ATP (Adenosintriphosphat) ist ein organisches Molekül, das in lebenden Zellen vorkommt. Organismen müssen sich bewegen, vermehren und Nahrung finden können.
Diese Aktivitäten verbrauchen Energie und basieren auf chemische Reaktionen innerhalb der Zellen, aus denen der Organismus besteht. Die Energie für diese zellulären Reaktionen kommt aus dem ATP-Molekül.
Es ist die bevorzugte Brennstoffquelle für die meisten Lebewesen und wird oft als "molekulare Währungseinheit" bezeichnet.
Die Struktur von ATP
Das ATP-Molekül besteht aus drei Teilen:
- Das Adenosin Modul ist eine stickstoffhaltige Base aus vier Stickstoffatomen und einer NH2-Gruppe an einem Rückgrat einer Kohlenstoffverbindung.
- Das ribose Gruppe ist ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen im Zentrum des Moleküls.
- Das Phosphat Gruppen sind aufgereiht und durch Sauerstoffatome auf der anderen Seite des Moleküls, weg von der Adenosingruppe, verbunden.
In den Verbindungen zwischen den Phosphatgruppen wird Energie gespeichert. Enzyme kann eine oder zwei der Phosphatgruppen ablösen, die gespeicherte Energie freisetzen und Aktivitäten wie Muskelkontraktionen anregen. Wenn ATP eine Phosphatgruppe verliert, wird es zu
Wie die Zellatmung ATP. produziert
Der Atmungsprozess auf zellulärer Ebene hat drei Phasen.
In den ersten beiden Phasen werden Glukosemoleküle abgebaut und CO2 produziert. An dieser Stelle wird eine kleine Anzahl von ATP-Molekülen synthetisiert. Der größte Teil des ATP wird während der dritten Atmungsphase über einen Proteinkomplex namens. gebildet ATP-Synthase.
Die letzte Reaktion in dieser Phase kombiniert ein halbes Sauerstoffmolekül mit Wasserstoff, um Wasser zu erzeugen. Die detaillierten Reaktionen jeder Phase sind wie folgt:
Glykolyse
Ein Glucosemolekül mit sechs Kohlenstoffatomen erhält zwei Phosphatgruppen von zwei ATP-Molekülen und wandelt sie in ADP um. Das Glucosephosphat mit sechs Kohlenstoffatomen wird in zwei Zuckermoleküle mit drei Kohlenstoffatomen zerlegt, an die jeweils eine Phosphatgruppe gebunden ist.
Unter der Wirkung des Coenzyms NAD+ werden die Zuckerphosphatmoleküle zu Dreikohlenstoffpyruvatmolekülen. Das NAD+-Molekül wird NADH, und ATP-Moleküle werden aus ADP synthetisiert.
Der Krebs-Zyklus
Das Krebs Zyklus heißt auch die Zitronensäurezyklus, und es vervollständigt den Abbau des Glucosemoleküls, während es mehr ATP-Moleküle erzeugt. Für jede Pyruvatgruppe wird ein Molekül NAD+ zu NADH oxidiert, und die Coenzym A liefert eine Acetylgruppe an den Krebs-Zyklus, während ein Kohlendioxidmolekül freigesetzt wird.
Für jede Runde des Zyklus durch Zitronensäure und ihre Derivate produziert der Zyklus vier NADH-Moleküle für jeden Pyruvat-Input. Gleichzeitig nimmt das Molekül FAD zwei Wasserstoffe und zwei Elektronen an und wird zu FADH2, und zwei weitere Kohlendioxidmoleküle werden freigesetzt.
Schließlich wird pro Zyklusumdrehung ein einzelnes ATP-Molekül produziert.
Da jedes Glukosemolekül zwei Pyruvat-Inputgruppen produziert, sind zwei Zyklen des Krebs-Zyklus erforderlich, um ein Glukosemolekül zu metabolisieren. Diese zwei Windungen produzieren acht NADH-Moleküle, zwei FADH2-Moleküle und sechs Kohlendioxid-Moleküle.
Die Elektronentransportkette
Die letzte Phase der Zellatmung ist die Elektronentransportkette oder USW. Diese Phase verwendet Sauerstoff und die vom Krebs-Zyklus produzierten Enzyme, um eine große Anzahl von ATP-Molekülen in einem Prozess namens. zu synthetisieren oxidative Phosphorylierung. NADH und FADH2 geben zunächst Elektronen an die Kette ab, und eine Reihe von Reaktionen baut potenzielle Energie auf, um ATP-Moleküle zu erzeugen.
Erstens werden NADH-Moleküle zu NAD+, da sie Elektronen an den ersten Proteinkomplex der Kette abgeben. Die FADH2-Moleküle spenden Elektronen und Wasserstoff an den zweiten Proteinkomplex der Kette und werden zu FAD. Die NAD+- und FAD-Moleküle werden als Inputs in den Krebs-Zyklus zurückgeführt.
Während die Elektronen in einer Reihe von Reduktionen und Oxidationen die Kette entlang wandern, oder Redox Reaktionen wird die freigesetzte Energie verwendet, um Proteine durch eine Membran zu pumpen, entweder die Zellmembran für Prokaryoten oder in den Mitochondrien für Eukaryoten.
Wenn die Protonen durch einen Proteinkomplex namens ATP-Synthase zurück durch die Membran diffundieren, wird die Protonenenergie verwendet, um eine zusätzliche Phosphatgruppe an ADP zu binden, wodurch ATP-Moleküle entstehen.
Wie viel ATP wird in jeder Phase der Zellatmung produziert?
ATP wird in jeder Stufe von. produziert Zellatmung, aber die ersten beiden Stufen konzentrieren sich auf die Synthese von Substanzen für die Verwendung der dritten Stufe, in der der Großteil der ATP-Produktion stattfindet.
Die Glykolyse verbraucht zunächst zwei ATP-Moleküle für die Spaltung eines Glukosemoleküls, erzeugt dann aber vier ATP-Moleküle für a Nettogewinn von zwei. Der Krebs-Zyklus produziert zwei weitere ATP-Moleküle für jedes verwendete Glucosemolekül. Schließlich verwendet das ETC Elektronendonatoren aus den vorherigen Phasen, um 34 Moleküle ATP.
Die chemischen Reaktionen der Zellatmung ergeben somit insgesamt 38 ATP-Moleküle für jedes Glucosemolekül, das in die Glykolyse eintritt.
In einigen Organismen werden zwei Moleküle ATP verwendet, um NADH aus der Glykolysereaktion in der Zelle in die Mitochondrien zu überführen. Die gesamte ATP-Produktion dieser Zellen beträgt 36 ATP-Moleküle.
Warum brauchen Zellen ATP?
Im Allgemeinen benötigen Zellen ATP als Energiequelle, aber es gibt mehrere Möglichkeiten, die potentielle Energie aus den Phosphatbindungen des ATP-Moleküls zu nutzen. Die wichtigsten Eigenschaften von ATP sind:
- Es kann in einer Zelle erstellt und in einer anderen verwendet werden.
- Es kann helfen, auseinanderzubrechen und komplexe Moleküle aufzubauen.
- Es kann organischen Molekülen zugesetzt werden, um ihre Form zu verändern. All diese Eigenschaften beeinflussen, wie eine Zelle verschiedene Substanzen verwenden kann.
Die dritte Phosphatgruppenbindung ist die am energischsten, aber je nach Prozess kann ein Enzym eine oder zwei der Phosphatbindungen brechen. Dies bedeutet, dass die Phosphatgruppen vorübergehend an die Enzymmoleküle gebunden werden und entweder ADP oder AMP produziert wird. Die ADP- und AMP-Moleküle werden später während der Zellatmung wieder in ATP umgewandelt.
Das Enzymmoleküle übertragen die Phosphatgruppen auf andere organische Moleküle.
Welche Prozesse verwenden ATP?
ATP kommt in lebenden Geweben vor und kann die Zellmembranen durchdringen, um Energie dorthin zu liefern, wo die Organismen sie benötigen. Drei Beispiele für die Verwendung von ATP sind die Synthese von organischen Molekülen, die Phosphatgruppen enthalten, Reaktionen erleichtert durch ATP und aktiven Transport von Molekülen über Membranen. In jedem Fall setzt ATP eine oder zwei seiner Phosphatgruppen frei, damit der Prozess ablaufen kann.
Beispielsweise, DNA und RNA Moleküle bestehen aus Nukleotide die Phosphatgruppen enthalten können. Enzyme können Phosphatgruppen von ATP ablösen und bei Bedarf an Nukleotide anfügen.
Für Prozesse mit Proteinen, Aminosäuren oder Chemikalien, die für die Muskelkontraktion verwendet werden, kann ATP eine Phosphatgruppe an ein organisches Molekül binden. Die Phosphatgruppe kann Teile entfernen oder helfen, das Molekül hinzuzufügen und es dann nach einer Änderung freizugeben. Im Muskelzellen, wird diese Art von Aktion bei jeder Kontraktion der Muskelzelle durchgeführt.
Beim aktiven Transport kann ATP Zellmembranen durchqueren und andere Stoffe mitbringen. Es kann auch Phosphatgruppen an Moleküle binden, um ihre Form ändern und lassen sie die Zellmembranen passieren. Ohne ATP würden diese Prozesse aufhören und Zellen wären nicht mehr funktionstüchtig.