Atmungskette ( Endoxidation)

Atmungskette ( Endoxidation)
Reaktionen und ATP-Synthase
Einleitung
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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
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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
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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
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NADH+ H+ und FADH2 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
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1.
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4.
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1.
2.
Die Atmungskette besteht aus 4
Proteinkomplexen:
NADH-Q-Oxidoreduktase ( Komplex 1)
Succinat-Q- Reduktase (Komplex 2)
Q- Cytochrom-c- Oxidoreduktase
(Komplex3)
Cytochrom-c-Oxidase ( Komplex 4 )
Sie sind verbunden durch 2 mobile
Elektronen- Carrier :
Coenzym Q ( Ubichinon)
Cytochrom c
Abb.2 Übersicht Atmungskette
1. SCHRITT
Elektronen des NADH+H+ treten über die
NADH- Q- Oxidoreduktase in die
Atmungskette ein
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1.
2.
3.
Übertragung zweier Elektronen auf die
prosthetische Gruppe Flavinmononucleotid
(FMN)Æ FMNH2 ( reduzierte Form)
Flavine und Chinone binden bei Reduktion
Protonen
Elektronen werden vom FMNH2 auf eine Reihe
von Eisen- Schwefel- Clustern transferiert,
welche die zweite prosthetische Gruppe des
Komplexes bilden
2. SCHRITT
Elektronen in den Eisen- Schwefel- Clustern
werden auf das Coenzym Q übertragen
2.
Die Reduktion von Q zu QH2 führt zur
Aufnahme zweier Protonen aus der Matrix
3.
Elektronen wandern zurück zum Fe-SCluster und reduzieren ein weiteres
Coenzym Q ( Aufnahme von 2 zusätzlichen
Protonen aus der Matrix)
Æ Durch den Fluss von 2 Elektronen zum
Ubichinol werden 4 Protonen aus der Matrix
in das Cytosol des Mitochondriums gepumpt
1.
3. SCHRITT
Elektronen vom FADH2 treten über das
Coenzym Q ( Ubichinol) in die Atmungskette
ein
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1.
2.
3.
Das Enzym Succinat- Dehydrogenase bildet im
Citratcyklus FADH2 und ist gleichzeitig auch
Komponente des Komplex 2 der Atmungskette
Gebildetes FADH2 verlässt Komplex nicht,
Elektronen wandern über Fe-S- Zentren zum
Ubichinol
Komplex 2 ist keine Protonenpumpe Æ bei der
Oxidation von FADH2 wird weniger ATP gebildet
4. SCHRITT
Elektronen fließen vom Ubichinol über die
Q-Cytochrom-c- Oxidoreduktase zum
Cytochrom c
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Q- Cytochrom-c-Oxidase ( CytochromReduktase) ist die zweite Protonenpumpe in der
Kette
2.
Cytochrom ist ein elektronenübertragendes
Protein, enthält ein Häm als prosthetische
Gruppe
Æ Reduktase katalysiert Elektronenübertragung von
QH2 auf das oxidierte Cytochrom c und pumpt
gleichzeitig Protonen aus der Matrix
1.
Struktur des Komplex 3
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Enthält insgesamt 3 Hämgruppen (bl, bh,c1)
Prosthetische Gruppe der Häme ist das
Eisenprotoporphyrin IX ( Æ Myoglobin,
Hämoglobin)
Fe-S-Protein mit einem 2 Fe-2S-Zentrum
Æ Rieske Zentrum
1.
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Eines der beiden Eisenionen ist mit 2 Histidinresten
koordiniert Æ Stabilisierung des Zentrums in seiner
reduzierten Form
Zwei getrennte Bindungsstellen für
Ubichinone Q0 und Qi
Q- Zyklus
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Verknüpfung des Q- Elektronentransfers zu
Cytochrom c mit dem
Protonentransmembrantransport
Erleichtert Übergang vom 2
Elektronentransporter Q zum 1
Elektronentransporter Cytochrom c
Ergebnis: 2 Moleküle QH2 werden zu 2
Molekülen Q oxidiert, wobei ein Molekül Q zu
QH2 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
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Cytochrom-c-Oxidase katalysiert die
Reduktion von O2 zu H2O
1.
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Cytochrom-c-Oxidase enthält 2 Häm-A-Gruppen(a,a3)
und 3 Kupferionen in 2 Kupferzentren A u. B( CuA/CuA,
CuB)
Reduziertes Cytochrom c überträgt ein
Elektron auf CuA/CuA=> Elektron wandert
über Hämgruppen und reduziert zum
Schluss CuB
Zweites übertragene Elektron reduziert Häm
a3 zu seiner Fe2+ Form
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In diesem Zustand bindet Häm a3 Sauerstoff
Æ CuB reduziert O2 zu O22Aufnahme 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
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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
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Unvollständige Reduktion des O2 führt
zu gefährlichen Verbindungen z.B.
.
Superoxidanion (O 2 ),Peroxid (O22-)
Geringe Erzeugung dieser toxischen
Derivate sind unvermeidbarÆ Zelle
verwendet Schutzenzyme
( Superoxid- Dismutase und Katalase)
ATP- Synthese
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Elektronentransport und ATP- Synthese
sind durch einen Protonengradienten an
der inneren Mitochondrienmembran
gekoppelt
ATP- Synthese erfolgt durch die ATPSynthase ( Komplex V, mitochondriale
ATPase)
2 e- -> Gradient -> 1 Molekül ATP
Struktur der ATP- Synthase
Abb. 4 Struktur der ATP – Synthase (aus Stryer Biochemie)
Synthesemechanismus
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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
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Aerob:1 Molekül Glucose zu CO2-> 30
Moleküle ATP ( 26 alleine durch die
Atmungskette)
Anaerob:1 Glucose ->2 Moleküle ATP
ADP-Spiegel->geschwindigkeitsbestimmend
O2-Verbrauch der Mitochondrien erhöht bei
ADP Zugabe
Kein ATP-Bedarf:e- fließen nicht durch
Atmungskette
Hemmung und Entkopplung
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Hemmung der Elektronentransportkette->
keine ATP – Synthese
Hemmung der ATP – Synthase Æ Inhibition
der Elektronentransportkette (Kopplung der
beiden Mechanismen)
Entkopplung:Atmungskette läuft
weiter,jedoch keine ATP-Synthese, da keine
protonenmotorische Kraft mehr vorhanden
istÆ Energie wird als Wärme freigesetzt
BEISPIELE
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Oligomycin und Dicyclohexylcarbodiimid hemmen
den Elektronenfluss durch die ATP – Synthase
Rotenon und Amytal blockieren die
Elektronenübertragung innerhalb der NADH-QOxidoreduktase ( 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 Æ
Zerstörung des Protontengradienten
Entkopplung als Mittel zur
Wärmeerzeugung
Winterschlaf haltende Tiere
„ einige neugeborene Tiere(auch
menschliche Babys)
„ Kälteangepasste Säuger
=>zur Aufrechterhaltung der
Körpertemperatur
„
Zusammenfassung
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Die bei der Glykolyse, der Fettsäureoxidation und
im Citratzyklus entstehenden energiereichen
Moleküle NADH+H+ und FADH2 besitzen ein
Elektronenpaar mit hohem Übertragungspotential
Die Reduktion von molekularem Sauerstoff zu
Wasser durch diese Elektronen setzt viel Energie
frei => stark exergone Knallgasreaktion
Zusammenfassung
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„Zähmung der Knallgasreaktion“ durch
Reduktionsäquivalente
Reaktion verläuft in einer Reihe von
Elektronentransferreaktionen
( Elektronentransportkette) in einer
Anordnung von Membranproteinen
Zusammenfassung
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Während der Übertragung der Elektronen auf
den Sauerstoff werden Protonen aus der
mitochondrialen Matrix herausgepumpt
Æ
pH – Gradient (Protonengradient)
Positive Ladung der ProtonenÆ
PotenzialdifferenzÆ Intermembranraum (+)
gegenüber MatrixÆ chemi- osmotisches
Potenzial
Zusammenfassung
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Protonenmotorische Kraft wird zur ATPErzeugung genutzt. NADH+H+ liefert 3 ATP und
FADH2 ergibt 2 ATP Moleküle
Durch Kanäle in komplexen Proteinen, die ATPSynthasen, fließen die Protonen, entsprechend
dem Konzentrations- und Ladungsgradienten,
wieder in den Mitochondrieninnenraum zurück
Oxidation und Phosphorylierung sind gekoppelt
Gesamtübersicht
Abb. 6 Übersicht Atmungskette ( aus Schroedel Stoffwechselphysiologie)