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Lexikon der Biologie: mitochondrialer Kopplungsfaktor

mitochondrialer Kopplungsfaktor m, F1-Faktor, ATP-Synthase, Elementarpartikel, mit der inneren Membran von Mitochondrien assoziierter Proteinkomplex, der für die Kopplung von Elektronentransport (Atmungskette) und oxidativer Phosphorylierung (Atmungskettenphosphorylierung) verantwortlich ist. Zum Gesamtkomplex zählt noch der membranintegrale F0-Faktor, der als Anheftungsstelle für den F1-Faktor und als Protonentranslokator dient (F0/F1-ATP-Synthase; vgl. Abb. 1 ). Die ATP-Synthase nutzt die Energie eines elektrochemischen Protonen-Gradienten (protonenmotorische Kraft) über die innere Mitochondrienmembran, der aus der Umwandlung der Redox-Energie (Redoxreaktionen) aus der Atmungskette resultiert, um chemische Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) zu gewinnen (chemiosmotische Hypothese von P.D. Mitchell). Dabei vermittelt der F0-Faktor den Rückfluß der Protonen von der E-Seite der inneren Mitochondrienmembran zur P-Seite, der F1-Faktor ist die eigentliche ATP-Synthase. F1-Partikel lassen sich relativ leicht von der inneren Mitochondrienmembran ablösen und getrennt von der intakten Membran untersuchen. Sie können ATP nicht mehr synthetisieren, sondern nur noch hydrolysieren (Hydrolyse; deshalb ist auch die Bezeichnung F1-ATPase bzw. ATPase-Komplex gebräuchlich). Anhand isolierter F1-Faktoren entwickelte P.D. Boyer Mitte der 1970er Jahre das Modell des binding-change-Mechanismus zur ATP-Synthese ( vgl. Abb. 2 ), das von J.E. Walker erst 1994 durch Röntgenstrukturanalyse des F1-Faktors bestätigt werden konnte. Grundlegende Bedeutung kommt dabei der langgestreckten γ-Untereinheit zu, die als „Kurbelwelle“ fungiert und in dem aus den alternierenden α- und β-Untereinheiten gebildeten, stationären Zylinder rotiert. Sowohl α- als auch β-Untereinheiten enthalten je 1 ATP-Bindungsstelle, als katalytische Zentren fungieren jedoch nur die 3 β-Untereinheiten, die durch die Rotation der γ-Untereinheit ( vgl. Infobox ) kooperative Wechselwirkungen (Kooperativität) eingehen und 3 verschiedene Konformationen aufweisen können: im O-Zustand (open) ist die β-Untereinheit leer und kann ADP (Adenosin-5'-diphosphat) und anorganisches Phosphat (Pi) aufnehmen, im L-Zustand (loose) sind ADP und Pi locker gebunden, im T-Zustand (tight) sind ADP und Pi fest gebunden, und es wird spontan ATP gebildet. Bei Rotation der γ-Untereinheit um 120° erfolgen simultan an den 3 Zentren Konformationsänderungen in Richtung T → O, O → L sowie L → T, wodurch die gleichzeitige Freisetzung von 1 Molekül ATP, die lockere Bindung von ADP und Pi sowie die Bildung von ATP aus ADP und Pi an jeweils einem der 3 Zentren möglich ist. Die Rotation der γ-Untereinheit wird durch den Protonenfluß im F0-Kanal, also letztlich durch die protonenmotorische Kraft, angetrieben. Für die Bildung 1 Moleküls ATP ist der Fluß von 3 Protonen notwendig. Im Widerspruch zu den meisten enzymatischen Reaktionen (Enzyme) stellt dabei nicht die Synthese von ATP aus ADP und Pi den energieerfordernden Schritt dar, sondern vor allem die Freisetzung des Produkts ATP. – Einen der mitochondrialen F0/F1-ATP-Synthase in Struktur und Funktion entsprechenden Komplex findet man in der Thylakoidmembran von Cyanobakterien und Chloroplasten. Der in Analogie CF0/CF1-ATP-Synthase genannte Komplex (C = Chloroplast) wandelt den während der Photosynthese aufgebauten elektrochemischen Protonengradienten in chemische Energie in Form von ATP um, wobei hier offensichtlich der Fluß von 4 Protonen für die Bildung 1 Moleküls ATP notwendig ist. – Auch in Bakterien – etwa in der Cytoplasmamembran (Bakterienmembran) von Escherichia coli befindet sich eine ATP-Synthase mit entsprechendem Aufbau. Die bakterielle ATP-Synthase kann nicht nur ATP unter Nutzung eines Protonengradienten bilden, sondern auch einen Protonengradienten unter ATP-Verbrauch aufbauen.

B.L./M.B.



mitochondrialer Kopplungsfaktor

Abb. 1: Aufbau des mitochondrialen F0/F1-ATP-Synthase-Komplexes:
Der F1-Faktor besteht aus 9 Untereinheiten mit der Zusammensetzung α3β3γδε. Wesentliches Strukturelement ist der aus den alternierenden α- und β-Untereinheiten gebildete Zylinder, in den die γ-Untereinheit hineinragt. Entsprechend ihrer Bedeutung zeigen diese 3 Untereinheiten auffallende Homologien zu den plastidären und bakteriellen ATP-Synthase-Komplexen. Der F0-Anteil setzt sich aus 4–5 verschiedenen Untereinheiten sowie 6–10 Kopien eines DCCD-bindenden Proteins (DCCD = Dicyclohexylcarbodiimid, inhibiert den Protonentransport) zusammen. Ein sog. Stielteil zwischen F0- und F1-Faktor besteht aus dem OSC-Protein (OSCP, Oligomycin sensitivity conferring protein; das Antibiotikum Oligomycin verhindert die ATP-Synthese), dem Kupplungsfaktor 6 (F6) sowie weiteren assoziierten Polypeptiden. Die relative Molekülmasse des Gesamtkomplexes beträgt ca. 500.000. Die meisten Proteine des Komplexes sind kerncodiert, nur einige Polypeptide des F0-Faktors werden von der mitochondrialen DNA codiert, in Höheren Pflanzen außerdem die α-Untereinheit des F1-Faktors.



mitochondrialer Kopplungsfaktor

Abb. 2: Modell des binding-change-Mechanismus zur ATP-Synthese. Bei jeder Rotation der γ-Untereinheit kommt es zu Konformationsänderungen an den 3 katalytischen Zentren, die nacheinander die Zustände O (open), L (loose) und T (tight) durchlaufen. Damit führt jede Rotation zur Freisetzung von 1 Molekül ATP, zur lockeren Bindung von ADP und Pi sowie zur Bildung von ATP aus ADP und Pi.

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