Oxidative Phosphorylierung

BIOCHEMIE DER ERNÄHRUNG II
Grundzüge des Metabolismus
Oxidative Phosphorylierung
Oxidative
Phosphorylierung
24.04.2012
Oxidative Phosphorylierung
-Die Elektronen in NADH und in FADH2 (hohes
Übertragungspotential) werden über diverse Carrier-Proteine
auf O2 übertragen.
2 H+ + 2e- + 1/2 O2
H2O
(Reaktion ist stark exergonisch)
Oxidative Phosphorylierung
Oxidative Phosphorylierung:
ATP-Synthese; Triebkraft: Elektronenübertragung auf Sauerstoff
O2
H2O (= Reduktion)
Elektronenlieferer: NADH und FADH2
Photophosphorylierung:
H2O
-freiwerdende Energie Erzeugung von ATP
-26 der 30 ATP Moleküle, die bei der Oxidation von Glucose frei
werden, stammen aus der oxidativen Phosphorylierung.
-Atmung: ATP-erzeugender Prozess, bei der eine anorganische
Verbindung (z.B. O2) als Elektronenacceptor fungiert.
ATP-Synthese mit Licht als Triebkraft
O2 (Oxidation)
Beide Vorgänge liefern den größten Teil des von aeroben
Organismen synthetisierten ATP
Ort: Mitochondrien bzw. Chloroplasten
Oxidative Phosphorylierung
Ähnlichkeiten
zwischen
Photophosphorylierung
oxidativer
Atmungskette
Phosphorylierung
und
Elektronenfluss über eine Reihe von Redox-Zwischenschritten
(membrangebundene Carrier wie Chinone, Cytochrome,
Eisen-Schwefel-Proteine)
Der "bergab" laufende Fluss von Elektronen ist an den
"bergauf" verlaufenden Transport von Protonen durch
ansonsten protonenundurchlässige Membranen gekoppelt
Speicherung eines Teils der Freien Oxidationsenthalpie der
Stoffwechselbrennstoffe als elektrochemisches Transmembranpotential
Transmembraner
Fluss
von
Protonen
entlang
ihres
Konzentrationsgradienten durch spezifische Proteinkanäle
liefert Freie Enthalpie für ATP-Synthese
Atmungskette: Reihenfolge der Elektronen-Carrier
Standardreduktionspotentiale der Atmungskette und verwandte
Elektronen-Carrier (∆
∆ G°´ = - n x F x ∆ E0´)
Redoxreaktion (Halbreaktion)
E0‘(V)
2 H+ + 2 eH2
+
+
2 NAD + H + 2 e
NADH
NADP+ + H+ + 2 eNADPH
+
NADH-DH (FMN) + 2 H + 2 eNADH-DH (FMNH2)
Ubichinon + 2 H+ + 2 eUbichinol
Cytochrom b (Fe2+)
Cytochrom b (Fe3+) + eCytochrom c1 (Fe3+) + eCytochrom c1 (Fe2+)
3+
Cytochrom c (Fe ) + e
Cytochrom c (Fe2+)
3+
Cytochrom a (Fe ) + e
Cytochrom a (Fe2+)
Cytochrom a3 (Fe2+)
Cytochrom a3 (Fe3+) + e+
½ O2 + 2 H + 2 e
H2O
-0,414
-0,320
-0,324
-0,30
+0,045
+0,077
+0,22
+0,254
+0,29
+0,55
+0,816
Die Potentialdifferenz zwischen NADH und
O2 ist sehr groß
Die Treibende Kraft bei der oxidativen Phosphorylierung:
Elektronentransfer von NADH (und FADH2) auf O2.
1. Teilreaktion: 1/2 O2 + 2H+ + 2e2. Teilreaktion: NAD+ + H+ + 2e1/2 O2 + NADH + H+
H2O
E‘o=+0,82V
NADH
E‘o=-0,32V
H2O + NAD+ ∆E‘°=+1,14V
NADH ist ein guter e- Donor, O2 ein guter e- Acceptor:
Die Reaktion ist begünstigt: 1,14 Volt entspricht -220kJ/mol
Oxidative Phosphorylierung
Atmungskette
Komponenten der Atmungskette
auch Komplexe I-IV genannt
Die spontane Reaktion von Sauerstoff und
NADH zu Wasser würde mit einem Mal sehr
viel Energie freisetzen
Redoxreaktion wird verlangsamt
diverse Zwischenstufen
effiziente Energienutzung
Komponenten der Atmungskette
Die prosthetischen Gruppen der Elektronenüberträger:
FMN, Coenzym Q, Eisen-Schwefel (Fe-S)-Cluster und Häm
-Strukturell dem FAD ähnlich (in Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex)
-Bestandteil von Flavoproteinen (Riboflavin, B2 ist Vitamin)
Atmungskette:
Komponenten
Elektronenakzeptoren: Purinnucleotide
Elektronenakzeptoren: Purinnucleotide
O
H
O
O
H
H
N
CH3
N
CH3
HN
NH2
NH2
+ H+ +2 eN
O
+
N
R
R
NAD+
NADH
NADH und NADPH: wasserlösliche
Carrier, diffusionsfähig
O
NH2
N
H
H
HO
H
HO
H
HO
H
H
H
O
O
O
O
O
P
P
+
NADH: transportiert Elektronen
aus Abbaureaktionen an die
Stelle, an der sie in die
Atmungskette eintreten
OH
OH
O
O
N
OH
NH2
OH
N
O
O
OH
N
OH
N
NADPH: stellt Elektronen
anabolische
Reaktionen
Verfügung (Cytoplasma)
N
P im Fall von NADP+
H
C
C
N
NH2
N
O
P
N
OH
O
O
N
N
für
zur
OH
OH
Komponenten der Atmungskette
OH
Coenzym Q (Ubichinon)
R
N
O
H
N
H3C
OH
OH
CH2
H3C
P
O
H
C
OH
Elektronenakzeptoren:
Purinnucleotide
H
FAD
N
H
H3C
N
H3C
N
•
N
C
•
H
O
O
N
H
O
FMNH (radikalische
oder Semichinonform)
Flavinmononucleotid (FMN)
(oxidierte oder Chinonform)
H
Isoprenkette
•
R
H
H3C
N
N
H3C
N
C
H
Elektronentransfer mit Protonen-Bindung bzw. Freisetzung gekoppelt!
vollständig
oxidiert (Q)
O
N
H
O
FMNH2 (reduzierte oder
Hydrochinonform)
vollständig
reduziert (QH2)
Elektronenakzeptoren: Ubichinon (Coenzym Q, UQ)
Komponenten der Atmungskette
Wie werden Protonen von der Matrix
in den P-Raum gepumpt?
Ubichinon (Coenzym Q, UQ):
hydrophobes, lipidlösliches Benzochinon
Die gekoppelten Elektronen-Protonen Transfers am Coenzym Q
sind für den Transport von H+ entscheidend.
sehr lange Isoprenoid-Seitenkette
kann ein oder zwei Elektronen aufnehmen
2 H+
kann als Schalter zwischen Zweielektronendonor und
Einelektroneakzeptor dienen
kann innerhalb der Lipiddoppelschicht frei diffundieren und
Reduktionsäquivalente zwischen anderen weniger beweglichen
Elektronencarriern transportieren
e-
e-
e-
e-
Elektronenakzeptoren: Cytochrome
Komponenten der Atmungskette
Unterschiedliche Häm-Gruppen:
Häm A (in
Cytochromen
vom a-Typ)
Isopren
B-Typ: bL und bH
(im Cytochrom b)
C-Typ
(im Cytochrom C)
Häm C (in Cytochrom c)
Eisen-Protoporphyrin (in
Cytochromen vom b-Typ)
Cytochrome Typ a und b: integrale Membranproteine
Cytochrom c: lösliches Protein; über elektrostatische
Wechselwirkungen mit äußerer Oberfläche der inneren
Mitochondrienmembran verbunden
Komponenten der Atmungskette
Eisen-Schwefel (Fe-S)-Cluster
4-S-Koordination
durch Cystein
2Fe-2S-Typ
2 anorganische
Sulfidgruppen
4 Cys
Atmungskette
Anordnung von Elektronencarrier in definierter Serie
4Fe-4S-Typ
4 anorganische
Sulfidgruppen
4Cys
Das Eisen in diesen Clustern kann reversibel von Fe2+ zu Fe3+
oxidiert werden und dient daher als Elektronenüberträger
Erster Schritt der Atmungskette
Komplex I + II
-Komplex I (NADH-Q-Oxidoreduktase: Komplex aus 42 Untereinheiten)
NADH + Q + 5H+ (Matrix)
NAD+ + QH2 +4H+ (Cytosol)
NADH
NAD+
Übertragung von
Elektronen vom NADH
2e
auf die NADH-QFMN
Oxidoreduktase
6X4Fe-4S
Matrix
(N-Seite)
2e-
2H+
Q
P-Seite
4H+
QH2
Komponenten der Atmungskette
Komplex I
Komplex II
(keine Protonenpumpe)
[FADH2]
Succinat-DH
ist Komponente von
Komplex II
Atmungskette: Komplex I (NADH-Dehydrogenase-Komplex)
Über diesen Weg wird
auch FADH2 aus anderen
Stoffwechselwegen eingeschleusst.
Transport der Elektronen von NADH zu Ubichinon
Sehr großer Flavoprotein-Komplex, > 25 Polypeptide
Einbettung in innere Mitochondrienmembran
NADH + H+ + UQ
NAD+ + UQH2
Oxidiertes Ubichinon nimmt 1 Hydridion (H-) und ein H+ aus
umgebendem Wasser auf
Elektronentransport innerhalb des Komplexes:
Transport von zwei Elektronen von NADH zu FMN
Weitergabe an Proteine mit Fe-S-Zentrum (Komplex enthält
sieben Fe-S-Zentren)
Weitergabe der Elektronen an Ubichinon
Diffusion von Ubichinol (UQH2) von Komplex I zu Komplex III
Währenddessen Transport von Protonen aus Mitochondrienmatrix zur äußeren (cytosolischen) Seite der inneren
Mitochondrienmembran (in den Intermembranraum)
Atmungskette: Komplex II (Succinat-Dehydrogenase aus Citratcyclus)
membrangebunden
Übertragung der Elektronen von Succinat an Ubichinon
Enthält zwei unterschiedliche prosthetische Gruppen (kovalent
gebundenes FAD und Fe-S-Zentren) und mindestens vier
verschiedene Proteine
Elektronen von Succinat
Ubichinon
FAD
Fe-S-Zentren
Andere Proteine, die Elektronen an Ubichinon abgeben:
Acyl-CoA-Dehydrogenase (1. Stufe der Fettsäureoxidation)
FAD
ETFP (elektronenübertragendes Flavoprotein)
ETFP-Ubichinon-Oxidoreduktase (Fe-S)
Ubichinon
Atmungskette: Komplex II (Succinat-Dehydrogenase aus Citratcyclus)
Atmungskette: Komplex I und II
Weg der Elektronen
von NADH,
Succinat,
Fettsäureacyl-CoA
und Glycerin-3phosphat zu
Ubichinon (UQ)
Malat-Aspartat-Shuttle
?
Glycerin-3-phosphat-Shuttle