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ATP-Synthase
Das Enzym ATP-Synthase oder FoF1-ATPase (EC 3.6.3.14) ist ein Transmembranprotein, mit den Funktionen einer Protonenpumpe und einer ATPase. Die ATP-Synthase tritt abhängig vom Verhältnis der Substrate und Produkte entweder als ATP-verbrauchende Protonenpumpe oder als Protonen-getriebene ATP-Synthase auf. Unter physiologischen Bedingungen besteht die Hauptaufgabe des Enzyms allerdings darin, die Synthese von ATP zu katalysieren. ATP ist eine energiereiche Verbindung, deren Bildung der Zufuhr von Energie bedarf: Um diese Energie aufzubringen koppelt die ATP-Synthase die ATP-Bildung mit dem energetisch begünstigten Transport von Protonen (oder anderen Ionen) entlang eines Protonengefälles über eine Membran. Die ATP-Synthase ist also ein Energiewandler, der eine Energieform in eine andere umformt. Das Enzym spielt im Stoffwechsel fast aller bekannter Organismen eine zentrale Rolle, da ATP ununterbrochen als Energieüberträger benötigt wird. Die ATP-Synthase setzt sich aus 8 bis 20 verschiedenen Untereinheiten zusammen. Sie gruppieren sich zu zwei Komplexen:
Das Enzym wird daher auch nach seinen beiden Untereinheiten als FoF1-ATPase bezeichnet. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
Bedeutung und VorkommenPraktisch alle Vorgänge in Organismen erfordern Adenosintriphosphat (ATP). Es stellt allen möglichen Stoffwechselvorgängen Energie zur Verfügung. Der größte Teil des verbrauchten ATP wird bei Tieren, Pflanzen und den meisten Bakterien durch die ATP-Synthase regeneriert. Der Tagesumsatz an ATP beträgt beim Menschen teilweise weit über 80 Kilogramm. Die ATP-Synthase alias F-Typ-ATPase kommt vor
Urtümliche Bakterien aus dem Reich der Archaeen haben eine A-Typ-ATPase, die im Aufbau etwas von der "normalen" ATP-Synthase abweicht. Der Grund könnte mit dem abweichenden Aufbau von Zellmembran und Zellwand dieser Organismen zusammenhängen. ATP-Synthasen nutzen die Energie eines Ionengradienten, der zwischen den beiden Seiten der Membran existiert. In der Regel handelt es sich dabei um einen Protonengradienten. Bei alkaliphilen Bakterien existiert auch eine ATP-Synthase, die statt eines Protonen- einen Natrium-Gradienten zur ATP-Synthese verwendet. (EC 3.6.3.15) GeschichteDie Aufklärung von Funktion und Mechanismus der ATP-Synthase wurde im wesentlichen von Forschern geleistet, die sich mit Mitochondrien beschäftigten. Obwohl dieses Enzym auch bei der Photosynthese der Pflanzen und bei aeroben Bakterien eine wichtige Rolle spielt, geriet die ATP-Synthase als Bestandteil der Zellatmung und der Atmungskette des Menschen in den Fokus der Biochemie.
Der Komplex VAnfang der 60er Jahre des 20. Jahrhunderts konnte die Biochemie auf enorme Fortschritte zurückblicken. Der Energiestoffwechsel war in ein paar Jahrzehnten fast aufgeklärt worden. Der Zitronensäurezyklus war bekannt, ebenso die physiologische Rolle von NADH als Wasserstoff-Überträger und die Rolle von ATP als Energielieferant. Man wusste, dass der NADH-Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser oxidiert wird. Und es war klar, dass bei diesem Prozess die Hauptmasse des in der Zelle benötigten ATP entsteht. Darüber hinaus wusste man, dass die Oxidation des NADH in Schritten verläuft. Man hatte in den Mitochondrien-Membranen Enzyme und Coenzyme gefunden, die eine Elektronentransport-Kette vom NADH zum Sauerstoff bilden. Die Aufklärung dieser sogenannten Atmungskette gestaltete sich indes zunehmend schwieriger. Die Enzyme der Atmungskette ließen sich nur schwer isolieren und untersuchen, da es sich um Membranproteine handelt. Zusätzlich bilden sie große Enzym-Komplexe. Vier dieser Komplexe wurden (und werden) immer weiter aufgeklärt. Komplex V, der ATP bildet, blieb auch nach Isolierung seiner wasserlöslichen Komponente im Jahr 1961 im Dunkeln. Die Aufklärung der Atmungskette, und damit die Biochemie überhaupt, hatte also noch einen "Schönheitsfehler". Aus den Forschungen über den Zuckerabbau (Glycolyse) kannte man immerhin bereits einen Mechanismus (Substratkettenphosphorylierung), bei dem aus ADP und Phosphat ATP entsteht. Man zog den Schluss, dass es sich in der Atmungskette irgendwie ähnlich verhalten müsste und glaubte, dicht vor der endgültigen Aufklärung zu sein. Es fehlte "nur noch"
Es fehlte also "nur noch" der gesamte Zusammenhang zwischen NADH-Oxidation und ATP-Produktion. Aber man hatte schon einen bis heute gültigen Namen für den Stoffwechsel-Weg: oxidative Phosphorylierung. In dieser Situation stellte Peter Mitchell 1960 eine Hypothese vor, die lange heftig angefeindet wurde. Denn Mitchell postulierte einen für die damalige Biochemie "unvorstellbaren" Mechanismus.
Die Mitchell-HypotheseMitchell selbst hatte zwar seit Beginn der vierziger Jahre schwerpunktmäßig die Atmungskette untersucht, aber kannte auch die Forschungsergebnisse der Transportvorgänge an Membranen. Seine Arbeitsgruppe konzentrierte sich bei der Untersuchung der Atmungskette auf den Elektronenüberträger Ubichinon (Q-Zyklus). Die Ergebnisse waren mit der Idee eines "energiereichen Zwischenprodukts" der Atmungskette als Motor der ATP-Synthase nicht vereinbar. Mitchell postulierte statt dessen, dass das Enzym von einem pH-Gradienten seine Energie bekommt. (Siehe Abb. 3) Die Ablehnung der Fachwelt war überwältigend. Selbst als Mitchell 1978 für seine chemiosmotische Theorie den Nobelpreis (Chemie) bekam, sprachen namhafte Biochemiker noch abwertend von der "Mitchell-Hypothese". Die Aufklärung des MechanismusAuch Wissenschaftler, die der "Mitchell-Hypothese" offiziell sehr skeptisch gegenüberstanden, zogen bei ihrer Forschung im Labor die chemiosmotische Theorie ernsthaft in Betracht. Während sich die Beweise für Mitchells Theorie häuften, kam man auch im experimentellen Umgang mit der ATP-Synthase weiter. In Membranvesikeln konnte man sie "in action" studieren. Paul D. Boyer, ursprünglich ein "Mitchell"-Skeptiker, klärte den molekularen Mechanismus der ATP-Synthase auf. John E. Walker und Mitarbeitern gelang es, die ATP-Synthase zu kristallisieren und ihre räumliche Struktur aufzuklären. Beide bekamen dafür den Nobelpreis 1997 im Fach Chemie. Sie teilten sich den Preis mit Jens C. Skou, der bereits 1957 die erste Protonenpumpe entdeckt und damit die Grundlage für die "Mitchell-Hypothese" gelegt hatte. Stellung zu anderen EnzymenEine Vielzahl von Enzymen verbraucht das ATP, das von der ATP-Synthase geliefert wird, als Kosubstrat. Unter den Enzymen nimmt die ATP-Synthase also eine Schlüsselstellung ein. Von den übrigen ATPasen unterscheidet sich die ATP-Synthase in verschiedener Hinsicht:
Die ATP-Synthase hat entsprechend der IUBMB Enzym-Nomenklatur die EC-Nummer 3.6.3.14 und gehört zur Kategorie der Hydrolasen. Bauplan der ATP-SynthaseEntsprechend ihrer Stellung zur Membran (Abb. 4, unten, heller Bereich) unterscheidet man eine membrangebundene Fo- und eine wasserlösliche F1-Untereinheit. Mechanisch gesehen lässt sich das Enzym in einen sich drehenden Rotor (Abb. 4, rötlich bis violett) und einen Stator (Abb. 4, grün) gliedern. Wegen des flüssigen Charakters der Membran führt der Stator eine Drehbewegung gegenläufig zum Rotor aus. Nachfolgend wird der Bauplan der ATP-Synthase des Bakteriums E. coli beschrieben, weil sie intensiv untersucht und relativ einfach gebaut ist.
Aufbau von FoFo besteht aus hydrophoben Peptiden (wasserunlöslichen Eiweißketten) und befindet sich in der Membran. Dieser Teil des Enzyms setzt sich zusammen aus drei verschiedenen Untereinheiten:
Jede Foc-Peptidkette verfügt über ein aktives Zentrum. Wenn von diesem Zentrum H+ abgespalten wird, dann ändert sich die Struktur der Peptidkette in einen mechanisch angespannten Zustand. Nimmt das aktive Zentrum dann wieder ein H+ auf, dreht sich die Peptidkette zurück. Diese Drehung übt eine Kraft auf Foa aus.
Aufbau von F1F1 ist die wasserlösliche Komponente der ATP-Synthase. Sie befindet sich auf der Innenseite der Membran. Fünf verschiedene Peptide (α bis ε) bilden die Untereinheiten dieser Komponente:
Bewegungs- und ReaktionsabläufeDie Funktion der "molekularen Maschine" wird hier am Beispiel der E. coli-ATP-Synthase beschrieben. Hypothetischer Mechanismus der DrehbewegungDer Ort des für die Bewegung zuständigen Zentrums geht aus Abb. 5 hervor. Der Mechanismus der Drehbewegung ist in Abb. 6 dargestellt.(Stand 10/2005)
ATP-Synthese im F1(αβ)3-KomplexDie eigentliche Umsetzung von ADP zu ATP ist, biochemisch gesehen, im Vergleich zur Protonen getriebenen Drehung des Foc-Rings nichts ungewöhnliches. Es finden Struktur-Änderungen der beteiligten Peptidketten statt, die die Substrate (hier ADP und Phosphat) zur Reaktion bringen. Im F1(αβ)3-Komplex gibt es drei katalytische Zentren. Sie nehmen nacheinander drei Formen an:
Der energieverbrauchende Schritt besteht darin, die geöffnete Form zu bilden, also das Reaktionsprodukt ATP aus dem Enzym zu entfernen. Genau das ermöglicht die Drehbewegung. Die Drehung des Rotors um 360° liefert in drei Schritten drei Moleküle ATP. Da sich die "Maschine" bei jedem Protonendurchgang um 30° dreht, werden nach diesem Modell für jedes ATP vier H+ verbraucht. ATP-Synthasen bei verschiedenen OrganismenDie ATP-Synthase des Bakteriums E.coli besteht aus acht verschiedenen Proteinen. Die ATP-Synthase in den Mitochondrien der Hefe Sacharomyces cerevisiae besteht bei prinzipiell gleicher Bauweise aus 20 verschiedenen Proteinen. Eine ganze Bandbreite (9-14) gibt es auch bei der Anzahl der Foc-Rotor-Peptide. Aus ihnen resultieren verschiedene Mengenverhältnisse zwischen verbrauchtem H+ und hergestelltem ATP.
Andere Bezeichnungen für die ATP-Synthase
Kategorien: Lesenswert | Hydrolase | Stoffwechsel |
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel ATP-Synthase aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |