Atmungskette ( Endoxidation)

Reaktionen und ATP-Synthase

EinleitungAufrechterhaltung von Struktur und Funktion aller Lebensformen hängt von einer ständigen Energiezufuhr abHöchste Energieausbeute liefert die Verwendung von Sauerstoff als OxidationsmittelOrt der sauerstoffabhängigen Energiekonservierung ist bei Eukaryonten die innere Mitochondrienmembran

Mitochondrien

besitzen 2 MembransystemeÄußere Membran ist durchlässig für kleine Moleküle und Ionen, sie enthält das porenbildende Protein PorinInnere Membran besitzt eine Anzahl von Einstülpungen ( Cristae) und ist für die meisten Moleküle undurchlässig

Oxidative Phosphorylierung findet in der inneren Mitochondrien -membran statt Reaktionen des Citratzyklus und der Fettsäureoxidation laufen in der Matrix ab

Abb. 1 Mitochondrium schematisch ( aus Stryer Biochemie)

Redoxpotenziale

NADH+ H+ und FADH2 sind starke Reduktionsmittel und geben daher ihre Elektronen leicht abSauerstoff ist ein starkes Oxidationsmittel und nimmt Elektronen leicht aufInnerhalb der Atmungskette nimmt das Redoxpotential der einzelnen Komponenten zum Ende hin, immer positivere Werte an

ÜbersichtDie Atmungskette besteht aus 4 Proteinkomplexen:

1. NADH-Q-Oxidoreduktase ( Komplex 1)2. Succinat-Q- Reduktase (Komplex 2)3. Q- Cytochrom-c- Oxidoreduktase

(Komplex3)4. Cytochrom-c-Oxidase ( Komplex 4 )

Sie sind verbunden durch 2 mobile Elektronen- Carrier :

1. Coenzym Q ( Ubichinon)2. Cytochrom c

Abb.2 Übersicht Atmungskette

1. SCHRITTElektronen des NADH+H+ treten über die NADH- Q- Oxidoreduktase in die Atmungskette ein

1. Übertragung zweier Elektronen auf die prosthetische Gruppe Flavinmononucleotid (FMN) FMNH2 ( reduzierte Form)

2. Flavine und Chinone binden bei Reduktion Protonen

3. Elektronen werden vom FMNH2 auf eine Reihe von Eisen- Schwefel- Clustern transferiert, welche die zweite prosthetische Gruppe des Komplexes bilden

2. SCHRITT1. Elektronen in den Eisen- Schwefel- Clustern

werden auf das Coenzym Q übertragen2. Die Reduktion von Q zu QH2 führt zur

Aufnahme zweier Protonen aus der Matrix3. Elektronen wandern zurück zum Fe-S-

Cluster und reduzieren ein weiteres Coenzym Q ( Aufnahme von 2 zusätzlichen Protonen aus der Matrix)

Durch den Fluss von 2 Elektronen zum Ubichinol werden 4 Protonen aus der Matrix in das Cytosol des Mitochondriums gepumpt

3. SCHRITTElektronen vom FADH2 treten über das Coenzym Q ( Ubichinol) in die Atmungskette ein

1. Das Enzym Succinat- Dehydrogenase bildet im Citratcyklus FADH2 und ist gleichzeitig auch Komponente des Komplex 2 der Atmungskette

2. Gebildetes FADH2 verlässt Komplex nicht, Elektronen wandern über Fe-S- Zentren zum Ubichinol

3. Komplex 2 ist keine Protonenpumpe bei der Oxidation von FADH2 wird weniger ATP gebildet

4. SCHRITTElektronen fließen vom Ubichinol über die Q-Cytochrom-c- Oxidoreduktase zum Cytochrom c

1. Q- Cytochrom-c-Oxidase ( Cytochrom-Reduktase) ist die zweite Protonenpumpe in der Kette

2. Cytochrom ist ein elektronenübertragendes Protein, enthält ein Häm als prosthetische Gruppe

Reduktase katalysiert Elektronenübertragung von QH2 auf das oxidierte Cytochrom c und pumpt gleichzeitig Protonen aus der Matrix

Struktur des Komplex 3Enthält insgesamt 3 Hämgruppen (bl, bh,c1)Prosthetische Gruppe der Häme ist das Eisenprotoporphyrin IX ( Myoglobin, Hämoglobin)Fe-S-Protein mit einem 2 Fe-2S-Zentrum

Rieske Zentrum1. Eines der beiden Eisenionen ist mit 2 Histidinresten

koordiniert Stabilisierung des Zentrums in seiner reduzierten Form

Zwei getrennte Bindungsstellen für Ubichinone Q0 und Qi

Q- ZyklusVerknüpfung des Q- Elektronentransfers zu Cytochrom c mit dem ProtonentransmembrantransportErleichtert Übergang vom 2 Elektronentransporter Q zum 1 Elektronentransporter Cytochrom cErgebnis: 2 Moleküle QH2 werden zu 2 Molekülen Q oxidiert, wobei ein Molekül Q zu QH2 reduziert wird, 2 Moleküle Cytochrom c werden reduziert, 4 Protonen gelangen ins Cytosol und 2 werden aus der Matrix entfernt

Abb.3 Q – Zyklus (aus Stryer Biochemie)

5.SCHRITTCytochrom-c-Oxidase katalysiert die Reduktion von O2 zu H2O

1. Cytochrom-c-Oxidase enthält 2 Häm-A-Gruppen(a,a3) und 3 Kupferionen in 2 Kupferzentren A u. B( CuA/CuA, CuB)

Reduziertes Cytochrom c überträgt ein Elektron auf CuA/CuA=> Elektron wandert über Hämgruppen und reduziert zum Schluss CuB

Zweites übertragene Elektron reduziert Häm a3 zu seiner Fe2+ Form

In diesem Zustand bindet Häm a3 Sauerstoff CuB reduziert O2 zu O22-

Aufnahme eines dritten Elektrons und eines Protons führt zur Spaltung der O-O Bindung Aufnahme eines weiteren Elektrons und ProtonsDurch Reaktion mit 2 weiteren Protonen werden 2 Wassermoleküle abgespalten und das Enzym liegt wieder in seiner oxidierten Form vor

4 aufgenommene Protonen stammen aus der Matrix ->Protonengradienten Cytochrom-c-Oxidase pumpt 4 weitere Protonen aus der Matrix in das Cytosol Insgesamt werden also 8 Protonen aus der Matrix entfernt

Das Superoxidradikal

Unvollständige Reduktion des O2 führt zu gefährlichen Verbindungen z.B. Superoxidanion (O.

2- ),Peroxid (O22-)

Geringe Erzeugung dieser toxischen Derivate sind unvermeidbar Zelle verwendet Schutzenzyme ( Superoxid- Dismutase und Katalase)

ATP- SyntheseElektronentransport und ATP- Synthese sind durch einen Protonengradienten an der inneren Mitochondrienmembran gekoppeltATP- Synthese erfolgt durch die ATP-Synthase ( Komplex V, mitochondriale ATPase)2 e- -> Gradient -> 1 Molekül ATP

Struktur der ATP- Synthase

Abb. 4 Struktur der ATP – Synthase (aus Stryer Biochemie)

SynthesemechanismusWechselwirkungen der γ- Untereinheit mit den 3 β – Untereinheiten -> ADP+P Bindung, ATP- Synthese und ATP- FreisetzungProtonenbewegung durch die Membran treibt Rotation an

Abb. 5 Mechanismus des Bindungswechsels der ATP – Synthase (aus Stryer Biochemie)

Regulation der oxidativen Phosphorylierung/ Atmungskontrolle

Aerob:1 Molekül Glucose zu CO2-> 30 Moleküle ATP ( 26 alleine durch die Atmungskette)Anaerob:1 Glucose ->2 Moleküle ATPADP-Spiegel->geschwindigkeitsbestimmend O2-Verbrauch der Mitochondrien erhöht bei ADP ZugabeKein ATP-Bedarf:e- fließen nicht durch Atmungskette

Hemmung und EntkopplungHemmung der Elektronentransportkette-> keine ATP – SyntheseHemmung der ATP – Synthase Inhibition der Elektronentransportkette (Kopplung der beiden Mechanismen)Entkopplung:Atmungskette läuft weiter,jedoch keine ATP-Synthese, da keine protonenmotorische Kraft mehr vorhanden ist Energie wird als Wärme freigesetzt

BEISPIELEOligomycin und Dicyclohexylcarbodiimid hemmen den Elektronenfluss durch die ATP – Synthase Rotenon und Amytal blockieren die Elektronenübertragung innerhalb der NADH-Q-Oxidoreduktase ( Keine Verwendung von NADH als Substrat)Cyanid, Azid und Kohlenmonoxid blockieren den Elektronentransfer in der Cytochrom-c- Oxidase2,4 Dinitrophenol wirkt als Entkoppler, weil es in der Lage ist, Protonen durch die innere Mitochondrienmembran zu befördern Zerstörung des Protontengradienten

Entkopplung als Mittel zur Wärmeerzeugung

Winterschlaf haltende Tiere einige neugeborene Tiere(auch menschliche Babys) Kälteangepasste Säuger

=>zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur

Zusammenfassung

Die bei der Glykolyse, der Fettsäureoxidation und im Citratzyklus entstehenden energiereichen Moleküle NADH+H+ und FADH2 besitzen ein Elektronenpaar mit hohem Übertragungspotential

Die Reduktion von molekularem Sauerstoff zu Wasser durch diese Elektronen setzt viel Energie frei => stark exergone Knallgasreaktion

Zusammenfassung„Zähmung der Knallgasreaktion“ durch Reduktionsäquivalente

Reaktion verläuft in einer Reihe von Elektronentransferreaktionen ( Elektronentransportkette) in einer Anordnung von Membranproteinen

Zusammenfassung

Während der Übertragung der Elektronen auf den Sauerstoff werden Protonen aus der mitochondrialen Matrix herausgepumpt pH – Gradient (Protonengradient)

Positive Ladung der ProtonenPotenzialdifferenz Intermembranraum (+) gegenüber Matrix chemi- osmotisches Potenzial

ZusammenfassungProtonenmotorische Kraft wird zur ATP-Erzeugung genutzt. NADH+H+ liefert 3 ATP und FADH2 ergibt 2 ATP Moleküle

Durch Kanäle in komplexen Proteinen, die ATP-Synthasen, fließen die Protonen, entsprechend dem Konzentrations- und Ladungsgradienten, wieder in den Mitochondrieninnenraum zurück

Oxidation und Phosphorylierung sind gekoppelt

Gesamtübersicht

Abb. 6 Übersicht Atmungskette ( aus Schroedel Stoffwechselphysiologie)