Energieübertragung in der Zelle

Der universelle Träger chemischer Energie in biologischen Systemen ist ATP . Die zentrale Bedeutung des ATP für den Energieaustausch in lebenden Systemen haben 1941 FRITZ LIPMANN und HERMAN KALCKAR erkannt. Es ist in nahezu jeder Energieübertragung beteiligt. ATP hat das Bestreben, durch Abspaltung der endständigen Phosphatgruppe eine „Entspannung“ zu erreichen. Bei diesem Prozess wird Energie frei. Diese Energiequelle nutzt die Zelle, indem sie mit Hilfe von Enzymen Phosphatgruppen des ATP auf andere Moleküle überträgt. Diese Moleküle können nun eine Arbeit verrichten, wobei die Phosphatgruppe wieder abgespalten wird. Die meisten Aktivitäten der Zelle enden also mit einer Aufspaltung des ATP in zwei Produkte, die weniger Energie enthalten – ADP und anorganisches Phosphat.

Es entsteht sehr viel freie Enthalpie (Innere Energie eines Systems) $\Delta {\text{G}}^{\text{0}}$, wenn ATP zu ADP und anorganischem Phosphat (${\text{P}}_{\text{i}}$) oder zu AMP und Pyrophosphat ${\text{PP}}_{\text{i}}$ hydrolysiert wird.

Die Energie, die bei der ATP-Hydrolyse freigesetzt wird, dient zum Antrieb für Reaktionen, die die Zufuhr von Energie erfordern, z. B. Muskelkontraktionen. Damit die Zelle weiterexistieren kann, muss sie ihren ATP-Vorrat immer wieder aus ADP und anorganischem Phosphat auffüllen. Eine aktive Muskelzelle regeneriert beispielsweise in jeder Sekunde ungefähr zehn Millionen ATP-Moleküle. So entsteht umgekehrt ATP aus ADP und ${\text{P}}_{\text{i}}$, wenn Nährstoffmoleküle in chemoheterotrophen Organismen oxidiert werden oder wenn fotoautotrophe Organismen Licht einfangen:

Damit ist dieser ATP/ADP-Zyklus der fundamentale Mechanismus für den Energieaustausch in lebenden Systemen.
Einige Biosynthesen werden von ATP-analogen Nucleotiden angetrieben, z. B. von Guanosintriphosphat GTP:

ATP + GDP = ADP + GTP

ATP + GMP = ADP + GDP