Chemie begreifen, Schulbuch

Für besonders Interessierte Das Wichtigste Hier wird es anschaulicher W5 258 3. Evolutionsschritt – D i e V e r s o r g u n g m i t E n e r g i e Der Energiestoffwechsel aller Lebensformen stimmt weitgehend überein, weil er Teil eines gemeinsamen Erbes ist. Um immer bessere Energiequellen zu erschließen, entwickelten sich die komplizierten Reaktionswege Schritt für Schritt – vermutlich folgendermaßen: • In der »Ursuppe« hatten sich durch UV-Licht und heiße Quellen energiereiche Stoffteilchen angesammelt, die den ersten Mikroorganismen als Nahrung dienten. Als die ATP-Reserven knapp wurden, hatten Zellen, die ATP aus ADP gewinnen konnten, einen Ausweg gefunden. Die Triebkraft dafür stammte aus dem Abbau organischer Stoffteilchen wie der Glucose. Auf diese Weise entstand die Glykolyse. • Mithilfe von ATP können Pumpen betrieben werden, die Protonen nach außen befördern. Dies ist von Vorteil, weil durch die Glykolyse Carbonsäuren entstehen. Außerdem finden sich in der Nähe von heißen, sauren Quellen meistens mehr Nährstoffe. Neben der ATP-betriebenen Protonenpumpe entwickelten sich auch solche, die einen Elektronenstrom ausnützen. Voraus- setzung ist, dass die Elektronen zusammen mit Protonen als Wasserstoffatome angeliefert werden, sich getrennt durch eine Membran bewegen und außen ein Oxidationsmittel finden. Ein entscheidender Evolutionsschritt war die Kombination der beiden Pumpsysteme: Die durch einen Elektronenstrom betriebene Pumpe kann einen so starken Fluss von Protonen erzeugen, dass die ATP-betriebene Pumpe »mitgezogen« wird. Auf diese Weise wird ATP erzeugt! • Die Mikroorganismen waren damit nicht mehr von ATP abhängig – allerdings wurde mit der Zeit die Glucose knapp. Die Lösung des Problems erfolgte durch die Nutzung von Elektronen- strömen, die vom Licht angetrieben werden. Damit kann so viel ATP erzeugt werden, dass sich die Glykolyse »umdrehen« lässt und Glucose produziert wird. Später erweiterte sich die Fotosynthese mithilfe des Chlorophylls auf zwei Schritte: Das allgegenwärtige Wasser konnte als Elektronenquelle genutzt und Sauerstoff freigesetzt werden. • Die Folge war, dass sich Sauerstoff in der Atmosphäre anreicherte; eine Entwicklung, die für viele Bakterien zur tödlichen Bedrohung wurde. Einige jedoch lernten, das extrem starke Oxidationsmittel vorteilhaft zu nutzen: Sauerstoff ist optimal geeignet, Elektronen über die Transportkette durch die Membran zu »ziehen«, die ursprünglich der Fotosynthese diente. Mit der »Erfindung« der Atmung konnte nach einer 2 Milliarden Jahre währenden Epoche primitiver Einzeller das Zeitalter der modernen Zelle beginnen. Adenosintriphosphat (ATP) verfügt über zwei besonders energiereiche Bindungen. Ursache dafür ist die Verteilung von negati- ven Ladungen auf drei Phosphatgruppen, die zur Abstoßung führt. Deshalb kommt es an den Phosphatgruppen sehr leicht durch Nucleophile zu Substitutionsreaktionen. Anders ausgedrückt: ATP überträgt mit großer Triebkraft eine Phosphatgruppe an eine nucleophile Stelle in einem organischen Molekül, das dadurch besonders reaktionsfähig wird. Für die Kopplung einer biochemischen Reak- tion ohne Triebkraft mit der Hydrolyse von ATP sorgt eine spezielle Oberfläche von Enzymen. Teilladungen und Van-der-Waals- Kräfte »fangen« das organische Molekül und ATP ein und positionieren beide in eine günstige Stellung. Dadurch lockern sich die Bindungen, und die Reaktion läuft ab – ohne Aktivierungsenergie und angetrieben durch ATP. O CH OH CH Adenin Ribose 3 Phosphatgruppen CH CH CH 2 HO O P O O --- O O P O O --- O --- P O O --- CH HC C C N N NH 2 N N C Adenosintriphosphat Angriff eines Nucleophils Übertragung einer Gruppe Adenin Ribose Nucleophil Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv