48 Das ATP-Molekül wirkt wie eine biologische Batterie Um zu verstehen, wie Energie chemisch gespeichert werden kann, müssen wir uns die Struktur des ATP-Moleküls (kAbb. 1) genauer ansehen. Durch die drei aneinander hängenden Phosphatreste kommt es im ATP-Molekül auf engstem Raum zu einer Anhäufung von vier negativen Ladungen, die sich gegenseitig abstoßen. Dadurch sind die Bindungen zwischen den Phosphatresten sehr energiereich, und im ATP-Molekül ist daher, dank dieser Bindungen, Energie gespeichert. ATP gibt Energie ab und zerfällt, wenn Wasser vorhanden ist, in das energieärmere ADP (Adenosindiphosphat) und einen abgespaltenen Phosphatrest. Dieser Phosphatrest kann dabei auf ein anderes Molekül übertragen werden. Dieses Molekül mit dem Phosphatrest wird dadurch energiereicher und kann Reaktionen eingehen, für die ihm ursprünglich die Energie gefehlt hätte. Das ATP- Molekül wirkt also wie eine biologische Batterie, die Energie speichern und wieder abgeben kann. Im Stoffwechsel einer Zelle sind viele Reaktionen von der Übertragung solcher Phosphatgruppen durch ATP abhängig und geschehen daher nur, wenn Energie in Form von ATP vorhanden ist. Im Stoffwechsel sind viele Reaktionen von Energie in Form von ATP abhängig Viele chemische Reaktionen in unserem Körper verlaufen nicht von selbst, sondern benötigen für ihren Ablauf eine zusätzliche Energiezufuhr von außen. Diese notwendige Energie nennt man Aktivierungsenergie (kAbb. 2). Ohne Aktivierungsenergie würden die meisten Reaktionen nur sehr langsam oder gar nicht erfolgen. Enzyme können den Ablauf von Reaktionen im Stoffwechsel beschleunigen, indem sie die notwendige Aktivierungsenergie verringern (kAbb. 3). Enzyme sind Moleküle, die als Biokatalysatoren wirken, das heißt sie beschleunigen eine chemische Reaktion. Sie sind für fast alle Stoffwechselprozesse notwendig. Bei der vom Enzym katalysierten Reaktion verbindet sich das Enzym mit dem Ausgangsstoff einer Reaktion, dem Substrat, zum Enzym-Substrat-Komplex (kS. 51, Abb. 8). Im nächsten Schritt setzt der Komplex das entstandene Produkt sowie das Enzym frei, und das Enzym kann unmittelbar für die nächste Reaktion eingesetzt werden. Bei der Zellatmung, um die es ab Seite 63 gehen wird, ist zB der energiereiche Traubenzucker (Glukose) das Substrat. Alle Stoffwechselprozesse, die in diesem Kapitel noch näher besprochen werden, wie zum Beispiel die Fotosynthese oder die Zellatmung, laufen nur mit Hilfe von Enzymen ab. Die Namen von Enzymen enden generell auf der Silbe -ase (zB Amylase, siehe S. 52). Auch bei vielen Produkten des täglichen Lebens haben wir Menschen uns die Wirkungsweise von Enzymen zunutze gemacht. Waschmittel enthalten Enzyme, die Flecken entfernen, indem sie Proteine oder Fette spalten, die den Fleck verursachen. Enzyme werden auch in der Lebensmittelindustrie bei der Produktion von Bier, Wein und Käse eingesetzt (siehe S. 156 ff.). Enzyme beschleunigen Reaktionen, indem sie Energiebarrieren senken Abb. 2: Zum Beginn einer Reaktion muss eine Energieschwelle überwunden werden. Dann kann die Reaktion ablaufen. Die freie Energie G beschreibt, wie energiereich die Substrate bzw. Produkte der Reaktion sind. Hier nimmt sie insgesamt ab. Reaktionsverlauf freie Energie (G ) Die Kugel muss erst über eine Schwelle geschoben werden … … bevor sie ins Tal rollen kann. Abb. 3: Eine unkatalysierte und eine katalysierte Reaktion unterscheiden sich in der Aktivierungsenergie, E. ΔG ist der Unterschied in der enthaltenen Energie zwischen Substraten und Produkten. Substrate Produkte Reaktionsverlauf freie Energie (G ) ðG E E Die unkatalysierte Reaktion erfordert eine höhere Aktivierungsenergie … … als die katalysierte Reaktion. Die Energiedifferenz zwischen Substraten und Produkten ist bei der unkatalysierten und der katalysierten Reaktion genau gleich. Enzyme erleichtern den Ablauf von chemischen Reaktionen im Körper Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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