphat) erfolgen (vgl. Abb.):
AMP˜P˜P+H2O 
AMP+P˜P (Pyrophosphat)
AMP˜P˜P+H2O
AMP˜P+P (Orthophosphat)
ATP ist einer der Nucleotidbausteine (Nucleotide) für die Synthese von makromolekularen Nucleinsäuren, der Desoxyribonucleinsäuren (DNA) und Ribonucleinsäuren (RNA). Es ist die wichtigste energiereiche Verbindung des Zellstoffwechsels und hat eine universelle biologische Bedeutung im intrazellulären Energiestoffwechsel als temporärer Speicher chemischer Energie (in einigen Fällen auch Guanosin-5´-triphosphat [GTP]). Die in ATP gespeicherte Energie wird in der Zelle zur Aktivierung von Aminosäuren, Fettsäuren und anderen Verbindungen sowie zur Übertragung der endständigen Phosphatgruppe (Gruppenübertragung) auf verschiedenste Substrate eingesetzt. Unter der Wirkung von RNA-Polymerase wird die in ATP enthaltene AMP-Gruppierung in RNA eingebaut, wobei die endständige Pyrophosphat-Gruppe freigesetzt wird. Adenylat-Cyclase katalysiert die Umwandlung von ATP in zyklisches Adenosin-3´,5´-monophosphat (cAMP;Adenosinmonophosphat). ATP hemmt als allosterisches Effektormolekül (Allosterie, Effektor) die Aktivität der Enzyme Isocitrat-Dehydrogenase und Phosphofructokinase, wodurch sich hohe ATP-Konzentrationen hemmend auf den Ablauf des Citronensäurezyklus (Citratzyklus) bzw. der Glykolyse auswirken. Antagonistisch wirken dabei ADP bzw. AMP. – ATP kommt in allen lebenden Zellen in einer Konzentration von 10–2–10–3 Mol/l vor, welche durch zelluläre Prozesse auf konstantem Niveau reguliert wird. Damit wird die räumliche und zeitliche Entkopplung von Prozessen der Energiegewinnung und des Energieverbrauchs innerhalb einer Zelle ermöglicht. Ein Nettozuwachs von ATP entsteht beim Katabolismus (Energiegewinnung in Form von ATP z. B. aus Licht [Photosynthese] oder energiereichen chemischen Stoffen durch anaerobe [Glykolyse, Gärung] und aerobe [Atmung, Atmungskette] Prozesse). Zu den besonders energieverbrauchenden Prozessen gehören unter anderem die Synthese von Biomakromolekülen (Biopolymere) und ihrer Bausteine, die Steuerung des Stoffwechsels durch Phosphorylierung regulativer Proteine und die Aufrechterhaltung des Membranpotentials. Zur dauernden Speicherung chemischer Energie ist ATP für die Zelle nicht geeignet, da die Konzentration von ATP große regulative Bedeutung für den Zellstoffwechsel hat und eine zu hohe Konzentration die Verschwendung von ATP stimulieren würde (die ATP-Versorgung ist vergleichbar mit der Lieferung elektrischen Stroms). Deshalb gibt es im Organismus verschiedene andere Systeme, welche kurzfristige (z. B. Akkumulation von Kreatinphosphat; Kreatin) oder längerfristige (Synthese von Glykogen bzw. Stärke aus Glucose, Anlage von Fettdepots) Bedeutung für den zellulären Stoffwechsel haben. Zur Charakterisierung des Energiezustands der Zelle wurde von D.E. Atkinson der Begriff "energy charge" (Energieladung) geprägt. – Kürzlich (1998) waren Versuche erfolgreich, ATP an Modellmembranen im Labormaßstab künstlich zu gewinnen. Dabei wird nach dem Vorbild photosynthetischer Bakterien (phototrophe Bakterien) das Reaktionszentrum mit Elektronendonor und Elektronenakzeptor gekoppelt, die räumlich getrennt vorliegen. Nach Bestrahlung wird mit Hilfe dieses Systems eine Potentialdifferenz über die Membran erzeugt, die von einer ebenfalls integrierten ATP-Synthase zur ATP-Gewinnung genutzt wird. – Nach neueren Erkenntnissen fungiert ATP nicht nur als Energieträger im Organismus, sondern ist auch als Neurotransmitter im Gehirn nachweisbar. Dabei kann ATP sowohl als eigenständiger Transmitter wirken als auch die Freisetzung von Neurotransmittern wie Acetylcholin und Noradrenalin modulieren. Zwei Typen von ATP-bindenden Rezeptoren (P2-Purinozeptoren) sind bislang (1998) bekannt. Liganden-gesteuerte Ionenkanäle(P2X-Rezeptoren), die geöffnet für Ca2+, Na+ und K+ durchlässig sind, erreichen die schnelle Auslösung von Aktionspotentialen (Aktionspotential). Die zweite Gruppe, mit trimeren G-Proteinen gekoppelte Rezeptoren (P2Y-Rezeptoren), bewirkt durch die Bildung bzw. Freisetzung der sekundären Boten cAMP, Inositoltriphosphat und Ca2+ eine langsamere Übermittlung von Signalen. Rezeptoren vom P2X-Typ kommen in Nervenzellen, aber auch in Muskel- und Gliazellen sowie in Zellen des Immunsystems vor; P2Y-Rezeptoren sind weiter verbreitet und binden als Liganden nicht nur ATP, sondern auch UTP (Uridin-5´-triphosphat). Die Neurotransmitterwirkung von ATP wird durch eine im synaptischen Spalt aktive Enzymkaskade beendet, die die sukzessive Abspaltung der Phosphatreste unter Bildung von Adenosin katalysiert. ABC-Transporter, Adenosintriphosphatasen, ATP-Phosphataustausch, ATP-Rezeptor-Kanäle, Lipmann (F.A.), Mitchell (P.D.), Ponnamperuma (C.), Todd (A.R.).
F.E./M.B.
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Adenosintriphosphat Das Kalottenmodell zeigt rechts den von den Enzymproteinen (vor allem über Wasserstoffbrückenbindungen) zur Erkennung benutzten Anteil des ATP: Adenin und Ribose. Abgewinkelt davon steht links der gespannte starre Stab der drei Phosphatgruppen. Die Anhydridbindungen zwischen den Phosphatgruppen haben ein hohes Phosphoryl-Gruppenübertragungspotential, sie sind "energiereich". Grundlage für den hohen Energiegewinn bei der Hydrolyse von ATP sind die vier negativen Ladungen, die sich bei kurzem gegenseitigem Abstand stark abstoßen. Durch die Hydrolyse werden diese Ladungen voneinander getrennt, zugleich steigt die Zahl der Resonanzmöglichkeiten in den getrennten Phosphat-Anionen. |
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Adenosintriphosphat (ATP) besteht aus Adenin, Ribose und einer Triphosphat-Einheit mit zwei inneren Phosphorsäureanhydrid-Bindungen. Bei deren enzymatischer Hydrolyse zu Adenosindiphosphat (ADP) und dann weiter zu Adenosinmonophosphat (AMP) wird Bindungsenergie freigesetzt (ΔG°´ = freigesetzte Energie unter Normalbedingungen). Die Phosphatgruppen sind in Wirklichkeit räumlich-tetraedrisch, nicht eben-quadratisch aufgebaut. |
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