ATP-synthase

De ATP-synthase katalyseert de synthese van ATP. Het is een complex van hydrofobe en hydrofiele componenten.

Wat is ATP Synthase?

ATP-synthase is een transmembraaneiwit dat zowel werkt als een protonpomp en als een enzym voor de synthese van ATP. Als protonpomp gebruikt het ATP om energie te produceren, terwijl het energie gebruikt om ATP op te bouwen.

Het enzym bestaat uit 8 tot 20 subeenheden die samenkomen om twee complexen te vormen. Een complex is onoplosbaar in water en zit in het membraan. Dit complex transporteert protonen naar hogere energieniveaus terwijl het ATP verbruikt. Het in water oplosbare deel van het enzym aan de binnenrand van het membraan katalyseert de synthese van ATP uit ADP met behulp van de protongradiënt. Het in water onoplosbare deel wordt complex Fo genoemd en het in water oplosbare deel wordt complex F1 genoemd.

Vanwege zijn twee subeenheden wordt de naam ook gebruikt voor de ATP-synthase FoF1-ATPase Toepassing. Geen enkel ander enzym dat ATP synthetiseert, is tot nu toe herkend. Hiervoor zijn veel zogenaamde ATPases, maar die gebruiken allemaal alleen ATP. ATP-synthase is het enige enzym dat ATP zowel kan consumeren als synthetiseren.

Functie en taak

De ATP-synthase speelt een sleutelrol in het energiemetabolisme. Alle energieverbruikende stofwisselingsprocessen zijn afhankelijk van de energieopslagfunctie van ATP. Door het grote aantal stofwisselingsprocessen wordt elke dag 80 kilogram ATP in het menselijk lichaam aangemaakt en direct weer afgebroken.

ATP wordt opgebouwd uit ADP door de ophoping van een fosfaatresidu terwijl het energie absorbeert. Hierdoor ontstaat een spanningsgeladen molecuul, dat zijn energie snel wil opgeven door het fosfaatresidu vrij te geven. Als er echter geen tussentijdse opslag van energie door ATP zou zijn, zouden er geen metabolische processen meer plaatsvinden.

ATP is universeel aanwezig in levende organismen. Dit geldt zowel voor planten, schimmels en bacteriën als voor mens en dier. In alle organismen zorgt de ATP-synthase echter ook voor de vorming van ATP. Het mechanisme van energieoverdracht was lange tijd niet duidelijk. De meerderheid van de wetenschappers ging ervan uit dat de energie afkomstig is van hoogenergetische tussenverbindingen en wordt overgebracht naar ATP. De Britse chemicus Peter D. Mitchell was echter de eerste die postuleerde dat ATP zijn energie haalt uit de protongradiënt (PH-gradiënt), waarbij ATP-synthase een grote rol speelt. Dit proefschrift werd later bevestigd.

Volgens de bevindingen van de onderzoekers vindt ATP-synthese plaats op het in water oplosbare deel van het enzym. Als een proton wordt afgesplitst in het in water onoplosbare deel van het enzym in het membraan, kan de negatieve lading die tijdens de afsplitsing ontstaat, worden gestabiliseerd door een ionische interactie. Om dit te doen, moet het molecuul een beetje draaien en spanning opbouwen. De ATP-synthase heeft nu energie opgeslagen. Wanneer de negatieve lading geprotoneerd is, springt het molecuul terug als een gespannen veer en brengt de draaiende beweging over op het buitenste in water oplosbare deel van het enzym. Daar vindt de energieoverdracht plaats door opname van een fosfaatresidu uit ADP, waardoor ATP ontstaat. ATP is op zijn beurt een energierijk molecuul met een hoge mechanische spanning, dat zijn energie vrijgeeft door een fosfaatresidu vrij te geven.

Het ATP-synthase is een intrinsiek onderdeel van de ademhalingsketen en komt voor een groot deel voor in de mitochondriën. Met het ATP-synthase werd het enige ATP-bouwende enzym ontdekt. Zonder ATP zouden alle energetische processen in het organisme tot stilstand komen. Met de ontdekking van ATP-synthase werd het verkeerd begrepen verband tussen NADH-oxidatie en ATP-synthese eindelijk opgehelderd.

Uw medicatie vindt u hier

Ziekten en aandoeningen

In verband met ATP-synthase kunnen ook ziekten optreden, die zich voornamelijk manifesteren als aandoeningen in de ademhalingsketen. De productie van energie in het organisme vindt plaats in de mitochondriën. Daar worden verbindingen met een hoog energiegehalte zoals vetzuren of glucose continu afgebroken via de citroenzuurcyclus. Als een existentieel belangrijke energieopslag voor de korte termijn, moet ATP constant worden gevormd.

Als de ATP-synthese verstoord is, kan er niet genoeg energie vrijkomen. Symptomen zoals enorme zwakte en vermoeidheid treden op. De spieren en het zenuwstelsel worden altijd beïnvloed. Omdat de energetische processen plaatsvinden in de mitochondriën, worden deze ziekten ook wel mitochondriopathieën genoemd.

Storingen of beschadigingen aan de mitochondriën zijn kenmerkend voor deze aandoeningen. De oorzaken van mitochondriale ziekten zijn echter divers. Er zijn erfelijke en verworven vormen van de ziekte. Bij erfelijke mitochondriopathieën zijn mutaties van enzymen aanwezig in de ademhalingsketen. Bij een erfelijke aandoening kunnen zowel het mitochondriale DNA als het DNA uit de celkern door mutaties worden veranderd. Van de vele enzymen in de ademhalingsketen kan natuurlijk ook het ATP-synthase onderhevig zijn aan een mutatie.

Als het enzym volledig zou falen, zou het organisme niet levensvatbaar zijn. Met zijn beperkte functie kan het worden ingedeeld in de grote groep van mitochondriale ziekten. De verschillende vormen van mitochondriale ziekte leiden tot verschillende patronen van symptomen. Ze hebben echter gemeenschappelijke neuromusculaire aandoeningen. Dit betekent dat het zenuwstelsel en de spieren altijd worden beïnvloed door de lage energievoorziening. Het cardiovasculaire systeem en de nieren zijn vaak aangetast.

Omdat de energievoorziening verstoord is, gaan de meeste ziekten snel vooruit. Er zijn echter geen oorzakelijke therapieën, aangezien dit een genetische ziekte is. Het is belangrijk om de opname van energie in de vorm van koolhydraten en vetten te verhogen en het energieverbruik te beperken.