Zur Erinnerung….-Der Citratzyklus wird an drei Reaktionsschritten reguliert(Pyruvat-DH/Isocitrat-DH/-Ketoglutarat-DH): Hohe Energie-ladung (viel ATP/NADH) inhibiert den Zyklus.

-Der Citratzyklus stellt viele Bauelemente für As, Purine/Pyrimidine,Fettsäuren/Steroide und Porphyrine bereit. Die anaplerotische Reaktion von Pyruvat zu Oxalacetat stellt sicher, dass der Zyklusweiterlaufen kann.

- Bei der oxidativen Phosphorylierung werden schrittweise Elektronenvom NADH (bzw. FADH2) auf Sauerstoff transferiert (Atmungs-kette). Die die Energie, die hierbei entsteht wird in einen Protonen-gradienten an der inneren Mito-Membran umgewandelt.

Komplex I

Komplex II

Komplex III

QH2

Komplex III

Komplex III überträgt die Elektronen vom QH2

auf Cytochrom c

Komplex III

-Komplex ist Protonenpumpe.-22 Proteine (Dimer).-Monomer hat 3 Häm-Gruppenund ein ungewöhnlichesFe-S-Cluster (Rieske-Zentrum)(Koordination mit Hiserhöht das Reduktionspotential).-Komplex hat zwei Bindungsstellenfür Q (Qi und Qo)

QH2 + 2Cyt c(ox) +2H+(Matrix) Q + 2Cyt c(red) +4 H+(Cytosol)

Der Q-Zyklus Teil 1-Verknüpfung von Elektronentransfer vom QH2 auf Cytochrom Cmit dem Protonentransport nennt man Q-Zyklus.1. Bindung von QH2 an Qo-Stelle2. 1 Elektron bindet an Rieske-Cluster und dann weiter zu C1 und schließlich reduziert es ein Cyt c.3. 2. Elektron von QH2 fließt über bL und bH auf ein oxidiertes Qin der Qi-Tasche.4. Die H+-Ionen vom QH2 in der Qo-Stelle wandern zur P-Seite!

Der Q-Zyklus Teil 25. Die Qo-Stelle hat nun oxidiertes Ubichinon (Q), die Qi-Stelledas Semichinonradikalion (Q.-).6. Cyt c(red) wird durch Cyt c(ox), und Q durch QH2 ersetzt.7. Elektronenfluss vom neuen QH2 wie beim ersten Schritt.8. Das Q in der Qi-Stelle nimmt 2H+ auf und wird zum QH2Teilreaktionen: 2QH2 2Q Q QH22Cyt c(ox) 2Cyt c (red)4 Protonen von N nach P, 2 Protonen von N an Komplex III

Der letzte Schritt: Die Reduktion von O2

Dieser Schritt wird durch die Cytochrom C-Oxidase(Komplex IV) katalysiert.

Komplex IV13 Untereinheiten, 2 Häm Gruppen (HämA)2 Kupferzentren (A und B)

O2 + 4e- + 4 H+ 2 H2O

Komplex IV: Cytochrom-c- Oxidase

nimmt die Elektronenvom Cytochrom c

aufe-

aktives Zentrum

Die Reduktion des O2 (Teil 1)

Cu2+ (Cupri)Cu1+ (Cupro)

erstes e- zweites e-

Fe 3+ Fe 2+

O2-Bindung an dasHäm a3 (vgl. Hämoglobin)

Die Reduktion des O2 (Teil 2)

Reduktion desO2 zu O22-

(Peroxid)

drittes e-

Spaltung derO-O BindungFe3+=O (Ferrylgr.)CuB 2+ -OHH+-Aufnahme

viertes e-

Reduktionder Ferrylgr.zu Fe2+-OHH+-Aufnahme

H+-Aufnahmeund Abspaltungvon Wasser

Die Cytochrom-c-Oxidase istauch Protonenpumpe

diese Protonen werden derMatrix bei der Wasserbildung

entzogen

diese Protonen werden aktivtransportiert (Mechanismus unbekannt)

-die Matrix verliert bei der Reduktionvon O2 8 Protonen.

Ein Problem: Superoxide und Peroxide

-Bei der Reduktion von O2 zu Wasser können durch unvollständige

Reaktionen O2- und O22- entstehen:.

O2 O2- O22- .

Superoxid Peroxid

-Obwohl die Cytochrom-c-Oxidase sehr effizient und zuverlässigarbeitet, ist nicht zu verhindern, dass geringe Mengen an Superoxidund Peroxid gebildet werden. - Diese Verbindungen sind sehr toxisch.

Superoxid-Dismutase und Katalase wandeln Peroxid und Superoxid in Wasser und O2 um

O2- + H+ O2 + H2O2SOD.

2 H2O2 O2 + H2OKatalase

Amyotrophe Lateralsklerose ALS: Eine neurodegenerative Krankheitdie Motoneuronen betrifft.

Mutationen im SOD-Gen rufen bei ca. 25% der Patienten die ALS-Krankeit hervor.

Die chemiosmotische Hypothese (Mitchell 1961)

ATP-Synthase

ProtonenpumpenNADH-Q-OxidoreductaseQ-Cytochrom-c-OxidoreductaseCytochrom-C-Oxidase

-ATP wird durch den Aufbau eines Protonengradienten an der innerenMito-Membran hergestellt.-Die protonenmotorische Kraft treibt eine ATP-generierende Maschine

Die ATP-Synthase (Komplex V)(früher: F1Fo-ATPase)

-der ATP-herstellende Enzymkomplexin der Mito-Membran- besteht aus einer protonenleitenden undeiner katalytischen Einheit

katalytische Einheit:3, ß3,, , ß bindet ATP und ADP!!!

N-Seite

P-Seite

Protonenkanal:10-14 c-Einheiten, 1 a Einheit2 b Einheiten (Verbindung )

Rotor: Fo und -StielStator: Rest des Komplexes

Die Reaktion der ATP-Synthase

ADP + HPO42- + H+ ATP4- + H2O

-ATP bildet sich an der F1-Einheit auch ohne Protonenfluss!!- Das gebundene ATP verlässt aber nicht das katalytische Zentrumohne Protonenfluss!-Die Funktion des Protonenflusses ist daher nicht die Bildung,sondern die Freisetzung von ATP von der Synthase

Der Mechanismus des Bindungswechsels an der ß-Einheit der Synthase

Die -Einheit macht die drei ß-Einheiten nicht-äquivalent: Sie kann die Bindung von ATP modulieren (T (tight)-, L(loose)-, und O (open)-Konformationen sind möglich)

Der Mechanismus des Bindungswechsels an der ß-Einheit der Synthase

-Das Rotieren von ändert die katalytischen Eigenschaften derß-Untereinheiten von T (ATP-Synthese ist möglich) über L(Intermediärzustand) und O (Bindung und Freisetzung von ATP ist möglich)

Der kleinste Motor der Welt-Einheit rotiert bei der„Rückreaktion“, d.h. bei derHydrolyse von ATP

-Die -Einheit rotiert in 120°-Schritten-Dieser Motor hat einen Wirkungsgrad von nahezu 100% (nahezu alle Energie der ATP-Hydrolyse wird in Rotationsenergieumgewandelt)

Wie treibt der Protonenfluss die Rotation der -Einheit an?

Wenn die c-Einheit in der Membran(hydrophob) ist, so muss dieser RestProtoniert sein

Bei Kontakt mit den halbkanälender a-Einheit dieser Rest reversibelProtonen abgeben

c-Einheita-Einheit

P-Seite

N-Seite Die c-Einheiten sind mit der -Einheit ver-bunden!

P-Seite

N-SeiteDeprotonierung wirddurch geringe H+-Konzentration erleichtert

c-Einheita-Einheit

P-Seite(Protonenconc. hoch)

N-SeiteProtonenconc. niedrig

rotiert durch Protonenfluss

Keine Rotation vona und ß durch ver-bindung überb-Einheit

-Eine vollständige Drehunggeneriert 3 ATP-Moleküle.- Bei 10 c-Einheiten:3,3 Protonen müssen fürdie Generierung von einemMolekül ATP transportiertwerden.