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Lexikon der Biochemie: Adenosinphosphate

Adenosinphosphate, Adeninribonucleotide, Bestandteile der Nucleinsäuren und die Hauptform für die Speicherung und Übertragung Freier chemischer Energie. Außerdem dienen sie als metabolische Regulatoren, z.B. in der Glycolyse und im Tricarbonsäure-Zyklus. Der Phosphatester wird vom C5 der Ribose getragen.
 1) Adenosin-5'-monophosphat, AMP [Mr 347,22Da, F. 196-200 °C (Z.), [α]

-26° (c = 1,0; 10 % HCl), -47,5° (c = 2,0; 2% NaOH)], wird de novo aus Inosinsäure (Purinbiosynthese) synthetisiert und entsteht auch bei Reaktionen, in denen Pyrophosphat und AMP aus Adenosintriphosphat gebildet werden (z.B. bei der Synthese von Aminoacyl-tRNA).
 2) Adenosin-5'-diphosphat, ADP (Mr 427,22Da, [α]

-25,7°), wird entweder durch Addition einer zweiten Phosphatgruppe an AMP (Adenylat-Kinase) oder durch Abspaltung eines Phosphatrests von ATP gebildet; letztere Umwandlung kann entweder von Adenosintriphosphatase (EC 3.6.1.3) oder von Kinasen katalysiert werden, die die Phosphatgruppe auf ein anderes organisches Molekül übertragen. Die in der Anhydridbindung von ADP gespeicherte Energie kann durch folgende von Adenylat-Kinase katalysierte Reaktion nutzbar gemacht werden: 2ADP

ATP + AMP. ADP dient als Phosphatakzeptor (unter Bildung von ATP) bei der Substratkettenphosphorylierung und Photophosphorylierung.
 3) Adenosin-5'-triphosphat, ATP (Mr 507,19Da, [α9]

-26,7°, Farbtafel), ist die wichtigste energiereiche Verbindung des Zellstoffwechsels (energiereiche Phosphate).
 Biosynthese des ATP. ATP ist das Zwischenprodukt aller zellulären Prozesse, die zu einer chemischen Speicherung von Energie führen. Die Biosynthese erfolgt durch Phosphorylierung von ADP im Verlauf der Substratkettenphosphorylierung und nichtzyklischer Photophosphorylierung in Pflanzen. Die Übertragung der Energie auf ADP in Form einer dritten Phosphatgruppe kann sowohl von hoch energetischen Phosphaten, wie Kreatinphosphat (Kreatin) oder anderen Nucleosidtriphosphaten ausgehen als auch durch die Adenylat-Kinase-Reaktion geschehen.

Adenosinphosphate. Tab. 1. Freie Standardenergie der ATP-Hydrolyse in kJ/mol.

Orthophosphatspaltung
ATP → ADP + Pi

29,4
Pyrophosphatspaltung
ATP → AMP + PPi
PPi → Pi + Pi

36,12
28,14

 Spaltung des ATP. ATP besitzt ein hohes Gruppenübertragungspotenzial (Abb. 1, Tab. 1): a) Übertragung des Orthophosphatrestes und Abspaltung von ADP (Orthophosphatspaltung), wobei Phosphorsäure auf alkoholische Hydroxylgruppen, auf Säuregruppen oder auf Amidgruppen übertragen wird. Beteiligt sind spezifische Enzyme, die Kinasen, die auch die Synthese von ATP aus ADP katalysieren können. b) Übertragung des Pyrophosphatrestes und Abspaltung von AMP (Pyrophosphatspaltung), z.B. bei der Synthese von 5'-Phosphoribosyl-1-pyrophosphat aus Ribose-5-phosphat bei der Purinbiosynthese.  c) Übertragung des AMP-Restes und Abspaltung von Pyrophosphat. Dabei entstehen Verbindungen von hohem Gruppenübertragungspotenzial, z.B. für die Synthese aktivierter Fettsäuren und für die Aminosäureaktivierung. Die abgespaltene Pyrophosphatgruppe wird durch die anorganische Pyrophosphatase (EC 3.6.1.1) hydrolysiert, wodurch die Übertragungsreaktion im wesentlichen irreversibel wird. d) Übertragung des Adenosylrests und Abspaltung von Orthophosphat und Pyrophosphat, z.B. bei der Synthese von S-Adenosyl-L-methionin.
 Verwendung von ATP. Die im ATP gespeicherte chemische Energie wird z.B. für die Synthese von Makromolekülen aus monomeren Vorstufen und die Aktivierung verschiedener Verbindungen eingesetzt. Oft ist eine endergonische Reaktion durch eine enzymatische Kopplung an die Hydrolyse von ATP gekoppelt. Viele katabolische Stoffwechselwege, einschließlich der Glycolyse, benötigen ATP, welches später resynthetisiert wird. Alle anabolischen Stoffwechselwege sind direkt oder indirekt an ATP gekoppelt.
ATP stellt die Energie für die Muskelkontraktion und die Cilien- und Geißelbewegung zur Verfügung. In einigen Organismen liefert es die notwendige Energie für den Vorgang der Biolumineszenz, die für eine sehr genaue Untersuchung des ATP genutzt wurde. Elektrische Fische erzeugen durch ATP-Hydrolyse Strom. Der Membrantransport vieler Substanzen hängt von einer ATP-Quelle ab. Außerdem wird im peripheren Nervensystem von Vertebraten ATP bei der Ausschüttung von Acetylcholin in die Synapsen freigesetzt. Da ATP die Freisetzung von Acetylcholin inhibiert, kann es als Modulator der neuronalen Transmission fungieren [E.M. Silinsky u. B.L.Ginsborg Nature 305 (1983) 327-328].
Andere, mit ATP energetisch äquivalente Nucleosidtriphosphate, sind für einige metabolische Reaktionen von Bedeutung: Cytidintriphosphat bei der Phospholipidbiosynthese, Guanosintriphosphat bei der Proteinbiosynthese und oxidativen Decarboxylierung von 2-Oxosäuren (Tricarbonsäure-Zyklus), Inosintriphosphat bei bestimmten Carboxylierungen, Uridintriphosphat bei der Polysaccharidbiosynthese.
Im lebenden Organismus liegen Adenosinmono-, -di- und -triphosphat im Gleichgewicht vor und bilden zusammen das sog. Adenylsäuresystem. Die physiologischen Konzentrationen für ADP und ATP liegen bei 10-3mol/l. Das Verhältnis der einzeInen A. zueinander, das vom physiologischen Zustand der Zellen abhängt, wird als Energieinhalt beschrieben. Der Energieinhalt E ist


,
die eckigen Klammern bedeuten molare Konzentrationen. Wenn alle A. als ATP vorliegen, nimmt der Energieinhalt den Wert 1 an, sonst ist er kleiner als 1.
 4) zyklisches Adenosin-3',5'-monophosphat, 3',5'-AMP, cyclo-AMP, cAMP, Mr 329,2Da, wird mit Hilfe der Adenylat-Cyclase (EC 4.6.1.1) aus ATP erzeugt (Abb. 2) und durch 3',5'-zyklische-Nucleotidphosphodiesterase (EC 3.1.4.17), die für zyklische Nucleotide spezifisch ist, in AMP verwandelt. Der intrazelluläre Spiegel an cAMP wird durch die Aktivitäten dieser beiden Enzyme bestimmt. Verschiedene Substanzen, z.B. Pyridoxalphosphat in E. coli, können in physiologischen Konzentrationen die Aktivität der Adenylat-Cyclase herabsetzen. Die Phosphodiesterase wird in Säugetieren durch Nucleosidtriphosphate, Pyrophosphat und Citrat sowie durch methylierte Xanthine, besonders Theophyllin, gehemmt, durch Nicotinsäure stimuliert. In vielen Zellen befindet sich die Adenylat-Cyclase im Innern der Plasmamembran. Rezeptoren für Hormone und andere chemische Signale befinden sich auf der Außenseite der Plasmamembran ihrer Zielzellen. In vielen Systemen (Tab. 2) hat die Bindung eines Hormons oder eines anderen chemischen Aktivators an seinen Rezeptor die Aktivierung der Adenylat-Cyclase und eine Erhöhung der cAMP-Konzentration zur Folge. Das cAMP dient oft als Effektormolekül, das die Aktivität einer Protein-Kinase oder eines anderen Enzyms erhöht, welches seinerseits einige andere zelluläre Prozesse durch kovalente Enzymmodifizierungreguliert. Auf diese Weise vermittelt cAMP zahlreiche Hormoneffekte als sekundärer Botenstoff (engl. second messenger). Es wirkt darüber hinaus auf die Produktion und Freisetzung von Hormonen, z.B. von Acetylcholin, Glucagon, Insulin, Melanotropin, Parathormon, Vasopressin und Corticotropin. cAMP beeinflusst auch das Gleichgewicht verschiedener Stoffwechselwege, z.B. Abbau und Synthese von Glycogen. Die physiologischen Wirkungen des cAMP sind in vielen Fällen nur in Gegenwart von Calciumionen zu beobachten.
Von medizinischer Bedeutung ist die exogene "künstliche" Kontrolle des intrazellulären cAMP-Spiegels. Eine erfolgreiche klinisch-therapeutische Anwendung von Substanzen, die den cAMP-Spiegel erhöhen, liegt z.B. bei der Behandlung von Hauterkrankungen (Psoriasis) mit dem als Phosphodiesterasehemmer wirkenden Alkaloid Papaverin und dem Gewebshormon Dopamin, das die cAMP-Bildung in der Epidermis anregt, vor. Auch das Wachstum bestimmter Tumore wird von cAMP gehemmt.
Wegen seiner hochpolaren Eigenschaften durchdringt cAMP nur in sehr geringen Mengen die Zellmembranen. Ein besseres Permeabilitätsvermögen haben seine synthetisch hergestellten Derivate. Durch Substitution mit organischen Säuren werden deren lipophile Eigenschaften erhöht. Gebräuchlich ist zyklisches N6,O2'-Dibutyryladenosin-3',5'-monophosphat, DBcAMP (Abb. 2). In der Natur wurde eine Reihe weiterer zyklischer 3',5'-Nucleotide mit speziellen Funktionen gefunden.



Adenosinphosphate: Abb. 1. Spaltungsreaktionen des Adenosin-5'-triphosphats.



Adenosinphosphate: Abb. 2. Synthese von zyklischem Adenosin-3',5'-monophosphat. Struktur des N6,O2'-Dibutyryl-adenosin-3',5'-monophosphat.
RI = RII = H zyklisches Adenosin-3',5'-monophosphat
RI = RII = CO-(CH2)2-CH3 N6,O2'-Dibutyryl-adenosin-3',5'-monophosphat.

Adenosinphosphate. Tab. 2. Vorkommen und Wirkung des zyklischen Adenosin-3',5'-monophosphats (nach Hardeland).

Organismus
Wirkung
Urtierchen
(Protozoa) Paramecium
• Aktivierung der Protein-Kinase.
Bakterien Escherichia coli • Aufhebung der reprimierenden Wirkung der Glucose, Katabolitrepression; Initiierung von mRNA, vermittelt durch ein spezifisches cAMP-Rezeptor-Protein (engl. catabolite gene activator protein); Hemmung des Abbaus von an Ribosomen gebundener mRNA; Stimulierung der Synthese vieler Enzyme.
Serratia marcescens, SaImoneIIa thyphimurium, Proteus inconstans, Aerobacter aerogenes, Brevibacterium liquefaciens ú Aufhebung der Katabolitrepression und Stimulierung der Synthese der β-Galactosidase; (Brevibacterium liquefaciens scheidet cAMP in das Nährmedium aus).
Photobacterium fischeri • Aufhebung der Katabolitrepression und Biolumineszenzgenerierung.
PiIze
Schleimpilze: Dictyostelium discoideum
• Als extrazellulärer Signalüberträger (Akrasine); Zellaggregation durch chemotaktisches Zusammenkriechen der Zellen.
Polysphondylium pallidium • Keine chemotaktische Reaktion auf cAMP; P. p. besitzt ein anderes Akrasin.
Hefen
Saccharomyces cerevisiae
• Beeinflussung der Oszillation und des Redoxgleichgewichts im Verlauf der Glycolyse; Beeinflussung der Sporulation.
Wirbellose Tiere
z.B. Ringelwürmer (Golgingia, Nereis), Seestern, Fahnenqualle, Klaffmuschel, Hummer, Kalmar (Loligo)
• Aktivierung der Protein-Kinasen.
Leberegel (Fasciola), Schmeißfliege (Calliphora) • Übertragung der Wirkung des Serotonins.
Wirbeltiere
Frosch, Kröte, Truthahn, Taube, Ratte, Maus, Meerschweinchen, Kaninchen, Mensch
• Übertragung der Wirkung verschiedener Hormone und hormonähnlicher Substanzen; Wirkung als sekundärer Botenstoff.
Kormophyten (höhere Pflanzen) Gerste (Endosperm) Erbse, Salat Unkräuter • Enzyminduktion bei der Samenkeimung; Stimulierung der Synthese von α-Amylase; Streckenwachstum (besonders bei Pisum sativum- Zwergen); Wirkung auf Samenkeimung.

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