Enzyme können Energie für lebende Organismen bereitstellen. Adenosintriphosphat, abgekürzt ATP, ist die wichtigste Speicherform chemischer Energie. ATP ist eine „geladene Batterie“, die Energie freisetzen kann, um biologische Aktivitäten anzutreiben. Enzyme fungieren dabei als „Transformatoren“, die Energie in geeignete chemische Formen überführen und in ATP-Molekülen speichern. Die meisten dieser Enzyme werden als ATP-Synthasen bezeichnet; sie kommen in allen Lebensformen vor und unterstützen sämtliche zellulären Aktivitäten, indem sie direkt das Energiespeichermolekül ATP erzeugen, die am häufigsten genutzte „Energiewährung“ der Zellen aller Organismen. ATP entsteht über einen Prozess, bei dem Enzyme Nährstoffe oxidieren und dabei Adenosindiphosphat (ADP) sowie anorganisches Phosphat (P_i) umsetzen; dieser Vorgang wird als oxidative Phosphorylierung bezeichnet.

Die Synthese von ATP aus ADP und P_i ist energetisch ungünstig und verläuft unter Normalbedingungen in die umgekehrte Richtung. Um die Vorwärtsreaktion anzutreiben, katalysiert die ATP-Synthase die ATP-Bildung während der zellulären Atmung unter Nutzung eines elektrochemischen Gradienten, der aus dem Unterschied der Protonenkonzentration über der Mitochondrienmembran bei Eukaryoten bzw. der Plasmamembran bei Bakterien resultiert. Die ATP-Produktion während der Photosynthese in Pflanzen erfolgt hingegen durch Nutzung eines Protonengradienten, der im Thylakoidlumen über die Thylakoidmembran hinweg in das Stroma des Chloroplasten gerichtet ist.

Abbildung 1. Die Gesamtreaktion, die durch die ATP-Synthase katalysiert wird.

Struktur der ATP-Synthase

Die ATP-Synthase umfasst zwei Hauptuntereinheiten, F₀ und F₁, und arbeitet über einen rotierenden Motormechanismus zur ATP-Produktion. Der in die Membran integrierte Anteil – in Eukaryoten in die innere Mitochondrienmembran, in Prokaryoten in die Plasmamembran bzw. in Pflanzen in die Thylakoidmembran des Chloroplasten – wird als F₀ bezeichnet; er stellt einen durch den Fluss von H⁺-Ionen über die Membran angetriebenen Motor dar. Der im Inneren der Mitochondrien, im Chloroplastenstroma bzw. in prokaryotischen Zellen gelegene Anteil wird als F₁-ATPase bezeichnet; er ist ein weiterer Motor, der zur ATP-Bildung genutzt wird. Die F₀-Region ähnelt DNA-Helikasen, die DNA-Stränge entwindet, während die F₁-ATPase-Region den H⁺-Motoren ähnelt, die bei einigen Bakterien die Bewegung der Flagellen antreiben; sie besitzt einen zentralen Stiel und einen Rotor, dessen Rotation ADP und P_i in ATP umwandeln kann. Diese beiden Teile, ursprünglich als getrennte Strukturen mit unterschiedlichen Funktionen, entwickelten sich schließlich zur ATP-Synthase, bei der beide Komponenten als Reaktion auf einen Protonenfluss rotieren und diese Rotationsenergie an die ATP-Synthese gekoppelt wird. Aufgrund ihrer rotierenden Untereinheit gilt die ATP-Synthase als molekulare Maschine.

Funktion der ATP-Synthase

ATP-Synthasen sind eine evolutionär alte Proteinfamilie, die im Wesentlichen dieselbe Struktur und Funktion beibehält und über alle Reiche des Lebens hinweg hoch konserviert ist. ATP-Synthasen fungieren primär als molekulare Motoren, die die aus dem Protonenfluss gewonnene Energie nutzen, um die Phosphorylierung von ADP zu treiben und dadurch ATP zu erzeugen, das in sämtlichen zellulären Prozessen verwendet wird. Eine ATP-Synthase kann etwa 100 ATP-Moleküle pro Sekunde produzieren. Eukaryoten mit Mitochondrien, wie Pflanzen, Tiere und Pilze, besitzen große Mengen an ATP-Synthasen zur ATP-Produktion; dabei ist die ATP-Synthase in der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert, und der F₁-Teil ragt in die mitochondriale Matrix. Chloroplasten in Pflanzen enthalten ebenfalls ATP-Synthasen, um ATP aus Sonnenlicht und Kohlendioxid zu synthetisieren. Prokaryoten, insbesondere Bakterien und Archaeen, erzeugen ohne Mitochondrien ATP in vergleichbarer Weise der Zellatmung an ihrer Plasmamembran. In aeroben Bakterien läuft die ATP-Synthase unter physiologischen Bedingungen in der Regel in der Richtung der ATP-Bildung, indem sie die durch die Elektronentransportkette erzeugte protonenmotorische Kraft als Energiequelle nutzt. Fermentierende Bakterien ohne Elektronentransportkette können große Mengen ATP einsetzen, um einen transmembranen Protonengradienten aufzubauen; dabei erzeugt die ATP-Synthase anaerob eine protonenmotorische Kraft durch Ausstoß von Protonen, um die Bewegung der Flagellen sowie den Transport von Nährstoffen in die Zelle anzutreiben. Infolge dieses Mechanismus wird angenommen, dass die ATP-Synthase unter Bedingungen einer Azidifizierung zu einem Anstieg des intrazellulären pH-Werts beitragen kann.