Adenosin-Triphosphat (ATP) ist nicht nur einer der vier Bausteine der Ribonukleinsäure und damit ein wichtiger Baustein in der Informationsverwaltung der Zelle, sondern es ist auch der universelle Energieträger. Ein lebender Organismus ist nie im thermodynamischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung, er ist auf ständige Energiezufuhr angewiesen, um seine Integrität zu erhalten. Diese Energie kann aus der Strahlungsenergie der Sonne stammen (Photosynthese), oder aus dem oxidativen Abbau organischer Substanzen zu CO₂ und Wasser. In beiden Fällen wird jedoch ein grosser Teil dieser Energie umgewandelt in energiereiche Phosphodiester-Bindungen. Energetisch ungünstige Reaktionen wie die Synthese von Makromolekülen oder der Transport von Ionen und Nährstoffen entgegen dem Konzentrationsgradienten können an die Hydrolyse dieser Bindungen gekoppelt und so angetrieben werden. Die Konformationsänderungen von Proteinen, die zur Muskelkontraktion führen, sind von dieser Art der Energiezufuhr genauso abhängig wie die Membranpotentiale, die die Uebertragung von Nervenimpulsen ermöglichen.

Innerhalb eines Tages setzt ein Mensch ungfähr sein eigenes Körpergewicht an ATP um. Die Spaltprodukte, ADP und Phosphat, werden jedoch sofort wieder rezykliert. Dafür ist eine besondere Nanomaschine verantwortlich: Die ATP-Synthase. Sie stellt eine Kombination von Turbine und Generator dar:

In Bakterien sitzt die ATP-Synthase in der Plasmamembran, in Mitochondrien in der inneren Mitochondrienmembran und in Chloroplasten in den nicht gestapelten Bereichen der Tylakoidmembran. Ueber alle diese Membranen wird durch energieliefernde Prozesse ein Protonengradient aufgebaut. Dieser pH-Unterschied treibt die Turbine der F0F1-ATP-Synthase an: Jedes Proton, das durch denTurbinenteil der ATP-Synthase vom Kompartiment mit dem tieferen pH, also mit der höheren Protonenkonzentration, in das Kompartiment mit tieferer Protonenkonzentration hinüberwechselt, dreht den Rotor der ATPase ein Stück weiter. Diese Rotation beeinflusst die Konformation der drei ADP/ATP-Bindungsstellen im Kopfteil der ATPase. Während die eine Konformation bevorzugt ADP bindent, erhöht die Konformationsänderung die Affinität für ATP so stark, dass die Bindungsenergie ausreicht, die Abstossung zwischen den negativ geladenen Phosphaten zu überwinden und das ADP zu phosphorylieren. In einer dritten Konformation wird schliesslich das neu gebildete ATP ausgeworfen. Pro voller Umdrehung des Rotors werden drei ADP zu ATP phosphoryliert, dazu müssen 12 Protonen durch die Turbine fliessen, der aus einem Ring aus 12 identischen Umdrehungen besteht. Unter Laborbedingungen schafft die ATP-Synthase 100 Umdrehungen pro Sekunde!

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siehe auch: PDB Molecule of the Month #72: ATP Synthase