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Lexikon der Biochemie: chemiosmotische Hypothese

chemiosmotische Hypothese, ein von Peter Mitchell [Nature 191 (1961) 144-148] vorgeschlagener Mechanismus zur Erklärung, wie die Freie Energie des exergonischen Elektronenflusses entlang einer Elektronentransportkette (in der inneren Mitochondrienmembran, der Thylakoidmembran von Chloroplasten und der prokaryontischen Plasmamembran) die endergonische Phosphorylierung von ADP antreibt, eine Reaktion, die durch die ATPase-Aktivität eines Enzymkomplexes in derselben Membran katalysiert wird (ATP-Synthase). Wenn Elektronen eine Kette aus Redoxsystemen (Elektronentransportkette) von einem negativeren Potenzial (z.B. -0,32V für NAD+/NADH) zu einem weniger negativen Potenzial (z.B. +0,82V für O2/H2O) hinunterfließen, dann wird die durch die Redoxreaktionen freigesetzte Freie Energie dazu verwendet, Protonen (H+) von einer Seite der Membran auf die andere zu transportieren. Dadurch wird ein elektrochemischer Gradient (d.h. ein Gradient der elektrischen Ladung und elektrischen Konzentration) entlang der Membran aufgebaut. In den Mitochondrien werden die Protonen von der Matrix in den Intermembranraum transportiert (in den Bereich zwischen der inneren und der äußeren Membran); in den Chloroplasten werden sie vom Stroma in das Thylakoidlumen transportiert, während sie im Fall prokaryontischer Zellen vom Cytoplasma auf die extrazelluläre Seite der Plasmamembran transportiert werden. Die Energie, die durch den Elektronenfluss frei wird, wird daher in Form eines elektrochemischen Protonengradienten konserviert. Dieser Gradient stellt eine Kraft dar, der Mitchell den Namen protonenmotorische Kraft gab, die – gemäß der gegenwärtigen Fassung der c. H. – die Protonen über die Membran zurücktreibt (d.h. die Protonen fließen von einer höheren Konzentration zu einer niedrigeren Konzentration und aus einem Bereich höherer positiver Ladung in einen Bereich niedrigerer positiver Ladung). Die Protonen nehmen dabei den Weg über die F0F1-ATP-Synthase, die gezwungen wird, das ATP, das sie aus ADP und Pi gebildet hat, freizusetzen. Auf diese Weise wird die im elektrochemischen Gradienten gespeicherte Freie Energie dazu verwendet die endergonische Phosphorylierung von ADP durchzuführen (ADP + Pi → ATP + H2O; ΔG0' = + 30,5kJ·mol-1). Somit kehren die Protonen auf die Seite der Membran zurück, von der sie gestartet sind. Von hier können sie durch die Wirkung der Elektronentransportkette wieder auf die andere Seite gepumpt werden.
Der fundamentale Grundsatz der c. H. besteht darin, dass Protonen die betreffende Membran nur durch die Wirkung einer Elektronentransportkette oder über den F0F1-Komplex überwinden können, und dass die Membran ansonsten impermeabel für sie ist. Des Weiteren muss die Membran strukturell intakt sein und das Kompartiment, aus dem die Protonen herausgepumpt werden, muss völlig von der Membran umschlossen werden. Idealerweise sollte die Membran auch für andere zelluläre Kationen (z.B. K+) und Anionen (z.B. Cl-) impermeabel sein, weil sonst der Aufbau eines elektrischen Ladungsgradienten über die Membran unmöglich wird (da die Bewegung von H+ durch die Bewegung von Anionen in die gleiche Richtung und/oder von Kationen in die entgegengesetzte Richtung ausgeglichen werden würde) und der einzige Gradient, der entstehen kann, ein pH-Gradient ist. Es konnte gezeigt werden, dass die innere Mitochondrienmembran all diese Voraussetzungen erfüllt und ein echter elektrochemischer (Ladungs- und Konzentrations-) Gradient aufgebaut wird. Im Gegensatz dazu ist die Thylakoidmembran für andere Ionen stärker permeabel und der aufgebaute elektrochemische Gradient beruht stärker auf Konzentrationsunterschieden als auf einem Ladungsgradienten. Die Voraussetzung der chemiosmotischen Synthese, dass die energieumwandelnden Membranen strukturell intakt sein müssen und das betreffende zelluläre oder Organellenkompartiment völlig umschließen, konnte experimentell nachgewiesen werden; z.B. erzeugen Fragmente der inneren Mitochondrienmembran, die die komplette Elektronentransportkette oder Teile davon enthalten, kein ATP, obwohl sie den Elektronentransport durchführen.
Obgleich es bewiesen ist, dass die Elektronentransportkette der inneren Mitochondrien- und der Thylakoidmembran und der bakteriellen Plasmamembran als H+-Pumpe wirkt, wenn sie aktiv am Elektronentransport mitarbeitet, ist der Mechanismus dieser Pumpenwirkung noch nicht ganz geklärt. Zur Zeit wird ein Protonenpumpenmechanismus diskutiert. Diesem Modell zufolge ruft die Elektronenübertragung innerhalb des Proteins in einem bestimmten Komplex Konformationsänderungen hervor, die die pKa-Werte der ionisierbaren Gruppen in ihren Aminosäureseitenketten beeinflussen. Dadurch wird auf einer Seite der Membran die Aufnahme von Protonen und auf der anderen Seite die Abgabe von Protonen verursacht. Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es Beweise sowohl für als auch gegen diesen Mechanismus. Das zur Zeit gültige Modell, in dem der durch Elektronentransport erzeugte Protonengradient mit Hilfe des F0F1-Komplexes in die ATP-Synthese "übersetzt" wird, wird unter dem Stichwort ATP-Synthase genauer beschrieben. Die F0-Komponente des Komplexes erstreckt sich durch die gesamte Membran und enthält im Innern eine "Pore", durch die H+-Ionen, angetrieben von der protonenmotorischen Kraft (dem elektrochemischen Gradienten), hindurchtreten können, um zu der Stelle der F1-Komponente zu gelangen, an der die ATP-Synthase lokalisiert ist. Dort ruft es die Synthese von ATP aus ADP und Pi hervor, das vom katalytischen Zentrum der ATP-Synthase freigesetzt wird. Der elektrochemische Protonengradient wird nicht für die Bildung von ATP benötigt, sondern für seine Freisetzung von der ATP-Synthase.
Obwohl die Details dieses Mechanismus noch aufgeklärt werden müssen, wird allgemein angenommen, dass die c. H. zur Zeit die genaueste Beschreibung liefert, die für den Prozess der oxidativen Phosphorylierung in Mitochondrien und Prokaryonten und der Photophosphorylierung in Chloroplasten zur Verfügung steht. Für seine Arbeiten auf diesem Gebiet erhielt Mitchell 1978 den Nobelpreis für Medizin und Physiologie. [P. Mitchell Biochem. Soc. Trans. 4 (1976) 399-430; Science 206 (1979) 1.148-1.159]

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