Wer den ganzen Tag rumsitzt, verbraucht je nach Körpergewicht um die 1900kcal. Für die Bereitstellung dieser Energie werden ca. 80kg ATP benötigt. Der menschliche Körper verfügt aber nur über 250g ATP. Diese Diskrepanz muss der Stoffwechsel ausgleichen, indem er das verbrauchte ATP ständig aus ADP regeneriert. Ein ATP-Molekül durchläuft diesen „Aufbereitungsprozess“ ca. 300mal am Tag. Die Aufbereitung erfolgt letztendlich in der oxidativen Phosphorylierung als Teil der Endoxidation, die an einen Protonentransport durch die innere Mitochondrienmembran gekoppelt ist.

Worum geht´s?

1. Wo befinden sich die Reaktionsorte der Atmungskette?
2. Ein Überblick über die Endoxidation zeigt den gesamten Ablauf und geht auf den Zusammenhang zwischen Atmungskette und oxidativer Phosphorylierung ein.
3. Wie verläuft der chemische Mechanismus innerhalb der beteiligten Membranproteine, die den Protonengradienten für die ATP-Synthese (oxidative Phosphorylierung) aufbauen.
4. Die Funktionsweise der oxidativen Phosphorylierung wird auf einer gesonderten Seite behandelt.

Die Endoxidation findet bei Eukaryonten in den Mitochondrien statt

• Mitochondrien sind ovale Organellen mit einer typischen Länge von ungefähr 2 μm und einem Durchmesser von 0,5 μm; dies entspricht etwa der Größe eines Bakteriums.
• Sie enthalten die Enzyme der oxidativen Decarboxylierung, des Citratzyklus, der Fettsäureoxidation und die Enzymkomplexe der Endoxidation.
• Mitochondrien sind von einer Doppelmembran umschlossen, sie besitzen somit eine äußere und eine innere Membran.
• Die innere Membran ist stark gefaltet.
• Es gibt also zwei Kompartimente in Mitochondrien:
  • einen Intermembranraum zwischen äußerer und innerer Membran,
  • die Matrix, die von der inneren Membran begrenzt wird. Die Matrix ist der Reaktionsort für die oxidative Decarboxylierung und den Citratzyklus.
• Die Endoxidation wird an der inneren Mitochondrienmembran durchgeführt, wobei man zwei miteinander gekoppelt Prozesse unterscheiden kann:
  • die Atumungskette und
  • die oxidative Phosphorylierung.
• Die äußere Membran ist für die meisten kleinen Moleküle und Ionen durchlässig, da es vie lMitochondrienporin gibt.
• Mitochondrienporin ist ein porenbildenden Protein, auch bekannt als VDAC (engl.: voltage dependent anion channel – spannungsabhängiger Anionenkanal).
• VDAC spielt eine Rolle beim geregelten Durchtritt von Zwischenprodukten – gewöhnlich anionischen Moleküle wie Phosphat, Chlorid, organischen Anionen und Adeninnucleotiden – durch die äußere Membran.

Aufgrund der hohen Durchlässigkeit der äußeren Membran spricht man beim Intermembranraum auch von der cytoplasmatischen Seite.

Wie groß ist die Membranoberfläche der Mitochondrien des Menschen?

Beim Menschen umfasst die Fläche der inneren Mitochondrienmembran ungefähr 14.000m², was ungefähr zwei Fußballfeldern entspricht. Damit sorgt die Einfaltung der inneren Mitochondrienmembran für eine extreme Vergrößerung der Oberfläche.

Die Atmungskette (Elektronentransportkette)

• Die Atmungskette besteht aus vier Membrankomplexen: drei Protonenpumpen und einem Enzymkomplex, der direkt am Citratzyklus beteiligt ist.
• Der Elektronenfluss innerhalb der Membrankomplexe I; III und IV bewirkt den Protonentransport von der Matrix in den Intermembranraum: Protonenpumpen.
• Spezifische Coenzyme (Elektronen-Carrier) transportieren Elektronen von einem Enzymkomplex zum nächsten.
• Die Atmungskette erzeugt einen Protonengradienten, der zur ATP-Synthese genutzt wird (Ankopplung der Phosphorylierung)

Enzymkomplexe

Komplex I: NADH-Q-Oxidoreduktase (NAD-Dehydrogenase)

• indet NADH und übernimmt 2 energiereiche Elektronen
• diese werden auf das Coenzym Q (Ubichinon) übertragen
• das führt zur reduzierten Form von Q (QH₂; Ubichinol)
• der Elektronenfluss pumpt 4H⁺ in den Intermembranraum
• QH₂ übergibt die Elektronen an den Komplex III

Komplex II: Succinat-Q-Reduktase – Elektronen vom FADH₂

• Elektronen werden auf das Coenzym Q übertragen.
• Die Succinat-Q-Reduktase ist keine Protonenpumpe: deshalb weniger ATP durch FADH₂.

Die Succinat-Q-Reduktase und die Beteiligung am Citratzyklus

• Der Komplex II enthält das Enzym Succinat-Dehydrogenase.
• Diese katalysiert im Citratzyklus Succinat zu Fumarat. Dabei entsteht FADH₂.
• Sie ist als prosthetische Gruppe fest im Komplex II integriert und ist somit das einzige Enzym des Citratzyklus, das in der inneren Membran lokalisiert ist. FADH₂ bleibt im Proteinkomplex.

Komplex III: Q-Cytochrom-c-Oxidoreduktase

• katalysiert die Elektronenübertragung von der reduzierten Form des Coenzyms Q (QH₂, Ubichinol) auf das oxidierte Cytochrom c.
• Dadurch werden 2H⁺ in den Intermembranraum gepumpt.

Komplex IV: Cytochrom-c-Oxidase

• katalysiert den Elektronenfluss vom reduzierten Cytochrom c zur Reduktion von molekularen Sauerstoff zu Wasser
• Für die Reduktion werden H⁺ aus der Matrix verbraucht.
• Gleichzeitig werden 4 H⁺ aus der Matrix in den Intermembranraum gepumpt.

Coenzym – Q (Ubichinon) und Cytochrom c sind spezifische Elektronen-Carrier

• Sie transportieren die Elektronen von einem Membrankomplex zum nächsten.
• bewegen sich aufgrund ihrer lipophilen Eigenschaften frei innerhalb der Membran.

Coenzym Q (Ubichinon) – Q-Pool

• ist ein Chinonderivat, das in drei Oxidationszuständen existieren kann
  • Coenzym Q (Ubichinon, oxidierte Form)
  • Coenzym QH₂ (Ubichinol, reduzierte Form)
• Elektronentransport von NADH-Q-Oxidoreduktase zur Q-Cytochrom-c-Oxidoreduktase
• aufgrund seiner Löslichkeit nimmt man an, dass in der inneren Mitochondrienmembran ein Pool von Q und QH₂ existiert. Die Gesamtheit von Q und QH₂ bezeichnet man als Q-Pool.

Cytochrom c

• kleines lösliches, elektronenübertragendes Protein
• enthält ein Häm als prosthetische Gruppe
• Elektronentransport von Elektronen der Q-Cytochrom-c-Oxidoreduktase zur Cytochrom-c-Oxidase

Elektronenfluss und Pumpmechanismen der Membrankomplexe

Eintritt der energiereichen Elektronen in die Atmungskette über die NADH-Q-Oxidoreduktase

• Elektronen mit hohem Potential werden von NADH an die NADH-Q-Oxidoreduktase übergeben

• Im ersten Schritt erfolgt die Bindung von NADH und die Übertragung zweier Elektronen hohen Potentials auf das Flavinmononucleotid (FMN), das zu FMNH₂ reduziert wird.
• Die Elektronen werden dann vom FMNH₂ auf eine Reihe von Eisen-Schwefel-Komplexen übertragen.
• In der NADH-Q-Oxidoreduktase liegen sowohl 2Fe-2S als auch 4Fe-4S-Komplexe vor.
• Die Eisenatome in diesen Fe-S-Komplexen wechseln zwischen zwei Zustanden:
  • Fe²⁺ (reduziert) – Elektron aufgenommen
  • Fe³⁺ (oxidiert) – Elektron abgegeben
• Elektronen werden letzendlich auf das Coenzym Q übertragen
• das führt zur Aufnahme von 2 H⁺ aus der Matrix
• QH₂ verlässt das Enzym in Richtung des hydrophoben Membraninneren (Q-Pool).
• die Oxidations-Reduktions-Reaktionen der Eisen-Schwefel-Komplexe bewirken den Transport von 4H⁺ in den Intermembranraum.

Ergebnis und Bedeutung

• Bilanz: NADH + Q + 5H⁺_Matrix => NAD⁺ + QH₂ + 4H⁺_Cytoplasma
• Energiereiche Elektronen der werden in die Atmungskette eingeschleust.
• 4 Protonen werden in den Intermembranraum gepumpt.

Elektronenübernahme der Q-Cytochrom-c-Oxidoreduktase und die Reduktion des Cytochrom c

• koppelt den Elektronentransfer von Q zu Cytochrom c mit dem Protonentransport durch die Membran
• Die Oxidoreduktase enthält zwei unterschiedliche Arten von Cytochromen mit drei Häm-Gruppen:
  • Cytochrom b mit den Häm-Typen:
    • Typ 1: Häm b_L(L für niedrige, engl.: low, Elektronenaffinität)
    • Typ 2: Häm b_H (H für hohe, engl.: hight, Elektronenaffinität)
  • Cytochrom c1 mit einer einer Häm – Gruppe
• Zusätzlich zu den Häm-Gruppen enthält das Enzym ein Eisen-Schwefel-Protein mit einem 2Fe-2S-Zentrum (auch Rieske – Zentrum genannt)

Q-Zyklus

• als Erstes bindet ein QH₂
• es werden 2 Eletronen und zwei Protonen freigesetzt
• die Elektronen gehen jetzt unterschiedliche Wege:
  • über die Häme der Cytochrome b wird ein e^– auf ein gebundenes Q_oxi überrtragen, dadurch entsteht ein Semichinonradikal-Ion
  • das andere e^– wird über das 2Fe-2S-Zentrum und Cytochrom c1 auf Cytochrom c übertragen
• Der Vorgang wiederholt sich nun, indem ein zweites QH₂ bindet und 2e^– auf das Semichinonradikal bzw. Cytochrom c1 verteilt.
• Es entsteht ein zweites reduziertes Cytochrom sowie ein QH₂, das dem Q-Pool zugeführt wird.

Was sind Cytochrome?

• elektronenübertragende Proteine mit einem Häm als prosthetische Gruppe
• Eisenionen wechseln während des Elektronentransports zwischen:
  • Fe³⁺_oxi (Ferri) und Fe²⁺_red (Ferro) – Form
• Die Cytochrome b, c1 und c enthalten Eisen-Protoporphyrin IX als prosthetische Gruppe der Häme. Sie enthalten somit die gleichen Häm-Gruppen wie Myoglobin und Hämoglobin.
• Diese identischen Häme besitzen unterschiedliche Affinintäten zur Elektronen, weil ihre Umgebung im Polypeptid unterschiedlich ist.

Ergebnis und Bedeutung

• Bilanz: 2QH₂ + 2Cyt c_oxi + 2H⁺_Matrix => Q + QH₂ + 2Cyt c_red + 4H⁺_Cytoplasma
• 4 H⁺ gelangen in den Intermembranraum, 2H⁺ werden aus der Matrix entfernt
• zwei Coenzyme QH₂ werden oxidiert, wobei ein Coenzym Q reduziert und dem Q-Pool zugeführt wird
• Das Enzym verteilt die Elektronen effektiv von einem Zwei-Elektronen-Transporter (Coenzym Q) auf einen Ein-Elektronen-Transporter (Cytochrom c)

Übernahme der Elektronen durch die Cytochrom-c-Oxidase und die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser

• Cytochrom-c-Oxidase besitzt:
  • 2 Häm A Gruppen
    • Häm a
    • Häm a₃
  • 3 Kupferzentren:
    • Cu_A/Cu_A
    • Cu_B
    • Kupferionen wechseln durch Elektronenauf- bzw. -abgabe zwischen Cu+ (reduziert, Cupro-Form) und Cu2+ (oxidiert, Cupri-Form)
• Häm a₃ und Cu_B bilden das aktive Zetrum für die Reduktion von Wasser

Reduktion von Wasser

• Das Kupferzentrum Cu_A/Cu_A nimmt die Elektronen von 2 Cytochrom c – Coenzymen auf
• Ein Elektron fließt Cu_B, das andere zum Häm a₃ (Reduktion)
• Bindung vonO₂ zieht die Elektronen aus Fe²⁺ und CuBred ab
• es kommt zur Ausbildung einer Peroxid (O₂^2-) – Brücke
• 2 Cytochrom c – Moleküle binden und setzen wiederum 2 Elektronen frei die zum aktiven Zetrum wandern
• Addition eines Elektrons und Protons führt zur Ausbildung von zwei Ion-Sauerstoff-Gruppen (Cub²⁺-OH und Fe³⁺-OH)
• Die Rekation mit zwei weiteren Protonen führt zur Freisetzung von Wasser
• Protonen (chemische) stammen aus der Matrix und sind somit ein Beitrag zum Protonengradienten

Protonenpumpe

• während der Reduktion von Sauerstoff werden 4 weitere Protonen in den Intermembranraum gepumpt
• Effekte die zum Pumpmechachanismus beitragen:
  • die Addition eines Elektrons begünstigt die Bindung eines Protons in benachbarten Bereichen
  • durch den Zyklus bedingte Konformationveränderung („Formveränderung“) des Proteinkomplexes bewirkt, dass die Protonen in einer Konformation aus der Matrix in das Protein eintreten, aber das Protein nur in einer anderen Konformation in Richtung Intermembranraum verlassen können.

Ergebnis und Bedeutung

• Bilanz: 4Cyt c_red + 8H⁺_Matrix + O₂ => 4Cyt c_oxi + 2H₂O + 4H⁺_Cytoplasma
• Reduktion von Sauerstoff zu Wasser, die dafür notwendigen Protonen werden aus der Matrix entfernt, was zu einer Erhöhung der Protonengradienten beiträgt
• 4 Protonen werden in den Intermembranraum gepumpt.

Oxidative Phosphorylierung

Die Atmungskette wandelt die Energie der Elektronen in eine protonenmotorische Kraft. Dieser Protonengradienten treibt die ATP-Synthese, die oxidative Phosphorylierung, an. Der Membrankomplex der für ATP-Synthese verantwortlich ist, ist die   ATP-Synthase, die kleinste Turbine der Welt.

Auf dem Lernpfad

Geschafft! Auf zu neuen Ufern…