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Nobelpreis für Chemie - Herstellung und Nutzung von ATP


Manche lohnenden Objekte wissenschaftlichen Interesses sind so kompliziert, daß sich ihre Erforschung über Jahrzehnte hinzieht und gleich mehrere Nobelpreise für herausragende Erkenntnisse abwirft. Die Herstellung und Nutzung von ATP – der Energiewährung aller Lebewesen von Bakterien bis zum Menschen – ist ein solches Forschungsfeld. Nach den beiden britischen Biochemikern Alexander R. Todd (1957) und Peter D. Mitchell (1978) wurden nun zum dritten Male Wissenschaftler ausgezeichnet, die es beackert und dabei grundlegende Einsichten gewonnen haben.

Todd hatte das Molekül 1949 erstmals künstlich hergestellt. Es besteht aus der organischen Base Adenin, dem Zucker Ribose und drei Phosphatgruppen. Vor allem durch das Anhängen der dritten Phosphatgruppe wird Energie gespeichert, die der Organismus beispielsweise aus Nahrung gewonnen hat. Das Trägermolekül kann sie dann innerhalb einer Zelle dorthin transportieren, wo sie benötigt wird. Gleich, ob es um den Aufbau neuer Zellstrukturen, das Aufrechterhalten von Stoffwechselvorgängen oder die Muskelbewegung geht, fast immer liefert die Abspaltung der dritten Phosphatgruppe von ATP die Energie dazu.

Einer der größten Verbraucher von ATP ist die Natrium-Kalium-Pumpe. Sie alleine verschlingt in tierischen Zellen gut ein Drittel der gesamten Energie, in Nervenzellen sind es sogar bis zu 70 Prozent. Ihre Aufgabe besteht darin, Natrium-Ionen aus der Zelle heraus- und Kalium-Ionen hineinzutransportieren. Die entstehenden Ionen-Gradienten regulieren das Zellvolumen, treiben Aufnahme und Transport von Aminosäuren und Zuckern an und sind für die elektrischen Membranpotentiale verantwortlich.

Grundlage all dieser Effekte ist, daß beidseits einer Membran, welche die Zelle umhüllt oder in ihrem Inneren unterschiedliche Räume abteilt, ein Stoff in verschiedener Konzentration vorliegen kann. Er hat dann das Bestreben, von der Seite, auf der er höher konzentriert ist, zur anderen zu diffundieren. Bei Ionen erzeugt das Konzentrationsgefälle zudem eine elektrische Spannung. Da normalerweise diverse positive wie negative Ionen ungleich zwischen Innen- und Außenraum verteilt sind, ergibt sich über die Membran hinweg insgesamt eine Potentialdifferenz, die unter anderem von der Summe aller Ladungen auf jeder der beiden Seiten abhängt. Die auf ein Ion wirkende Triebkraft setzt sich somit aus zwei Komponenten zusammen: dem eigenen Konzentrationsgefälle und dem Membranpotential.

Sollen Ionen gegen diese Triebkraft durch die Membran geschleust werden, erfordert dies Energie, die meist durch Spaltung von ATP aufgebracht wird. Skou gelang es erstmals, diesen Zusammenhang für die Natrium-Kalium-Pumpe von Nervenzellen nachzuweisen.

Ein aktiver Ionentransporter

In ein erregtes Neuron fließen Natrium-Ionen ein, die anschließend unter Energieverbrauch wieder herausbefördert werden müssen. Auf der Suche nach der zugehörigen Pumpe fahndete Skou an der Universität Århus (Dänemark) deshalb nach einem Enzym, das sich in der Membran von Nervenzellen befindet und ATP abbaut. Bereits 1957, drei Jahre nach seiner Promotion, entdeckte er die Natrium-Kalium-ATPase, die nur dann ATP spaltet, wenn gleichzeitig die beiden Ionen anwesend sind. Skou – seit 1963 Professor in Århus – vermutete, daß dieses Enzym ein Bestandteil der gesuchten Pumpe sei, unter anderem, weil es wie diese durch das herzwirksame Toxin Strophanthin G blockiert wird.

Die entscheidenden Hinweise, daß die Energie für den Ionentransport aus dem ATP stammt, lieferten aber Versuche mit sogenannten Erythrocyten-Ghosts. Sie entstehen, wenn man rote Blutkörperchen (Erythrocyten) in eine Lösung bringt, deren Salzgehalt geringer ist als der in ihrem Inneren, so daß sie aufquellen. Dabei wird die Zellmembran für verschiedene Substanzen durchlässig, die sonst nicht passieren können. Auch der Blutfarbstoff Hämoglobin tritt aus, weshalb die Zellen ausbleichen und das fahle Aussehen von Gespenstern (englisch ghosts) annehmen.

Mit dieser Methode lassen sich Ionen- und Molekülgehalt innerhalb der Ghosts und im Medium außerhalb steuern. Dadurch konnte Skou unter anderem zeigen, daß der Tranport von Natrium- und Kalium-Ionen untrennbar mit der Spaltung von ATP gekoppelt ist. Außerdem stellte er fest, daß keines der beiden Ionen für sich allein transportiert wird. Bei seinen Experimenten arbeitete die Pumpe nur dann, wenn Natrium-Ionen und ATP innerhalb der Ghosts und Kalium-Ionen außerhalb vorlagen.

Auch wie ATP-Spaltung und Ionentransport miteinander gekoppelt sind konnten Skou und andere Wissenschaftler mit der Zeit aufklären. Zunächst lagern sich drei Natrium-Ionen aus dem Zellinneren an das Enzym an. Dann überträgt ein Molekül ATP seine endständige Phosphatgruppe auf eine bestimmte Aminosäure der ATPase, die daraufhin ihre Form verändert, die Natrium-Ionen durch die Membran schleust und nach außen abgibt. Anschließend binden sich zwei Kalium-Ionen an eine andere Stelle des Enzyms. Sobald sich die Phosphatgruppe von der ATPase gelöst hat, nimmt diese wieder ihre ursprüngliche Gestalt an und entläßt die Kalium-Ionen ins Zellinnere.

Da in jedem durchlaufenen Zyklus drei positive Ionen nach außen, aber nur zwei nach innen transportiert werden, baut sich durch diesen Prozeß eine elektrische Spannung über die Membran auf, eben das Membranpotential. Dies geschieht recht schnell; denn die ATPase kann immerhin 100 Moleküle ATP pro Sekunde spalten und dabei 300 Natrium-Ionen aus der Zelle heraus- und 200 Kalium-Ionen hineintransportieren.

Wie Strukturanalysen ergaben, besteht die Natrium-Kalium-Pumpe aus zwei jeweils doppelt vorhandenen Untereinheiten, die beide die Plasmamembran durchspannen. Das größere Protein trägt innen die Bindungsstellen für ATP und Natrium, außen diejenigen für Kalium und den Hemmstoff Strophantin G. Die Funktion der kleineren Untereinheit, an die einige Zuckergruppen gebunden sind, ist noch unbekannt.

Seit Skous Entdeckung der Natrium-Kalium-ATPase wurden viele andere Enzyme gefunden, die Substanzen unter Aufwand von Energie, die aus der Spaltung von ATP stammt, gegen einen bestehenden elektrochemischen Gradienten transportieren. Dabei handelt es sich durchweg um Proteine, die zumindest zum Teil in Membranen stecken, weshalb sie nur sehr schlecht kristallisieren. Da große, einwandfreie Kristalle jedoch die Voraussetzung für eine Röntgenstrukturanalyse sind, weiß man noch wenig über ihre räumliche Gestalt. Es wäre deshalb nicht allzu verwunderlich, wenn eines Tages noch ein Nobelpreis an Forscher ginge, die sich mit Aufbau und Funktionsweise solcher Transportproteine beschäftigen.


Die Gewinnung von ATP

Während die Zelle Energie aufbringen muß, um Ionen gegen ein Konzentrations- und Potentialgefälle – also gleichsam bergauf – durch eine Membran zu befördern, kann sie andererseits Energie gewinnen und in Form von ATP speichern, wenn sie geladenen Teilchen erlaubt, der auf sie wirkenden Triebkraft zu folgen und gewissermaßen bergab durch die Membran zu diffundieren. Tatsächlich nutzen Tiere, Pflanzen und die meisten Bakterien einen Fluß von positiv geladenen Wasserstoff-Ionen (Protonen), um den größten Teil ihrer Energiemünzen zu prägen. Dazu verwenden sie das Enzym ATP-Synthase – und um dessen Enträtselung haben sich Boyer und Walker überragende Verdienste erworben.

Während Bakterien üblicherweise nur über einen einzigen großen Reaktionsraum, nämlich ihr Zellinneres, verfügen, enthalten höhere Zellen sogenannte Organellen, an deren Membransystemen die entscheidenden Schritte zur ATP-Produktion ablaufen. Bei Tieren übernehmen regelrechte Zellkraftwerke, die Mitochondrien, diese Aufgabe; in Pflanzen stehen dafür zusätzlich Chloroplasten zur Verfügung, die Licht als Energiequelle nutzen. In allen drei Organismengruppen verläuft die Synthese von ATP aber im wesentlichen so, wie Mitchell das schon 1961 in seiner chemi-osmotischen Theorie beschrieben hatte.

Stark vereinfacht gesagt, werden dabei Wasserstoffatome von einer Membranseite zur anderen befördert, dort ihres Elektrons beraubt und als Protonen in das wäßrige Medium entlassen. Die Elektronen wandern zurück und verbinden sich mit einem geeigneten Empfängermolekül. Sowohl der Konzentrationsunterschied als auch die elektrische Spannung drängen die Protonen zu ihrem Herkunftsort zurück. Doch die Zelle sorgt dafür, daß der einzige Weg zum Ziel durch eine eigens dafür vorgesehene Schleuse führt – eben die ATP-Synthase.

Dieses Enzym wurde früher auch als Kopplungsfaktor bezeichnet, weil es die elektrochemische Triebkraft und den Protonenfluß mit der Produktion von ATP verknüpft. Es ist aus zwei großen Komplexen aufgebaut, die sich ihrerseits jeweils aus mehreren Untereinheiten zusammensetzen. Der eigentliche Tunnelkomplex enthält je nach Organismenart drei oder mehr unterschiedliche Proteine, eines davon in neun- bis zwölffacher Ausfertigung. Ihre genaue Anordnung und ihre räumliche Struktur sind noch unbekannt, und auch der Mechanismus, mit dem die Protonen durch die Membran geschleust werden, ist noch keineswegs völlig aufgeklärt. Fest steht aber, daß die freiwerdende Energie der Ionen letztlich in eine mechanische Bewegung im zweiten großen Komplex der ATP-Synthase umgesetzt wird.

Dieser ist wasserlöslich und läßt sich relativ leicht von der Membran trennen, weshalb er als erste Komponente des Kopplungsfaktors isoliert und untersucht wurde – daher auch sein Name F1 (für Faktor 1). Er besteht aus drei jeweils doppelt vorhandenen großen Untereinheiten (als alpha und beta bezeichnet) und drei kleineren Bauelementen. In Aufsicht bilden die großen Komponenten ein Hexagon, dessen Ecken sie abwechselnd besetzen. In einem Loch in seiner Mitte steckt eine der kleinen Einheiten – allerdings nicht genau im Zentrum, sondern leicht versetzt (Bild 1).

Der F1-Komplex trägt insgesamt drei katalytische Bindungsstellen, die trotz des asymmetrischen Aufbaus alle gleich aktiv sind. Boyer überlegte, wie dieser Widerspruch aufzulösen sei. Dabei fand er heraus, daß die Energie aus dem Protonenfluß nicht für die eigentliche Synthese von ATP aus Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat erforderlich ist, sondern für die Bindung dieser beiden Ausgangsstoffe und für die Freisetzung des Produkts. Werden nämlich ADP und Phosphat in eine lipophile ("fettliebende") Umgebung gebracht, verschiebt sich das Gleichgewicht der chemischen Reaktion in Richtung ATP, so daß es sich quasi von selbst bildet. Allerdings muß Energie aufgewandt werden, um die geladenen Ausgangssubstanzen aus dem wäßrigen in das weniger geliebte fettige Milieu zu bringen. Eben dafür sorgt Boyers Meinung nach der Protonenfluß.

In seinem Modell vom Wechselbindungsmechanismus (binding change mechanism) lieferte der seinerzeit an der Universität von Kalifornien in Los Angeles tätige (und inzwischen emeritierte) Biochemiker eine Erklärung für diese und andere experimentelle Befunde. Danach befinden sich die drei katalytischen Zentren im F1-Komplex zu jedem Zeitpunkt in drei unterschiedlichen Zuständen, die sie aber alle der Reihe nach durchlaufen. Jeweils ein Zentrum ist leer und hat nur eine geringe Affinität für ATP, ADP und Phosphat; im nächsten sind ADP und Phosphat locker gebunden und im dritten schließlich so eng gelagert, daß von selbst ATP entsteht (Bild 2).

Fließen Protonen durch den Tunnelkomplex, wird deren Energie in eine mechanische Bewegung der annähernd axi-al angeordneten kleinen Gamma-Einheit im Hexagon des F1-Komplexes umgesetzt. Diese Komponente wechselt dabei ihre Stellung, wodurch sich die Formen der großen Untereinheiten und damit auch die Bindungseigenschaften der katalytischen Zentren ändern. Das erste bindet nun locker ADP und Phosphat. Am zweiten ändern sich infolge der Bewegung die Umgebungseigenschaften für die Reaktionspartner derart, daß sie sich in ihrem neuen Proteinmilieu ohne weitere Energiezufuhr vereinigen können. Das dritte Zentrum schließlich öffnet sich und entläßt sein ATP. Der unablässige Protonenfluß hält diesen Dreitaktmotor auf Touren.

Die Theorie von Boyer wurde durch die Ergebnisse der Arbeitsgruppe um Walker am Molekularbiologischen Zentrum des britischen Forschungsrates in Cambridge glänzend bestätigt. Walker hatte zunächst die Abfolge der Bausteine (Aminosäuren) in einigen Untereinheiten der ATP-Synthase bestimmt. In Kooperation mit anderen Wissenschaftlern gelang es ihm schließlich, die dreidimensionale Struktur von großen Abschnitten des F1-Komplexes zu ermitteln ("Nature", Band 370, Seiten 621 bis 628, 25. August 1994). Ihre bildliche Darstellung beantwortete viele Fragen, über die man bis dahin nur spekulieren konnte. So war zu erkennen, daß die katalytischen Zentren fast vollständig in den Beta-Untereinheiten sitzen; auch die Bindungsverhältnisse unter den drei von Boyer postulierten Zuständen ließen sich bis ins Detail ablesen.

Zudem wurde die Rolle der fast axialen Gamma-Komponente klarer. Sie besteht aus zwei umeinandergewunde-nen schraubigen Strukturen mit leichter Krümmung, wodurch sie am einen Ende Kontakt zu den großen Untereinheiten hat. Viele Wissenschaftler hatten vermutet, daß der Protonenfluß das Gamma- Element zum Rotieren bringen könnte, so daß es wie eine Nockenwelle wirkt, die im Wechsel die Bindungstaschen aufdrückt und wieder zuschnappen läßt. Tatsächlich gelang den Biophysikern Dirk Sabbert, Siegfried Engelbrecht und Wolfgang Junge an der Universität Osnabrück letztes Jahr der Nachweis dieser Drehung (Spektrum der Wissenschaft, September 1996, Seite 20), und im März dieses Jahres konnten japanische Wissenschaftler die Rotation sogar direkt sichtbar machen. Der Weg der Protonen durch den Tunnelteil wird dagegen wohl erst dann genau aufgeklärt, wenn für die gesamte ATP-Synthase Strukturdaten aus Röntgenuntersuchungen an Kristallen vorliegen


Aus: Spektrum der Wissenschaft 12 / 1997, Seite 18
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
12 / 1997

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 12 / 1997

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