ATP-Synthase

Entsprechende F-Typ-ATP-Synthasen finden sich auch in der Bakterienmembran sowie in der Thylakoidmembran von Chloroplasten.

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:

$${\displaystyle ADP+P_i+H^{+}\to ATP+H_{2}O}$$

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 Multiprotein-Komplex, der 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 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. Der Mensch besitzt 8 c-Untereinheiten.

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-Synthese ausführen:

• L-Konformation (von loose – locker): Bindung von 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. Für eine vollständige Rotation des Rotors werden 8 H⁺-Ionen benötigt. Insgesamt entstehen 3 Moleküle ATP durch die vollständige Rotation (360°; 120° pro ATP).

Durch die Aktivität des Phosphat-Antiporters und des ADP/ATP-Antiporters geht dem mitochondrialen Membranpotenzial konstant eine Ladung pro ATP verloren. Daher muss pro synthetisiertem ATP ein zusätzliches H⁺-Ion aus der mitochondrialen Matrix exportiert werden, um den Ladungsverlust auszugleichen. Somit werden global betrachtet für 3 ATP 11 Protonen benötigt, was 3,7 Protonen pro ATP entspricht. Je NADH werden in der Atmungskette 10 Protonen exportiert, was 2,7 ATP pro NADH entspricht. Da durch andere Prozesse der Protonengradient ebenfalls etwas gemindert wird, sind es tatsächlich ca. 2,5 ATP pro NADH, die durch Zusammenarbeit der Atmungskette und der ATP-Synthase generiert werden können.

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.

• Rassow J, Hauser K, Netzker R, Deutzmann R. Duale Reihe Biochemie. Thieme.
• Löffler G, Petrides PE, Heinrich PC. Biochemie und Pathobiochemie. Springer.