Atmungskette ( Endoxidation)

Atmungskette ( Endoxidation)
Reaktionen und ATP-Synthase

Einleitung
• Aufrechterhaltung von Struktur und Funktion
aller Lebensformen hängt von einer ständigen
Energiezufuhr ab
• Höchste Energieausbeute liefert die
Verwendung von Sauerstoff als
Oxidationsmittel
• Ort der sauerstoffabhängigen
Energiekonservierung ist bei Eukaryonten die
innere Mitochondrienmembran

Mitochondrien
• besitzen 2 Membransysteme
• Äußere Membran ist durchlässig für
kleine Moleküle und Ionen, sie enthält
das porenbildende Protein Porin
• Innere Membran besitzt eine Anzahl
von Einstülpungen ( Cristae) und ist für
die meisten Moleküle undurchlässig

Abb. 1 Mitochondrium schematisch ( aus Stryer Biochemie)
• Oxidative
Phosphorylierung
findet in der inneren
Mitochondrien -
membran statt
• Reaktionen des
Citratzyklus und der
Fettsäureoxidation
laufen in der Matrix
ab

Redoxpotenziale
• NADH+ H + und FADH 2 sind starke
Reduktionsmittel und geben daher ihre
Elektronen leicht ab
• Sauerstoff ist ein starkes Oxidationsmittel und
nimmt Elektronen leicht auf
• Innerhalb der Atmungskette nimmt das
Redoxpotential der einzelnen Komponenten
zum Ende hin, immer positivere Werte an

Übersicht
• Die 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. SCHRITT
• Elektronen 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. SCHRITT
1. Elektronen in den Eisen- Schwefel- Clustern
werden auf das Coenzym Q übertragen
2. Die Reduktion von Q zu QH 2 führt zur
Aufnahme zweier Protonen aus der Matrix
3. 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. SCHRITT
• Elektronen vom FADH 2 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. SCHRITT
• Elektronen 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 3
• Enthält insgesamt 3 Hämgruppen (b l , b h ,c 1 )
• Prosthetische Gruppe der Häme ist das
Eisenprotoporphyrin IX ( Myoglobin,
Hämoglobin)
• Fe-S-Protein mit einem 2 Fe-2S-Zentrum
Rieske Zentrum
1. Eines der beiden Eisenionen ist mit 2 Histidinresten
koordiniert Stabilisierung des Zentrums in seiner
reduzierten Form
• Zwei getrennte Bindungsstellen für
Ubichinone Q 0 und Q i

Q- Zyklus
• Verknüpfung des Q- Elektronentransfers zu
Cytochrom c mit dem
Protonentransmembrantransport
• Erleichtert Übergang vom 2
Elektronentransporter Q zum 1
Elektronentransporter Cytochrom c
• Ergebnis: 2 Moleküle QH 2 werden zu 2
Molekülen Q oxidiert, wobei ein Molekül Q zu
QH 2 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.SCHRITT
• Cytochrom-c-Oxidase katalysiert die
Reduktion von O 2 zu H 2 O
1. Cytochrom-c-Oxidase enthält 2 Häm-A-Gruppen(a,a 3 )
und 3 Kupferionen in 2 Kupferzentren A u. B( Cu A /Cu A ,
Cu B )
• Reduziertes Cytochrom c überträgt ein
Elektron auf Cu A /Cu A => Elektron wandert
über Hämgruppen und reduziert zum
Schluss Cu B
• Zweites übertragene Elektron reduziert Häm
a 3 zu seiner Fe 2+ Form

• In diesem Zustand bindet Häm a 3 Sauerstoff
Cu B reduziert O 2 zu O 2
2-
• Aufnahme eines dritten Elektrons und eines
Protons führt zur Spaltung der O-O Bindung
• Aufnahme eines weiteren Elektrons und
Protons
• Durch 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 O 2 führt
zu gefährlichen Verbindungen z.B.
Superoxidanion (O . 2 - ),Peroxid (O 2
2-
)
• Geringe Erzeugung dieser toxischen
Derivate sind unvermeidbar Zelle
verwendet Schutzenzyme
( Superoxid- Dismutase und Katalase)

ATP- Synthese
• Elektronentransport und ATP- Synthese
sind durch einen Protonengradienten an
der inneren Mitochondrienmembran
gekoppelt
• ATP- 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)

Synthesemechanismus
• Wechselwirkungen der γ- Untereinheit mit
den 3 β – Untereinheiten -> ADP+P Bindung,
ATP- Synthese und ATP- Freisetzung
• Protonenbewegung 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 CO 2 -> 30
Moleküle ATP ( 26 alleine durch die
Atmungskette)
• Anaerob:1 Glucose ->2 Moleküle ATP
• ADP-Spiegel->geschwindigkeitsbestimmend
• O 2 -Verbrauch der Mitochondrien erhöht bei
ADP Zugabe
• Kein ATP-Bedarf:e - fließen nicht durch
Atmungskette

Hemmung und Entkopplung
• Hemmung der Elektronentransportkette->
keine ATP – Synthese
• Hemmung 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

BEISPIELE
• Oligomycin 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- Oxidase
• 2,4 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 FADH 2 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 Protonen
Potenzialdifferenz Intermembranraum (+)
gegenüber Matrix chemi- osmotisches
Potenzial

Zusammenfassung
• Protonenmotorische Kraft wird zur ATP-
Erzeugung genutzt. NADH+H + liefert 3 ATP und
FADH 2 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