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ATP-Synthase
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 …
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Funktion und Bedeutung
Die ATP-Synthase, auch F_{o}F_{1}-ATPase genannt, ist ein Transmembranprotein und eine zentrale molekulare Maschine des Energiestoffwechsels. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, ATP (Adenosintriphosphat) herzustellen. ATP ist eine energiereiche Verbindung und dient in fast allen Stoffwechselvorgängen als Energieüberträger.
Die ATP-Bildung benötigt ADP, Phosphat und Energie:
ADP + Phosphat → ATP + H_{2}O
Dabei beträgt ΔH unter Standardbedingungen ungefähr 30,5 kJ/mol, unter physiologischen Bedingungen etwa 50 kJ/mol. Die benötigte Energie gewinnt die ATP-Synthase aus dem Transport von Protonen oder anderen Ionen entlang eines Ionengradienten durch eine Membran. Meist handelt es sich um einen Protonengradienten: Auf einer Membranseite ist die Protonenkonzentration höher, also der pH-Wert niedriger.
Je nach Verhältnis von Substraten und Produkten kann das Enzym auch umgekehrt arbeiten: Dann verbraucht es ATP und pumpt Protonen. Die ATP-Synthase gehört nach der IUBMB-Enzymnomenklatur zu den Translokasen und trägt die EC-Nummer EC 7.2.2.2.
Vorkommen und Einordnung
Der größte Teil des verbrauchten ATP wird bei Tieren, Pflanzen und den meisten Bakterien durch ATP-Synthasen regeneriert. Beim Menschen kann der Tagesumsatz an ATP teilweise weit über 80 Kilogramm betragen.
F-Typ-ATPasen kommen vor:
- in der Plasmamembran von Prokaryoten,
- in der inneren Mitochondrienmembran von Eukaryoten,
- in der Thylakoid-Membran der Chloroplasten von Pflanzenzellen.
Bei alkaliphilen Bakterien kann ein Natrium- statt eines Protonengradienten die ATP-Synthese antreiben; diese Na^{+}-ATP-Synthase gehört zu EC 7.2.2.1. Archaeen besitzen meist eine A-Typ-ATPase, deren Aufbau etwas von dem der üblichen ATP-Synthase abweicht.
Die ATP-Synthase unterscheidet sich von anderen ATPasen besonders dadurch, dass sie die Hauptquelle für ATP ist. Andere ATPasen verbrauchen meist ATP. Als Vergleich nennt der Artikel einen Stromgenerator gegenüber einem Elektromotor. Die ATP-Synthase besteht zwingend aus den Teilen F_{o} und F_{1}; ATP-spaltende V-Typ-ATPasen haben einen anderen Typ. Als Protonenpumpe wäre die ATP-Synthase weniger geeignet: Protonenpumpen-ATPasen transportieren pro verbrauchtem ATP etwa zwei Protonen nach außen, bei der ATP-Synthase würde sich die Energie eines ATP-Moleküls auf drei bis vier Protonen verteilen.
Aufbau: Rotor, Stator und Teilkomplexe
Die ATP-Synthase besitzt je nach Organismus 8 bis 20 verschiedene Untereinheiten. Sie gliedert sich in zwei Komplexe:
- F_{o} ist wasserunlöslich, in die Membran eingebaut und transportiert Protonen.
- F_{1} ist wasserlöslich und katalysiert die Bildung von ATP.
Mechanisch besteht das Enzym aus einem Rotor, der sich dreht, und einem Stator als Gegenstruktur. Da die Membran flüssig ist, führt der Stator eine gegenläufige Bewegung zum Rotor aus. Der im Artikel beschriebene Bauplan bezieht sich auf die intensiv untersuchte und vergleichsweise einfache ATP-Synthase von Escherichia coli.
F_{o} besteht aus den hydrophoben Untereinheiten F_{o}a, F_{o}b und F_{o}c. F_{o}a ist an der Umwandlung von Protonenbewegung in Drehbewegung beteiligt. F_{o}b verbindet Membran und F_{1}-Komponente und überträgt Kräfte. Die F_{o}c-Peptide bilden einen Ring; für E. coli beschreibt der Aufbauabschnitt zwölf Spiralen. Im Ringinneren liegen vermutlich Phospholipide, die den Protonenfluss im Inneren verhindern. Jedes F_{o}c-Peptid hat ein aktives Zentrum, dessen Protonierung und Deprotonierung Strukturänderungen und damit Drehung auslöst.
F_{1} liegt auf der Innenseite der Membran. Drei α- und drei β-Peptide bilden den F_{1}(αβ){3}-Komplex. Dieser enthält drei katalytische Zentren für die ATP-Produktion sowie drei Poren für Ein- und Austritt von Substraten und Produkten. Die Untereinheit F{1}γ ist die drehbare Achse und überträgt die Bewegung des F_{o}c-Rings auf die katalytischen Zentren. F_{1}δ verbindet F_{o}b mit dem (αβ){3}-Komplex; F{1}ε verbindet vermutlich den F_{o}c-Ring mit der γ-Achse.
Die menschliche ATPase besteht aus mindestens 16 Untereinheiten; zwei davon werden durch mitochondriale Gene codiert. Für F_{1}γ und F_{o}c gibt es mehrere Genloci, die unterschiedliche Vorläuferproteine, aber identische Untereinheiten codieren.
Protonenmotor und ATP-Bildung
Beim hypothetischen Drehmechanismus der E.-coli-ATP-Synthase trägt jedes F_{o}c-Peptid an Position 61 einen Asparaginsäure-Rest. Im Ruhezustand sind fast alle Carboxylgruppen protoniert. Ein Peptid neben dem Stator besitzt jedoch einen deprotonierten, negativ geladenen Aspartat-Rest. Eine positiv geladene Arginin-Gruppe des Stators stabilisiert diese negative Ladung.
Das deprotonierte Peptid befindet sich in einem mechanisch angespannten Zustand. Nimmt es von außen ein Proton auf, läuft folgende Reaktion ab:
Peptid-COO^{−} + H^{+} (außen) → Peptid-COOH
Dadurch entspannt sich seine Struktur, gibt Energie ab und dreht den Rotor. Der Ring bewegt sich um 30°. Das nächste F_{o}c-Peptid wird dabei in den angespannten Zustand gebracht und gibt sein Proton nach innen ab:
Peptid-COOH → Peptid-COO^{−} + H^{+} (innen)
So wird pro Schritt sowohl Bewegungsenergie übertragen als auch ein Proton von außen nach innen transportiert. Der genaue Weg des Protons ist laut Artikel noch nicht vollständig geklärt.
Im F_{1}(αβ)_{3}-Komplex durchlaufen die drei katalytischen Zentren nacheinander drei Zustände: Sie binden zunächst ADP und Phosphat besonders stark. Danach besitzen sie eine hohe Affinität zu ATP; ihr hydrophober Charakter begünstigt die Kondensationsreaktion zu ATP. Schließlich öffnen sie sich und geben ATP ab. Energie wird vor allem benötigt, um diese offene Form zu erzeugen und ATP aus dem Enzym zu entfernen. Eine vollständige Rotorumdrehung von 360° erzeugt in drei Schritten drei ATP-Moleküle. Da jeder Protonendurchgang eine Drehung um 30° bewirkt, werden nach diesem Modell vier H^{+} pro ATP benötigt.
Varianten, Unterschiede und Forschung
Die Bezeichnung „ATP-Synthetase“ gilt streng genommen als fehlerhaft, weil Synthetasen chemische Bindungen unter ATP-Verbrauch herstellen. Häufige Bezeichnungen sind F-ATPase, F_{o}F_{1}-ATPase, H^{+}-ATP-Synthase und H^{+}-transporting two-sector ATPase. „F_{0}“ ist nicht korrekt geschrieben: Das „o“ in F_{o} leitet sich von Oligomycin ab, einem Inhibitor dieser Untereinheit. ATP-Synthasen der Mitochondrien heißen auch mtATP-Synthasen, jene in Chloroplasten CF_{o}F_{1}-ATP-Synthasen.
Die Anzahl der Untereinheiten und Rotor-Peptide unterscheidet sich zwischen Organismen. Die ATP-Synthase von E. coli besteht aus acht verschiedenen Proteinen, jene der Hefe Saccharomyces cerevisiae aus 20. Die Tabelle nennt für E. coli zehn F_{o}c-Peptide und vier H^{+} pro ATP, während der Aufbauabschnitt zwölf F_{o}c-Spiralen beschreibt. Weitere Werte sind: Hefe-Mitochondrien zehn F_{o}c-Peptide und 3,3 H^{+} pro ATP; Spinat-Chloroplasten 14 Peptide und vier H^{+} pro ATP; Na^{+}-ATP-Synthasen elf Peptide und 3,7 Na^{+}/ATP.
Peter D. Mitchell stellte 1960 die chemiosmotische Theorie vor: Nicht ein „energiereiches Zwischenprodukt“, sondern ein pH-Gradient liefert die Energie für die ATP-Synthese. Für diese Theorie erhielt er 1978 den Nobelpreis für Chemie. Paul D. Boyer klärte den molekularen Mechanismus auf, John E. Walker und Mitarbeitende bestimmten die räumliche Struktur durch Kristallisation; Boyer und Walker erhielten dafür 1997 den Chemie-Nobelpreis gemeinsam mit Jens C. Skou. Die Abstammung der ATP-Synthasen wurde 2023 von Tara Mahendrarajah, Nina Dombrowski, Anja Spang und weiteren Forschenden untersucht.
