Drei Phosphatgruppen an einem Nukleosid

Adenosintriphosphat besteht aus einem Zuckerbaustein, einer Base und einer Kette aus drei Phosphateinheiten. Der letzte Teil dieser Beschreibung ist der Grund, weshalb ein Mengenelement mit der Ordnungszahl 15 in nahezu jeder biochemischen Gleichung des menschlichen Stoffwechsels auftaucht.

Elementarer Phosphor kommt im Körper nicht vor. Was über die Nahrung aufgenommen und in Zellen weiterverarbeitet wird, ist stets ein Phosphation: ein Phosphoratom, umgeben von vier Sauerstoffatomen, mit einer negativen Ladung, die je nach Säuregrad der Umgebung zwischen einer und drei Einheiten liegt. Chemisch handelt es sich um das Anion der Orthophosphorsäure.

Dieses Anion lässt sich an andere Moleküle anhängen und wieder ablösen, ohne dass das Trägermolekül dabei zerlegt wird. Genau diese Eigenschaft macht Phosphat zum meistgenutzten Anhängsel der Zellbiochemie — und sie erklärt, warum die Europäische Union für dieses Element eine Formulierung freigegeben hat, die sich auf den Energiestoffwechsel bezieht.

Die folgenden Abschnitte ordnen zunächst die Chemie ein, stellen anschließend die Kennzahlen des Elements zusammen und geben am Ende den zugelassenen Wortlaut so wieder, wie er im Anhang der Verordnung steht.

Anhydridbindungen und was bei ihrer Spaltung frei wird

Wenn zwei Phosphatgruppen direkt aneinanderhängen, teilen sie sich ein Sauerstoffatom. Diese Verknüpfung heißt Phosphorsäureanhydrid. Sie steht unter Spannung, weil die benachbarten negativen Ladungen einander abstoßen und die Bindungselektronen sich nicht gleichmäßig verteilen können.

Wird eine solche Bindung durch Wasser gespalten, gehen die Bruchstücke in einen energetisch günstigeren Zustand über. Die Differenz zwischen Ausgangs- und Endzustand ist der Betrag, den Lehrbücher als freie Standardenthalpie der Hydrolyse angeben; für Adenosintriphosphat liegt er unter Zellbedingungen bei etwa 50 Kilojoule je Mol. Diese Zahl beschreibt eine thermodynamische Größe, keine Wahrnehmung und keinen körperlichen Zustand.

Der Begriff Energiestoffwechsel fasst in der Fachsprache die Gesamtheit jener Reaktionswege zusammen, in denen solche Überträge stattfinden: Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette und die daran gekoppelten Auf- und Abbauwege. Phosphat ist in allen diesen Wegen als Reaktionspartner vertreten.

ATP, ADP und AMP unterscheiden sich um je eine Gruppe

Adenosinmonophosphat trägt eine Phosphateinheit, Adenosindiphosphat zwei, Adenosintriphosphat drei. Zwischen der ersten und der zweiten Gruppe sowie zwischen der zweiten und der dritten liegen die genannten Anhydridbindungen; die Bindung zwischen Zucker und erster Gruppe ist dagegen ein gewöhnlicher Ester.

Der Körper hält von diesen Verbindungen zu jedem Zeitpunkt nur wenige Dutzend Gramm vor. Der Umsatz liegt um ein Vielfaches höher, weil dieselben Moleküle fortlaufend gespalten und wieder zusammengesetzt werden. Ein Molekül durchläuft diesen Wechsel im Verlauf eines Tages viele tausend Mal.

Substratkettenphosphorylierung und der Weg über die ATP-Synthase

Für den Wiederaufbau stehen zwei Verfahren zur Verfügung. Im ersten wird eine bereits gebundene Phosphatgruppe direkt von einem Zwischenprodukt des Abbauwegs auf Adenosindiphosphat übertragen — so geschieht es zweimal in der Glykolyse und einmal im Citratzyklus. Es braucht dafür kein Membransystem, nur ein passendes Enzym.

Im zweiten Verfahren wird zunächst ein Protonengefälle über der inneren Mitochondrienmembran aufgebaut. Strömen die Protonen durch den Kanalteil der ATP-Synthase zurück, dreht sich deren beweglicher Abschnitt, und das Enzym verknüpft anorganisches Phosphat mit Adenosindiphosphat. Der weit überwiegende Teil der täglichen Neubildung läuft auf diesem Weg.

Auf diese Zusammenhänge bezieht sich der eine Eintrag, den die Europäische Kommission für Phosphor in diesem Zusammenhang freigegeben hat: „Phosphor trägt zu einem normalen Energiestoffwechsel bei“. Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012. Der Satz ist an dieses eine Element gebunden und beschreibt einen Beitrag zu einem Vorgang, der bei ausreichender Versorgung ohnehin abläuft.

Anorganisches Phosphat als Gegenstück jeder Abspaltung

Bei jeder Spaltung einer Anhydridbindung entsteht neben dem verkürzten Nukleotid ein freies Phosphation. Fachlich wird es als anorganisches Phosphat geführt und mit dem Kürzel Pi notiert. Es bleibt im Zellwasser gelöst und steht für den nächsten Aufbauschritt bereit.

Daraus folgt eine Eigenheit, die in Nachschlagewerken leicht übersehen wird: Das Phosphation wird bei diesen Reaktionen nicht aufgebraucht, sondern zwischen gebundenem und freiem Zustand hin- und hergeschoben. Was der Körper über die Nahrung aufnimmt, gleicht nicht einen Verbrauch aus, sondern die Verluste über Niere und Darm sowie den Einbau in Hartgewebe und in neu gebildete Zellbestandteile.

• Zuckerphosphate stehen am Beginn und in der Mitte des Glukoseabbaus.
• Nukleotide tragen die Gruppen, an denen die Überträge stattfinden.
• Phosphorylierte Eiweiße wechseln durch An- und Abhängen einer Gruppe zwischen zwei Zuständen.
• Anorganisches Phosphat pendelt zwischen diesen Formen und dem freien Zellwasser.