Struktur, Funktion und Regulation der Chloroplasten-ATP-Synthase

Die ATP-Synthase ist das Schlüsselenzym der Energiegewinnung. An ihr wird unter Energieaufwand aus ADP und Phosphat ATP gebildet. Zu diesem Zweck wird ADP und Phosphat an die katalytischen Bindungsstellen des Enzyms gebunden. Da das Enzym drei katalytische Untereinheiten besitzt (b-Untereinheiten), gibt es auch drei katalytische Bindungsstellen. Darüber hinaus gibt es "feste" Nukleotidbindungsstellen, die zur Regulation des Enzyms beitragen.

Charakterisierung der katalytischen Zentren

Charakterisierung der katalytischen Zentren der Chloroplasten-ATPase ist möglich zunächst durch Untersuchungen der stereochemischen Struktur des Substrates (Mg-ATP-Komplex) und der für die Bindung des Substrates erforderlichen Eigenschaften (Aminosäurereste) in der Bindungsstelle. Mit Hilfe chemischer Modifikation der Nukleotidbindungsstellen können diese Eigenschaften dann nachgewiesen werden. Die auf diese Weise gefundenen funktionellen Aminosäuren führten zu einem Modell des katalytischen Zentrums der Chloroplasten-ATPase, das die bindenden Peptidketten mit den entsprechenden Aminosäuren einbezieht. Weitere Ergebnisse ließen den Schluss zu, dass im Enzym eine substratinduzierte Konformationsänderung stattfindet, die sowohl α- als auch β-Untereinheiten betrifft und je nach Art des gebundenen Nukleotids einen anderen Bereich öffnet. Dieser Teil unserer Forschung wurde mit Sachmitteln des Sonderforschungsbereichs 189, Projekt B2 gefördert.

Molekulare Differenzierung zwischen aktiven und inaktiven Zuständen
der Chloroplasten-ATPase

Bei den Untersuchungen am membrangebundenen Enzym stellte sich heraus, dass das lichtaktivierte Enzym durch die Modifikatoren wesentlich effektiver und vollständiger gehemmt wird, als das inaktive (dunkel gehaltene). Hieraus ergaben sich die weiteren Untersuchungen der ATPase (isoliert oder membrangebunden) in verschiedenen Aktivierungszuständen. Das Ziel dieser Versuche war letztendlich die Aufklärung der Frage: Wird die katalytische Bindungsstelle durch eine Konformationsänderung geöffnet bzw. bei Abschaltung des Enzyms (im Dunkeln) geschlossen, oder gibt es lediglich einen Mechanismus, der den Substratumsatz im nicht aktiven Zustand des Enzyms verhindert. In der β-Untereinheit finden bei der Aktivierung bzw. Inaktivierung signifikante Konformationsänderungen statt, die die katalytische Stelle für bestimmte Reagenzien zugänglich bzw. unzugänglich macht.

Die Struktur des F₁-Teils der mitochondrialen ATPasen ist durch die Kristallisation des Enzyms und anschließende Röntgenstrukturanalyse weitgehend aufgeklärt worden. Dennoch bleiben wichtige Fragen offen, speziell in Bezug auf Aktivierungs- und Deaktivierungsprozesse im Rahmen der Regulation der Chloroplasten-ATPase. Dieser Teil unserer Forschung wurde mit Sachmitteln des Sonderforschungsbereichs 189, Projekt B10 gefördert.

Publikationen hierzu:

• Bickel-Sandkötter, S.: Loose and tight binding of adenine nucleotides by membrane-associated chloroplast ATPase (1983) Biochim. Biophys. Acta 723, 71-77.
• Bickel-Sandkötter, S.: Loose and tight binding of adenine nucleotides by membrane-associated chloroplast ATPase (II) (1984) in: Advances in Photosynthesis Research, Vol. II, Martinus Nijhoff/Dr. W. Junk publishers, The Hague, pp. 551-554.
• Bickel-Sandkötter, S.: Structure of the active metal-adenosin-5'-triphosphate chelate complex used by light triggered chloroplast ATPase (1985) Biochim. Biophys. Acta 809, 117-124.
• Bickel-Sandkötter, S. und Schüll, H.: ATPase-catalyzed phosphate exchange between ATP and ADP (1987) in: Progress in Photosynthesis Research (Biggins, J. , ed.) Vol. III, 17-20, Martinus Nijhoff Publ., Dordrecht.
• Bickel-Sandkötter, S. und Schüll, H.: An ATP-ADP-γ-phosphate exchange catalyzed by chloroplast ATPase (1987)Biochim. Bophys. Acta 893, 342-348.
• Bickel-Sandkötter, S. und Gokus, M.: Characterization of nucleotide binding sites on chloroplast ATPase by modification with pyridoxalphosphate (1989) Biochim. Biophys. Acta 974, 30-35.
• Bickel, S.: Katalytische und regulatorische Wechselwirkungen von Adeninnukleotiden mit der H+-ATPase des Chloroplasten. (1988) Habilitationsschrift, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf.
• Bickel-Sandkötter, S. und Strümper, P.: Characterization of nucleotide binding sites on isolated chloroplast ATPase by modification with 7-chloro-4-nitrobenzofurazan (1989) in: Current Research in Photosynthesis (Baltscheffsky, M. ed.) Vol. III, Kluwer Acad. Publishers, Dordrecht pp 77-80.
• Bickel-Sandkötter, S. und Strümper, P.: Investigations on nucleotide binding sites of isolated chloroplast ATPase by modification with 7-chloro-4-nitrobenzofurazan (1989) FEBS Lett. 258, 309-312.
• Bickel-Sandkötter, S., Esser, K. und Horbach, M. : On the accessibility of essential tyrosines in isolated and activated chloroplast H+-ATPase (1991) Z. Naturforsch. 46c, pp 71-78.
• Horbach, M., Meyer, E. und Bickel-Sandkötter, S.: Inactivation of chloroplast H+-ATPase by modification of Lys-β359, Lys-α176 and Lys-α266 (1991) Eur. J. Biochem. 200, 449-456.
• Bickel-Sandkötter, S. und Wessels, T.: Evidences for physically different catalytic and regulatory nucleotide binding sites on the chloroplast H+-ATPase (1993) Biol. Chem. Hoppe Seyler, 375, 3-9.
• Bickel-Sandkötter, S. und Esser, K. : 7-Chloro-4-nitrobenzofurazan inactivates chloroplast H+-ATPase by modification of different tyrosines, depending on the presence of ATP (1994) Z. Naturforsch. 49c, 204-214.
• Schumann, D. und Bickel-Sandkötter, S.: Crosslinking the F1-part of the chloroplast H+-ATPase in different conformations (1995) in: Photosynthesis: From Light to Biosphere, Vol. III, (Paul Mathis ed.) Kluwer Acad. Publishers, Dordrecht, S. 91-94.
• Schumann, D. and Bickel-Sandkötter, S.: Localization of the catalytic nucleotide binding site of chloroplast H+-ATPase between α- and β-subunits. Aus der Dissertation "Charakterisierung der katalytischen Zentren der ATP-Synthase aus Spinat" von Dietmar Schumann (1997).