Die ATP Synthase
Bei der ATP Synthase handelt es sich um ein Enzym sowie ein Transmembranprotein. Die Hauptaufgabe der ATP Synthase ist es, die Synthese von ATP zu katalysieren. Die ATP Synthase wird sowohl im Citratzyklus und bei der Fettsäureoxidation wie in der Atmungskette gebraucht.
Im Citratzyklus und bei der Fettsäureoxidation entstehen die beiden Stoffwechselzwischenprodukte NADH sowie FADH2. Beide können Sauerstoff zu Wasser reduzieren, was in einer stark exergonischen Reaktion geschieht. (NADH + H+ + ½ O2 → NAD+ + H2O) und (FADH2 + ½ O2 → FAD + H2O).
Das passiert im Inneren der Mitochondrienmembran in einer mehrstufigen Reaktion in der Atmungskette und entspricht der in der Chemie bekannten Knallgasreaktion. Die Übertragung der Elektronen von NADH und FADH2 auf O2 ist enzymkatalysiert, das heißt, hier kommt die ATP Synthase zum Einsatz. Daran gekoppelt ist die sogenannte oxidative Phosphorylierung. Dabei handelt es sich um eine Redoxreaktion, bei der Energie frei wird (∆G0’= -219 kJ/mol). Diese frei gewordene Energie wird dann für die Synthese von ADP genutzt, das aus vormals ADP und Pi entsteht. Der gesamte Reaktionsablauf sieht folgendermaßen aus: H2 + ½ O2 → H2O ∆G0’= -242 kJ/mol
Um diese Reaktion zu ermöglichen, sind diverse hintereinander geschaltete Elektronenüberträger erforderlich, und zwar Flavoproteine, FeS-Zentren, Ubichinon sowie Cytochrome. Dabei werden dann die Elektronen von NADH oder FADH2 auf O2 transferiert. Dabei wird Energie freigesetzt, und zwar in Form von H+-Ionen. Diese Energie wird dann von der Matrix, wo sie entsteht, in den Intermembranalraum der Mitochondrien transportiert. Im Inneren der Membran ist dann die H+-Konzentration höher als in der Matrix. Deshalb kommt es zum Zurückfließen von H+ in Richtung des Konzentrationsgefälles. Dieses Zurückfließen wiederum ist dann gekoppelt mit der Synthese von ATP durch die ATP-Synthase der inneren Mitochondrienmembran. Es handelt sich dabei um den chemiosmotischen Mechanismus der oxidativen Phosphorylierung. Dabei entstehen 3 mol ATP/ mol NADH.
Bei den Mitochondrien handelt es sich um die Kraftwerke der Zellen, die durch bestimmte Giftstoffe blockiert werden können. Zu diesen Giftstoffen gehört zum Beispiel Cyanid, das den Elektronentransport und damit die ATP-Synthese blockiert.
