Endergonische Reaktion
Definition der endergonischen Reaktion
Eine endergonische Reaktion ist eine Reaktion, bei der Energie verbraucht wird. In der Chemie bedeutet dies, dass die Nettoveränderung der freien Energie positiv ist – am Ende der Reaktion ist mehr Energie im System als am Anfang.
Da bei endergonischen Reaktionen ein Energiegewinn stattfindet, muss diese Energie von außen zugeführt werden, damit die Reaktion stattfinden kann.
In der Biologie, nutzen Organismen endergonische Reaktionen, um Energie aus äußeren Quellen zu speichern. Die Photosynthese, die die Energie des Sonnenlichts zur Bildung von Zuckern nutzt, ist eine endergonische Reaktion. Ebenso der Fettsäureabbau, bei dem die Energie aus der Nahrung in Fettmolekülen gespeichert wird.
Im Allgemeinen sind Reaktionen, bei denen neue chemische Bindungen entstehen, endergonisch. Die chemischen Bindungen „speichern“ die Reaktionsenergie, bis sie aufgebrochen werden, wobei ein Teil der Energie, die in die ursprüngliche Reaktion gesteckt wurde, freigesetzt wird.
Dies ist das Prinzip, auf dem der Stoffwechsel von Glukose, Fettsäuren und anderen biologischen Brennstoffen basiert. Energie aus dem Sonnenlicht oder einer anderen Quelle, die verwendet wurde, um die chemischen Bindungen in Zuckern, Proteinen oder Fetten herzustellen, wird freigesetzt, wenn diese Bindungen durch Prozesse wie die Glykolyse und die Zellatmung aufgebrochen werden.
Im Allgemeinen werden Stoffwechselreaktionen, bei denen chemische Bindungen hergestellt werden, „anabole“ Reaktionen genannt. Stoffwechselreaktionen, bei denen Bindungen aufgebrochen werden, um Energie freizusetzen, nennt man „katabolisch“
Es ist diese Bewegung von Energie durch chemische Bindungen, die die Existenz von Leben ermöglicht. Die endergonischen Reaktionen der Photosynthese und Chemosynthese ermöglichen es Lebewesen am unteren Ende der Energiepyramide zu überleben – und Organismen wie uns zu ernähren, die ihre Energie durch die Aufspaltung von Zuckern und Fetten erhalten, um diese gespeicherte Energie freizusetzen.
Funktion der endergonischen Reaktionen
Endergonische Reaktionen haben zwei wichtige Aufgaben in der Biologie. Der eine ist die Freisetzung der in den Nahrungsmolekülen gespeicherten Energie, die es den Organismen ermöglicht, zu überleben, ohne ihre gesamte Energie direkt vom Sonnenlicht zu ernten.
Der andere Zweck ist die Schaffung der Bausteine des Lebens: DNA, RNA, Proteine und alle anderen Bausteine der Zellen müssen durch Reaktionen entstehen, die neue Bindungen zwischen chemischen Bausteinen bilden. Diese bindungsbildenden Reaktionen sind in der Regel endergonisch.
Organismen brauchen Energie, um zu wachsen, denn es braucht tatsächlich Energie, um neue Materialien zu produzieren. Bei Pflanzen sind das zum Beispiel die Zucker, Lipide und Nukleinsäuren, aus denen ihre Blätter bestehen; beim Menschen sind es die Lipide unserer Zellwände, die Proteine in unseren Muskeln und natürlich die DNA in unseren Zellen.
In den meisten Fällen stammt die Energie, die für den Aufbau neuer Zellen benötigt wird, aus ATP. ATP ist ein Speichermolekül für die Energie der Glukose, die letztlich natürlich von der Sonne durch photosynthetisierende Pflanzen kommt.
Beispiele für endergonische Reaktionen
DNA/RNA-Synthese
DNA- und RNA-Synthese sind faszinierend, weil sie ATP nicht auf die gleiche Weise verwenden wie endergonische Reaktionen. Sie erinnern sich vielleicht, dass die DNA vier Basen hat – A, T, C und G. Nun, das Basenpaar „A“ steht für Adenosin – das gleiche wie das „A“ in „ATP!“
Anstatt bei der DNA-Synthese verbraucht und dann regeneriert zu werden, ist ATP einer der Baustoffe. Am Anfang des Prozesses stehen die Trisophosphate der einzelnen Basenpaare: ATP, TTP, CTP und GTP.
Wenn die DNA-Polymerase eines dieser Nukleotidtriphosphate in Position bringt, um es an den wachsenden DNA-Strang anzuhängen, bricht eine der Phosphatgruppen des Nukleotids ab – und wird durch die Bildung einer neuen Bindung zwischen dem Nukleotid und dem DNA-Strang ersetzt!
Dieser Prozess erfordert Energie und den Einsatz von ATP – alle Nukleotide müssen Phosphatgruppen an sich binden, damit diese Phosphatgruppen die Energie speichern können, die benötigt wird, um eine Bindung zwischen dem Nukleotid und dem DNA-Strang herzustellen.
Aber im Gegensatz zu vielen katabolen Reaktionen wird hier nicht einfach ATP in ADP umgewandelt und zurückgeschickt, um eine neue Phosphatgruppe zu erhalten. Bei dieser Reaktion bleiben ATP, TTP, GTP und CTP für immer Teil des DNA-Strangs, bis der Strang abgebaut wird!
Proteinsynthese
Die Proteinsynthese ist ein typisches Beispiel dafür, wie Lebewesen Energie bewegen und sie zu Reaktionen hinzufügen, um die Bildung neuer chemischer Bindungen zu ermöglichen.
Bei der Proteinsynthese arbeiten eine Vielzahl von Enzymen und Ribozymen zusammen, um die notwendigen Schritte zu vollenden, um eine Aminosäure an ein wachsendes Protein anzufügen. Insgesamt müssen etwa fünf ATP verbraucht werden, um eine einzige Aminosäure an ein wachsendes Protein anzufügen. Das bedeutet, dass für jedes Glukosemolekül, das verstoffwechselt wird, etwa sechs Aminosäuren an ein Protein angehängt werden könnten!
Dieser Prozess ist für Bakterien immens kostspielig; bei E. coli-Zellen werden etwa 95 % des gesamten ATP, das sie produzieren, für die Proteinsynthese verwendet.
Diese Investition zahlt sich auf lange Sicht aus, da Proteine wie Enzyme die Aktivierungsenergie, die für Tausende von nachfolgenden chemischen Reaktionen benötigt wird, drastisch senken können. Doch für Organismen, die keine Zellatmung betreiben können, ist das Energiebudget knapp bemessen!
Die Proteine, die mit der Energie aus ATP hergestellt werden, ermöglichen das Funktionieren unseres Stoffwechsels, unserer Muskeln und sogar unseres Gehirns und unserer Sinnesorgane. Und es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass uns diese Energie mit der Nahrung zugeführt wird, die wir essen – und die letztlich, am unteren Ende der Energiepyramide, aus der Photosynthese stammt!
Fettsäuresynthese
Die Fettsäuresynthese nutzt sowohl ATP als auch ein anderes energielieferndes Molekül – NADPH – um Energie für die Bildung von Fettsäuren zu liefern.
Die Herstellung einer Fettsäure benötigt sehr viel Energie; es kann 7 ATP und 14 NADPH benötigen, um zwei Kohlenstoffmoleküle an eine Fettsäurekette anzufügen, und einige Fettsäuren können bis zu 26 Kohlenstoffe haben!
Aber Fettsäuren sind, genau wie Proteine, für einen Organismus notwendig, um zu funktionieren und zu wachsen; sie bilden den größten Teil der Zell- und intrazellulären Membranen und dienen auch anderen Zwecken.
Wenn die Fettsäure zum Zweck der Energiespeicherung gebildet wird, wird der größte Teil dieser Energie gespeichert und kann vom Organismus später abgerufen werden, wenn seine Reserven an ATP und Zucker zur Neige gehen!
Quiz
1. Welche der folgenden Reaktionen ist am wenigsten wahrscheinlich eine endergonische Reaktion?
A. Die Synthese einer Stärke aus vielen Zuckermolekülen.
B. Die Synthese eines Proteins aus vielen Aminosäuren.
C. Der Abbau eines Fettes in seine Einzelkohlenstoffkomponenten.
D. Keine der oben genannten Möglichkeiten.
2. Warum verwendet die DNA-Polymerase kein ATP?
A. Weil die DNA-Synthese eine exergonische Reaktion ist.
B. Sie verwendet stattdessen NADPH als Energiequelle.
C. Sie verwendet ATP – und andere Nukleotidtriphosphate, die ihre eigene Energie für die Synthesereaktion liefern.
D. Keine der oben genannten Möglichkeiten.
3. Welche der folgenden Aussagen zur Proteinsynthese trifft NICHT zu?
A. Bakterien müssen mehr Zucker verstoffwechseln, um die Energie „kosten“ der Proteinsynthese zu bezahlen, weil sie keine Zellatmung durchführen können.
B. Die Proteinsynthese ist essentiell für die Bildung von Enzymen, die wiederum Proteine sind.
C. Sie setzt mehr Energie frei als sie verbraucht.
D. Keine der obigen Antworten.
- MacNaught, A. D., & Wilkinson, A. (1997). Kompendium der chemischen Terminologie: IUPAC Recommendations. Oxford: Blackwell Science.
- (n.d.). Abgerufen am 29. April 2017, von http://webprojects.oit.ncsu.edu/project/bio183de/Black/cellcycle/cellcycle_scripts.htm
- Deis, F. (n.d.). Braucht die Proteinsynthese Energie (ATP)? Abgerufen am 29. April 2017, von https://www.quora.com/Does-protein-synthesis-take-any-energy-ATP