Protonengradient

Ein Protonengradient ist ein Maß für die Steilheit eines Protonen-Konzentrationsgefälles. Es ist der Konzentrationsunterschied an Protonen, genauer an hydratisierten H⁺-Ionen (H₃O⁺ oder Oxonium), je Streckeneinheit an einem bestimmten Punkt im Raum. Da der pH-Wert als Logarithmus der H⁺-Konzentration definiert ist, werden Protonengradient und pH-Gradient synonym gebraucht.

Energetische Nutzbarkeit eines Protonenkonzentrationsunterschieds c₁/c₂ in zwei getrennten Kompartimenten K₁ und K₂, ΔH = Energiepotentialdifferenz zwischen den beiden Zuständen c₁/c₂ und c₃/c₄

Jedem Konzentrationsgefälle entspricht ein Energiepotential ΔH, das sich aus der Differenz der Lösungs-Enthalpien ergibt. Beim Konzentrationsausgleich zwischen den Bereichen unterschiedlichen pH-Werts wird Energie frei (exotherme Reaktion).

In der Zellbiologie ist die Bezeichnung Protonengradient für einen Protonenkonzentrationsunterschied zwischen zwei Kompartimenten einer Zelle üblich, jedoch nicht korrekt. Als Stoffgradient bezeichnet man nämlich das Maß für eine raumbezogene, kontinuierliche Änderung einer Stoffkonzentration. Das trifft hier aber nicht zu, sondern es handelt sich um einen Konzentrationssprung von einem Kompartiment in das andere. Korrekter wäre also der Ausdruck „Protonenkonzentrationsunterschied“. Der Ausdruck „Protonengradient“ hat sich aber in der Zellbiologie eingebürgert.

Die Rolle von pH-Gradienten beim zellulären Energiestoffwechsel

Aus dem Phospholipid Lecithin zusammengesetzte Membran, die durch einen Protonengradienten energetisiert ist.

pH-Gradienten treten in der Biologie an Membranen von Zellen und Zellorganellen (Mitochondrien und Chloroplasten) auf. pH-Gradienten an Membranen sind essentiell für den Energiestoffwechsel aller bekannter Organismen.

Diese Gradienten sind nicht statisch, sondern befinden sich in einem Fließgleichgewicht. Dabei werden Protonen aktiv gegen das Konzentrationsgefälle gepumpt (Protonenpumpe), während gleichzeitig das Potential des Gradienten energetisch genutzt wird. Der Gesamtprozess wird auch Protonenfluss genannt.

Wirkung auf Biomembranen

Die Doppellipidschicht von Biomembranen ist aufgrund ihrer chemischen Struktur - in ihrem Inneren befinden sich hydrophobe (wasserunlösliche und -abweisende) Molekülketten - für Wasser und Ionen wie H₃O⁺ undurchlässig. Dadurch bildet sie eine Barriere für den spontanen Ausgleich eines zwischen beiden Seiten der Membran bestehenden pH-Unterschiedes.

An der Außenseite der Doppellipidschicht befinden sich die hydrophilen "Köpfe" der Moleküle. Beispiele für Membran-Lipide sind Glycolipide und Phospholipide. Speziell die Köpfe der Phospholipide sind amphoter, können also positive oder negative Ladungen aufnehmen.

Gegenüber Änderungen des pH-Werts wirken diese Molekülgruppen als Puffer. Negativ geladene Phosphat-Gruppen können bei niedrigem pH-Wert "protoniert" werden und sind als Phosphorsäurereste nicht mehr negativ geladen. Im alkalischen Bereich können -NH₃⁺-Gruppen in neutrale -NH₂-Aminogruppen umgewandelt werden.

Bei einer Differenz des pH-Werts befinden sich auf beiden Seiten der Membran unterschiedliche elektrische Ladungen, positiv in saurer Umgebung und umgekehrt. Biomembranen können daher wie ein Kondensator elektrische Energie in Form des Membranpotentials speichern.

Spannung und Energiegehalt eines Protonengradienten

Die Kraft des Protonengradienten ΔP an einer biologischen Membran setzt sich zusammen aus zwei Komponenten.

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

ΔP = ΔΨ − Z × ΔpH
(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 Δ$\overline{\mu}$_H⁺ ist:

ΔP × F = −Δ$\overline{\mu}$_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.

Protonengradient und ATP-Synthese

Protonengradient und ATP-Synthese

Praktisch alle Vorgänge in Organismen erfordern ATP (Adenosintriphosphat). Diese Substanz stellt allen möglichen Stoffwechselvorgängen Energie in Form einer energiereichen Tri-Phosphat-Bindung zur Verfügung. Dabei wird ATP meist in ADP (Adenosindiphosphat) und Phosphat gespalten.

Ohne ATP bricht jeder bekannte Stoffwechsel zusammen und der Organismus stirbt. Andererseits kann ATP nicht gespeichert werden und muss in den Zellen ständig aus ADP regeneriert werden. Im menschlichen Körper wird jedes ATP-Molekül pro Tag ca. 3000 mal aus ADP wieder gewonnen und verbraucht. Das dafür verwendete System basiert auf einem Protonengradienten in den Mitochondrien-membranen.

In den inneren Membranen dieser Zellorganellen befindet sich das Enzym, das aus ADP unter Energieverbrauch kontinuierlich ATP regeneriert. Es handelt sich dabei um die ATP-Synthase, die als Transmembranprotein einen Tunnel zwischen dem Inneren der Mitochondrien und dem Raum zwischen innerer und äußerer Membran bildet. Die für die Produktion von ATP benötigte Energie erhält das Enzym aus dem pH-Gradienten, der zwischen der Innen- und Außenseite jener Membranen existiert. Beim Protonenfluss wird in dem Enzym eine Drehbewegung ausgelöst. Mittels dieser kinetischen Energie wird dann die endergonische (endotherme) Synthese von ATP durchgeführt.

Zur Aufrecht-Erhaltung des pH-Gradienten wird dabei der ständige Betrieb einer Protonenpumpe benötigt. Andernfalls bricht der Protonengradient zusammen, die ATP-Versorgung der Zelle bricht zusammen und sie "verhungert". In den Mitochondrien fungieren membrangebundene Enzyme der Atmungskette als Protonenpumpe.

Protonengradient, Entkoppler und Thermogenese

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. Diesen Bypass 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.

Protonengradient und Geißelbewegung

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.

Literatur

• Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer: Biochemie. 6. Auflage. Elsevier Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-8274-1800-5
• David L. Nelson, Michael Cox: Lehninger Biochemie. 3. Auflage. Springer, Berlin u. a. O. 2001, ISBN 3-540-41813-X.
• Gerhard Gottschalk: Bacterial Metabolism. 2. Auflage. Springer, New York u. a. O. 1988. ISBN 3-540-96153-4.

Siehe auch

• Atmungskette
• ATP-Synthase
• Chemiosmotische Kopplung
• Flagellum
• Mitochondrien
• Protonenpumpe
• Stoffgradient
• Thermogenese im Fettgewebe
• Peter D. Mitchell, entdeckte die Bedeutung des Protonengradienten für den Energiestoffwechsel
• Atmungskette (englisch)
• Elektrochemisches Potential (englisch)