Motor im Spinat - Struktur der Protonen-Turbine von ATP-Synthasen aufgeklärt
Wissenschaftler der TU Darmstadt und des Biozentrums Basel klären Struktur der Protonen-Turbine von ATP-Synthasen auf
Wissenschaftlern der Abteilung Physikalische Biochemie an der TU Darmstadt ist es in enger Zusammenarbeit mit Kollegen vom Biozentrum Basel/Schweiz erstmalig gelungen, die Struktur der Protonen-Turbine einer ATP-Synthase aufzuklären, einem Enzym, das als molekularer, rotierender Motor in allen tierischen und pflanzlichen Zellen den chemischen Energieträger ATP erzeugt. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher in der neuesten Ausgabe (25. Mai 2000) des international renommierten Wissenschaftsmagazins "Nature" (Bd. 405, No. 6785, 2000) unter dem Titel "Proton-powered turbine of a plant motor".
Ihre Erkenntnisse gewannen Prof. Dr. Norbert A. Dencher, Dr. Ansgar Poetsch und Dr. Holger Seelert (TU Darmstadt) sowie Prof. Dr. Andreas Engel, Dr. Daniel J. Müller und Dr. Henning Stahlberg (Biozentrum Basel) mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy) bei hoher Auflösung an zweidimensionalen Kristallen von aus Spinat gewonnener ATP-Synthase. Danach bilden 14 ringförmig angeordnete Proteinuntereinheiten die zylindrische Turbine (Länge: 7,3 nm, Außendurchmesser: 5,9 bzw. 7,4 nm, Innendurchmesser: 3,5 nm; 1 nm = 1 milliardstel Meter), welche die Lipidschicht (4,1 nm) der biologischen Membran durchdringt. Dieses Ergebnis war unerwartet, da in allen bisherigen Struktur-Funktionsmodellen der ATP-Synthasen von Bakterien, Tieren und Pflanzen immer angenommen wurde, dass nur 9 oder 12 Untereinheiten die Turbine bilden.
Die Anzahl der Untereinheiten der ATP-Synthase ist von großer Bedeutung für den Mechanismus und die Effizienz der elektrochemischen Energieumwandlung in der Zelle. Weltweit werden die Einsatzmöglichkeiten dieser rotierenden Biomotoren in der Nanotechnologie und der Medizin erforscht, z.B. als Antriebe, Pumpen und Schalter. Auch als mögliche Ursache von Krankheiten und des Alterns werden Veränderungen im Wirkungsgrad der ATP-Synthasen diskutiert.
Protonen-ATP-Synthasen gehören zu den wichtigsten Proteinkomplexen in jeder Zelle und sind die kleinsten rotierenden Motoren in der Biologie. Der Mensch erzeugt damit bis zu 70 kg des chemischen Energieträgers ATP pro Tag. Durch den Fluss von Protonen wird die Rotation der in Biomembranen eingelagerten Maschinerie bewirkt, die aus identischen Proteinuntereinheiten zusammengesetzt ist. Die Protonen-Turbine rotiert mit mehr als 100 Umdrehungen pro Sekunde und treibt dadurch die Synthese von ATP an.
Kontakt: Prof. Dr. Norbert A. Dencher, Tel.: 06151/16-5275, Fax: 06151/16-4171, e-mail: dencher@pop.tu-darmstadt.de
he, den 25.5.2000, PM Nr. 24/5/2000
