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ATP und energetische Kopplung – ATP-Hydrolyse treibt endergone Reaktionen an, der ATP-ADP-Zyklus

BiologieZellbiologieAlter 15–16

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Drei Ansichten zu ATP als Energiewährung der Zelle. ΔG-Balken zeigen die ATP-Hydrolyse (ATP + H₂O → ADP + Pi, ΔG°′ ≈ −30,5 kJ/mol), gekoppelt an die Glutaminsynthese, die Na⁺/K⁺-Pumpe oder die Muskelkontraktion, sodass das gesamte ΔG negativ wird. Der ATP-ADP-Zyklus zeigt, wie Zellatmung oder Fotosynthese ATP bei wechselndem Energiebedarf neu bilden, und ein chemisches Beispiel für Kopplung (Reduktion eines Metalloxids mit Kohlenstoff) liefert ΔG = ΔH − TΔS für jeden Schritt bei jeder Temperatur.

Lektion: ATP und energetische Kopplung: Hydrolyse und Synthese von ATP, gekoppelte Reaktionen, freie Enthalpie

Was sie zeigt

Diese Simulation zeigt Lernenden von 15 bis 18 Jahren, wie Zellen mit ATP Reaktionen antreiben, die von selbst nicht ablaufen würden. Sie vergleichen das ΔG der Glutaminsynthese, der Natrium-Kalium-Pumpe und des Kraftschlags von Myosin mit dem ΔG der ATP-Hydrolyse unter Standard- oder Zellbedingungen und sehen in einem Wasserfalldiagramm, wann die gekoppelte Summe negativ ist. Danach verfolgen Sie den ATP-ADP-Zyklus, während Zellatmung oder Fotosynthese ATP für einen wechselnden Bedarf neu bilden, und vergleichen ein chemisches Beispiel, die Reduktion von Metalloxiden mit Kohlenstoff, mit ΔG = ΔH − TΔS. Die Werte sind Lehrbuchdaten mit vereinfachten Modellen.

So funktioniert es

Wählen Sie unter Energetische Kopplung den Energieverbrauchenden Vorgang und die Bedingungen für das ΔG von ATP, entfernen Sie das Häkchen bei An ATP-Hydrolyse gekoppelt zum Vergleich und verschieben Sie die Lastkraft beim Muskel. Wählen Sie unter ATP-ADP-Zyklus die Quelle für die ATP-Neubildung und verschieben Sie Energiebedarf. Wählen Sie unter Kopplung in der Chemie die Reaktion und verschieben Sie die Temperatur.

Einstellbare Parameter

  • Startansicht Energetische Kopplung, ATP-ADP-Zyklus, Kopplung in der Chemie
  • Energieverbrauchender Vorgang Glutaminsynthese, Na⁺/K⁺-Pumpe (aktiver Transport), Muskelkontraktion (Myosin zieht Aktin)
  • Bedingungen für das ΔG von ATP Standard (ΔG°′ = −30,5 kJ/mol), In der Zelle (typische Konzentrationen)
  • An ATP-Hydrolyse gekoppelt
  • Lastkraft auf einen Myosinkopf 0–10 pN
  • Quelle für die ATP-Neubildung Aerobe Zellatmung, Anaerobe Atmung (Milchsäuregärung), Fotosynthese (Lichtreaktionen)
  • Energiebedarf 0–100 %
  • Lichtintensität 0–100 %
  • Reduktion eines Metalloxids Eisen(III)-oxid + Kohlenstoff, Zinkoxid + Kohlenstoff, Kupfer(II)-oxid + Kohlenstoff
  • Temperatur 298–2000 K

Fragen zum Erkunden

  1. Warum kann eine Reaktion mit positivem ΔG in der Zelle ablaufen, wenn sie an die ATP-Hydrolyse gekoppelt ist?
  2. Warum arbeitet die Natrium-Kalium-Pumpe in der Zelle, aber nicht mit dem Standardwert ΔG°′ von ATP?
  3. Ab welcher Temperatur reduziert Kohlenstoff in diesem Modell Eisen(III)-oxid, und warum?

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