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Dr. med. Lutz Wilden

Die Praxis
Privatpraxis Dr.med. Lutz Wilden
Kurallee 16
D-94072 Bad Füssing
Telefon: 08531/980198
Fax: 08531/980119

Die Privatpraxis Dr. med. Lutz Wilden finden Sie in Bad Füssing an der Ecke Goethestr. / Kaufhaus Geml, 2.Stock.

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Aktuelle Informationen

ATP-Synthese in neuem Licht
Membranpotential unentbehrlich

ATP ist der wichtigste natürliche Energieträger; Zellen verwenden die in diesem Molekül gespeicherte Energie für die unterschiedlichsten Arbeitsleistungen. Produziert wird ATP mit Hilfe eines Enzyms, der sogenannten ATP-Synthese.
In Bakterien erfolgt die Herstellung direkt an der Zellmembran, in eukaryontischen Zellen dagegen läuft die Synthese an der inneren Membran der Mitochondrien ab. Damit ATP synthetisiert werden kann, muss - so die gängige Meinung - über der Membran entweder ein pH-Gradient oder ein elektrisches Potential existieren. Liegt nur ein pH-Gradient vor, etwa in Form eines Konzentrationsgefälles von Wasserstoff-Ionen, müsste man sich die ATP-Synthese folgendermassen vorstellen: Die Wasserstoff-Ionen folgen ihrem Gradienten, fliessen durch die ATP-Synthese und treiben dabei einen in dieses Enzym eingebauten "molekularen Motor" an, der ADP mit einem Phosphatrest zu ATP verknüpft.
So zumindest steht es in allen Lehrbüchern der Biochemie geschrieben. Nach neuen Ergebnissen von Wissenschaftlern der ETH-Zürich müssen diese früheren Forschungsergebnisse zur Funktionsweise der ATP-Synthese - für die im vergangenen Jahr übrigens der Nobelpreis für Chemie verliehen wurde - aber neu interpretiert werden. Wie Georg Kaim und Peter Dimroth vom mikrobiologischen Institut herausgefunden haben, scheint nicht der pH-Gradient, sondern das Membranpotential prinzipiell für den Antrieb der ATP-Synthese verantwortlich zu sein. Mit anderen Worten: Mit einem pH-Gradienten allein lässt sich kein ATP synthetisieren.
Dass in der Vergangenheit falsche Schlüsse gezogen wurden, erklären sich die Forscher mit einem Fehler im früheren Experimentiersystem. So habe man damals zur Einstellung des pH-Gradienten bestimmte Puffersubstanzen benutzt, die - wie sich jetzt herausgestellt hat - auch imstande sind, ein elektrisches Potential aufzubauen. Darum habe man die ATP-Synthese irrtümlicherweise dem pH-Gradienten zugeschrieben, wo in Wahrheit das Membranpotential dafür verantwortlich gewesen sei. Die neuen Resultate erweitern das Wissen um die Arbeitsweise dieses molekularen Motors, der in Zukunft auch in der Nanotechnologie Anwendung finden könnte.

Quelle: FEBS Letters 434, 57-60 (1998)





ATP-Gewinnung in Modellmembranen
Künstlicher Photosyntheseapparat erzeugt chemische Energie

Adenosintriphosphat (ATP) ist der wichtigste Treibstoff für lebensnotwendige Prozesse in den Zellen. Kürzlich ist es gelungen, eine künstliche Membran zu entwickeln, die Lichtenergie aufnimmt und mit Hilfe eines Enzymkomplexes in ATP umwandelt. Vorbild für dieses Modell sind photosynthetische Bakterien, die nach dem gleichen Prinzip Licht konservieren.
Sonnenenergie speichern, sie in andere Energieformen umwandeln und damit biologische Arbeit verrichten ist einer der grundlegenden Vorgänge, die das Leben auf der Erde ermöglicht haben. Bis heute wird an diesen elementaren Reaktionen geforscht. Kürzlich ist es amerikanischen und französischen Chemikern gelungen, in einem Modellsystem einige Abläufe der Energiekonservierung und Umwandlung im Labor nachzuahmen: Nach dem Vorbild der Natur wurde Licht von einer künstlichen Zellmembran "eingefangen" und durch eine Kette sich anschliessender Reaktionen in Adenosintriphosphat (ATP) umgewandelt. Das ATP ist einer der wichtigsten natürlichen Energieträger, da es an allen lebensnotwendigen Abläufen in den Zellen direkt oder indirekt beteiligt ist.

Photosynthetische Bakterien als Vorbild
Als Vorlage für den Aufbau einer Modellmembran, die Licht in chemische Energie umwandeln kann, dienten den Wissenschaftlern photosynthetische Bakterien, da hier einfachere Reaktionswege durchlaufen werden als in den Chloroplasten von Pflanzen oder den Mitochondrien aus pflanzlichen und tierischen Zellen. Entscheidend für die Gestaltung einer künstlichen Membran war die Nachbildung von photosynthetischen Reaktionszentren. Dabei handelt es sich um chemische Strukturen mit leicht anregbaren Elektronen, die Lichtenergie absorbieren, indem sie in einen energiereicheren Zustand übergehen. Vor allem Moleküle mit sogenannten "konjugierten" Doppelbindungen sind dafür geeignet: Elektronen eines konjugierten Systems befinden sich bereits in einem angeregten Grundzustand und benötigen nur eine geringe zusätzliche Energie, um in einen noch höheren Energiezustand zu gelangen.
Bei den Pflanzen wird Lichtenergie vor allem von dem grünen Farbstoff Chlorophyll absorbiert, das in seinem Zentrum konjugierte Doppelbindungen besitzt; in photosynthetischen Bakterien sind andere Reaktionszentren vorhanden, die ebenfalls leicht anregbare Elektronen aufweisen. Nach der Bestrahlung werden die angeregten Elektronen in mehreren Reaktionsschritten durch die Membran transportiert. Dabei geben sie wieder Energie ab, die zunächst in einem Protonengradienten und schließlich in energiereichen Verbindungen gespeichert wird.
Das künstliche Reaktionszentrum wurde nach diesen Vorgaben aufgebaut: es besteht aus mehreren Untereinheiten, zu denen ein Ringsystem mit konjugierten Doppelbindungen gehört, das an einen Elektronendonor und einen Elektronenakzeptor gekoppelt ist. Diese Moleküle werden asymmetrisch in eine Lipidmembran eingebettet.
Die Elektronenakzeptoren befinden sich auf einer Seite der Membran, räumlich getrennt von den Elektronendonoren, die auf der anderen Seite liegen. Bei Bestrahlung werden Elektronen des Ringsystems angeregt und an den Elektronenakzeptor abgegeben, der Elektronendonor leitet anschliessend neue Elektronen an das Ringsystem. Damit tritt eine Ladungsverschiebung auf, die zu einer Potentialdifferenz innerhalb der Membran führt. Beim Versuch, diese Potentialdifferenz auszugleichen, werden zusammen mit Elektronen auch Protonen auf die entgegengesetzte Membranseite gepumpt.
Dadurch baut sich ein neuer Gradient auf, der als sogenannte protonenmotorische Kraft genutzt werden kann um energieverbrauchende Prozesse zu starten.

Künstliche ATP-Synthese
Wie in natürlichen Prozessen der Zellen kann die in dem Protonengradienten gespeicherte Energie des Modellsystems zur Synthese von ATP genutzt werden. Dies gelang den Wissenschaftlern mit Hilfe des Enzymkomplexes F0F1 - ATP-Synthese, der ebenfalls in die Membran eingebaut wurde. F0F1 - ATP-Synthese kommt in Mitochondrien, Chloroplasten und Bakterien gleichermassen vor. Es besteht aus dem peripheren Membranprotein F1 und dem integralen Anteil F0, der sich wie ein Kanal durch die Membran zieht. Dieser Enzymkomplex "verwertet" die gespeicherte Energie aus dem Protonengradienten zum Aufbau von ATP. Dabei fliessen Protonen durch den Kanal auf die andere Seite der Membran und wirken damit dem Gradienten entgegen. Da sich die Elektronen- und Protonengradienten stets erneuern, entsteht ein zyklischer Prozess. Auch im Modellversuch wurde nach Bestrahlen der künstlichen Membran ATP gebildet. Dieser Vorgang konnte sogar über mehrere Stunden aufrechterhalten werden. Dabei wurde ATP mit der gleichen Rate gebildet, die auch bei natürlich vorkommenden photosynthetischen Reaktionszentren in ähnlichen Versuchen gemessen wurde. Das Modellsystem eröffnet damit die Möglichkeit, die künstliche Photosynthesemembran als Energiequelle für biologische Prozesse einzusetzen. Es ist durchaus denkbar, mit Hilfe dieser Membran andere zelluläre Abläufe im Laborversuch zu kopieren.

Quelle: Nature 385, 239-241 (1997); 392, 479-482 (1998)
Neue Züricher Zeitung Nr. 98/ 29.04.1998


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