ATP-Synthase: Funktion und Rotation selbst untersuchen

Woher kommt das ATP in einer Zelle?

Die Funktion der ATP-Synthase beruht auf Protonen, die durch eine Membran zurückfließen und darin einen Ring wie ein Wasserrad drehen. Der rotierende Stiel verformt nacheinander die drei katalytischen Zentren im Kopf, die ADP und Phosphat zu ATP verbinden. Rückwärts spaltet dasselbe Enzym ATP und pumpt Protonen. Deshalb heißt es auch ATPase.

Muskeln, Nerven und die Enzyme der DNA-Verdopplung nutzen denselben Brennstoff: Adenosintriphosphat. Wird das dritte Phosphat abgespalten, treibt die frei werdende Energie Arbeit an. Nach dem Wiederanfügen ist das Molekül erneut einsatzbereit. Die Mengen sind groß. Laut Nobelkomitee setzt ein Erwachsener in Ruhe täglich etwa das halbe Körpergewicht an ATP um; bei schwerer Arbeit kann es fast eine Tonne sein. Eine Zelle hält nur einen kleinen Vorrat und muss ATP deshalb so schnell erneuern, wie sie es verbraucht.

Den größten Teil bildet ein einziges Enzym neu: die ATP-Synthase. Sie sitzt in der inneren Mitochondrienmembran, in Bakterienmembranen und in den Thylakoiden der Chloroplasten. Sie gehört zudem zu den wenigen Proteinen, die durch Drehung arbeiten. Dieses Exponat zeigt eine vereinfachte Version im molekularen Maßstab und folgt ihr an fünf weitere Orte: eine mitochondriale Membranfalte mit Atmungskette, eine beleuchtete Chloroplastenmembran, ein schwimmendes Bakterium, ein Lysosom mit einer verwandten ATP-getriebenen Pumpe und das Glas des Experiments von 1997, das die Drehung erstmals sichtbar machte. Die Leiste unten wechselt zwischen den sechs Szenen.

Ein Damm aus Membran

Die Energie kommt nicht direkt aus der Nahrung. Die Atmung reicht deren Elektronen durch eine Kette von Membranproteinen. Diese nutzt die Energie, um Protonen aus der Matrix, dem Inneren des Mitochondriums, in den schmalen Raum zwischen seinen beiden Membranen zu pumpen. Protonen sammeln sich auf einer Seite. Konzentrations- und Ladungsunterschied über der Membran bilden zusammen die protonenmotorische Kraft.

Peter Mitchell schlug diese chemiosmotische Idee 1961 vor und erhielt dafür 1978 den Nobelpreis für Chemie. Eine Zelle speichert demnach Energie wie ein Damm: in einem Höhenunterschied, der sich ausgleichen will. Die ATP-Synthase ist die Turbine darin. Protonen fließen durch sie in die Matrix zurück und drehen dabei den Rotor.

Im Modell sind Protonen rote Kugeln. Die Regler „Membranpotenzial“ und „pH-Unterschied“ bestimmen den Antrieb. Mit jeder Änderung wird die Ansammlung unter der Membran dichter oder dünner; der Rotor beschleunigt, bremst, hält an oder dreht rückwärts.

Die protonenmotorische Kraft addieren

Ein Proton außerhalb der Matrix wird aus zwei Gründen hineingedrückt. Die Matrix ist gegenüber außen negativ geladen und enthält weniger Protonen, ihr pH ist also höher. Mitchell fasste den Antrieb als protonenmotorische Kraft Δp in Millivolt zusammen:

Δp = Δψ − 59 × ΔpH

Δψ ist das elektrische Potenzial der Matrix minus das äußere Potenzial, ΔpH der pH der Matrix minus der äußere pH. Im arbeitenden Mitochondrium ist Δψ negativ und ΔpH positiv. Beide Terme machen Δp negativer; je negativer es ist, desto stärker drängen Protonen hinein. Der Faktor 59 wandelt eine pH-Einheit in Millivolt um. Er entspricht ln 10 × RT/F, bei 25 °C also 59,16 mV und bei Körpertemperatur, 37 °C, 61,5 mV. Das Modell verwendet 59.

Anfangs beträgt Δψ −150 mV und ΔpH 0,80, also Δp = −150 − 59 × 0,80 = −197 mV. Bei jeder Reglerbewegung zeigt die Anzeige diese Rechnung. Brand und Nicholls nennen 150 bis 180 mV als typische Beträge mitochondrialer Membranpotenziale in Zellen. Dort ist der Antrieb überwiegend elektrisch. In Chloroplasten ist es umgekehrt: Bei starkem Licht steckt der Großteil im pH-Unterschied über der Thylakoidmembran.

Für das Enzym zählt die Energie pro Proton. Ein Mol Protonen setzt beim Durchqueren von 197 mV die Energie F × Δp = 96.485 × 0,197 ≈ 19 kJ frei. Diese Zahl taucht im weiteren Exponat immer wieder auf.

Fo, der Teil in der Membran

Die beiden Enzymhälften tragen historische Namen. Fo, vom Oligomycin-empfindlichen Faktor, liegt in der Membran. F1, Faktor 1, ist der Kopf, der in die Matrix ragt. Efraim Rackers Gruppe isolierte 1960 das vollständige Enzym aus Mitochondrien.

Der bewegliche Teil von Fo ist der c-Ring aus identischen kleinen Proteinen. Jede c-Untereinheit bildet eine Haarnadel aus zwei Helices. Auf halber Höhe der äußeren Helix sitzt eine saure Seitenkette, in Mitochondrien ein Glutamat, hier als dunkle Kugel dargestellt. Daneben liegt die unbewegliche a-Untereinheit. Sie bietet dem Proton zwei Halbkanäle: einen nach außen, einen zur Matrix.

Entscheidend ist, dass eine geladene Seitenkette nicht zum öligen Membraninneren zeigen kann. Erst wenn ein Proton am Glutamat bindet und es neutralisiert, kann c sich von a wegdrehen. Ein Proton tritt daher durch den ersten Halbkanal ein, fährt auf c einmal um den Ring und verlässt ihn durch den zweiten in die Matrix. Weil außen mehr Protonen vorliegen, treffen sie auf einer Seite häufiger ein als auf der anderen. Der Ring dreht in eine Richtung. Pogoryelov und Kollegen zeigten an c15-Kristallstrukturen, wie die Stelle zum Lipid hin geschlossen bleibt und sich nur an a öffnet. Die Kugeln am Ring sind mitfahrende Protonen.

F1, der ATP-bildende Teil

F1 besteht aus sechs Untereinheiten: drei α und drei β wechseln sich wie Orangensegmente ab. Noji und Kollegen beschrieben einen Zylinder mit etwa 5 nm Radius. Deshalb ist der Modellkopf 10 nm breit. Der Maßstabsbalken darüber markiert diese 10 nm.

Nur β bildet ATP. Durch die Mitte läuft der zentrale Stiel, hauptsächlich aus γ. Sein Rotoranteil hat nur etwa 1 nm Radius. Der Fuß sitzt fest am c-Ring und dreht mit ihm. Auf der anderen Seite reicht ein langer peripherer Stiel von a bis zur Kappe auf F1 und hält den α3β3-Kopf fest. Ohne diesen Arm würde der Kopf mit der Achse drehen und innen änderte sich nichts.

γ ist asymmetrisch. Eine Ausbuchtung drückt beim Drehen nacheinander auf jedes β und verändert seine Form. „Kopf aufschneiden“ entfernt die vordere Hälfte, sodass die vorbeiziehende Ausbuchtung sichtbar wird.

Drei Zentren wechseln sich ab

Paul Boyer fand in jahrzehntelangen Isotopenexperimenten etwas Ungewöhnliches. ADP und Phosphat im Enzym zu verbinden kostet kaum Energie. Diese wird gebraucht, um sie fest genug zu binden und vor allem das fertige ATP freizusetzen. Er schlug vor, dass die drei β-Zentren abwechselnd drei Zustände durchlaufen:

1. Offen (O): Das Zentrum ist leer oder gibt gerade ATP ab.
2. Locker (L): ADP und Phosphat sind locker gebunden.
3. Fest (T): Das Zentrum schließt sich, ADP und Phosphat werden zu ATP.

Jede Stieldrehung um 120° schiebt alle Zentren einen Zustand weiter. Das feste öffnet sich und gibt ATP ab, das lockere schließt sich, das offene nimmt neues ADP und Phosphat auf. Boyer nannte das Bindungswechselmechanismus und schlug die Drehung des Stiels vor. „β nach Zustand färben“ zeigt offen blass, locker gelb und fest rot; die Anzeige nennt dieselben Buchstaben. Im Rundgang von oben lässt sich verfolgen, wie ADP, weiße und orange Kugeln, mit einem getrennten Phosphat zu ATP wird und davonfliegt.

John Walker näherte sich demselben Enzym über die Struktur. Mit Jan Pieter Abrahams und Andrew Leslie löste er 1994 die Kristallstruktur von Rinderherz-F1 bei 2,8 Å auf. Die drei β hatten tatsächlich verschiedene Formen und unterschiedliche Nukleotide; das asymmetrische γ lag in der Mitte. Das passte zu Boyers Mechanismus. Boyer und Walker teilten die Hälfte des Chemie-Nobelpreises 1997. Die andere Hälfte ging an Jens Skou für die Natrium-Kalium-Pumpe, ein weiteres ATP-getriebenes Membranenzym. Laut Nobelkomitee verbraucht allein diese Pumpe in Ruhe etwa ein Drittel des gebildeten ATP.

Wo der Rotor stehen bleibt

Warum dreht er überhaupt vorwärts? Eine volle Umdrehung transportiert n Protonen durch die Membran, wobei n die Zahl der c-Untereinheiten ist, und bildet drei ATP. Jedes ATP erhält also die Energie von n/3 Protonen:

Energiezufuhr je ATP = (n/3) × F × Δp

Auch die ATP-Bildung in einer Zelle hat einen bestimmten Energiebedarf, das Phosphorylierungspotenzial ΔGp. Es hängt von ATP, ADP und Phosphat ab. Das Modell beginnt bei 45 kJ/mol; „Energiebedarf je ATP“ verändert es. Ist die Zufuhr größer, dreht der Rotor vorwärts und bildet ATP. Ist sie kleiner, gewinnt ATP und dreht ihn rückwärts. Bei Gleichheit steht er:

Δp beim Stillstand = 3 × ΔGp / (n × F)

Für den Rinderring mit n = 8 bei 50 kJ/mol ergibt das 3 × 50.000 / (8 × 96.485) = 0,194 V oder 194 mV. Bei 45 kJ/mol sind es 175 mV. Die Grafik zeigt die Modell-Drehzahl gegen Δp für den gewählten Ring und Energiebedarf. Eine gestrichelte Linie markiert den Stillstand, ein Punkt die Reglerstellung. Die Tabelle unter der Steuerung rechnet dasselbe für c8 bis c15.

Daraus folgen zwei Dinge. Größere Ringe stehen bei niedrigerem Gradienten: c15 braucht für dieselben 45 kJ/mol nur 93 mV, weil es je Drehung 15 statt 8 Protonen bringt. Zudem ist das Enzym umkehrbar. Keine eigene Vorrichtung wählt die Richtung; das Energiegleichgewicht bestimmt sie. Die glatte Geschwindigkeitskurve durch den Stillstandspunkt dient der Darstellung, dessen Lage ist aber berechnet.

Rückwärts laufen

Sinkt der Gradient unter den Stillstandspunkt oder steigt der ATP-Energiebedarf, meldet die Anzeige „ATP-Verbrauch, Protonenpumpen“. ATP bindet im Kopf und wird gespalten; der Stiel dreht in 120°-Schritten rückwärts. Der c-Ring trägt Protonen aus der Matrix durch die Membran hinaus. Der Verbrauchszähler steigt.

Im gesunden Mitochondrium geschieht das selten, weil die Atmungskette den Gradienten hoch hält. Bricht er etwa bei Sauerstoffmangel ein, könnte die rückwärts laufende ATP-Synthase den ATP-Vorrat in Minuten leeren. Dagegen gibt es die Bremse IF1. Cabezón und Kollegen zeigten 2003, wie sie sich in eine α-β-Grenze von F1 klemmt und γ berührt. Mit IF1 als Hemmstoff und niedrigem Gradienten hält der Rotor an, statt rückwärts zu drehen. Die haltende Helix leuchtet.

Bakterien nutzen den Rückwärtsbetrieb. Ohne Sauerstoff erzeugt E. coli ATP durch Gärung und betreibt damit ATP-Synthase rückwärts, um den Protonengradienten für Geißeln und Nährstofftransport zu halten. Die Bakteriumszene zeigt das bei ausgeschaltetem Sauerstoff. Manche verwandten Enzyme sind von Anfang an für diesen Betrieb gebaut; sie erscheinen in der V-ATPase-Szene.

Medikamente und Gifte als Hemmstoffe

Weil viel von diesem Enzym abhängt, greifen natürliche und künstliche Moleküle dort an. Die Steuerung zeigt fünf davon.

• Oligomycin gab Fo seinen Namen. Symersky und Kollegen lösten 2012 seine Bindung am Hefe-c10-Ring auf: Außen zwischen zwei c-Untereinheiten bedeckt es das protonentragende Glutamat. Kein Proton kann sich anlagern, der Rotor stoppt. Die Bindungstasche besteht bei Hefe und Mensch aus denselben Resten. Labore messen damit, wie viel Atmung der ATP-Bildung und wie viel dem Leck dient.
• DCCD (Dicyclohexylcarbodiimid) reagiert mit demselben Carboxylat und blockiert es dauerhaft. Pogoryelov und Kollegen zeigten mit veränderten c15-Ringen das Öffnen und Schließen der Protonenstelle. Im Modell werden die Glutamatkugeln grün.
• Bedaquilin ist ein Tuberkulosemittel. Andries und Kollegen fanden es 2005 als Verbindung, die Mycobacterium tuberculosis tötet; resistente Mutanten veränderten den protonentragenden Teil der ATP-Synthase. Preiss und Kollegen lösten 2015 die Bindung am mykobakteriellen c9-Ring auf. Das Mittel bedeckt Ionenstellen und verhindert den Transport. Sie beschreiben es als erstes seit 40 Jahren zugelassenes Medikament gegen multiresistente Tuberkulose. Eine Studie von 2024 zeigte die Bindung auch am menschlichen Enzym an ähnlicher Stelle.
• DNP (2,4-Dinitrophenol) berührt das Enzym nicht. Es trägt Protonen direkt durch das Lipid; der Gradient fällt, Nahrung wird ohne ATP zu Wärme. 1933 wurde es als Schlankheitsmittel verkauft. Es verursacht gefährliche Überhitzung; eine Übersicht von 2011 zählte 62 veröffentlichte Todesfälle. Im Modell überqueren Protonen die Membran direkt und der Rotor hält an. Braunes Fett nutzt mit UCP1 eine kontrollierte Variante, um Tiere warm zu halten.
• IF1, die zelleigene Bremse, stoppt wie beschrieben nur den Rückwärtslauf.

Unterschiedliche Ringgrößen

Die c-Ringgröße bestimmt den Preis eines ATP. Mit n Untereinheiten braucht es n/3 Protonen je ATP. Watt und Kollegen fanden 2010 acht c-Untereinheiten in Rinderherz-Mitochondrien und wiesen auf die fast bei allen Wirbeltieren identische Sequenz hin. Sehr wahrscheinlich zahlen sie alle 2,7 Protonen je ATP. Pilze, Bakterien und Chloroplasten nutzen 9 bis 15. Die Tabelle unter der Steuerung nennt 13 Ringe und ihre Strukturen:

Warum nicht überall den kleinsten Ring verwenden? Kleine Ringe bilden ATP billig, brauchen aber hohe Gradienten; große arbeiten bei schwächerem Antrieb und verbrauchen mehr Protonen. Bacillus pseudofirmus OF4 lebt in alkalischem Wasser mit wenigen äußeren Protonen. Sein c13-Ring teilt jedes Proton mit einem gebundenen Wassermolekül. Ilyobacter tartaricus transportiert sogar Natrium statt Protonen. Vollmar und Kollegen fanden an Spinat-c14 einen Ionenstellenabstand von 10,6 bis 10,8 Å, denselben wie an Ilyobacter-c11. Mehr Untereinheiten machen den Ring also einfach breiter.

In der Enzymszene lassen sich mit „Größe des c-Rings“ Stillstandspunkt und ATP-Preis gemeinsam verschieben. Bei gemessenen Größen nennt der Regler den Organismus; c12 hat keinen Tabelleneintrag.

In einem Mitochondrium

Die Mitochondriumsszene zeigt die innere Membran, gefaltet zu Cristae. Eine Falte ist im Querschnitt vorne geöffnet. Außen liegt die Matrix. Innen befindet sich der schmale Raum, der mit dem Intermembranraum verbunden ist und gepumpte Protonen sammelt.

Vier Komplexe an der Seite reichen Nahrungselektronen an Sauerstoff weiter:

1. Komplex I nimmt zwei Elektronen von NADH und überträgt sie auf Ubichinon, einen kleinen beweglichen Träger in der Membran. Er gehört zu den größten Zellenzymen. Zhu, Vinothkumar und Hirst ordneten 2016 alle 45 Untereinheiten im Rinderenzym an. Er pumpt 4 Protonen je zwei Elektronen.
2. Komplex II überträgt Succinatelektronen auf denselben Ubichinonvorrat, ohne Protonen zu pumpen. Er gehört auch zum Citratzyklus.
3. Komplex III, Cytochrom bc1, reicht Elektronen von Ubichinol an Cytochrom c und setzt je zwei Elektronen außen 4 Protonen frei.
4. Komplex IV, Cytochrom-c-Oxidase, übergibt sie an Sauerstoff, der zu Wasser wird, und pumpt weitere 2 Protonen.

Zwei Elektronen aus NADH bewegen also 10 Protonen, aus Succinat nur 6. Watt und Kollegen berechneten daraus die Ausbeute. Ein ATP mit c8 braucht 8/3 = 2,67 Protonen. Sein Export aus dem Mitochondrium kostet ein weiteres: ATP/ADP-Austausch und Phosphatimport verbrauchen zusammen das Äquivalent eines Protons. Damit sind es 3,67 Protonen je ausgeliefertem ATP:

• NADH: 10 / 3,67 = 2,7 ATP je Sauerstoffatom
• Succinat: 6 / 3,67 = 1,6 ATP je Sauerstoffatom

Das sind P/O-Verhältnisse. Hinkles Messübersicht nennt etwa 2,5 und 1,5, etwas weniger wegen Protonen, die ohne Enzym durch die Membran zurücklecken. Die Anzeige zeigt den berechneten und den im laufenden Modell gezählten Wert. Mit Succinat als Brennstoff fallen beide.

ATP-Synthasen sitzen hier paarweise an der Kante. Davies und Kollegen fanden mittels Kryoelektronentomographie an Hefemitochondrien V-Paare mit 86° Winkel in Reihen an den Cristae. Hefestämme ohne Paarbildung haben keine normalen Cristae, nur ballonförmige oder gar keine. Guo, Bueler und Rubinstein zeigten im atomaren Modell der gepaarten Fo-Region, wie sie die Membran krümmt. Hier stehen vier V-Paare an der Kante; jedes Enzym dreht seinen eigenen Rotor.

Die Szene betreibt einen kleinen Protonenkreislauf. Die Kette pumpt bei niedrigem Gradienten schneller und bremst bei steigendem Gradienten (Atmungskontrolle). ATP-Synthase und ein kleines Leck lassen Protonen zurück. Auch hier wirken Hemmstoffe: Oligomycin stoppt ATP-Synthase, der Gradient steigt und die Atmung stoppt fast. DNP öffnet ein Leck, der Gradient fällt, die Atmung beschleunigt, Brennstoff wird Wärme. Die Anzeige zeigt dann Rückwärtslauf mit ATP, wie bei entkoppelten Mitochondrien ohne IF1-Bremse. Ohne Sauerstoff stoppt die ganze Kette.

In einem Chloroplasten

Die Chloroplastenszene zeigt Thylakoidmembran. Oben liegt das Stroma, unten das Lumen im Thylakoid. Die Energie stammt aus Licht statt Nahrung, das Enzym ist aber vom gleichen Typ und sein Kopf zeigt zum Stroma.

1. Photosystem II absorbiert Licht und entzieht Wasser Elektronen. Umenas 1,9-Å-Struktur zeigt den Mn₄CaO₅-Cluster: Zwei Wassermoleküle ergeben ein O₂, vier Elektronen und vier Protonen im Lumen.
2. Plastochinon trägt Elektronen durch die Membran zu Cytochrom b6f, das zusätzliche Protonen ins Lumen bewegt.
3. Plastocyanin, ein kleines Kupferprotein im Lumen, bringt sie zu Photosystem I. Ein zweites Photon hebt sie auf Ferredoxin und NADP⁺; NADPH entsteht im Stroma.

Kramer und Evans zählen bei diesem linearen Fluss 12 Protonen ins Lumen und 2 NADPH je O₂. Der c14-Ring braucht 14/3 = 4,67 Protonen je ATP; 12 Protonen ergeben 12 × 3 / 14 = 2,57 ATP. Das sind 1,29 ATP je NADPH. Der Calvinzyklus verbraucht aber 3 ATP je 2 NADPH, also 1,5 je NADPH. Andere Wege wie zyklischer Elektronenfluss um Photosystem I gleichen den Mangel aus, indem sie ohne NADPH Protonen pumpen. Die Anzeige zeigt beide Verhältnisse und berechnet sie bei Ringwechsel neu.

Das Lumen wird sauer. Takizawa und Kollegen schätzten in lebenden Arabidopsis-Blättern etwa pH 7,5 bei schwachem und pH 5,7 bei starkem Licht mit wenig CO₂. Die Grafik verfolgt den Lumen-pH bei Lichtänderung. Im Modell bleibt das Stroma bei pH 8; 70 % des Gradienten liegen als ΔpH vor. Beides sind Modellannahmen.

Bei Licht null meldet die Anzeige nach kurzer Zeit die Verriegelung durch γ. Hahn und Kollegen zeigten 2018 am vollständigen Enzym aus 26 Untereinheiten eine β-Haarnadel in γ als Redoxschalter, der im Dunkeln die Rotation blockiert.

Das Chloroplastenenzym spielte auch in einem klassischen Experiment mit. André Jagendorf und Ernest Uribe legten 1966 Spinatthylakoide in Säure, dann in alkalischen Puffer mit ADP und Phosphat. ATP entstand im Dunkeln. Der pH-Unterschied allein genügte, wie Mitchells Theorie verlangte.

Ein Bakterium und seine Geißeln

Bakterien haben keine Mitochondrien. Ihre Atmungskette sitzt in der Zellmembran und pumpt Protonen ins Periplasma, den schmalen Raum zwischen innerer und äußerer Membran. Die Szene zeigt hinten rechts eine etwa 2 µm lange E.-coli-Zelle und davor ihre innere Membran, etwa 50-mal größer als die Zelle dargestellt.

Zwei Maschinen nutzen dort denselben Gradienten. Eine ist die ATP-Synthase. Fillingames Gruppe zeigte 2001, dass E. coli c10 bevorzugt; Sobtis Kryo-EM-Struktur zeigt die zehn Untereinheiten und ε, das sich zur Blockade strecken kann. Die andere ist der Geißelmotor. Howard Berg beschreibt ihn als etwa 45 nm breit und aus etwa 20 Arten von Teilen gebaut. Hier ist er im gleichen Maßstab mehr als viermal breiter als ATP-Synthase. Protonen durch einen Ring von Statoreinheiten am Rand drehen den Rotor. Meister, Lowe und Berg zeigten die Proportionalität von Protonenstrom und Drehzahl.

Anders als ATP-Synthase kehrt dieser Motor auf Signal um. Trägt CheY ein Phosphat, bindet es unten an den C-Ring und schaltet von gegen den Uhrzeigersinn auf im Uhrzeigersinn. Gegen den Uhrzeigersinn bündeln sich die E.-coli-Filamente und die Zelle schwimmt. Im Uhrzeigersinn zerfällt das Bündel; sie taumelt und startet anderswohin. „Geißeln im Uhrzeigersinn“ lässt rosa CheY-Kugeln binden, die Filamente auseinanderfliegen und die Zelle taumeln.

Ohne Sauerstoff stoppt die Atmung. Der Gradient fällt unter den Stillstandspunkt von c10, ATP-Synthase läuft mit Gärungs-ATP rückwärts und pumpt Protonen hinaus, damit der Motor weiterläuft. Der Gradient pendelt sich etwas niedriger ein; die Zelle schwimmt langsamer weiter.

Für Rückwärtsbetrieb gebaute Pumpen

Manche Verwandten verbrauchen ATP als normale Aufgabe. Vakuoläre oder V-Typ-ATPasen pumpen Protonen in Zellkompartimente und säuern sie an. Lysosomen, die Verdauungsbeutel der Zelle, bleiben bei pH 4,5 bis 5, wo ihre Enzyme arbeiten. Mindells Übersicht erklärt, warum die Pumpe nicht allein genügt: Beim Protoneneinstrom baut sich Ladung auf, also muss ein anderes Ion mitwandern. Der Chlorid/Protonen-Austauscher ClC-7 trägt dazu bei und steht hier neben den Pumpen.

Die V-ATPase-Szene zeigt zwei Pumpen auf Lysosomenmembran und hinten das kleine ganze Lysosom, dessen Farbe dem inneren pH folgt. Vertraut sind der Kopf aus drei A und drei B, entsprechend β und α, der zentrale Rotor und der Membranring. Unterschiede sind ebenfalls sichtbar. Zhao, Benlekbir und Rubinstein fanden in Hefe per Kryo-EM drei statt eines peripheren Stiels und einen Ring aus mehreren Proteolipidtypen. Mazhab-Jafari und Kollegen bestimmten sie später als c8, c′ und c″. Murata und Kollegen lösten den Rotor einer verwandten Natriumpumpe aus Enterococcus hirae mit zehn Untereinheiten auf.

Die V-ATPase hat einen weiteren Schalter: Ihre beiden Hälften können sich trennen. Bei Glucosemangel löst sich in Hefe V1 von Vo, das Pumpen stoppt. Genau das nutzten Mazhab-Jafari und Kollegen, um freies Vo zu erhalten und atomar zu modellieren. „Hunger: V1 löst sich“ hebt die Köpfe ab, und der Lumen-pH wandert langsam Richtung neutral.

Die Drehung sehen

Bis 1997 war die Rotation nur erschlossen. Hiroyuki Noji, Ryohei Yasuda, Masasuke Yoshida und Kazuhiko Kinosita befestigten F1 über β kopfüber auf Glas, banden ein fluoreszierendes Aktinfilament an γ und gaben ATP hinzu. Das Filament drehte sich unter dem Mikroskop über 100 Umdrehungen, von der Membranseite immer gegen den Uhrzeigersinn. F1 allein bildet nicht von selbst ATP; es spaltet zugegebenes ATP und dreht den Stiel entgegen der Syntheserichtung.

Die Rotationstest-Szene baut das nach. Die Hauptansicht zeigt das Mikroskopbild: Glas und ein grünes Filament, das um ein Ende rotiert. Das kleine Bild daneben zeigt F1 etwa 50-fach vergrößert, mit γ im festen Kopf.

Das Filament wird nicht mit fester Geschwindigkeit gedreht. Der Motor erzeugt etwa 40 pN·nm Drehmoment, Wasser bremst das Filament. Bei einem Stab, der um ein Ende dreht, wächst der Widerstand mit der dritten Potenz der Länge:

Widerstand = (4π/3) η L³ / (ln(L / 2r) − 0,447)

η ist die Wasserviskosität, r der Filamentradius. Bei 1 µm ergeben sich etwa 6,3 Umdrehungen pro Sekunde, bei 2 µm weniger als eine. „Aktinlänge“ berechnet das neu. „Widerstand der Sonde“ bedeutet, dass das Filament und nicht das Enzym die Geschwindigkeit bestimmt.

Spätere Arbeiten nutzten kleinere Marker. Yasuda und Kollegen fanden 1998 bei wenig ATP einzelne 120°-Schritte je ATP. Die Arbeit je Schritt blieb bei vielen Lasten ähnlich, nahe der freien Hydrolyseenergie eines ATP. Mit einer kaum bremsenden 40-nm-Goldkugel trennten sie 2001 etwa 90° und 30° große Teilschritte und maßen bei viel ATP etwa 130 Umdrehungen pro Sekunde. Sakaki und Kollegen fanden bei 2 mM, 60 nM und 2 nM ATP dasselbe Drehmoment von etwa 40 pN·nm und eine Bindungsrate von 2 × 10⁷ je molarer Konzentration und Sekunde.

Das Modell verwendet diese Zahlen. ATP bindet nach zufälligem Warten mit dem Mittelwert 1 / (kon × [ATP]); dann dreht die Sonde so schnell um 120°, wie das Drehmoment sie ziehen kann. Um 0,2 µM ATP dauert das Warten länger als die Drehung. Das Filament springt, die Grafik wird treppenförmig. Mit Goldkugel sind die Schritte scharf, da sie kaum bremst. Die Anzeige nennt dann ATP-Bindung als Begrenzung und verlangsamt die Wiedergabe.

Der letzte Schritt kehrte das Experiment um. Itoh und Kollegen drehten 2004 eine magnetische Kugel an γ mit Elektromagneten rückwärts. In der Lösung erschien ATP. Rondelez und Kollegen sperrten einzelne F1 in wenige Femtoliter große Kammern. Mit der kleinen ε-Untereinheit lieferten bis zu 77 % der erzwungenen Drehungen ATP. „Magnetische Kugel“ und „Magnete drehen zurück“ lassen Spulen nacheinander leuchten; die Kugel dreht im Uhrzeigersinn, und je 120° steigt der ATP-Zähler um eins.

Die Zahlen prüfen

Jedes c trägt pro Umdrehung ein Proton, jede Umdrehung ergibt drei ATP. Protonen je ATP sind also die c-Zahl geteilt durch 3: beim Rind 8 ÷ 3 = 2,67, bei Hefe und E. coli 10 ÷ 3 = 3,33, bei Spinat 14 ÷ 3 = 4,67 und bei Spirulina platensis 15 ÷ 3 = 5,00.

Watt und Kollegen nennen etwa 100 Umdrehungen pro Sekunde in Mitochondrien. Bei 3 ATP je Drehung sind das etwa 300 ATP pro Sekunde und mit c8 etwa 800 Protonen pro Sekunde durch ein Enzym. Das Modell dreht etwa 100-mal langsamer, bis 1,2 Umdrehungen pro Sekunde, damit die Kugeln verfolgbar bleiben.

Nojis Team maß etwa 40 pN·nm Drehmoment. Ein 120°-Schritt entspricht 2π/3 Radiant. Die Arbeit beträgt also etwa 40 × 2,09 ≈ 84 pN·nm oder 8,4 × 10⁻²⁰ J. Ein ATP bei 50 kJ/mol trägt 50.000 / (6,022 × 10²³) ≈ 8,3 × 10⁻²⁰ J oder 83 pN·nm. Beide Werte sind fast gleich: Fast die gesamte chemische Energie wird Arbeit, wie Yasuda und Kollegen berichteten. Die Rotationstest-Anzeige zeigt beide; die ATP-Energie folgt dem Regler „Energiebedarf je ATP“.

Der Stillstandspunkt ist dieselbe Rechnung rückwärts. Bei 50 kJ/mol braucht c8 (8/3) × 96.485 × Δp = 50.000 J, also Δp = 0,194 V. c14 balanciert bei 0,111 V, c10 bei 0,155 V.

ATP an einem Tag

Wie viel ATP bildet ein Mensch täglich? Das Labor unter der Steuerung rechnet von der Sauerstoffaufnahme aus. Ein MET, die in Belastungstests verwendete Ruherate, beträgt 3,5 mL Sauerstoff je Kilogramm und Minute. Ein 70-kg-Erwachsener nimmt in Ruhe etwa 245 mL pro Minute auf. Täglich sind das 245 × 1440 = 352.800 mL oder 352,8 L. Bei 22,414 L je Mol, dem Gasvolumen bei 0 °C und 1 Atmosphäre für solche Angaben, entspricht das etwa 15,7 mol O₂ oder 31,5 mol Sauerstoffatomen.

Mit P/O 2,5 ergibt das 31,5 × 2,5 ≈ 79 mol ATP. ATP wiegt 507,18 g je Mol; 79 mol sind etwa 40 kg, etwas mehr als die halbe Körpermasse und nahe der Nobelkomitee-Angabe. Bei schwerer Arbeit steigt die Sauerstoffaufnahme mehrfach und damit die Tagesmenge ATP. Der Rechner arbeitet auch rückwärts: Bei P/O 2,5 braucht ein 70-kg-Mensch etwa 430 mL Sauerstoff pro Minute für ATP in Körpergewichtsmenge.

Wie viele Enzyme sind nötig? 79 mol sind 4,7 × 10²⁵ Moleküle. Ein Enzym mit 300 pro Sekunde bildet 2,6 × 10⁷ täglich. Etwa 1,8 × 10¹⁸ Enzyme müssen ständig drehen. Gemeint ist stets Umsatz: Gleichzeitig besitzt der Körper nur wenig ATP und bildet es immer wieder neu.

Wenn das Enzym versagt

Die a-Untereinheit, der feste Teil mit Protonendurchgang, wird vom mitochondrialen Gen MT-ATP6 codiert. MedlinePlus Genetics der US-amerikanischen Nationalbibliothek für Medizin nennt Erkrankungen durch Veränderungen dieses Gens. Etwa 10 % der Menschen mit Leigh-Syndrom, einer fortschreitenden meist im frühen Kindesalter beginnenden Hirnerkrankung, haben eine MT-ATP6-Veränderung; am häufigsten den einzelnen Buchstabenwechsel T8993G. Dieselben Veränderungen können das mildere NARP verursachen: Neuropathie, Ataxie und Retinitis pigmentosa. Jede Zelle enthält viele Mitochondrien. Die Schwere folgt tendenziell dem betroffenen Anteil, meist 70 bis 90 % bei NARP und über 90 % beim Leigh-Syndrom.

Lai und Kollegen ordneten 2023 Krankheitsmutationen in der menschlichen Struktur zu. Die meisten liegen an Kontakten zwischen Untereinheiten und können das ganze Enzym schwächen. Das Exponat ist kein medizinisches Nachschlagewerk; Gesundheitsfragen gehören zum Arzt.

Was das Modell auslässt

• Die glatten Körper liegen an den Untereinheitenpositionen. Es sind nicht die gemessenen Proteinoberflächen der genannten PDB-Einträge.
• Die Geschwindigkeitsregel ist eine Modellannahme: eine glatte Kurve durch den berechneten Stillstandspunkt. Echte Enzyme haben kompliziertere Kraft-Geschwindigkeits-Beziehungen und drehen etwa 100-mal schneller.
• Bei Synthese zeigt das Modell kleine Schritte je Proton; rückwärts die an F1 gemessenen 120°-Schritte, nicht die Teilschritte von 90° und 30°. Letztere erscheinen nur im Rotationstest mit Goldkugel.
• Murphy und Kollegen fanden ein Mitdrehen des F1-Kopfs auf einem flexiblen Scharnier um die ersten etwa 30° jedes 120°-Schritts. Das Modell hält den Kopf fest.
• Die kleinen Untereinheiten am Stielfuß sind ein gemeinsamer Körper. ATP-Synthasen anderer Szenen nutzen dieselbe vereinfachte Form.
• Die Protonenkreisläufe von Mitochondrium, Chloroplast und Bakterium und die V-ATPase-pH-Kurve haben gewählte Raten. Ihre Stöchiometrie, 10 und 6 Protonen, 12 je O₂ und n/3 je ATP, stammt aus den Quellen.

Eine kurze Geschichte

• 1929: Karl Lohmann entdeckt ATP. Alexander Todd synthetisiert es 1948.
• 1939 bis 1941: Fritz Lipmann zeigt den Energietransport durch ATP in der Zelle.
• 1957: Jens Skou beschreibt die Natrium-Kalium-Pumpe.
• 1960: Efraim Rackers Gruppe isoliert das Enzym aus Mitochondrien.
• 1961: Peter Mitchell schlägt die chemiosmotische Idee vor; Nobelpreis 1978.
• 1966: Jagendorf und Uribe erzeugen im Dunkeln ATP mit einem Säurebad.
• 1974: Racker und Stoeckenius bilden mit Licht ATP in künstlichen Vesikeln.
• 1994: Abrahams, Leslie, Lutter und Walker lösen die F1-Struktur auf.
• 1997: Noji und Kollegen sehen den Stiel drehen; Boyer, Walker und Skou teilen den Chemie-Nobelpreis.
• 2001: Yasuda und Kollegen trennen 90°- und 30°-Teilschritte.
• 2004: Itoh und Kollegen bilden ATP durch magnetisches Drehen von F1.
• 2010: Watt und Kollegen finden den c8-Ring in Säugetieren.
• 2015 bis 2023: Kryo-EM zeigt vollständige Enzyme aus Rind, Hefe, Bakterien, Chloroplasten und Menschen in Rotationszuständen.