- Zellatmung: Elektronenmotorische Kraft aus Citratzyklus wird in protonenmotorische Kraft umgewandelt, die schließlich in ein Phosphorylgruppenübertragungspotenzial (ATP) überführt wird
1. Citratzyklus – stellt energiereiche Elektronen in Form von NADH und FADH2 zur Verfügung, in der Mitochondrienmatrix –
2. Diese Reduzieren Sauerstoff und erzeugen einen Elektronengradienten in der Elektronentransportkette welcher
3. Zur ATP-Synthese genutzt werden kann → Schritt 2. Und 3. Stellen die oxidative Phosphorylierung dar, beide laufen in der Mitochondrienmembran ab
- Oxidative Phosphorylierung /Atmungskette: Kopplung der Oxidation und ATP-Synthese über transmembrane Protonenflüsse, Elektronen fließen durch 4 Protonenkomplexe von NADH und FADH2 und reduzieren schließlich Wasser, 3 dieser Komplexe pumpen Protonen aus den Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum, diese Strömen durch die ATP-Synthase zurück in die Matrix und treiben somit die Synthese an
Nenne die 4 komplexe der Elektronentransportkette in der Mitochondrienmembran.
Komplex I: NADH-Q-Oxidoreduktase - e- wird auf Ubichinon übertragen
Komplex II: Succinat-Q-Reduktase - keine Elektronenübertragung! (enthält Succinat-Dehydrogenase, die im Citratzyklus FADH2 bildet)
Komplex III: Q-Cytochrom-c-Oxidoreduktase - e- wird auf Cytochrom c übertragen
Komplex IV: Cytochrom-c-Oxidase - e- wird auf Wasser übertragen
→ Abnahme der Energie während der Übertragung von NADH / FADH2 – Ubichinon (Q) – Cytochrom c – Wasser, je weiter die Elektronen in der Atmungskette transportiert werden, desto höher ist die Elektronenaffinität der Komponenten
-> Elektronentransport pro Elektronenpaar: System I – 4 Protonen, System III – 2 Protonen, System IV – 4 Protonen
Wie könnte man die Elektronentransportkette in einer Reaktionsgleichung zusammenfassen?
NADH + ½ O2 + H+ <—> H2O + NAD+
mit dG0‘ = - 220,1 kJ/mol
Wie lauten die Reaktionsgleichungen der einzelnen Komplexe?
Reaktionsgleichung Komplex I, NADH: Q-Oxidoreduktase:
NADH + Q + 5 H+ Matrix → NAD+ + QH2 + 4 H+ Cytoplasma
Reaktionsgleichung Komplex III, Q-Cytochrom-c-Oxidoreduktase:
QH2 + 2 Cyt cox + 2 H+ Matrix → Q + 2 Cyt cred + 4 H+ Cytoplasma
Reaktionsgleichung Komplex IV, Cytochrom-c-Oxidase:
4 Cyt cred + 8 H+ Matrix + O2 → 4 Cyt cox + 2 H2O + 4 H+ Cytoplasma
Was sind die Cofaktoren (Prosthetischen Gruppen) des Enzymkomplex I sowie dessen Oxidations- & Reduktionsschritte ?
I. NADH:Q-Oxidoreduktase - Cofaktoren: FMN (Flavinmononucleotid), Fe-S, :
e- von NADH Donor auf FMN Akzeptor übertragen -> FMNH2 (Oxidation, NADH Reduktionsmittel)
e- von Donor FMNH2 auf Fe-S Cluster übertragen
e- vom Fe-S Cluster auf Akzeptor Coenzym Q übertragen
Durch Elektronenfluss 4 H+ aus Matrix gepumpt
Q nimmt 2 H+ auf -> Ubiquinol (QH2) verlässt Komplex I
Was sind die Cofaktoren (Prosthetischen Gruppen) des Enzymkomplex II sowie dessen Oxidations- & Reduktionsschritte ?
II. Succinat:Q-Reduktase - Cofaktoren: FAD, Fe-S
Übertragung von e- von Succinat über FAD & Fe-S auf Q -> Ubiquinol (QH2)
Was sind die Cofaktoren (Prosthetischen Gruppen) des Enzymkomplex III sowie dessen Oxidations- & Reduktionsschritte ?
III. Q:Cytochrom-c-Oxidoreduktase, Cofaktoren: Häm b,c1, Fe-S
Elektronenübertragung von QH2 in der Membran auf das oxidierte Cytochrom c im IM-raum -> Cytochrom c wird reduziert
Pro e- Paar 4 H+ n den IM-raum (Nettotransport aus Matrix 2 H+)
Was sind die Cofaktoren (Prosthetischen Gruppen) des Enzymkomplex IV sowie dessen Oxidations- & Reduktionsschritte ?
IV. Cytochrom-c-Oxidase, Cofaktoren: Häm a,a3, CuA & CuB
2 Cytochrom c übertragen e- nacheinender, Cub & Häm a3 Reduktion
Reduziertes CuB und Fe in Häm a3 bindet O2 -> Peroxidbrücke
2 weitere e- addiert -> Protonen spalten Peroxidbrücke
Addition 2 H+ -> Freisetzung Wasser
Übungsblatt 1 c:
1. Über welche Schritte wird das Elektronenübertragungspotenzial des FADH in das Phosphorylgruppenübertragungspotenzial des ATP umgewandelt?
Elektronenfluss über Komplex II > Komplex III > Komplex IV
Aufbau eines Protonengradienten (Komplex III & IV)
Protonenmotorische Kraft (Chem. & elektronischer Gradient)
ATP Synthase (Protonenrückluss aus IM -> Matrix)
2 FADH2 liefern jeweils 1,5 ATP, Elektronen an die Atmungskette
2. Worauf beruht die protonenmotorische Kraft bei der oxidativen Phosphorylierung?
chemischer Gradient (DpH) und elektronischer Gradient (Dy)
ungleiche Verteilung der Protonen bilden pH-Gradient & Membranpotential -> protonenmotorische Kraft
3. Wie können reaktive Sauerstoffverbindungen in der Zelle unschädlich gemacht werden? Erklären Sie zwei Möglichkeiten.
Glutathion Peroxidase - Umwandlung reaktive Sauerstoffspezies in inaktive
Glutathion-Peroxidase
2 GSH + RO-OH <-> GSSG + H2O+ ROH
Glutathion-Reduktase
Superoxid-Dismutase
Extra: Katalase und als Antioxidantien wirkende Vitamine E und C
4. Wie groß ist die maximale Ausbeute an cytoplasmatischem ATP, wenn Pyruvat vollständig zu CO2 oxidiert wird? Begründung!
Pro Glucose-Molekül Nettoausbeute: 12,5 Moleküle cytoplasmatisches ATP
wenn ein Elektronenpaar von NADH zu O2 fliesst werden 2,5 Moleküle cytoplasmatisches ATP synthetisiert; bei FADH2 werden 1,5 Moleküle ATP synthetisiert
—> Bei Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex pro Pyruvat 1 NADH = 2,5 ATP
—> im Citratzyklus werden pro Pyruvat 3 NADH, 1 FADH2 und 1 GTP gebildet = 9 ATP + 1 GTP
Die Bildung von NADH in der Glykolyse führt erst zur Pyruvat Bildung zählt in die gefragt Ausbeute also nicht hinein, es wären zusätzlich 1,5 ATP (NADH Transport über Glycerin-3-phosphat-Shuttle in Mitochondrien)
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