Atmungskette

Ein Großteil der Energie, die im Citratzyklus und in Abbaureaktionen der Lipide, Kohlenhydrate und Proteine entsteht, wird intrazellulär vorübergehend in Form der Reduktionsäquivalente NADH+H⁺ und FADH₂ gespeichert. In der Atmungskette werden diese Reduktionsmittel oxidiert. Die dabei freiwerdende Energie wird nun genutzt, um den universalen Energieträger ATP zu synthetisieren. Hierbei macht sich der Körper die Energieerzeugung von exergonen Redoxreaktionen zunutze: Über eine Elektronentransportkette in der Mitochondrienmembran werden die Elektronen der Reduktionsäquivalente hin zum Sauerstoff in der Mitochondrienmatrix geführt, mit dem sie sich schlussendlich zu H₂O vereinen. Die dabei freiwerdende Energie wird genutzt, um einen Protonengradienten über der Mitochondrienmembran aufzubauen. Beim Rückfluss der Protonen in die Mitochondrienmatrix findet schließlich die ATP-Synthese statt. Dieser Mechanismus wird auch als "oxidative Phosphorylierung" bezeichnet.

Die Atmungskette besteht aus vier großen Proteinkomplexen, die sich alle in der inneren Mitochondrienmembran befinden. Ihre Aufgabe ist der Transport von Elektronen mithilfe einer Reihe exergoner Redoxreaktionen; dies bewerkstelligen sie mit einer Vielzahl von prosthetischen Gruppen.

• Ziel: "Oxidative Phosphorylierung", d.h. die Synthese von ATP , mithilfe der Energie, die bei der Oxidation der Reduktionsäquivalente NADH+H⁺ und FADH₂ frei wird
• Ort: Innere Mitochondrienmembran, Mitochondrienmatrix
  • Die innere Mitochondrienmembran enthält verschiedene Transporter für Stoffe, die u.a. in der Atmungskette benötigt werden, z.B. das Malat-Aspartat-Shuttle, das indirekt NADH+H⁺ in die Matrix schleust.
• Ausgangsstoffe: Die Reduktionsäquivalente NADH+H⁺ und FADH₂
• Prinzip
  • Die Elektronen der Reduktionsäquivalente werden über die Komplexe der Atmungskette transportiert (Komplex I → Komplex II → Komplex III → Komplex IV; sog. Elektronentransportkette)
  • Die dabei frei werdende Energie wird zum Aufbau eines Protonengradienten über der inneren Mitochondrienmembran genutzt.
  • Diese Protonen fließen durch einen Protonenkanal zurück ins Mitochondrium; die dabei frei werdende Energie wird dazu genutzt, ATP zu synthetisieren.

Grundprinzip

1. Elektronentransportkette
   • Eine Elektronentransportkette besteht aus einer Reihe hintereinander geschalteter Redoxmoleküle.
     • Diese können sowohl Elektronen aufnehmen als auch abgeben.
   • Die Elektronen fallen bei einer solchen Kette von höheren auf niedrigere Energielevel, weshalb dabei Energie frei wird.
   • In der Atmungskette: Die Elektronentransportkette wird von den Komplexen der Atmungskette gebildet
     • Je vier Elektronen aus der Atmungskette werden auf Sauerstoff übertragen, das dabei zu Wasser reduziert wird
     • Fluss der Elektronen
       • NADH+H⁺ → Komplex I → Komplex III → Komplex IV → Sauerstoff
       • FADH₂ → Komplex II → Komplex III → Komplex IV → Sauerstoff
2. Aufbau eines Protonengradienten über der inneren Mitochondrienmembran: Die Energie, die beim "Fallen" der Elektronen frei wird, wird von den Komplexen der Atmungskette genutzt, um Protonen aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum zu pumpen (Angaben für den Transport von zwei Elektronen).
   • Komplex I: Pumpt vier Protonen in den Intermembranraum
   • Komplex II: Hat keine Protonenpumpfunktion
   • Komplex III: Pumpt zwei Protonen in den Intermembranraum (zusätzlich werden noch zwei Protonen in den Intermembranraum abgegeben )
   • Komplex IV: Pumpt zwei Protonen in den Intermembranraum
3. Oxidative Phosphorylierung
   • Die Protonen fließen dem Gradienten folgend durch einen Protonenkanal zurück in die Mitochondrienmatrix.
   • Der Protonenkanal ist Teil der ATP-Synthase, die - wie der Name schon sagt - die Synthese von ATP katalysiert.

Überblick über die Komplexe der Atmungskette

Komplex I (NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase)

Komplex I besteht aus über 30 Untereinheiten und ist damit der größte Komplex der Atmungskette. Seine Aufgabe ist die Übertragung von zwei Protonen und zwei Elektronen von NADH+H⁺ auf Ubichinon. Dafür benötigt der Komplex verschiedene prosthetische Gruppen.

• Prosthetische Gruppen
  • FMN (Flavinmononukleotid)
  • Eisen-Schwefel-Cluster
  • Ubichinon (Coenzym Q)
• Ablauf
  1. Die 2 Protonen und 2 Elektronen werden von NADH+H⁺ auf FMN übertragen.
     • NADH+H⁺ + FMN → NAD⁺ + FMNH₂
  2. Von FMN werden nun die zwei Elektronen auf ein Eisen-Schwefel-Cluster übertragen. Die zwei Protonen werden wieder in die Mitochondrienmatrix abgegeben.
     • 2Fe³⁺ + 2e^- → 2Fe²⁺
  3. Die zwei Elektronen werden vom Eisen-Schwefel-Cluster an Ubichinon abgegeben. Außerdem nimmt Ubichinon noch zwei Protonen aus der Matrix auf.
     • 2Fe²⁺ + 2H⁺ + Ubichinon → 2Fe³⁺ + Ubichinol

Mithilfe der Energie, die durch den Elektronenfluss in Komplex I erzeugt wird, werden 4 Protonen von der Matrix in den Intermembranraum gepumpt!

Komplex II (Succinat-Ubichinon-Oxidoreduktase)

Komplex II beinhaltet die Succinatdehydrogenase und bildet damit eine direkte Schnittstelle zwischen Citratzyklus und Atmungskette. Seine Funktion ist die Übertragung der Protonen und Elektronen aus FADH₂ auf Ubichinon. Im Gegensatz zu Komplex I pumpt Komplex II keine Protonen in den Intermembranraum. Dies erklärt, warum pro Molekül FADH₂ weniger ATP gebildet werden als pro Molekül NADH+H⁺.

• FADH₂ + Ubichinon (Q) → FAD + Ubichinol (QH₂)

Komplex II pumpt keine Protonen in den Intermembranraum, ist also am Aufbau des Protonengradienten nicht beteiligt. Dies erklärt, warum pro Molekül FADH₂ weniger ATP gebildet wird als pro Molekül NADH+H⁺!

Komplex III (Ubichinon-Cytochrom-c-Oxidoreduktase)

Komplex III ist ein Dimer, dessen Monomere aus jeweils 11 Untereinheiten bestehen. Seine Aufgabe ist die Übertragung der Elektronen von Ubichinol auf Cytochrom c im sog. Q-Zyklus. Außerdem transportiert er die Protonen des Ubichinols in den Intermembranraum. Im Gegensatz zum Ubichinon kann das Cytochrom c jedoch nur ein Elektron aufnehmen, weshalb der Q-Zyklus aus zwei Phasen besteht.

• Prosthetische Gruppen
  • Cytochrom b und c₁
  • Eisen-Schwefel-Cluster (sog. Rieske-Zentrum)
  • Zwei Bindungsstellen für Ubichinon (Q_i und Q_a)
    • Q_i: Innere Bindungsstelle (der Matrix zugewandt)
    • Q_a: Äußere Bindungsstelle (dem Intermembranraum zugewandt)

Komplex III pumpt mithilfe der Energie, die durch den Elektronenfluss erzeugt wird, 2 Protonen in den Intermembranraum. Außerdem werden für 2 Elektronen 2 weitere Protonen durch das Ubichinol (QH2) in den Intermembranraum abgegeben (pro Q-Zyklus sind es also 4 Protonen)!

Ein reduziertes Cytochrom-c-Molekül transportiert jeweils ein Elektron zur Cytochrom-c-Oxidase!

Komplex IV (Cytochrom-c-Oxidase)

Komplex IV katalysiert die Reoxidation des reduzierten Cytochrom c und die Reduktion von Sauerstoff zu H₂O.

• Prosthetische Gruppen
  • Häm a und Häm a₃ : Gleiche Struktur, unterscheiden sich nur in der Funktion
  • Kupferzentren Cu_A²⁺ und Cu_B²⁺

Gleichung für die Reaktion des Komplexes IV: 4Cyt c_red + O₂ + 8H⁺_Matrix → 4Cyt c_ox + 2H₂O + 4H⁺_{Intermembranraum}!

Der Komplex IV pumpt noch einmal 2 Protonen in den Intermembranraum!

Reaktive Zwischenprodukte

• In der Atmungskette (Komplex I und III) sowie bei der abschließenden Übertragung von Elektronen auf molekularen Sauerstoff (Komplex IV) werden in geringen Mengen zelltoxische Superoxidanionen (O₂^-) gebildet und freigesetzt. Diese werden durch zwei antioxidative Enzyme unschädlich gemacht.
  • Superoxiddismutase: Setzt Superoxidanionen zu Sauerstoff und Wasserstoffperoxid um
    • 2O₂^- + 2H⁺ → H₂O₂ + O₂
  • Katalase: Setzt Wasserstoffperoxid zu Sauerstoff und Wasser um
    • 2H₂O₂ → O₂ + 2H₂O

Beim Transport der Elektronen über die Komplexe der Atmungskette werden Protonen in den Intermembranraum gepumpt und somit ein Protonengradient über der Membran aufgebaut. Bei der oxidativen Phosphorylierung kann die Energie, die beim Ausgleich dieser elektrochemischen Potenzialdifferenz frei wird (also beim Rückfluss der Protonen in die Mitochondrienmatrix), genutzt werden, um aus ADP und P_i ATP zu synthetisieren.

Die ATP-Synthase

Die ATP-Synthase besteht aus zwei Untereinheiten. Die eine bildet einen Protonenkanal durch die innere Mitochondrienmembran, die andere ist für die Synthese von ATP zuständig.

• F_O-Untereinheit
  • Aufbau: Ringförmig
  • Lage: In der Mitochondrienmembran verankert
  • Funktion: Bildet einen Protonenkanal durch die Membran
• F₁-Untereinheit
  • Aufbau
    • Ringförmig, besteht aus fünf Untereinheiten (α, β, γ, δ, ε)
    • Enthält insgesamt drei aktive Zentren
  • Lage: Auf der Matrixseite der F_O-Untereinheit angelagert
  • Funktion: ATP-Synthese

Mechanismus der ATP-Synthese

Die ATP-Synthese findet in der F₁-Untereinheit statt, Antrieb ist jedoch der Protonenfluss durch die F_O-Untereinheit. Die drei β-Untereinheiten der ATP-Synthase können ADP+P_i binden, daraus ATP bilden und dies in die Mitochondrienmatrix abgeben. Für jeden dieser Schritte müssen die β-Untereinheiten in einer anderen Konformation vorliegen. Die unterschiedlichen Konformationen werden durch Rotation der γ-Untereinheit ausgelöst.

• Konformationen der β-Untereinheiten
  • L-Konformation ("Loose"): ADP und P_i sind an die β-Untereinheit gebunden
  • T-Konformation ("Tight"): ADP und P_i werden in ATP umgewandelt, sind jedoch immer noch fest gebunden
  • O-Konformation ("Open"): ATP wird abgegeben und ADP und P_i gebunden
• Ablauf der ATP-Synthese
  1. Ausgangszustand: Die drei β-Untereinheiten (F₁) liegen in den drei unterschiedlichen Konformationen vor
  2. Protonenfluss durch den Kanal (F_O)
  3. Rotation der γ-Untereinheit um 120° (F₁)
  4. Konformationsänderung aller drei β-Untereinheiten
  5. Freisetzung von ATP aus der β-Untereinheit, die von der T- in die O-Konformation wechselt
• Berechnung der ATP-Menge: Für eine 120°-Rotation - also für die Freisetzung eines Moleküls ATP - werden etwa 3-4 Protonen benötigt.
  • Bei der Rückoxidation von NADH+H⁺ werden insgesamt 10 Protonen in den Intermembranraum gepumpt. Die γ-Untereinheit kann sich also etwa 2,5 mal drehen, sodass ungefähr 2,5 Moleküle ATP pro Molekül NADH+H⁺ entstehen.
  • Bei der Rückoxidation von FADH₂ werden insgesamt 6 Protonen in den Intermembranraum gepumpt. Die γ-Untereinheit kann sich also 1,5 mal drehen, sodass ungefähr 1,5 Moleküle ATP pro Molekül FADH₂ entstehen.

Pro Molekül NADH+H⁺ entstehen in Atmungskette und oxidativer Phosphorylierung 2,5 Moleküle ATP, pro Molekül FADH₂ entstehen 1,5 Moleküle ATP!

Die ATP/ADP-Translokase

• Definition: Antiporter der inneren Mitochondrienmembran, der ein Molekül ADP in die mitochondriale Matrix transportiert und ein Molekül ATP ins Zytosol
• Funktion: Bereitstellung von ADP für die ATP-Synthese
  • Hemmung (z.B. durch Atractylosid) führt zur Hemmung der Atmungskette

Regulation von Atmungskette und oxidativer Phosphorylierung

Die Atmungskette hängt vom Angebot ihrer Substrate ab. Benötigt werden:

• Reduktionsäquivalente
• Sauerstoff
• ADP
• Phosphat (P_i)

Der wichtigste Regulator ist das ADP. Die oxidative Phosphorylierung kann nur bei ausreichendem Vorliegen von ADP ablaufen. Man nennt dieses Phänomen "Atmungskontrolle durch ADP"!

Die Atmungskette und die oxidative Phosphorylierung sind streng aneinander gekoppelt. Wird eine von beiden gehemmt, kann die andere auch nicht ablaufen!

Myokardinfarkt
Im Rahmen eines Myokardinfarkts kommt es zum Verschluss (mindestens) einer Koronararterie. Dies führt dazu, dass die Muskelzellen, die von dieser Koronararterie versorgt werden, keinen Sauerstoff mehr erhalten. Citratzyklus, Atmungskette und oxidative Phosphorylierung kommen damit zum Erliegen. Eine Weile schaffen es die Zellen noch, ihren Energiebedarf mittels anaerober Glykolyse zu decken; dies geht jedoch für maximal 30-60 Minuten. Wird in dieser Zeit das verschlossene Gefäß nicht wieder eröffnet (z.B. im Rahmen einer Herzkatheteruntersuchung), kommt es zur Zellnekrose und schließlich zur Narbenbildung. Deshalb ist es so wichtig, bei (begründetem) Verdacht auf einen Herzinfarkt schnellstmöglich das nächste Herzkatheterzentrum anzusteuern!

Entkopplung und Hemmung von Atmungskette und oxidativer Phosphorylierung

Normalerweise laufen Atmungskette und oxidative Phosphorylierung miteinander gekoppelt ab. Bestimmte Substanzen oder Situationen können jedoch eine Entkopplung der beiden Wege bewirken. Auch gibt es zahlreiche Hemmstoffe der Atmungskette und der oxidativen Phosphorylierung.

Entkoppler der Atmungskette

Entkoppler der Atmungskette bauen den Protonengradienten über der Mitochondrienmembran ab. Da dadurch weniger Protonen durch die ATP-Synthase in die Mitochondrienmatrix zurückfließen, nimmt die ATP-Synthese ab. Die Elektronentransportkette wird nicht mehr durch den Protonengradienten kontrolliert und läuft verstärkt ab. Damit steigt auch der O₂-Verbrauch der Mitochondrien an.

• DNP (2,4-Dinitrophenol) : Transportiert Protonen von außen nach innen über die innere Mitochondrienmembran und bewirkt dadurch einen Abbau des Protonengradienten.
• Thermogenin ("Uncoupling Protein" UCP-1): Protonenkanal, der einen Abbau des Protonengradienten über der Mitochondrienmembran bewirkt

Hemmstoffe der Atmungskette

Überblick

Wo sind die Enzymkomplexe der Atmungskette verankert?

Funktionsweise der Atmungskette

Welche Funktion hat der Komplex I der Atmungskette? Wie wird er noch genannt?

Welche Aufgabe übernimmt Komplex II in der Atmungskette? Wie wird er auch genannt?

Wieso bildet Komplex II die Schnittstelle zwischen Citratzyklus und Atmungskette?

Welche Funktion übernimmt Komplex III der Atmungskette? Wie wird das Enzym noch genannt?

In welchem Komplex ist Flavinmononukleotid Teil der prostethischen Gruppen?

Welche Funktion hat Ubichinon? In welchen Komplexen der Atmungskette kommt es vor?

Wie ist Ubichinon aufgebaut?

Welche Reaktion katalysiert die Superoxiddismutase?

Oxidative Phosphorylierung

Wie ist die ATP-Synthase aufgebaut?

Was machen Entkoppler der Atmungskette?

Welchen Teil der Atmungskette hemmt Cyanid (CN^-)?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.

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Atmungskette

Atmungskette – Teil 1 (Video frei verfügbar)

Atmungskette – Teil 2

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