Chemiosmotische Kopplung

Mechanismus der Energiegewinnung des Wasserstoff oxidierenden Bakteriums Aquifex aeolicus

In der Atmungskette der Mitochondrien können mehrere Proteinkomplexe als Protonentransporter fungieren: Dies sind neben der NADH-Dehydrogenase (Komplex I), die Cytochrom-c-Reduktase (Komplex III) (über den Q-Zyklus), sowie die Cytochrom-c-Oxidase (Komplex IV). Die Energie stammt aus der hohen Redoxpotentialdifferenz vom NADH beziehungsweise FADH₂ zum Sauerstoff. Eine Verstärkung des Gradienten erfolgt durch den Verbrauch von Protonen bei der Bildung von Wasser aus Sauerstoff und Protonen durch die Cytochrom-c-Oxidase.

Bei chemotrophen Prokaryoten wurde eine Vielzahl von Elektronentransportketten gefunden, die als Protonenpumpen fungieren. Die ATP-Generierung bei chemo-litho-trophen Organismen beruht in der Regel darauf, dass die Elektronentransportkette von einem außen oxidierten Stoff zu einem innen reduzierten Oxidationsmittel verläuft.

Die Oxidative Phosphorylierung ist auch bei anaeroben, chemotrophen Organismen weit verbreitet (Anaerobe „Atmung“). Viele dieser Organismen nutzen unter Sauerstoffmangel einen alternativen Stoffwechselweg, nämlich die Substratkettenphosphorylierung. Sie beruht nicht auf dem Chemiosmotischen Mechanismus und findet im Cytoplasma statt.

Chlorophyll und Elektronentransportkette[9][10]

Phototrophe Bakterien und einige Archaea regenerieren ATP ebenfalls durch Elektronentransportketten, in denen Membranproteine als Protonenpumpen fungieren. Bei schwefelfreien Purpurbakterien erfüllt unter anaeroben Bedingungen ein Cytochrom-''bc''₁ diese Funktion. Energielieferant ist hier Licht, das über einen Lichtsammelkomplex einen zyklischen Elektronentransport antreibt.

Bei der oxygenen Photosynthese von grünen Pflanzen und Cyanobakterien fungiert der Cytochrom-b₆f-Komplex (Cyt b₆f) der Redoxkette als Protonenpumpe.

• Die Energie stammt zunächst aus dem Redoxpotential der Elektronen, die bei der acyclischen ATP-Bildung vom Photosystem II (PS II) zum Photosystem I (PS I) durch die Redoxkette transportiert werden. Die Energie der Elektronen stammt aus der Anregung durch das Licht im Photosystem II.
• Bei der zyklischen Phosphorylierung werden Elektronen im Photosystem I durch Licht angeregt und über Ferredoxin zurück auf das Cytochrom b₆ übertragen.

Der Protonengradient wird dadurch verstärkt, dass auf der Seite des Thylakoid-Innenraums die Spaltung des Wassers zu Sauerstoff und Protonen erfolgt, also die Protonenkonzentration zusätzlich erhöht wird. Auf der Seite des Stromas wird NADPH unter Verbrauch von Protonen gebildet.

Protonenpumpe Rhodopsin

Schließlich können Haloarchaea Lichtenergie durch Bacteriorhodopsin direkt nutzen, um ein Membranpotential aufzubauen.[11] Diesem sehr einfachen Mechanismus liegt im Unterschied zu allen bisher geschilderten Mechanismen keine Redoxkette zu Grunde.

Selbst in anaeroben Organismen, die ATP nicht nach dem Chemiosmotischen Mechanismus, sondern durch Substratkettenphosphorylierung gewinnen, findet sich das Enzym ATP-Synthase. Allerdings dient es bei diesen Organismen selbst als Protonenpumpe zur Aufrechterhaltung eines im Zellinneren benötigten pH-Werts. Zudem nutzen auch diese Lebewesen die Energie ihres Membranpotenzials für zahlreiche Prozesse.

Die Kraft des Protonengradienten ΔP an einer biologischen Membran setzt sich zusammen aus zwei Komponenten, einer chemischen und einer elektrischen.[12] Der Zusammenhang zwischen Protonengradienten und Energiegewinnung in einer Zelle wird durch die chemiosmotische Theorie von Peter D. Mitchell (1961) beschrieben.[13] Möglicherweise ist die Nutzung von Protonengradienten an Biomembranen aus der Nutzung geologischer Protonengradienten entstanden, z. B. an schwarzen Rauchern.[14]

1. Dem Konzentrationsunterschied an H⁺-Ionen ΔpH.
2. Der Spannung an der Membran, Membranpotential ΔΨ:

${\displaystyle \Delta P=\Delta \Psi -Z\Delta pH}$

(Z = 2,3 R T / F. Letztere Formel besagt ungefähr: Protonengradient und der Membran-Ladung addieren sich temperaturabhängig, da sie ansonsten nur über eine Konstante, nämlich dem Quotionten aus Universeller Gaskonstante und Faraday-Konstante zusammenhängen.)

Der Zusammenhang zwischen dem Protonengradienten ΔP und der elektrochemischen Potentialdifferenz bezüglich der Protonen ${\displaystyle \Delta {\overline {\mu }}_{H^{+}}}$ ist:

${\displaystyle F\Delta P=-\Delta {\overline {\mu }}_{H^{+}}}$

Beispiel:

• Wenn E. coli Bakterien bei einem pH-Wert von 6 wachsen und dabei im Zellinneren einen pH-Wert von 7,8 aufweisen, misst man an ihrer Membran eine elektrische Spannung von −95 mV. Nach letzterer Gleichung hat ihr Protonengradient, der für biologische Prozesse genutzt werden kann, dann insgesamt −200 mV. Dieser Wert ist enorm, zumal die isolierende Membran nur ca. 2 nm dick ist.

Chemolithotrophe Organismen müssen NADH mit schwachen Reduktionsmitteln regenerieren. Es wurde lange diskutiert, ob für diese endergone Reaktion ATP aufgewendet werden muss. Tatsächlich hat sich gezeigt, dass für diesen „reversen Elektronentransport“ direkt das Membranpotenzial genutzt werden kann.

Neugeborene und Winterschlaf haltende Säugetiere können im braunen Fettgewebe direkt Wärme aus dem Protonengradienten gewinnen. Dazu benutzen sie sogenannte Entkoppler, die den (geregelten) Einstrom von H⁺-Ionen ins Innere der Mitochondrien ermöglichen, ohne ATP aus ADP zu generieren. Diese Umgehung der ATP-Synthese ermöglichen UCP-Proteine (uncoupling proteins) wie Thermogenin. Sie entkoppeln die Atmungskette von der ATP-Synthese, daher der Name Entkoppler.

In der Biochemie sind Entkoppler schon lange bekannt. Als die Atmungskette erforscht wurde, kam z. B. 2,4-Dinitrophenol (DNP) zur Anwendung. Wie andere chemische Entkoppler basiert die Funktion von DNP auf dem Zusammenbruch des pH-Gradienten. Die DNP-Moleküle lösen sich im lipophilen Inneren der Membran. An der Membran-Innenseite geben sie H⁺ ab, diffundieren an die Außenseite und nehmen dort wieder H⁺ auf.

Auch die bakterielle Fortbewegung durch Geißeln (Flagellen) beruht – wie bei der ATP-Synthase – auf einer Protonen getriebenen Drehbewegung. Wie bei der ATP-Synthase funktioniert der Motor nicht nach dem Prinzip einer Turbine. Vielmehr bewirkt der Protonenfluss eine Kraft zwischen dem sich drehenden Rotor und Proteinen, die in der Zellwand fest verankert sind und als Stator fungieren. Im Gegensatz zur ATP-Synthase ist der molekulare Mechanismus des Geißel-Motors aber noch nicht im Detail aufgeklärt.

Der Antrieb der Geißeln erfolgt durch einen Basalkörper, der in der Zellwand verankert ist. Neben dem eigentlichen Motor gehören dazu noch ringförmige Proteine, die die Funktion eines Drehlagers erfüllen. Die Geißel selbst wird passiv bewegt, etwa wie bei einer Rührmaschine.

Die Effizienz dieser Maschine ist beachtlich. Der protonengetriebene, natürliche „Nanomotor“ erreicht bei manchen Organismen 100.000 Umdrehungen pro Minute.

Abb. Elektronen- und Protonentransport durch Cytochrome bei Pseudomonas alcaliphila, einem alkaliphilen Bakterium[16][17].

Alkaliphile Bakterien können in Medien wachsen, die deutlich basischer sind als ihr Zellplasma. Entgegen früheren Annahmen nutzen insbesondere aerobe alkaliphile Organismen H⁺-getriebene ATP-Synthasen und H⁺-translozierende Redoxketten. Für den Aufbau eines Membranpotentials benötigen Organismen spezielle Mechanismen, da ins alkalische Medium abgegebene Protonen sofort neutralisiert würden. Bei vielen dieser Organismen werden in der Zellwand vermehrt negativ geladene Moleküle eingelagert, wodurch diese eine gewisse Barriere gegen OH⁻-Ionen darstellt.

Weitere Anpassungen sind in nebenstehender Abbildung am Beispiel des gramnegativen γ-Proteobakteriums Pseudomonas alcaliphila schematisch dargestellt.

Der Organismus weist mit anderen alkaliphilen Pseudomonas-Species zwei Gemeinsamkeiten auf, die sich bei neutrophilen Pseudomonaden nicht finden.

• Es finden sich bei Wachstum in stark alkalischen Nährmedien vermehrt spezielle c-Cytochrome im Periplasma. Diese fungieren nicht nur als Elektronen-Carrier von der Cytochrom-c-Reduktase (in der Abbildung Coenzym Q-Cytochrom c-Oxidoreduktase) zur Cytochrom-c-Oxidase. Vielmehr dienen sie bei hohen pH-Werten als „Kondensator“ und Carrier für Protonen, die von der Atmungskette an der Außenseite der Membran freigesetzt werden. Die Cytochrome halten die H⁺-Kationen vom alkalischen Medium fern und übertragen die Protonen zur ATP-Synthase. Solche c-Cytochrome wurden auch bei einigen grampositiven alkaliphilen Bakterien gefunden.
• Noch mehr bei alkaliphilen Bakterien ist ein Mechanismus verbreitet, mit dem die Organismen den pH-Wert im Plasma im von ihnen benötigten neutralen Bereich halten können. Sie besitzen in der Regel einen H⁺/Na⁺-Antiporter (links im Bild), der nach außen transloziertes H⁺ gegen Natrium-Kationen austauscht. Die elektrische Spannung der Membran wird dabei aufrechterhalten. Der elektrochemische Na⁺-Gradient an der Zellmembran wird von akaliphilen Lebewesen für eine Reihe von Prozessen genutzt, die bei anderen Organismen auf einem Protonengradienten beruhen.

Entgiftung eines eingedrungenen Giftes durch Antiport

Die Energie des Membranpotenzials kann auch für aktive Transportvorgänge genutzt werden. Haben ungeladene niedermolekulare Gifte die Membran durchdrungen, können sie partiell oxidiert werden und danach aktiv aus der Zelle hinaus befördert werden.