ATP-ADP-System, Anabolismus und Katabolismus
Ein Sportler stemmt im Fitnessstudio in Köln Gewichte. Seine Muskelzellen enthalten nur winzige Mengen ATP und arbeiten trotzdem minutenlang auf Hochtouren. Woher kommt die Energie, und wie wird der Vorrat ständig wieder aufgefüllt? Am Ende dieser Seite kannst du es erklären.
Anabolismus und Katabolismus
Alle chemischen Reaktionen einer Zelle zusammen bilden den Stoffwechsel. Man unterscheidet zwei Richtungen:
| Katabolismus | Anabolismus | |
|---|---|---|
| Richtung | Abbau | Aufbau |
| Energie | wird freigesetzt | wird verbraucht |
| Beispiele | Zellatmung, Verdauung von Stärke | Proteinsynthese, Fotosynthese, Glykogenaufbau |
Erklären Sie den Unterschied zwischen Anabolismus und Katabolismus und nennen Sie für jeden der beiden Stoffwechselwege ein konkretes Beispiel aus der Zelle.
Erklären Sie den Unterschied zwischen Anabolismus und Katabolismus und nennen Sie für jeden der beiden Stoffwechselwege ein konkretes Beispiel aus der Zelle.
Ordnen Sie die folgenden Vorgänge begründet dem Anabolismus oder dem Katabolismus zu und geben Sie jeweils an, ob Energie freigesetzt oder verbraucht wird: a) Zellatmung…
Ordnen Sie die folgenden Vorgänge begründet dem Anabolismus oder dem Katabolismus zu und geben Sie jeweils an, ob Energie freigesetzt oder verbraucht wird:
- a) Zellatmung (Abbau von Glucose zu CO$_2$ und H$_2$O)
- b) Synthese von Proteinen aus Aminosäuren
- c) Fotosynthese
- d) Verdauung von Stärke zu Glucose
Das ATP-ADP-System
Abbau liefert Energie, Aufbau braucht sie. Beides läuft aber an verschiedenen Orten und zu verschiedenen Zeiten ab. Die Zelle braucht daher einen Energieüberträger, der Energie in kleinen, handlichen Portionen weitergibt: das ATP (Adenosintriphosphat).
Aufbau: ATP besteht aus drei Bausteinen: der Base Adenin, dem Zucker Ribose und drei Phosphatresten. Der erste Phosphatrest ist über eine Esterbindung an die Ribose gebunden. Die beiden äußeren Phosphatreste sind über Phosphorsäureanhydrid-Bindungen verknüpft. Die Energie steckt dabei nicht „in der Bindung“: Die negativen Ladungen der Phosphatreste stoßen sich ab, und die Produkte ADP und P$_\text{i}$ sind stabiler als ATP. Deshalb wird bei der Abspaltung des äußeren Phosphatrests freie Energie frei.
Die Energiefreisetzung erfolgt bei der Hydrolyse, der Spaltung durch Wasser:
$$\text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{ADP} + \text{P}_\text{i} + \text{Energie}$$Unter Standardbedingungen werden dabei etwa $30{,}5\,\text{kJ/mol}$ frei. Die Rückreaktion, die Bildung von ATP aus ADP und Phosphat (Phosphorylierung), braucht dieselbe Energie. Sie stammt aus katabolen Prozessen, vor allem aus der Zellatmung.
Beschreiben Sie den Aufbau eines ATP-Moleküls (drei Bausteine) und erläutern Sie, bei welcher Reaktion Energie frei wird und wie das ADP wieder zu ATP regeneriert wird.
Beschreiben Sie den Aufbau eines ATP-Moleküls (drei Bausteine) und erläutern Sie, bei welcher Reaktion Energie frei wird und wie das ADP wieder zu ATP regeneriert wird.
Eine Muskelzelle eines Sportlers im Fitnessstudio in Köln enthält nur wenig ATP (etwa 5 mmol pro kg Muskel), setzt bei intensiver Belastung aber etwa 0,5 mmol ATP pro kg…
Eine Muskelzelle eines Sportlers im Fitnessstudio in Köln enthält nur wenig ATP (etwa 5 mmol pro kg Muskel), setzt bei intensiver Belastung aber etwa 0,5 mmol ATP pro kg und Sekunde um.
- a) Berechnen Sie, wie lange der ATP-Vorrat ohne Nachlieferung reichen würde.
- b) Erklären Sie, wie die Zelle trotzdem über längere Zeit arbeiten kann.
Energetische Kopplung und Recycling
Viele Aufbaureaktionen laufen von allein nicht ab, weil sie Energie benötigen. Die Zelle koppelt sie an die ATP-Hydrolyse: Die frei werdende Energie wird dabei auf die aufbauende Reaktion übertragen, meist indem der Phosphatrest vorübergehend auf ein Molekül übertragen wird. Insgesamt wird mehr Energie frei als verbraucht, die Gesamtreaktion läuft also ab.
Recycling: Ein Mensch enthält nur etwa $50\,\text{g}$ ATP, setzt aber täglich etwa $40\,\text{kg}$ um. Jedes Molekül wird also im Schnitt $40\,000\,\text{g} : 50\,\text{g} = 800$ Mal pro Tag neu gebildet und wieder gespalten.
Die Hydrolyse von ATP zu ADP und Phosphat setzt unter Standardbedingungen etwa 30,5 kJ/mol frei. Für die Bildung von Peptidbindungen in der Proteinsynthese werden pro…
Die Hydrolyse von ATP zu ADP und Phosphat setzt unter Standardbedingungen etwa 30,5 kJ/mol frei. Für die Bildung von Peptidbindungen in der Proteinsynthese werden pro Bindung etwa 20 kJ/mol benötigt.
- a) Erläutern Sie das Prinzip der energetischen Kopplung am Beispiel dieser beiden Reaktionen.
- b) Berechnen Sie, wie viel Energie bei der Hydrolyse von 2,0 mol ATP frei wird.
- c) Erklären Sie, warum eine Zelle ATP nicht in großen Mengen speichert, sondern ständig regeneriert.
Ein erwachsener Mensch setzt pro Tag etwa 40 kg ATP um, obwohl sein Körper zu jedem Zeitpunkt nur etwa 50 g ATP enthält. a) Berechnen Sie, wie oft durchschnittlich jedes…
Ein erwachsener Mensch setzt pro Tag etwa 40 kg ATP um, obwohl sein Körper zu jedem Zeitpunkt nur etwa 50 g ATP enthält.
- a) Berechnen Sie, wie oft durchschnittlich jedes ATP-Molekül pro Tag recycelt wird.
- b) Erläutern Sie anhand des Ergebnisses die Bedeutung des ATP-ADP-Systems als Energieüberträger.
Anabolismus und Katabolismus im Zusammenspiel
Auf- und Abbau sind über ATP verbunden. Nach einer Mahlzeit baut die Leber Glykogen auf (anabol). Die Energie dafür liefern katabole Reaktionen, die ATP bilden. Beide Bereiche sind also voneinander abhängig. Außerdem liefert der Abbau Bausteine (z. B. Aminosäuren aus Nahrungsproteinen) für den Aufbau.
Ein Beispiel für gestörte Kopplung ist das Gift Dinitrophenol (DNP): Es entkoppelt die ATP-Bildung vom Nährstoffabbau. Der Abbau läuft weiter, die Energie wird aber größtenteils als Wärme frei.
Beim Aufbau von Glykogen in der Leber nach einer Mahlzeit laufen anabole und katabole Prozesse gleichzeitig in der Zelle ab. a) Erläutern Sie, wie katabole Reaktionen…
Beim Aufbau von Glykogen in der Leber nach einer Mahlzeit laufen anabole und katabole Prozesse gleichzeitig in der Zelle ab.
- a) Erläutern Sie, wie katabole Reaktionen die Energie für diesen Aufbau bereitstellen.
- b) Beurteilen Sie die Aussage: „Katabolismus und Anabolismus sind zwei voneinander unabhängige Stoffwechselbereiche."
Das Gift Dinitrophenol (DNP) wurde früher als Abnehmmittel missbraucht. Es entkoppelt die ATP-Bildung vom Abbau der Nährstoffe: Die Zellatmung läuft weiter, die Energie…
Das Gift Dinitrophenol (DNP) wurde früher als Abnehmmittel missbraucht. Es entkoppelt die ATP-Bildung vom Abbau der Nährstoffe: Die Zellatmung läuft weiter, die Energie wird aber überwiegend als Wärme frei.
- a) Erklären Sie, warum Betroffene stark schwitzen und Fieber bekommen.
- b) Erklären Sie, warum die Zellen trotz hohem Nährstoffumsatz unter Energiemangel leiden.
- c) Erläutern Sie, warum DNP lebensgefährlich ist.
Ein Student der Universität Münster vergleicht die Energiebilanz: Bei der vollständigen Oxidation von 1 mol Glucose werden etwa 2.870 kJ frei; unter optimalen…
Ein Student der Universität Münster vergleicht die Energiebilanz: Bei der vollständigen Oxidation von 1 mol Glucose werden etwa 2.870 kJ frei; unter optimalen Bedingungen werden daraus etwa 30 mol ATP gebildet (je 30,5 kJ/mol).
- a) Berechnen Sie den Wirkungsgrad der ATP-Bildung in Prozent.
- b) Erklären Sie, was mit der übrigen Energie geschieht und welche Bedeutung das für Säugetiere hat.
- c) Vergleichen Sie mit der alkoholischen Gärung (2 mol ATP pro mol Glucose) und beurteilen Sie die Effizienz.
Redoxreaktionen in der Energieumwandlung
Bei der Energieübertragung spielen Redoxreaktionen eine zentrale Rolle. Dabei werden Elektronen von einem Stoff auf einen anderen übertragen. Bei der Oxidation von Glucose werden energiereiche Elektronen abgegeben; sie werden auf Überträger und schließlich auf Sauerstoff übertragen, wobei Energie frei wird.
Zellatmung und Fotosynthese sind Redoxreaktionen. Bei der Zellatmung wird Glucose oxidiert und Sauerstoff reduziert, dabei wird Energie frei (Katabolismus). Bei der Fotosynthese wird CO$_2$ zu Glucose reduziert. Das ist Anabolismus und braucht Energie, die aus dem Licht stammt. Auch bei der Oxidation von Glucose gilt: Die frei werdende Energie wird zu einem Teil in ATP gespeichert und zum anderen Teil als Wärme frei. Ausführlich behandelt die Seite zu Redoxreaktionen und Elektronenüberträgern dieses Thema.
Zurück zum Anfang: Der Muskel arbeitet lange, weil ATP ständig durch den Abbau von Nährstoffen regeneriert wird.