19.11: ATP-Synthase: Struktur

Die ATP-Synthase gehört zu den am besten konservierten Proteinen, die in Bakterien, Säugetieren und Pflanzen vorkommen. Durch den elektrochemischen Gradienten kann dieses Enzym die Synthese von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat katalysieren. Die ATP-Synthase kann auch in umgekehrter Richtung arbeiten, indem sie ATP hydrolysiert und einen elektrochemischen Gradienten erzeugt. Verschiedene Formen von ATP-Synthasen haben spezielle Eigenschaften entwickelt, um den spezifischen Anforderungen der Zelle gerecht zu werden. Basierend auf ihrer spezifischen Eigenschaft werden ATP-Synthasen in F (Phosphorylierungsfaktor), V (Vakuole), A (Archaea), P (Proton) oder E (Extrazellulär) eingeteilt. Die ATP-Synthase von Säugetieren wird auch als Komplex Fünf der Atmungskettenkomplexe in der inneren Mitochondrienmembran bezeichnet.

Schätzungen zufolge produziert der durchschnittliche Körper eines Erwachsenen täglich 40 kg ATP. Daher ist die ATP-Synthese einer der wichtigsten und häufigsten Prozesse, die im Körper ablaufen.

Jede Mutation oder jeder Defekt im ATP-Synthase-Enzym kann zu tödlichen Krankheiten führen. Eine Mutation in einer oder mehreren Untereinheiten der ATP-Synthase kann deren Zusammenbau zu einem funktionellen Enzym hemmen. Dies kann zu angeborenen Defekten wie Kardiomyopathie, Hepatomegalie und Laktatazidose führen und zum Tod eines Neugeborenen führen. Darüber hinaus wurde eine Mutation in der α-Untereinheit mit mehreren Pathologien in Verbindung gebracht, darunter Retinitis pigmentosa, Neuropathie, familiäre bilaterale Striatumnekrose und eine Art von Leigh-Syndrom, einer neuromuskulären Störung bei kleinen Kindern. Des Weiteren können die reduzierte Expression der β-Untereinheit und die Anhäufung der α-Untereinheit im Cytoplasma die Alzheimer-Krankheit verursachen.

Die ATP-Synthase ist ein membrangebundener biologischer Nanomotor, der hauptsächlich für die Umwandlung von ADP und anorganischem Phosphat in ATP bekannt ist.

Dieses Enzym wird durch einen elektrochemischen Gradienten angetrieben, der durch Protonen erzeugt wird, die ungleichmäßig über die Membran verteilt sind.

Die Protonen fließen ihren elektrochemischen Gradienten hinunter und aktivieren die beiden funktionellen Domänen der ATP-Synthase: den F0-Subkomplex und den F1-Subkomplex.

F0 ist eine Transmembrankomponente mit Untereinheiten, die direkt mit den Protonen wechselwirken.

Zunächst ermöglicht die Stator-Untereinheit den Protonen, durch ihre Kanäle einzudringen und sich an die Bindungsstelle einer anderen Untereinheit, dem Rotor, zu binden.

Die Bindung der einfallenden Protonen bewirkt, dass sich der Rotor dreht. Wenn die Protonen eine volle 360-Grad-Umdrehung vollziehen, dissoziieren sie vom Rotor und verlassen die Membran durch einen weiteren Statorkanal.

Diese dynamischen Bewegungen innerhalb der ATP-Synthase werden durch einen peripheren Stiel stabilisiert, der eine starre Verbindung zwischen dem F0- und dem F1-Subkomplex herstellt.