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Oxidative Phosphorylierung

ATPase

Reaktionsmechanismus

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Abb.1
Animation zum Bindungswechsel-Modell

Der enzymkinetische Mechanismus der F0F1ATPase lässt sich mit Hilfe des Bindungswechsel-Modells von J. Boyer beschreiben. Der Inhalt der Hypothese sei kurz zusammengefasst: Jede der drei im Holoenzym vorhandenen β-Untereinheiten, die alternierend mit den drei α-Untereinheiten einen Ring bilden, hat eine katalytische Bindungsregion, die entweder ATP oder ADP und Phosphat binden können. Diese kann drei verschiedene Anordnungen einnehmen, die als O (open)-, L (loose)- oder T (tight)-Konformationen bezeichnet werden. Die drei β-Untereinheiten nehmen innerhalb des Holoenzyms eine jeweils unterschiedliche Konformation ein. In der L-Konformation werden ADP und Phosphat locker und in der T-Konformation fest gebunden. In der T-Konformation wird ATP gebildet, welches letztendlich in der O-Konformation freigesetzt wird. Diese Konformationsänderungen werden im Laufe einer rotatorischen Bewegung im Gegenuhrzeiger-Sinn (in Teilschritten von 120o) im Herz des Enzyms (γ-Untereinheit), sowie im transmembranalen Sektor (Untereinheit c) erreicht. Die molekulare Rotation wird durch einen Protonenfluss angetrieben, der wiederum wegen des ΔpH über die innere mitochondriale Membran erfolgt .

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Abb.2

Schematischer Längsschnitt durch ein Mitochondrium. Drücken Sie den Abspielknopf, um eine kommentierte Animation der ATP-Synthese auf der Grundlage der Chemiosmotischen Theorie zu starten!

Bitte vergleichen Sie hierzu die Lerneinheit ATP-Synthase.

Mutationen in den atp-Genen im Mitochondrien-Genom

Die mitochondriale DNA ist relativ anfällig für Veränderungen, weil

  1. ein geeignetes Reparatur-System zur Fehler-Korrektur fehlt
  2. die Nucleinsäure relativ ungeschützt vorliegt, da Histone nicht vorhanden sind und
  3. hoch reaktive und mutagene Sauerstoff-Radikale (ROS) als Nebenprodukt der oxidativen Phosphorylierung in die unmittelbare Nähe der DNA gelangen.

Mutationen in bestimmten Genen des humanen mitochondrialen Genoms führen vor allem zu Krankheitsbildern, bei denen Muskeln, das Gehirn und andere Gewebe mit hohem Energiebedarf betroffen sind. Die doppel-strängige circuläre DNA besteht aus 16.569 Basenpaaren und sie enthält Gene für 13 Polypeptide/Proteine, die alle zur Atmungskette gehören. Sieben Gene kodieren für Komplex I- Untereinheiten, eines für Cytb des Komplexes III und drei für Komplex IV-Proteine. Die a-Untereinheit des Fo-Teils der ATP-Synthase ist bei den so genannten NARP-und Leigh-Syndromen betroffen. Die festgestellten Punktmutationen werden maternal an die Nachkommen vererbt. Dabei wird die Aminosäure Leu156 gegen Arg oder Pro ausgetauscht. Dadurch wird die Protonenkanal-Funktion beeinträchtigt, und in der Folge werden geringere Mengen an ATP gebildet. Klinisch festgestellt wurden eine sensorische Neuropathie verbunden mit neurogener Muskelschwäche, Ataxie und Retinitis pigmentosa. Letztere ist eine Augenerkrankung, bei der die Netzhaut allmählich zerstört wird und die zur vollständigen Erblindung führt (siehe unter Omim-Datenbank, ID: 516060; OMIM: Online Mendelian Inheritance in Man).

Literatur

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