Atmungskette

Einleitung

Ort: Die Atmungskette ist in die innere Mitochondrienmembran eingebettet
Funktion: Die Atmungskette ist der letzte Schritt der aeroben Zellatmung und produziert den Großteil der Zellenergie in Form von Adenosintriphosphat (ATP)
Elektronentransportkette: Die Atmungskette besteht aus einer Reihe von Proteinkomplexen und Molekülen, die Elektronen von NADH + H⁺und FADH₂ durch die Komplexe I–IV der Atmungskette transportieren
Protonenpumpe: Während der Elektronentransport stattfindet, pumpen die Proteinkomplexe Protonen (H⁺) aus der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum
Protonengradient: Die Pumpe erzeugt einen elektrochemischen Protonengradienten, da im Intermembranraum mehr Protonen vorhanden sind als in der Matrix
ATP-Synthase: Die ATP-Synthase ist ein Enzym, das den Protonengradienten nutzt, um ATP zu synthetisieren. Sie katalysiert die Bildung von ATP aus Adenosindiphosphat (ADP) und anorganischem Phosphat (Pi)
Sauerstoff als Elektronenakzeptor: Am Ende der Atmungskette fungiert Sauerstoff (O₂) als der finale Elektronenakzeptor, der Elektronen und Protonen aufnimmt und Wasser (H₂O) bildet
ATP-Ausbeute: Aus einem Glukosemolekül beträgt die ATP-Ausbeute, inklusive der oxidativen Phosphorylierung in der Atmungskette, 32 ATP-Moleküle
Effizienz: Die Atmungskette ist hoch effizient in der ATP-Produktion im Vergleich zu anaeroben Stoffwechselwegen. Pro NADH + H⁺ werden 2,5 ATP geliefert, während FADH₂ 1,5ATP liefert
Verbindung mit anderen Wegen: Die Atmungskette ist eng mit dem Citratzyklus und der Glycolyse verbunden, da diese Stoffwechselwege die Elektronendonor- Moleküle (NADH + H⁺, FADH₂) liefern, die in der Atmungskette Elektronen transportieren
Problem:
- NADH + H⁺ aus dem Zytosol (Aus der Glycolyse, PDH-Reaktion, Citratzyklus, ß- Oxidation, Oxidative Desaminierung von Glutamat) kann nicht direkt in die mitochondriale Matrix transportiert werden
- Ursache: Die innere Mitochondrienmembran ist für NADH und H⁺ undurchlässig
Lösung: Elektronen werden über spezielle Shuttle-Systeme transportiert:
- Malat-Aspartat-Shuttle: vor allem in Herz- und Leberzellen (effizient)
- Glycerin-3-phosphat-Shuttle: Skelettmuskulatur, Gehirn (schneller, weniger effizient)

Malat-Aspartat-Shuttle:

Malatdehydrogenase: Die Malatdehydrogenase im Zytosol oxidiert NADH + H⁺, indem sie es zur Reduktion von Oxalacetat zu Malat verwendet
Malattransport in die Mitochondrien: Malat kann die äußere Mitochondrienmembran durch einen speziellen Transporter passieren und wird im Inneren der Mitochondrien wieder zu Oxalacetat reduziert
Oxalacetat-Aspartat-Umwandlung: Im Inneren der Mitochondrien wird Oxalacetat zu Aspartat transaminiert, wodurch α-Ketoglutarat aus Glutamat gebildet wird
Aspartat-Transport in den Zytosol: Das neu gebildete Aspartat kann die Mitochondrienmembran verlassen und in das Zytosol gelangen
Rückumwandlung zu Oxalacetat: Im Zytosol wird das Aspartat zu Oxalacetat transaminiert, wobei Glutamat aus α-Ketoglutarat entsteht. Dieses Oxalacetat kann dann durch die Malatdehydrogenase zu Malat reduziert werden

Glycerin-3-phosphat-Shuttle:

Reaktionen:
1. Übertragung der Elektronen auf Dihydroxyacetonphosphat:
  - Reaktion: Dihydroxyacetonphosphat + NADH + H⁺ → Glycerin-3-phosphat + NAD⁺
  - Ort: Zytosol
  - Enzym: Zytosolische Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase
2. Oxidation von Glycerin-3-phosphat in den Mitochondrien
  - Oxidation an der inneren Mitochondrienmembran:
    - Glycerin-3-phosphat wird wieder zu Dihydroxyacetonphosphat oxidiert
    - Reaktion findet an der membrangebundenen, FAD-abhängigen mitochondrialen Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase statt
  - Elektronen- und Protonenübertragung:
    - Elektronen und Protonen werden auf enzymgebundenes FAD übertragen
    - FAD wird dabei zu FADH₂ reduziert
  - Elektronentransfer in die Atmungskette:
    - FADH₂ wird wieder zu FAD oxidiert
    - Elektronen werden auf Ubichinon (Coenzym Q) der inneren Mitochondrienmembran übertragen
    - Ubichinol (reduzierte Form von Ubichinon) überträgt die Elektronen an Komplex III der Atmungskette

Bestandteile der Atmungskette

Komplexe I-IV der Atmungskette:

Bestandteile:
- Enzyme mit prosthetischen Gruppen (wie Flavonukleotide und Eisen- Schwefel-Cluster)
- In der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert
Funktion:
- Protonenpumpen: Komplexe I, III und IV pumpen Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum und erzeugen so einen elektrochemischen Protonengradienten
Cofaktoren:
- Flavonukleotide (FMN und FAD): Elektronenübertragung
- Eisen-Schwefel-Cluster:
  - Enthalten Fe- und S-Atome, z. B. 3Fe-4S oder 4Fe-4S
  - Eisen kann zwischen zwei Oxidationsstufen wechseln: Fe2+ ↔ Fe3+
  - Eingebunden über Cysteinreste in Proteine
- Kupferionen: In Komplex IV relevant
- Hämgruppen: Elektronentransport in Cytochromen

Überträgermoleküle der Atmungskette:

Redoxmoleküle:
- Frei beweglich in der Mitochondrienmembran
- Verbinden die Komplexe I-III miteinander, indem sie Elektronen aufnehmen und entlang der Atmungskette transportieren
Ubichinon (Coenzym Q):
Aufbau:
- Besteht aus einem Chinon und einer Isoprenseitenkette (lipophiler Schwanz, mobil in der Membran)
- Strukturelle Ähnlichkeit zu den Vitaminen E und K
- Elektronentransport:
  - Kann 2 Elektronen und 2 Protonen aufnehmen
  - Zustandswechsel:
    - Ubichinon + 1 Elektron + 1 Proton → Semichinon (radikalische Zwischenverbindung)
    - Semichinon + 1 Elektron + 1 Proton → Ubichinol (reduziertes Coenzym Q = QH₂)
- Funktion:
  - Transportiert 2 Elektronen von Komplex I und II zu Komplex III
Cytochrom c:
- Lage:
  - Membranassoziiert im Intermembranraum, an der Außenseite der inneren Membran
- Funktion:
  - Transportiert 1 Elektron von Komplex III zu Komplex IV
- Aufbau:
  - Proteine mit einer Hämgruppe als prosthetische Gruppe
  - Hämgruppe:
    - Porphyrinring (bestehend aus 4 Pyrrolringen) mit einem zentralen Eisenatom
    - Eisen besitzt zwei Oxidationsstufen: Fe²⁺ ↔ Fe³⁺
    - Eignung als Elektronenüberträger
  - Eigenschaften:
    - Kann nur 1 Elektron (keine Protonen) transportieren
    - Einteilung der Cytochrome basierend auf den Absorptionseigenschaften der Hämgruppe in a-, b- oder c-Typ
Komplex I: NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase
- Aufbau:
  - Größter Komplex der Atmungskette
  - Cofaktoren: Flavonukleotid (FMN) und 8 Eisen-Schwefel-Cluster
- Funktion:
  1. Elektronenübertragung von NADH + H⁺ → FMN (Reduktion zu FMNH₂)
  2. Elektronenweitergabe von FMNH₂ → Eisen-Schwefel-Cluster
  3. Reduktion von Fe³⁺ zu Fe²⁺
  4. Elektronenübertragung von reduziertem Eisen-Schwefel-Cluster → Ubichinon (Reduktion zu Ubichinol)
- Pumpfunktion:
  - Die freigesetzte Energie wird genutzt, um 4 H⁺ aus der Matrix in den Intermembranraum zu pumpen
- Ergebnis: Aufbau eines Protonengradienten
Komplex II: Succinat-Ubichinon-Oxidoreduktase
- Aufbau:
  - Befindet sich auf der Innenseite der inneren Mitochondrienmembran (durchzieht sie nicht)
  - Cofaktoren: FAD, Eisen-Schwefel-Cluster, Häm b
- Funktion:
  - Elektronenübertragung von Succinat → FAD (Reduktion zu FADH₂) im Rahmen des Citratzyklus
  - Weiterleitung der Elektronen von FADH₂ → Eisen-Schwefel-Cluster
  - Übertragung der Elektronen von reduziertem Eisen-Schwefel-Cluster → Häm b → Ubichinon (Reduktion zu Ubichinol)
- Pumpfunktion: Keine
- Energetische Effizienz: Geringer als bei Komplex I, da nur 1,5 ATP pro FADH₂ generiert werden
Komplex III: Ubichinon-Cytochrom-c-Oxidoreduktase
- Aufbau:
  - Besteht aus Cytochrom b, Cytochrom c₁ und einem Eisen-Schwefel-Cluster (Rieske-Zentrum)
- Funktion:
  - Elektronenübertragung:
    - Von Ubichinol (QH₂) → Cytochrom b → Cytochrom c₁ → Cytochrom c
    - Übertragung von Elektronen aus Ubichinol in zwei getrennte Wege (Q-Zyklus):
      - Ein Elektron wird auf Cytochrom c übertragen
      - Ein zweites Elektron wird in den Q-Zyklus integriert
- Protonenpumpenfunktion:
  - 4 H⁺ werden in den Intermembranraum gepumpt
Komplex IV: Cytochrom-c-Oxidase
- Oxidation von Cytochrom c: Elektronenbeladene Cytochrom-c-Moleküle werden durch den Komplex IV (Cytochrom-c-Oxidase) wieder oxidiert
- Reduktion von Sauerstoff:
  - 2 Elektronen werden auf 1⁄2 O₂ übertragen → Bildung von Wasser (H₂O)
  - Stärkster exergoner Vorgang der Atmungskette (Knallgasreaktion)
- Elektronenübertragung durch Metallzentren:
  - Komplex IV enthält Kupfer- und Hämkomplexe als Elektronenüberträger
- Protonentransport:
  - Die frei werdende Energie pumpt 4 Protonen in den Intermembranraum → Aufbau des Protonengradienten
- Bedeutung von Sauerstoff:
  - Unersetzlicher Elektronenakzeptor für den letzten Schritt der Atmungskette
Komplex V: ATP-Synthase
- Aufbau:
  - F₀-Einheit: Protonenkanal, eingebettet in die Membran
  - F₁-Einheit: Ragt in die Matrix, katalysiert die ATP-Synthese
- Funktion:
  - Protonenfluss durch die F0-Einheit erzeugt eine Drehbewegung in der F₁- Einheit (120° pro Schritt)
  - Diese mechanische Energie wird in chemische Energie für die ATP-Synthese umgewandelt:
    - Bindung von ADP + P (L-Konformation)
    - Synthese von ATP (T-Konformation)
    - Freisetzung von ATP (O-Konformation)
- Effizienz:
  - Pro 3-4 Protonen wird 1 ATP synthetisiert

Übersicht über die Atmungskette:

Elektronentransportkette von NADH
- Vereinfachter Ablauf: NADH + H⁺ → Komplex I → Ubichinol → Komplex III → Cytochrom c → Komplex IV → H₂O
- Anzahl der gepumpten Protonen (H⁺): 10
  - Komplex I: 4 H⁺
  - Komplex III: 4 H⁺
  - Komplex IV: 2 H⁺
- H₂O-Bildung:
  - 2 H⁺ werden für die Wasserbildung verbraucht (ursprünglich aus NADH + H⁺)
  - Diese Protonen werden nicht zur ATP-Synthese mitgezählt
- ATP-Ausbeute pro NADH:
  - 2,5 ATP (P/O-Quotient = 2,5 ATP pro 1⁄2 O2)
Elektronentransportkette von FADH2
- Vereinfachter Ablauf: FADH₂ → Komplex II → Ubichinol → Komplex III → Cytochrom c → Komplex IV → H₂O
- Anzahl der gepumpten Protonen (H⁺): 6
  - Komplex II: keine Protonenpumpe.
  - Komplex III: 4 H⁺
  - Komplex IV: 2 H⁺
- H₂O-Bildung:
  - 2 H⁺ werden für die Wasserbildung verbraucht (ursprünglich aus FADH₂)
  - Auch diese Protonen werden nicht zur ATP-Synthese mitgezählt
- ATP-Ausbeute pro FADH2:
  - 1,5 ATP (P/O-Quotient = 1,5 ATP pro 1⁄2 O₂)
Export von ATP
- Transporter: ATP/ADP-Antiporter (ATP/ADP-Translokator)
- Funktionsweise:
  - Exportiert ATP (4 negative Ladungen) aus dem Mitochondrium
  - Importiert gleichzeitig ADP (3 negative Ladungen) ins Mitochondrium
  - Netto: 1 negative Ladung wird aus dem Mitochondrium transportiert
- Antrieb:
  - Das negative Membranpotential über der Mitochondrienmembran treibt den Transport an:
    - Außen: positiv geladen
    - Innen: negativ geladen
  - Ziel: Ladungsausgleich (elektrisches Potential)

Energiebilanz des Glucoseabbaus

Aerober Glucoseabbau:
- Glycolyse: 2 ATP, 5 ATP aus 2 NADH + H+ (bei Malat-Aspartat-Shuttle)
- Pyruvatoxidation (PDH-Reaktion): 5 ATP aus 2 NADH + H+
- Citratzyklus: 2 GTP, 15 ATP aus 6 NADH + H+, 3 ATP aus 2 FADH2
Gesamtausbeute:
- 32 ATP (pro Glucosemolekül)

Stoffwechselweg	ATP/GTP-Ausbeute	NADH + H⁺ & FADH₂
Glycolyse	2 ATP	2 NADH + H⁺ = 5 ATP
Oxidative Decarboxylierung von Pyruvat		2 NADH + H⁺ = 5 ATP
Citratzyklus	2 GTP	6 NADH + H⁺ = 15 ATP 2 FADH₂ = 3 ATP
Gesamtausbeute
	4 ATP	28 ATP

Regulation der Atmungskette

Hemmung der Atmungskette
- Hemmung von Komplex I:
  - Substanzen: Amytal (Barbiturat), Rotenon (Insektizid)
- Hemmung von Komplex III:
  - Substanz: Antimycin A (Antibiotikum)
- Hemmung von Komplex IV:
  - Substanzen:
    - Blausäure (HCN), Cyanid (CN⁻)
    - Kohlenmonoxid (CO)
    - Schwefelwasserstoff (H₂S)
Hemmung der ATP-Synthase
- Oligomycin:
  - Blockiert Protonenfluss durch die F₀-Einheit → hemmt ATP-Synthese
- Atracytlosid:
  - Hemmt den ATP/ADP-Antiporter → ATP wird nicht mehr effizient exportiert
Entkopplung der Atmungskette
- Definition:
  - Zerstörung des Protonengradienten → Elektronentransportkette läuft weiter, aber ATP-Synthese ist blockiert
  - Die Energie aus dem Protonenfluss wird als Wärme freigesetzt
- Pathologische Entkoppler:
  - DNP (2,4-Dinitrophenol)
  - CCCP (Carbonylcyanid)
- Physiologische Entkoppler:
  - Thermogenin (UCP-1) in braunem Fettgewebe → zitterfreie Wärmebildung

Atmungskette

Einleitung

Malat-Aspartat-Shuttle:

Glycerin-3-phosphat-Shuttle:

Bestandteile der Atmungskette

Komplexe I-IV der Atmungskette:

Überträgermoleküle der Atmungskette:

Übersicht über die Atmungskette:

Energiebilanz des Glucoseabbaus

Regulation der Atmungskette

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