ATP und zelluläre Atmung: Die Energiewährung des Lebens

ATP ist ein essentielles Molekül, das Energie für alle zellulären Aktivitäten bereitstellt. Die Phosphatbindungen des Moleküls speichern eine große Menge Energie, die gespeichert werden kann, bis sie von der Zelle benötigt wird. ATP wird während der zellulären Atmung sowohl verbraucht als auch gebildet, wobei der gesamte Atmungsprozess einen Nettoertrag von etwa 30 ATP-Molekülen pro verbrauchtem Glukosemolekül liefert.

Funktion

Adenosintriphosphat (ATP) ist eine molekulare Verbindung, die Energie für alle Aktivitäten bereitstellt, die innerhalb von Zellen stattfinden. Die in den Phosphatbindungen von ATP gespeicherte Energie dient als Batterie und ermöglicht es der Zelle, Energie je nach wechselnden Stoffwechselanforderungen zu speichern und zu nutzen. Die Atmung ist der biologische Prozess, durch den Zellen Glukose in ATP umwandeln, wobei die vertrauten Abfallprodukte Kohlendioxid (CO2) und Wasser entstehen. Ein Teil der Atmung findet im Zytoplasma der Zelle statt, während die Mehrheit der ATP-Produktion innerhalb der Mitochondrien stattfindet.

Struktur

ATP besteht aus einem Kohlenstoff-Adenin-Ring, einem Ribose-Zucker und drei Phosphorgruppen, die miteinander mit Sauerstoffmolekülen verbunden sind. Energie wird freigesetzt, wenn Enzyme die dritte Phosphatbindung brechen, wodurch die freie Phosphorgruppe und ein Molekül Adenosindiphosphat (ADP) zurückbleiben. Das Brechen dieser Bindung setzt eine enorme Menge Energie frei, bis zu 7,3 Kilokalorien pro Mol, etwa die gleiche Energiemenge, die in einer Erdnuss enthalten ist.

Verbrauch von ATP

ATP ist auf zwei verschiedene Weise an der zellulären Atmung beteiligt. Erstens wird ATP verwendet, um Energie für das erste Stadium der Atmung bereitzustellen, bekannt als Glykolyse, das außerhalb der Mitochondrien der Zelle stattfindet. Für jedes Glukosemolekül werden zwei ATP-Moleküle benötigt, um die Glukose in eine andere Verbindung umzuwandeln, genannt Fruktose-6-Phosphat.

Produktion von ATP

Zweitens wird ATP in den nachfolgenden Stadien der Atmung produziert. Vier ATP-Moleküle werden in den letzten Schritten der Glykolyse gebildet, während die Fruktosemolekül in zwei Pyruvatmoleküle umgewandelt wird. Im zweiten Stadium der Atmung, genannt Citronensäure- oder „Krebs“-Zyklus, wird ATP durch die Energie produziert, die aus dem Entfernen von Kohlenstoffatomen aus einem Citratmolekül stammt. Dies findet innerhalb der Mitochondrien statt und ist dieser Prozess, der das von Lebewesen ausgeatmete Kohlendioxid erzeugt. Die Mehrheit der ATP-Produktion erfolgt jedoch in der Membran der Mitochondrien, wo die sogenannte Elektronentransportkette energiereiche Wasserstoffionen verwendet, um ADP und lose Phosphatgruppen zu verbinden und ATP zu erzeugen.

Menge produziert

Für jedes Glukosemolekül, das einer Atmung unterliegt, besagt die Theorie, dass bis zu 38 ATP-Moleküle produziert werden. Jedoch legt zumindest eine aktuelle Studie nahe, dass die tatsächliche Anzahl näher an 30 liegen könnte, unter Berücksichtigung von Ineffizienzen, die den tatsächlichen ATP-Ertrag reduzieren. Da ATP verwendet wird, um alle internen Prozesse der Zelle anzutreiben, ist die Menge an ATP, die von jeder Zelle produziert werden muss, enorm. Nach einer Schätzung produziert der durchschnittliche menschliche Körper mehr als zweihundert Billionen Billionen (2 x 10^26) ATP-Moleküle pro Tag.