Gruppenübertragungspotential


Gruppenübertragungspotential

Das Gruppenübertragungspotential beschreibt in der Biochemie die Fähigkeit, chemische Energie in Bindungen zu speichern.

Lebewesen brauchen Energie in Form von ATP. Diese Energie muss in dem Ausmaß ersetzt werden, wie sie verbraucht wird. Der Begriff Gruppenübertragungspotential wird zumeist verwendet, um die Richtung des Energieflusses zu beschreiben: je negativer das ΔG (ausgedrückt als freie Standardenthalpie ΔGo´ ), desto bereitwilliger (exergoner) die Reaktion.

Für die Synthese von ATP aus ADP werden somit phosphorylierte Metaboliten mit hohem Gruppenübertragungspotential benötigt. Andererseits kann ATP Metabolite wie Glukose phosphorylieren, da es über ein höheres Gruppenübertragungspotential verfügt als die entstehenden Glukose-Phosphate.

Die Gruppenübertragung auf einen Akzeptor erfolgt immer dann leicht, wenn die Reaktion exergon ist, d.h. wenn die freie Enthalpieänderung ein negatives Vorzeichen hat. Will man die Leichtigkeit der Gruppenübertragung für verschiedene Systeme vergleichen, so benötigt man eine Referenzverbindung als Akzeptor. Als solche hat man Wasser gewählt, so dass die folgenden Daten als Änderung der freien Standardenthalpie während einer Hydrolyse zu werten sind:

Gruppenübertragungspotentiale ΔGo´ unter Standardbedingungen, d.h. bei pH 7 und 25 °C
Reaktion ΔGo´ in [kJ/mol]
PEP → Pyr + Pi -62
1,3-BPG → 3-PG + Pi -54
SuccinylCo → Succinat + CoA -44
Kreatin-phosphat → Kreatin + Pi -43
Arg-P → Arg + Pi -38
ATP → AMP + PPi -37
ATP → ADP + Pi -35
AcetylCoA → Acetat + CoA -35
UDP-Glc → UDP + Glc -31
Mg-ATP → Mg-ADP + Pi -21
G-1P → Glc + Pi -17
G-6P → Glc + Pi -14

Pi, anorganisches Phosphat; PPi, anorganisches Pyrophosphat. Nicht erklärte Abkürzungen finden sich unter "Gluconeogenese"

Hieraus ergibt sich unter anderem:

  • Glukosephosphate (G-1P und G-6P) sind thermodynamisch stabiler als ATP;
    • formal wären sie durch Umkehrung der Hydrolysereaktion leichter zu erzeugen als ATP;
  • In Gegenwart eines geeigneten Enzyms (Glucokinase, Hexokinase) ließe sich der Phosphatrest bereitwillig von ATP auf Glukose (Glc) übertragen;
  • zur ATP-Erzeugung eignen sich nur Metaboliten, deren Gruppenübertragungspotential über jenem von ATP liegt wie zum Beispiel
    • Arginin-phosphat (Arg-P); eine Reaktion die in Crustaceen zum ATP-Gewinn eingesetzt wird;
    • Kreatin-Phosphat, das als Energiereserve des Skelettmuskels schnell Energie (ATP) bereitstellen kann;
    • Succinyl-CoA, das (über Succinyl-Phosphat) im Citratzyklus zum GTP-Gewinn dient;
    • 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3-BPG) und Phosphoenolpyruvat (PEP), energiereiche Metaboliten, die dem ATP-Gewinn in der Glykolyse dienen. Für PEP folgt die Gleichgewichtslage aus der folgenden Betrachtung:


\begin{array}{lcll}
\text{PEP} &\xrightarrow{-\text{H}_2\text{O}} & \text{Pyr}+\text{P}_i
& -60 \text{kJ}/\text{mol}\\
\text{ADP}+\text{P}_i &\xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} & \text{ATP}
& +35 \text{kJ}/\text{mol}\\
&&&\\
\text{PEP}+\text{ADP} &\longrightarrow &\text{Pyr}+\text{ATP}
& -25 \text{kJ}/\text{mol}
\end{array}

  • Die Kopplung einer stark exergonen Reaktion (Überführung von Phosphoenolpyruvat (PEP) in Pyruvat) mit einer endergonen Reaktion (ATP-Synthese aus ADP) ergibt eine exergone Reaktion, die zur Bereitstellung von Energie eingesetzt werden kann.

Diese Rechnung zeigt das Prinzip, aber nicht unbedingt die Realität. So liegen phosphorylierte Metaboliten in der Zelle zumeist als Magnesiumsalze vor. Daraus ergeben sich Abweichungen, wie am Beispiel der Hydrolyse von ATP bzw. Mg-ATP gezeigt (Tabelle).

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