Koordination von ATP-Verbrauch und ATP-Synthese in aeroben Hochleistungsmuskeln
Final Report Abstract
Adenosintriphosphat (ATP) ist eng mit dem Phänomen Leben verbunden, da es als zellulärer Energieträger physiologische Leistungen ermöglicht, wobei Adenosindiphosphat (ADP) und anorganisches Phosphat (Pi) als Produkte entstehen. In atmenden (aeroben) Zellen wird ATP im Cytoplasma „verbraucht“ (z.B. für Bewegungen), aber zu über 90% in Zellorganellen, den Mitochondrien, regeneriert. Die fundamentale Frage, wie die räumlich getrennten Prozesse ATP- Verbrauch und ATP-Synthese koordiniert werden, ist trotz über 60 Jahren Forschungsarbeit nicht befriedigend beantwortet. Insekten sind hier gut geeignete Versuchstiere, da bei ihnen die Dimension des Problems besonders klar wird. Die Flugmuskulatur der Insekten ist das stoffwechselaktivste Gewebe, das man kennt. Bei Beginn eines Fluges kann die Atmungsrate, und damit die ATP-Synthese, 100-fach ansteigen (10.000%). Mit dem Atemsauerstoff wird in den Mitochondrien (Atmungskette) Wasserstoff „verbrannt“. Der Brennstoff wiederum wird in der Form NADH geliefert von Enzymen, z.B. der NAD+- Isocitratdehydrogenase (ICDH, EC 1.1.1.41), die nur in Mitochondrien vorkommt und regulatorische Eigenschaften hat. Aus früheren Experimenten war bekannt, dass in den Mitochondrien intakter ruhender Falter (Manduca sexta) kaum NADH vorliegt, aber bei Flugbeginn sofort stark ansteigt. Das war überraschend, denn es bedeutet, dass ICDH sehr früh und stärker aktiviert wird als andere Komponenten der ATP-Synthese (oxidative Phosphorylierung). Wir wollten wissen, durch welchen Mechanismus ICDH bei Flugbeginn aktiviert wird und haben das Enzym aus der Flugmuskulatur von Manduca angereichert und charakterisiert. Wie schon bei ICDH aus anderen Quellen, erwies sich das ATP-Spaltprodukt ADP als allosterischer Aktivator, und auch Pi war unter bestimmten Bedingungen aktivierend. ATP selbst war allerdings ein Inhibitor des Enzyms. Sehr überraschend war die große Abhängigkeit der ICDH-Aktivität vom pH-Wert des Testmediums. Im basischen Milieu (pH 7,8) konnte die ICDH bei physiologischen Substratkonzentrationen kaum aktiviert werden. Bei Simulation der Situationen von Ruhe und Flug in vitro waren die Aktivierungsfaktoren (ICDH-Aktivität bei Flug)/(ICDH-Aktivität bei Ruhe) viel kleiner als 100. Aktivierungsfaktoren größer als 100 waren jedoch erreichbar, wenn man eine durch Flug induzierte Änderung des pH-Wertes zuließ. Unsere Ergebnisse deuten auf einen bisher nicht bekannten Mechanismus der Regulation der mitochondrialen ATP-Synthese hin.
