Ich liebe diese Frage!

Ich unterrichte Chemie auf verschiedenen Ebenen und dieses Konzept rund um die ATP-Hydrolyse bereitet meinen Schülern mehr Probleme als jedes andere. Oft ist dies das erste Mal, dass ein Schüler ein konkretes Beispiel für Bindung (in einem Biologieunterricht) trifft und so oft mit der falschen Vorstellung von den Prozessen der Bindungsbildung und -auflösung davonkommt.

Das Brechen einer Bindung setzt isoliert niemals Energie frei. Bindung ist ein stabiler Zustand im Vergleich zu den ungebundenen Spezies, wo entgegengesetzte Ladungen näher beieinander sind, wenn sie im Vergleich zu ungebundenen gebunden sind und das gesamte System eine niedrigere (elektrische) potentielle Energie hat. Die bei der Hydrolyse von ATP gebrochene Bindung ist nicht anders. Es ist eine ziemlich schwache Bindung, erfordert aber immer noch Energie, um gebrochen zu werden.

Der Grund dafür, dass dabei Energie freigesetzt wird, liegt darin, dass die gebildeten Produkte (ADP und Hydrogenphosphat / Phosphat) stärkere kovalente Bindungen (plus intermolekulare Kräfte mit der umgebenden Lösung und gelösten Ionen) aufweisen als die Ausgangsmaterialien. Dies ist bei jedem exothermen Prozess der Fall. Wenn Sie die P-O-Bindung in ATP aufbrechen, wird im Hydrogenphosphat eine neue P-O-Bindung gebildet, aber Sie müssen auch die Wechselwirkungen der Ausgangsmaterialien im Vergleich zu den Produkten mit der Lösung betrachten. Wir sollten auch beachten, dass das Wasser, das die Phosphatgruppe in der Hydrolysereaktion angreift, dann deprotoniert werden muss und das gebildete Hydrogenphosphat-Ion teilweise zu Phosphat dissoziiert, so dass viel los ist!Es ist auch erwähnenswert, dass, wenn Leute sagen, „Energie wird bei der ATP-Hydrolyse freigesetzt“, sie sich normalerweise auf die freie Gibbs-Energie beziehen, die auch den Beitrag der Systementropieänderung (mal Temperatur) sowie die Enthalpieänderung (bestimmt durch Bindung und andere elektrostatische Wechselwirkungsstärke). Im Falle der ATP-Hydrolyse haben wir unter den meisten Bedingungen auch eine Zunahme der Entropie des Systems, was den Prozess noch exergonischer macht (günstig, kann verwendet werden, um andere Prozesse anzutreiben), als es die Enthalpie allein vermuten lässt.

Bitte haben Sie Verständnis: Die Chemie hier ist eigentlich sehr komplex und die insgesamt zur Verfügung gestellte nutzbare Energie hängt von vielen Faktoren ab, die über die Strukturen der Ausgangsmaterialien und der Produkte hinausgehen. Um die ATP-Hydrolyse wirklich zu verstehen, muss man die Konzentrationen aller Spezies kennen (da dies die treibende Kraft beeinflusst), einschließlich verschiedener gelöster ionischer Spezies, die normalerweise nicht in der einfachen Reaktionsgleichung enthalten sind.

Um Ihren letzten Teil zu beantworten, setzt die Bindungsbildung von isolierten Spezies immer Energie frei, da entgegengesetzte Ladungen näher zusammenrücken und die potentielle Energie abnimmt.