Energieversorgung von Zellen : Der kleinste Motor der Welt
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Die F-ATP-Synthase ist das Lieblingsmolekül der Göttinger Forscher Bild: Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie, Göttingen
Die Energieversorgung einer lebendigen Zelle ist ein komplexer Vorgang. Dazu einige Einzelheiten.
Das Protein F-ATP-Synthase, kurz F-ATPase genannt, ist in der Computersimulation (Bild 1) und in einer schematischen Graphik (Bild 2) dargestellt. Es besteht aus einem Kopf (grün und türkis dargestellt) samt einem seitlichen Halter (gelb und rot), einer Art Kurbelwelle (orange) sowie einem Fußteil (gelb und grün), der den Antrieb enthält. Dieser Fuß steckt in einer Membran (grau, blau) im Inneren eines Mitochondriums, eines Zellkraftwerks. Es stellt das Adenosintriphosphat (ATP) her, das überall im Körper durch Abspaltung eines Phosphatmoleküls Energie freisetzen kann.
„Unter normaler Belastung setzt unser Körper pro Tag etwa fünfzig Kilo ATP um, bei extremer Anstrengung sogar bis zu eine Tonne“, erklärt Helmut Grubmüller vom Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie. Abfallprodukt dieser Entladung ist das energieärmere Adenosindiphosphat (ADP). Dieses wird nun durch die FATPase regeneriert. Im Kopf des Proteins sitzen drei Bindungstaschen, in die jeweils ein ADP-Molekül und ein Phosphatmolekül hineinpassen. Normalerweise stoßen sich die beiden gegenseitig ab, da sie elektrisch negativ geladen sind. Die Tasche zwingt sie aber in einer Art Energiemulde zum ATP zusammen. Nun kommt die Kurbelwelle ins Spiel. Beim Vorbeirotieren stülpt sie die Tasche um und hebt unter Einsatz von Energie das fertige ATP aus ihr heraus. Mit dieser chemisch gespeicherten Energie reist es nun in den Körper. „Das funktioniert wie ein molekularer Dreizylinder-Sternmotor“, sagt Grubmüller. Unter physiologischen Bedingungen rotiert dessen Kurbelwelle - je nach ATP-Bedarf - geschätzt hundert- bis tausendmal pro Sekunde. Aber was treibt diese Drehung an?
Antrieb durch Wärmebewegung
Die Antwort liegt in der Wärmebewegung, die vor allem kleinere Moleküle wild umherflitzen läßt. Dieses Bombardement, besonders von den winzigen Wassermolekülen, läßt die Kurbelwelle der F-ATPase in ihren Lagern rappeln. Sie dreht sich, aber rein zufällig mal in die eine Drehrichtung, mal in die andere - schließlich schlägt der Molekülhagel aus allen Richtungen ein, nicht aus einer Vorzugsrichtung. Folglich müßten sich Rotationsbewegungen der Kurbelwelle mit der Zeit eigentlich gegenseitig aufheben. Das verhindert die FATPase jedoch mit einem Ratschenmechanismus. Er sitzt in ihrem Fußteil und erlaubt der Kurbelwelle nur Drehungen in einer Richtung. Dabei fließen Protonen, also positiv geladene Kerne von Wasserstoffatomen (H+), als elektrischer Strom durch den Fuß. Komplex geformte molekulare Kraftfelder sorgen dort dafür, daß jedes wandernde Proton sozusagen kurz die Bremse löst und die Achse für einen kleinen Schritt in der erlaubten Drehrichtung freigibt.
Die allgemeine Wärmebewegung treibt also die Drehung der Molekülachse an, und die Ratsche selektiert die Drehrichtung. Der dazu nötige Protonenstrom kostet die F-ATPase jene Energie, die am Ende das fertige ATP speichert. Die Quelle dieser Energie liegt im Konzentrationsunterschied der Protonen zu beiden Seiten der Membran, die das Mitochondrium permanent aufrechterhalten muß. Dabei verbraucht das Zellkraftwerk Energie aus der Atmungskette, also aus dem Verbrennen des Zuckers Glucose unter Sauerstoffverbrauch.
