Biologie für Nicht-Majors I

Was Sie lernen werden: Beschreiben Sie, wie Zellen freie Energie mit ATP speichern und übertragen

Alle Lebewesen benötigen Energie, um zu funktionieren. Während verschiedene Organismen diese Energie auf unterschiedliche Weise aufnehmen, speichern (und verwenden) sie auf die gleiche Weise. In diesem Abschnitt erfahren Sie mehr über ATP—die Energie des Lebens. ATP ist, wie Zellen Energie speichern. Diese Speichermoleküle werden in den Mitochondrien produziert, winzigen Organellen in eukaryotischen Zellen, die manchmal als „Kraftwerk“ der Zelle bezeichnet werden.

Arzt für Mitochondrienerkrankungen

Was passiert, wenn die kritischen Reaktionen der Zellatmung nicht korrekt ablaufen? Mitochondriale Erkrankungen sind genetische Stoffwechselstörungen. Mitochondriale Störungen können durch Mutationen in der nuklearen oder mitochondrialen DNA entstehen und dazu führen, dass weniger Energie produziert wird als in Körperzellen normal.Bei Typ-2-Diabetes zum Beispiel ist die Oxidationseffizienz von NADH reduziert, was die oxidative Phosphorylierung beeinflusst, aber nicht die anderen Schritte der Atmung. Zu den Symptomen mitochondrialer Erkrankungen können Muskelschwäche, mangelnde Koordination, schlaganfallähnliche Episoden sowie Seh- und Hörverlust gehören. Die meisten betroffenen Menschen werden im Kindesalter diagnostiziert, obwohl es einige im Erwachsenenalter auftretende Krankheiten gibt.

Die Identifizierung und Behandlung mitochondrialer Erkrankungen ist ein spezialisiertes medizinisches Gebiet. Die pädagogische Vorbereitung auf diesen Beruf erfordert eine Hochschulausbildung, gefolgt von einer medizinischen Fakultät mit Spezialisierung auf medizinische Genetik. Medizinische Genetiker können vom American Board of Medical Genetics zertifiziert werden und werden mit Berufsverbänden assoziiert, die sich der Erforschung mitochondrialer Erkrankungen widmen, wie der Mitochondrial Medicine Society und der Society for Inherited Metabolic Disease.

Lernergebnisse

Beschreiben, wie Zellen freie Energie mit ATP speichern und übertragen

Eine lebende Zelle kann keine signifikanten Mengen an freier Energie speichern. Überschüssige freie Energie würde zu einer Zunahme der Wärme in der Zelle führen, was zu einer übermäßigen thermischen Bewegung führen würde, die die Zelle beschädigen und dann zerstören könnte. Vielmehr muss eine Zelle in der Lage sein, diese Energie so zu handhaben, dass sie Energie sicher speichern und nur bei Bedarf zur Verwendung freigeben kann. Lebende Zellen erreichen dies durch die Verwendung der Verbindung Adenosintriphosphat (ATP). ATP wird oft als „Energiewährung“ der Zelle bezeichnet, und wie Währung kann diese vielseitige Verbindung verwendet werden, um jeden Energiebedarf der Zelle zu decken. Wie? Es funktioniert ähnlich wie eine wiederaufladbare Batterie.

Wenn ATP abgebaut wird, normalerweise durch Entfernung seiner terminalen Phosphatgruppe, wird Energie freigesetzt. Die Energie wird von der Zelle für die Arbeit verwendet, normalerweise indem das freigesetzte Phosphat an ein anderes Molekül bindet und es aktiviert. Zum Beispiel liefert ATP bei der mechanischen Arbeit der Muskelkontraktion die Energie, um die kontraktilen Muskelproteine zu bewegen. Erinnern Sie sich an die aktive Transportarbeit der Natrium-Kalium-Pumpe in Zellmembranen. ATP verändert die Struktur des integralen Proteins, das als Pumpe fungiert, und verändert seine Affinität zu Natrium und Kalium. Auf diese Weise leistet die Zelle Arbeit und pumpt Ionen gegen ihre elektrochemischen Gradienten.

ATP Struktur und Funktion

Diese Abbildung zeigt die molekulare Struktur von ATP. Dieses Molekül ist ein Adeninnukleotid mit einer Reihe von drei daran gebundenen Phosphatgruppen. Die Phosphatgruppen werden Alpha, Beta und Gamma in der Reihenfolge zunehmender Entfernung von dem Ribosezucker genannt, an den sie gebunden sind.

Abbildung 1. ATP (Adenosintriphosphat) hat drei Phosphatgruppen, die durch Hydrolyse entfernt werden können, um ADP (Adenosindiphosphat) oder AMP (Adenosinmonophosphat) zu bilden.Die negativen Ladungen der Phosphatgruppe stoßen sich auf natürliche Weise ab, benötigen Energie, um sie miteinander zu verbinden, und setzen Energie frei, wenn diese Bindungen unterbrochen werden.

Im Herzen von ATP befindet sich ein Molekül Adenosinmonophosphat (AMP), das aus einem Adeninmolekül besteht, das an ein Ribosemolekül und an eine einzelne Phosphatgruppe gebunden ist (Abbildung 1). Ribose ist ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen, der in RNA vorkommt, und AMP ist eines der Nukleotide in RNA. Die Zugabe einer zweiten Phosphatgruppe zu diesem Kernmolekül führt zur Bildung von Adenosindiphosphat (ADP); Die Zugabe einer dritten Phosphatgruppe bildet Adenosintriphosphat (ATP).

Die Addition einer Phosphatgruppe an ein Molekül erfordert Energie. Phosphatgruppen sind negativ geladen und stoßen sich daher ab, wenn sie wie in ADP und ATP in Reihe angeordnet sind. Diese Abstoßung macht die ADP- und ATP-Moleküle inhärent instabil. Die Freisetzung von einer oder zwei Phosphatgruppen aus ATP, ein Prozess namens Dephosphorylierung, setzt Energie frei.

Energie aus ATP

Hydrolyse ist der Prozess des Auseinanderbrechens komplexer Makromoleküle. Während der Hydrolyse wird Wasser gespalten oder lysiert, und das resultierende Wasserstoffatom (H +) und eine Hydroxylgruppe (OH–) werden dem größeren Molekül zugesetzt. Die Hydrolyse von ATP erzeugt ADP zusammen mit einem anorganischen Phosphationen (Pi) und die Freisetzung von freier Energie. Um Lebensprozesse durchzuführen, wird ATP kontinuierlich in ADP zerlegt, und wie eine wiederaufladbare Batterie wird ADP kontinuierlich durch Wiederanbindung einer dritten Phosphatgruppe zu ATP regeneriert. Wasser, das während der ATP-Hydrolyse in sein Wasserstoffatom und seine Hydroxylgruppe zerlegt wurde, wird regeneriert, wenn dem ADP-Molekül ein drittes Phosphat zugesetzt wird, das ATP reformiert.

Offensichtlich muss Energie in das System infundiert werden, um ATP zu regenerieren. Woher kommt diese Energie? In fast jedem Lebewesen auf der Erde stammt die Energie aus dem Glukosestoffwechsel. Auf diese Weise ist ATP eine direkte Verbindung zwischen dem begrenzten Satz von exergonischen Wegen des Glukosekatabolismus und der Vielzahl von endergonischen Wegen, die lebende Zellen antreiben.

Phosphorylierung

Denken Sie daran, dass Enzyme bei einigen chemischen Reaktionen an mehrere Substrate binden können, die auf dem Enzym miteinander reagieren und einen Zwischenkomplex bilden. Ein Zwischenkomplex ist eine temporäre Struktur, und es ermöglicht einem der Substrate (wie ATP) und Reaktanten, leichter miteinander zu reagieren; Bei Reaktionen mit ATP ist ATP eines der Substrate und ADP ist ein Produkt. Während einer endergonischen chemischen Reaktion bildet ATP einen Zwischenkomplex mit dem Substrat und dem Enzym in der Reaktion. Dieser Zwischenkomplex ermöglicht es dem ATP, seine dritte Phosphatgruppe mit seiner Energie auf das Substrat zu übertragen, ein Prozess, der als Phosphorylierung bezeichnet wird. Phosphorylierung bezieht sich auf die Zugabe des Phosphats (~ P). Dies wird durch die folgende generische Reaktion veranschaulicht:

A + Enzym + ATP → → B + Enzym + ADP + Phosphation

Wenn der Zwischenkomplex auseinanderbricht, wird die Energie verwendet, um das Substrat zu modifizieren und in ein Reaktionsprodukt umzuwandeln. Das ADP-Molekül und ein freies Phosphation werden in das Medium freigesetzt und stehen durch den Zellstoffwechsel zum Recycling zur Verfügung.

Diese Abbildung zeigt eine Phosphorylierungsreaktion auf Substratebene, bei der das Gammaphosphat von ATP an ein Protein gebunden wird.

Abbildung 2. Bei Phosphorylierungsreaktionen wird das Gammaphosphat von ATP an ein Protein gebunden.

Substratphosphorylierung

ATP wird durch zwei Mechanismen beim Abbau von Glucose erzeugt. Einige ATP-Moleküle werden als direkte Folge der chemischen Reaktionen in den katabolen Bahnen erzeugt (dh aus ADP regeneriert). Eine Phosphatgruppe wird von einem Zwischenreaktanten in der Bahn entfernt, und die freie Energie der Reaktion wird verwendet, um das dritte Phosphat einem verfügbaren ADP-Molekül hinzuzufügen und ATP zu produzieren (Abbildung 2). Diese sehr direkte Methode der Phosphorylierung wird als Substratphosphorylierung bezeichnet.

Oxidative Phosphorylierung

Der größte Teil des während des Glukosekatabolismus erzeugten ATP stammt jedoch aus einem viel komplexeren Prozess, der Chemiosmose, die in Mitochondrien (Abbildung 3) innerhalb einer eukaryotischen Zelle oder der Plasmamembran einer prokaryotischen Zelle stattfindet.

Diese Abbildung zeigt die Struktur eines Mitochondriums, das eine äußere Membran und eine innere Membran aufweist. Die innere Membran hat viele Falten, Cristae genannt. Der Raum zwischen der äußeren Membran und der inneren Membran wird als Intermembranraum und der zentrale Raum des Mitochondriums als Matrix bezeichnet. ATP-Synthase-Enzyme und die Elektronentransportkette befinden sich in der inneren Membran

Abbildung 3. Die Mitochondrien (Kredit: Modifikation der Arbeit von Mariana Ruiz Villareal)

Chemiosmose, ein Prozess der ATP-Produktion im Zellstoffwechsel, wird verwendet, um 90 Prozent des ATP während des Glukosekatabolismus zu erzeugen und ist auch die Methode, die in den Lichtreaktionen der Photosynthese verwendet wird, um die Energie des Sonnenlichts zu nutzen. Die Produktion von ATP unter Verwendung des Prozesses der Chemiosmose wird aufgrund der Beteiligung von Sauerstoff an dem Prozess als oxidative Phosphorylierung bezeichnet.

Zusammenfassend: ATP in lebenden Systemen

ATP fungiert als Energiewährung für Zellen. Es ermöglicht der Zelle, Energie kurzzeitig zu speichern und innerhalb der Zelle zu transportieren, um endergonische chemische Reaktionen zu unterstützen. Die Struktur von ATP ist die eines RNA-Nukleotids mit drei angehängten Phosphaten. Da ATP für Energie verwendet wird, werden eine oder zwei Phosphatgruppen abgetrennt und entweder ADP oder AMP erzeugt. Energie aus dem Glukosekatabolismus wird verwendet, um ADP in ATP umzuwandeln. Wenn ATP in einer Reaktion verwendet wird, wird das dritte Phosphat vorübergehend in einem als Phosphorylierung bezeichneten Prozess an ein Substrat gebunden. Die beiden Prozesse der ATP-Regeneration, die in Verbindung mit dem Glukosekatabolismus verwendet werden, sind die Phosphorylierung auf Substratebene und die oxidative Phosphorylierung durch den Prozess der Chemiosmose.

Überprüfen Sie Ihr Verständnis

Beantworten Sie die folgenden Fragen, um zu sehen, wie gut Sie die im vorherigen Abschnitt behandelten Themen verstehen. Dieses kurze Quiz zählt nicht zu Ihrer Klasse in der Klasse, und Sie können es unbegrenzt oft wiederholen.Verwenden Sie dieses Quiz, um Ihr Verständnis zu überprüfen und zu entscheiden, ob Sie (1) den vorherigen Abschnitt weiter studieren oder (2) zum nächsten Abschnitt übergehen möchten.

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