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Ein Enzym mit Handkurbel

Forscher setzen die Produktion von ATP mechanisch in Gang

Von Rainer Scharf

Der Brennstoff, der unsere Körperzellen mit Energie versorgt, ist das Adenosintriphosphat, kurz ATP. Die täglich von unserem Körper produzierte und verbrauchte Menge an ATP entspricht etwa der Hälfte unseres Körpergewichts. Für die Produktion ist die ATP-Synthase zuständig, ein Enzym, das eine extrem leistungsfähige Nanomaschine ist. Jetzt haben japanische, Wissenschaftler sozusagen eine Kurbel an dieser Maschine befestigt und diese Produktion mechanisch in Gang gesetzt.

Die ATP-Synthase gleicht zwei aufeinandergestapelten nanometergroßen Motoren, die durch eine Antriebswelle gekoppelt sind. Der untere Motor sitzt normalerweise auf der Membran eines der Mitochondrien, der kleinen Zellkraftwerke. Er wird von einem stetigen Strom von Protonen angetrieben, den die Mitochondrien abgeben, und setzt die nur zwei Nanometer dicke Antriebswelle in Drehung, die den oberen Motor antreibt. Dieser wiederum bringt die ATP-Synthese in Gang.

Daß man sich dessen so sicher. ist, obwohl man die ATP-Synthase selbst mit dem Elektronenmikroskop nur schemenhaft erkennen kann, liegt unter anderem an einem Experiment, das Wissenschaftler um Masasuke Yoshida und Kazuhiko Kinosita vor einigen Jahren gemacht hatten. Sie hatten den oberen Motor samt Antriebswelle vom Rest getrennt, auf einer Glasplatte fixiert und in eine wäßrige Lösung getaucht. Ans Ende der Antriebswelle hefteten sie einen fluoreszierenden Molekülfaden, den sie mit einem Lichtmikroskop beobachten konnten. Als sie ATP in die Lösung gaben, begann sich der Faden zu drehen. Der Motor hatte, gewissermaßen im Rückwärtsgang, das vorhandene ATP in seine Bestandteile zerlegt. Die freiwerdende chemische Energie war dabei in Bewegungsenergie umgewandelt worden.


Quelle: Masasuke Yoshida, Tokyo Institute of Technology

Jetzt haben die japanischen Forscher statt des Molekülfadens ein Magnetkügelchen am Ende der Antriebswelle befestigt, um den Motor mechanisch anzukurbeln ("Nature", Bd. 427, S. 465). Eine größere Zahl derart präparierter molekularer Motoren tauchten sie in eine Lösung, die die Ausgangsstoffe für die ATP-Synthese enthielt. Als die Nanomotoren einem sich drehenden Magnetfeld ausgesetzt wurden, begannen die Magnetkügelchen zu rotieren und mit ihnen die Antriebswellen. Drehten sich die Antriebswellen in die "richtige" Richtung, war also der Vorwärtsgang eingelegt, dann wurde ATP produziert, das sich mit biophysikalischen Verfahren nachweisen ließ. Lief die Maschine im Rückwärtsgang, so wurde schon vorhandenes ATP wieder abgebaut.

Mit ihrem Experiment haben die japanischen Forscher gezeigt, daß sowohl die Synthese des ATP als auch sein Abbau durch Drehung der Antriebswelle der ATP-Synthase kontrolliert werden kann. Wie die Effizienz dieser einzigartigen Nanomaschine von der Drehgeschwindigkeit und vom aufgewandten Drehmoment abhängt, wollen die Forscher als nächstes untersuchen. 

Text: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 24.02.2004, Nr. 46 / Seite 34

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