ATP-Synthase

Die ATP-Synthase katalysiert den letzten Schritt der oxidativen Phosphorylierung. Über die Proteinkomplexe der Atmungskette werden während der Oxidation reduzierter Redoxcoenzyme Protonen von der Matrix in den Intermembranraum gepumpt. Der Protonengradient, der durch den Transport entsteht, wird auch protonenmotorische Kraft genannt. Dieser stellt die Energie für die ATP-Synthese bereit, die folgende Reaktionsgleichung hat:

$${\displaystyle ADP+P_{i}+H^{+}\rightarrow ATP+H_{2}O}$$

Die ATP-Synthase ist im Rahmen der Atmungskettenphosphorylierung an die Atmungskette gekoppelt. Stoffe, die diese Kopplung aufheben, heißen Entkoppler.

Die ATP-Synthase ist ein hoch konservierter Mulitprotein-Komplex, der in speziesübergreifend sehr gleichartig aufgebaut ist. Insgesamt besteht er aus 30 bis 34 Untereinheiten und kann in zwei Subkomplexe unterteilt werden.

Der F₁-Teil trägt die katalytischen Untereinheiten, der F_O-Teil (Cave: F_O wird "F-Oh" ausgesprochen, da in Tierversuchen die Inhibition mittels Oligomycin erfolgt) verankert die Synthase in der inneren Mitochondrienmembran. Die c-Untereinheiten bilden einen Ring, der als Kanal für die H⁺-Ionen fungiert. Die weiteren Untereinheiten haben strukturelle und mechanische Funktionen und verbinden die beiden Subkomplexe miteinander.

Die ATP-Synthase arbeitet mit einem Bindungswechsel-Mechanismus. Die drei β-Untereinheiten stellen die aktiven Zentren des Enzymkomplexes. Der Ring aus den c-Untereinheiten ist beweglich und kann sich drehen. Durch diese Bewegung dreht sich auch die γ-Untereinheit um die eigene Achse. Da dieses Protein nicht symmetrisch aufgebaut ist, interagiert es jeweils unterschiedlich mit den drei β-Untereinheiten. Dies führt dazu, dass die β-Untereinheiten in drei Konformationen vorliegen können, die jeweils einen Schritt in der ATP-Synthase ausführen:

• L-Konformation (von loose - locker): Bindung ADP und P_i
• T-Konformation (von tight - fest): Synthese und feste Bindung von ATP
• O-Konformation (von open - offen): Freisetzung von ATP

Eine β-Untereinheit durchläuft die Konformationen dabei immer in dieser Reihenfolge und die drei Untereinheiten liegen immer in unterschiedlichen Konformationen vor.

Die H⁺-Ionen treiben dabei die Rotation der c-Untereinheiten an. Der Protonengradient über die Membran wird letztendlich nicht direkt dafür benötigt, ATP zu synthetisieren, sondern um das Molekül aus der β-Untereinheit zu entlassen. Es werden 3 H⁺-Ionen für die Synthese eines ATP-Moleküls benötigt (120°-Rotation der γ-Untereinheit). Insgesamt entstehen 3 Moleküle ATP durch die vollständige Rotation (360°).

Der Amerikaner Paul D. Boyer und der Brite John E. Walker waren maßgeblich daran beteiligt, den Mechanismus der ATP-Synthase aufzuklären. 1997 erhielten sie dafür den Nobelpreis für Chemie.