Prof. Dr. Susanne Bickel
12.09.2006

ATP-Synthase

Infos und Links zu den Themen Protonengradient sowie Aufbau und Funktion der ATP-Synthase.

Nanomotoren in Natur und Technik

Wie werden Bakteriengeißeln angetrieben und wodurch rotiert die ATP-Synthase, die wichtigste ATP-liefernde "Maschine" der Zellen? In beiden Fällen stammt die Energie aus einem transmembranen Ionengradienten. Sowohl der Geißelmotor als auch die ATP-Synthase sind Rotationsmotoren, wobei der Geißelmotor zehnmal so groß ist wie die ATP-Synthase (40 Nanometer Durchmesser). Nach den Vorbildern aus der Biologie versuchen Wissenschaftler technisch und medizinisch nutzbare Nanomotoren zu entwickeln. Ein erster Schritt dabei ist das Verständnis von Struktur und Funktion der Biomoleküle. In einem zweiten Schritt sind dann strukturelle Veränderungen erforderlich, um die Nanomotoren an ihre neuen Aufgaben anzupassen.

ATP-Synthase

Aufbau und Energiequellen
Die ATP-Synthase besteht aus zwei sich gegenüberstehenden Rotationsmotoren, die in Serie geschaltet und über einen "Proteinstab" miteinander verbunden sind. Der F1-Motor, der "Kopf" der ATP-Synthase, besteht aus sechs alternierend und wie die Stücke einer Apfelsine angeordneten alpha- und beta-Untereinheiten. Im Zentrum des Kopfes bilden die gamma- und die epsilon-Untereinheit eine Art Achse. Je eine alpha- und eine beta-Einheit enthalten zusammen eine katalytische Nukleotidbindungsstelle, an die ATP beziehungsweise ADP und anorganisches Phosphat gebunden werden. Der membranständige F1-Motor wird durch die Energie aus der Hydrolyse von ATP angetrieben, wobei sich die zentrale Achse (gamma- und die epsilon-Untereinheit) dreht. Der transmembrane F0-Motor wird dagegen durch die Protonenmotorische Kraft ("Proton Motive Force", PMF) bewegt, die sich aus dem Membranpotential und dem Protonengradienten über der Membran zusammensetzt. Mehrere kleine Untereinheiten im F0-Komplex fungieren als Statoren (Ständer), die den Rotor fixieren und in seiner Membranposition halten.

Bildung von ATP oder Pumpen von Protonen
Unter normalen physiologischen Bedingungen der Photosynthese und der Zellatmung treibt der F0-Motor den an ihn gekoppelten F1-Motor in Richtung ATP-Synthese an. In einigen Bakterien kann bei niedriger PMF, zum Beispiel unter anaeroben Bedingungen, der F1-Motor aber auch ATP hydrolysieren und mithilfe der dadurch gewonnenen Energie den F0-Motor rückwärts laufen lassen, so dass er wie eine Protonenpumpe funktioniert. Der F0- und der F1-Motor stehen für die beiden prinzipiellen Mechanismen der Zelle, chemische Energie in mechanische Kraft umzuwandeln (Protonenmotorische Kraft und ATP-Hydrolyse).

Links zu Thema Protonengradient und ATP-Synthase

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