Atmung – Respiration

Atmung –
Respiration
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Atmung
Die oxidative Phosphorylierung ist der letzte Schritt
einer Serie von Energieumwandlungen, die insgesamt
als Zellatmung oder einfach Atmung (Respiration)
bezeichnet werden
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Zellatmung (Übersicht)
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Oxidative Phosphorylierung
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Oxidative Phosphorylierung
• NADH und FADH2 sind energiereiche Moleküle, da sie
jeweils ein e--Paar mit hohem Übertragungspotential
besitzen
• Wenn diese Elektronen zur Reduktion von molekularem
Sauerstoff zu Wasser benutzt werden, wird sehr viel
Energie frei, die zur ATP-Erzeugung verwendet werden
kann.
• Dieser Prozess wird als oxidative Phosphorylierung
bezeichnet; er liefert ATP, wenn Elektronen von NADH oder
FADH2 über eine Reihe von Elektronen-Carriern auf O2
übertragen werden.
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Prinzip der oxidativen
Phosphorylierung
Die oxidative Phosphorylierung ist im Konzept einfach, im
Mechanismus jedoch komplex.
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Nochmals Mitochondrien
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Elektrochemische Zelle:
Redoxpotenziale
X–
X + e–
H+ + e–
0.5 H2
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Thermodynamik
• Gibbsenergie unter Nicht-Standarbedingungen
 ∆rGº = – R T lnK
∆rG : Gibbsenergie, freie Energie
T : absolute Temperatur
K : Gleichgewichtskonstante
R : allgemeine Gaskonstante (8.314 J K-1 mol-1)
Q : Reaktionsquotient
 rG '  rG  '  RT ln Q
  rG
'
 aP    aQ 
 RT ln


 aA    aB 
P
Q
A
B


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Nernst-Gleichung
•
 r G  nF E
n : Anzahl Elektronen
F : Faraday-Konstante (96484 C mol-1)
R : allgemeine Gaskonstante (8.314 J K-1 mol-1)
RT
0.059 V
'
E  E 
ln Q  E 
log Q
nF
n
'
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Redoxreaktionen
Aox + 2e-
Ared
Normalpotential:
E'0; A ox + 2e-/Ared oder Aox/Ared
Redoxreaktion:
Aox + Bred
Ared + Box
E'0 = E'0(Aox/Ared ) – E'0(Box /Bred )
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Halbreaktionen
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Übung
Reduziertes NADH wird mit Sauerstoff als terminalem
Elektronenakzeptor während der oxidativen Phosphorylierung
oxidiert. Wie gross ist  rG  ' dieser Reaktion?
F = 96485 J mol-1 V-1
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Energie des Protonengradienten
c2
c2
 trsG  RT ln  ZF V  2.303RT log  ZF V
c1
c1
Z ist die elektrische Ladung des Moleküls
F = 96485 J mol-1 V-1
∆V ist das Membranpotential, ca. 0.14 V
Für die innere Mitochondrienmembran gilt:
pH aussen ist 1.4 Einheiten niedriger als innen,
d.h. log(c2 / c1) = 1.4
∆trsG für die Translokation von Protonen aus der Matrix
ins Cytosol beträgt +21.8 kJmolH-1 .
+
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Elektronenübertragende Gruppen
• Die elektronenübertragenden Gruppen in den
Proteinen der Elektronentransportkette
bestehen aus:
Flavinen, Eisen-Schwefel-Clustern,
Chinonen, Hämgruppen und Kupferionen
• Die Reduktionspotenziale werden durch
spezifische Komplexierung und die
Proteinumgebung moduliert.
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Wie werden Elektronen
übertragen?
• Elektronen können sich durch den Raum
bewegen, jedoch fällt die Geschwindigkeit des
Transfers ab, je weiter Donor und Akzeptor
entfernt sind
• Abnahme um einen Faktor 10 pro 0.17 nm
• 1013 s-1 bei Kontakt, 104 s-1 in einem für Proteine
typischen Abstand von Donor und Akzeptor
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Elektronenübertragungsraten
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Atmungskette
Komplex I
Die Atmungskette besteht aus
vier Komplexen:
3 Protonenpumpen
1 direkte Verbindung zum
Citratzklus
Komplex II
Komplex III
Komplex IV
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Atmungskette
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Atmungskette
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Komponenten der mitochondrialen
Elektrontransportkette
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Oxidationsstufen von Chinonen
Ubichinon
Ubichinol
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Komplex I: NADH-Q-Oxidoreduktase
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Komplex I
NADH-Q-Oxidoreduktase (NADH-Dehydrogenase):
NADH  Q  5H

Matrix

 NAD  QH 2  4H

Cytosol
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Komplex II: Succinat-Q-Reduktase
Über Ubichinol treten Elektronen vom
FADH2 in die Atmungskette
Die Succinat-Dehydrogenase des Citratzyklus ist eine
Komponente des Succinat-Q-Reduktase-Komplexes
(Komplex II), ein integrales Membranprotein
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Komplex III: Die zweite Protonenpumpe
Q-Cytochrom c-Oxidoreduktase
QH 2  2Cyt cox  2 H

Matrix
 Q  2Cyt c red  4 H

Cytosol
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Struktur des QCytochrom C
OxidoreduktaseKomplexes (III)
Modulation des
Reduktionspotentials der
verschiedenen prosthetischen
Gruppen
Homodimer bestehend aus je 11
verschiedenen Polypeptidketten
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Der Q-Zyklus:
Transmembrantransport von Protonen
Übergang von zwei-Elektronen-Carriern
zu ein-Elektronen-Carrier
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Der letzte Schritt:
Oxidation von reduziertem Cytochrom c und
Reduktion von molekularem Sauerstoff zu Wasser
Komplex IV: Cytochrom c-Oxidase


4Cyt c red  8H Matrix
 O 2  4Cyt cox  2 H 2O + 4H Cytosol
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Cytochrom c
Oxidase
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Cytochrom C-Oxidase
Mechanismus 1
Blau: oxidiert
Rot: reduziert
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Cytochrom C-Oxidase
Mechanismus 2
32
33
Es werden zusätzlich
noch 4 Protonen
gepumpt


4Cyt c red  8H Matrix
 O 2  4Cyt cox  2 H 2O + 4H Cytosol
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Übung. Elektronentransport in einem Bakterium
Tabelle 1. Reduktionspotentiale der Elektronentransportkomponenten eines
Gram-negativen Bakteriums
oxidierte Form
(Oxidationsmittel)
reduzierte Form
(Reduktionsmittel)
n
E°’ (V)
Flavoprotein b (ox)
NAD+
Cytochrom a (+3)
Ferroprotein (ox)
Cytochrom c (ox)
Flavoprotein b (red)
NADH + H +
Cytochrom a (+2)
Ferroprotein (red)
Cytochrom c (red)
2
2
1
2
1
–0.22
–0.32
+0.22
+0.62
+0.35
E°’ ist das Standard-Reduktions-Potential bei pH 7.0 und n die Anzahl der übertragenen Elektronen
Die Analyse des Elektronentransports in einem Gram-negativen Bakterium zeigte, dass fünf Elektronentransportkomponenten an der
Elektronentransportkette beteiligt sind. Die Standard-Reduktions-Potentiale dieser Komponenten sind in Tabelle 1 aufgeführt.
a) Bestimmen Sie die Sequenz der Elektronentransportkomponenten in dieser Elektronentransportkette.
b) Wie viele Moleküle ATP können unter Standardbedingungen höchstens gebildet werden, wenn ein Elektronenpaar die
Elektronentransportkette durchläuft?
c) Nehmen Sie an, dass das Bakterium mit Glucose als Substrat in einem aeroben Sediment gut wachsen kann. Mit der Zeit geht
der Sauerstoff zur Neige, jedoch ist im Sediment Nitrat im Überschuss vorhanden. Kann das Bakterium mit der oben
beschriebenen Elektronentransport-kette unter denitrifizierenden Bedingungen weiter wachsen? Erklären Sie Ihre Antwort.
Hilfsgrössen:
F = 96.5 kJ mol -1 V-1
G°’ für die Bildung von ATP: 30.5 kJ mol -1
NO3– + 2 H+ + 2e–  NO2– + H2O; E°’ = 0.42 V
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Gefahr bei der Reduktion von
Sauerstoff
SuperoxidAnion
PeroxidDianion
Superoxid, Wasserstoffperoxid und andere
daraus erzeugte Verbindungen wie HO• werden als reaktive Sauerstoffverbindungen
(reactive oxygen species, ROS) bezeichnet.
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Superoxid-Dismutase
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Katalase
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Chemiosmotische Hypothese
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ATP-Synthase
Protonenleitende Einheit F0
Zusammensetzung:
c-Ring, a und b
Katalytische Einheit F1
Zusammensetzung:

Rotor: c-Ring und -Stiel
Stator: Rest des Moleküls
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ATP-Synthese: Mechanismus
des Bindungswechsels
ATP entsteht im Enzym ohne protonenmotorische Kraft,
wird aber nicht freigesetzt.
Die Funktion des Protonengradienten ist nicht die ATPBildung, sondern seine Freisetzung von der Synthase.
Daher Vorschlag: Mechanismus des Bindunswechsels
Änderungen in den Eigenschaften der drei -Untereinheiten erlauben die aufeinander folgende ADP- und PiBindung, ATP-Synthese und ATP-Freisetzung.
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Unterschiedliche Bidungsstellen
loose
open
tight
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Mechanismus des
Bindungswechsels
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ATP-Synthase
Protonenleitende Einheit F0
Zusammensetzung:
c-Ring, a und b
Katalytische Einheit F1
Zusammensetzung:

Rotor: c-Ring und -Stiel
Stator: Rest des Moleküls
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Direkte Beobachtung der Rotation
fluoreszenezmarkiert
His-Tags,
haben Affinität zu
Nickelionen
Nickel-Beschichtung
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Bestandteile der
Protonenleitenden
Einheit
Protonenhalbkanäle
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Protonenbewegung treibt die
Rotation
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Der Weg der Protonen
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Stöchiometrie
Die Anzahl der c-Untereinheiten scheint zwischen 10
und 14 zu schwanken. Diese Anzahl ist wichtig, da
eine 360º Drehung zur Synthese und Freisetzung von
3 Molekülen ATP führt (mitochondriale ATP-Synthase
aus Hefe enthält 10 Untereinheiten).
3 bis 4 Protonen pro ATP
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ShuttleSysteme für den
Transport durch
mitochondriale Membranen
Die innere Mitochondrienmembran muss für die meisten
Moleküle impermeabel sein. Trotzdem muss ein
geregelter Austausch von Molekülen möglich sein
membrandurchquerende Transportproteine
und Shuttle-Systeme
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ATP-ADP-Translokation
Wird durch das Membranpotential angetrieben
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Nochmals Stöchiometrie
• Beste Abschätzungen für Protonenzahl, die pro
Elektronenpaar gepumpt werden bei:
NADH-Q-Oxidoreduktase (Komplex I)
4
2
Q-Cyt-c-Oxidoreduktase (Komplex III)
Cytochrom-c-Oxidase (Komplex IV)
4
• Für ein ATP müssen ca. 3 H+ durch die ATPase fliessen
• Ein H+ wird gebraucht um ATP ins Cytosol zu
transportieren
• D.h. ca. 2.5 cytosolisches ATP pro NADH (2 e-)
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ATPAusbeute für
Oxidation der
Glucose:
ca. 30 ATP
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Acyl-CoA-Dehydrogenase
Acyl-CoA + E-FAD
trans-∆2-Enoyl-CoA + E-FADH2
Aus dem FADH2, das aus dieser
Dehydrogenierung entsteht werden 1.5 ATP
erzeugt, wie das auch der Fall ist bei der
Oxidation von Succinat zu Fumarat
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Entkoppler der oxidativen
Phosphorylierung
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Protonengradienten als
umwandelbare Form von
Gibbsenergie
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