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Oxidative Phosphorylierung

ATP-Synthese

Durch den Elektronentransfer entsteht ein elektrisches Feld über die innere mitochondriale Membran, und die damit verknüpften Protonen-Translokationen führen zu einem elektrochemischen Potentialgefälle zwischen der Matrix und dem Intermembranraum, welche(s) für die Synthese von ATP genutzt wird. Der pH-Wert ist im Intermembran-Raum um etwa 1,4 Einheiten niedriger als in der Matrix.

Elektronentransport und ATP-Synthese sind miteinander verknüpft. Dies kann man experimentell mit so genannten Entkopplern, wie Oligomycin oder 2,4-Dinitro-phenol, zeigen. Diese lassen einen Elektronentransfer zu, jedoch wird die freigesetzte Gibbs-Energie in Form von Wärme dissipiert und nicht als Triebkraft für die Biosynthese des Nucleotids verwendet. Ein Beispiel für einen natürlich vorkommenden Entkoppler ist das so genannte Thermogenin (auch UCP1 genannt), ein Protein, das mit sechs α-Helices in der inneren mitochondrialen Membran von Fettzellen des braunen Fettgewebes verankert ist. Dieses bildet dort in dimerer Form einen Protonenkanal, welcher das im Laufe der Elektronentransport-Reaktionen enstehende Protonengefälle dissipiert. Damit enfällt in diesem Gewebe die ATP-Synthese mit dem Ziel, die freiwerdende Gibbs-Energie ausschließlich in Wärme umzuwandeln. Dies ist von großer Bedeutung für Winterschläfer oder Neugeborene, die auf diese Weise vor der Auskühlung bewahrt werden.

Während die äußere mitochondriale Membran nur eine minimale Permeabilitätsbarriere für Metabolite oder anorganische Ionen darstellt (Durchlässigkeit von Molekülen/Ionen bis zu einer Größe von ≦ 600 Da), ist die innere Membran sehr viel selektiver. So sind dort ein große Anzahl an Transportern und Translokatoren eingebaut, die z.B. ADP gegen ATP austauschen (Antiporter) oder Phosphat zusammen mit Protonen transportieren (Symporter). Mit Hilfe solcher Transportvehikel (engl. "substrate shuttles") gelangen auch die Reduktionsäquivalente (z.B. NADH1)) vom Cytosol in die mitochondriale Matrix.

Molekulare Zusammensetzung der ATPase

Abb.1
Die ATPase
Courtesy of Dr. Jon Nield , © Wolfson Laboratories, Department of Biological Sciences, Imperial College London, 2003.

Die Biosynthese des ATP wird durch die F0F1ATPase (ATP-Synthase) katalysiert. Das oligomere Enzym besteht aus einem transmembranalen Bereich (F0), der einen Kanal für die Translokation von Protonen beherbergt, sowie einem Kopfteil (der so genannte Kopplungsfaktor, F1), in dem sich der katalytische Wirkort befindet (vide infra, ). Beide Teile werden über andere Untereinheiten miteinander verbunden (so genannter stalk). Der Kopplungsfaktor ragt in den Matrixraum hinein. Die Untereinheitenzusammensetzung des wasserlöslichen Kopfteils weist eine Stöchiometrie von (αβ)3γδε auf. Der stark hydrophobe Transmembranbereich besteht aus mindestens 3 Untereinheiten, die mit a, b und c (Stöchiometrie: 1:2:10) bezeichnet werden. Im Enzym aus Mitochondrien von Human-Zellen besteht der F0-Teil aus 9 verschiedenen Untereinheiten, wobei das Proteolipid (Untereinheit c) in bis zu 14 Kopien vorliegen kann (vgl. und unter pdb-Code:1A91). Es ist noch nicht vollständig geklärt, wodurch die Varianz der Anzahl der c-Untereinheiten pro Holoenzym begründet ist.

Das Holoenzym besitzt ein Molekulargewicht von ca. 500 kDa. Die Struktur der mitochondrialen ATPase ist der des Chloroplasten-Enzyms (CF0CF1ATPase) und der des eubakteriellen (z.B. der Plasmamembran-ATPase aus E. coli) außerordentlich ähnlich (siehe auch unter Endosymbionten-Theorie). Im Unterschied zum plastidären Enzym ist die funktionelle Aktivität der mitochondrialen Form jedoch nicht licht-reguliert. Das eukaryontische multimere Enzym setzt sich aus Nucleus (n) - und Mitochondrien (mt)- bzw. Chloroplasten (c) -DNA-kodierten Untereinheiten zusammen (vide infra).

Die 3D-Strukturen des Kopf- und Membranteils sind separat durch Röntgen-Kristallographie von Kristallen der Proteine aus Rinderherz- bzw. Hefe-Mitochondrien durch die Gruppe von J. E. Walker bestimmt worden (siehe in der Protein-Datenbank unter folgenden pdb-Codes: 1BMF und 1QO1; siehe auch Nobelpreis für Chemie (1997) J. E. Walker für die Struktur der ATP-Synthase zusammen mit P. D. Boyer (für die Entschlüsselung des enzymkinetischen Mechanismus) und J. Skou (für die Entdeckung der Na+/K+-ATPase)). Trotz intensiver Anstrengungen ist es bisher nicht gelungen, die 3D-Struktur des Holoenzyms zu lösen.

Tab.1
Molekulare Zusammensetzung von F1 und Fo aus Human-Mitochondrien
SubkomplexProtein-/Polypeptid-Untereinheit/ FunktionMolekulargewicht [kDa]hydrophil (extrinsisch)/ transmembranal mit x vorhergesagten α-HelicesKodierung in Kern (n) - oder mitochondrialer DNA (mt)Anzahl Kopien pro Holokomplex
F1 α (Nucleotid-Bindung; Nucleotid nicht an der Katalyse beteiligt)55hydrophiln3
β (Nucleotid-Bindung; Katalyse)52hydrophiln3
γ (Rotor), auch AtpG genannt30hydrophiln1
δ (Stator), auch OSCP oder AtpO genannt20hydrophiln1
ε (Teil des Rotors), auch AtpE genannt5.6hydrophiln1
F0 a (Stator) auch AtpA, Untereinheit 6305-6mt1
b (Stator), auch AtpF172?n2
A6L oder Untereinheit 87.81mt?
c (Proteolipid, DCC-bindendes Polypeptid, essentiell für Protonen-Translokation), auch AtpC oder Untereinheit 9 genannt82n9-14
d 18membranassoziiertn?
e7.81n?
f10.71n?
g111?n?
F68.9membran-assoziiertn?

In dieser Tabelle ist die Zusammensetzung des Enzyms aus Human-Mitochondrien aufgeführt (siehe die komplette Mitochondrien-Genomsequenz in Anderson et al. (1981)). Nach der mtDNA-Sequenz sind nur die F0-Untereinheiten a und A6L im Organellen-Genom kodiert, alle übrigen in der nucleären DNA. Von mehreren Untereinheiten sind organ-spezifische Varianten (Polymorphismen) bekannt. Das Proteolipid aus dem homologen pflanzlichen Enzym ist im Gegensatz zu dem aus Säugern im Organellen-Genom kodiert. Erläuterung zu den verwendeten Abk.: OSCP = oligomycin-sensitivity conferred protein; DCC = Dicyclohexyl-carbodiimid.

Jüngst wurden supramolekulare Komplexe aus der ATPase, dem ADP/ATP-Antiporter und dem Phosphat-Carrier in situ mittels Immunelektronenmikroskopie beobachtet, die in einem stöchiometrischen Verhältnis von 1:1:1 vorlagen. Diese wurden von Chen et al. (2004) als ATP-Synthasom bezeichnet. Der Befund lässt vermuten, dass der Zugang der Substrate ADP und Phosphat, die Synthese von ATP und seine Freisetzung streng koordiniert sind. Ähnliche experimentelle Ergebnisse wurden für Benson-Calvin-Cyclus-und Tricarbonsäure-Cyclus-Enzyme erhalten (siehe Graciet et al. (2004)). Ziel dieser spezifischen Protein-Protein-Interaktionen (Metabolon, siehe auch in der Literaturliste unter Srere (1985 )) ist offenbar, sequentielle metabolische Reaktionswege oder cyclische Prozesse nach zellulärem Bedarf optimal anzupassen (substrate channeling).

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