Diphosphate

Diphosphat als Abfallprodukt anaboler Prozesse

ATP wird zudem bei Prozessen verbraucht, bei denen nicht etwa organisches Adenosindiphosphat, sondern anorganisches Diphosphat (abgekürzt: PPi) gebildet wird. Summarisch geschieht das nach

ATP + H₂O → AMP + PPi (Diphosphat)

mit einem Gruppenübertragungspotenzial ΔG⁰’ = −57 [kJ·mol⁻¹]

Im Stoffwechsel entsteht Diphosphat durchweg bei anabolen, zum Aufbau von Biomasse dienenden Reaktionen. Von ca. 200 PPi produzierenden Reaktionen dienen ca.

• 7% der Produktion von Molekülen, die zur Stoffwechselregulation dienen, wie z. B. der Adenylylcyclasen katalysierten Bildung von Cyclo-AMP.
• Rund 20% entstehen bei der Synthese von Fettsäuren, aber auch deren Abbau (α-Oxidation und β-Oxidation).
• 29% des entstehenden PPi wird bei der Biosynthese von kleinen meist essentiellen Biomolekülen frei.

Dazu gehört auch die Bildung von "aktivierter Schwefelsäure" beim ersten Schritt der Desulfurikation und der Schwefel Assimilation in Pflanzen.

Auch die Synthese von NAD, die nach

ATP + NMN ⇌ NAD + PPi

durch die Nicotinamidnukleotid-Adenylyltransferase katalysiert wird, setzt Diphosphat frei. Zwar kann im Prinzip die Umkehrung dieser Reaktion (NAD + PPi ⇌ ATP + NMN) auch Diphosphat zur ATP-Bildung verwenden. Doch unter physiologischen Bedingungen kann die Spaltung eines derartig wichtigen Coenzyms wie NAD keine relevante Reaktion zur Bildung von ATP sein. Tatsächlich wird in vivo NAD durch eine Nukleotid-Diphosphatase (siehe auch Organische_Diphosphatasen) hydrolytisch abgebaut, und die Rückreaktion der Adenylyltransferase muss vermieden werden.

• Ca. 35% des Diphosphats stammen aus der Synthese und Modifikation von Makromolekülen. Prinzipiell setzen alle Synthesen von biologischen Makromolekülen Diphosphat frei.

• Biosynthese von Nukleinsäuren, z. B. mittels der RNA-Polymerase II, die auch aus anderen Nukleotid-Triphosphaten PPi freisetzt (Transkription):
  + ${displaystyle ightleftharpoons }$ +
• Auch die DNA-Replikation setzt bei jedem Schritt anorganisches Diphosphat frei.
• Die Bildung "aktivierter Aminosäuren" durch jeweilige Aminoacyl-tRNA-Synthetasen als erster Schritt der Proteinbiosynthese liefert bei den meisten Organismen das meiste PPi:
  

Die Abspaltung des Diphosphats setzt Energie frei, da das entstehende freie Diphosphat durch Mesomerie und Hydratation einerseits stabilisiert wird. Andererseits kommt auch ein entropischer Effekt zum Tragen, da sich die Entropie des Systems erhöht hat. Diese Energie wird häufig genutzt, um eine an diesen Vorgang gekoppelte, für sich allein genommen endergone Reaktion zu ermöglichen. Häufig werden Diphosphate durch Pyrophosphatasen in zwei Phosphate gespalten. Das verschiebt die jeweiligen Reaktionsgleichgewichte noch mehr auf die rechte Seite, was die jeweiligen Reaktionen irreversibel macht, weil die Pyrophosphatase ein Endprodukt aus dem Gleichgewicht beseitigt.

Nutzung von Diphosphat im Stoffwechsel

Es wird auch diskutiert, ob neben ATP auch Diphosphate als alternative Energiedonatoren in Bakterien und Pflanzen genutzt werden können.

Im tierischen Stoffwechsel und im Stoffwechsel vieler Mikroorganismen wird Diphosphat zügig durch im Cytosol gelöste Pyrophosphatasen zu Phosphat recycelt und die freiwerdende Energie wird als Wärme frei.

Außer bei vielzelligen Tieren und Pilzen wird Diphosphat aber auch energetisch verwertet. Das geschieht durch unlösliche, in Biomembrane integrierte Pyrophosphatasen, die als chemiosmotisch aktive Protonenpumpen fungieren. Diese Enzyme sind sehr alt und gehen auf einen gemeinsam Stammbaum zurück. Außer bei vielen Prokaryoten und tierischen Einzellern spielen sie bei Landpflanzen eine wichtige Rolle. Sie finden sich dort gehäuft in den Membranen von Vakuolen und dienen dort als H⁺-Pumpe. Dabei sparen sie ATP ein, das ansonsten durch ATP-spaltende H⁺-Pumpen verbraucht werden müsste. In Pflanzen-Mitochondrien kann Diphosphat durch die dort spezifische Diphosphat spaltende Aktivität der ATP-Synthase ohne Energiekonservierung gespalten werden.

Im Zellplasma vieler Pflanzen finden sich keine löslichen, Energie verschwendenden Pyrophosphatasen, und so nimmt die Diphosphat-Konzentration im Cytosol Werte von 0,2–0,3 mM an. Diphosphat verwertende Prozesse sind bei Pflanzen weit verbreitet und kommen parallel zu ATP-verbrauchenden Stoffwechselwegen vor. Als ATP ersetzender Energieüberträger kann Pyrophosphat zum Beispiel bei der Glycolyse dienen, wo eine Pyrophosphate: Fructose-6-phosphate Phosphotransferase die Phosphofructokinasen ersetzt.