06. oxidative Phosphorylierung

• Elektronentransportkette, Phosphorylierung von ADP mit Hilfe eines Protonengradienten

• läuft im Mitochondrium ab

• ein Mann mit 70 kg brauch 83 kg ATP pro Tag

• der Menschliche Körper hat ca. 250 g ATP, jedes Molekül wird am Tag ca. 300 mal umgesetzt

• Elektronentransportkettefindet auf der inneren Membran statt

• Porinkomplexe ermögleichen Austausch niedermolekularer Substanzen

• ca. so groß wie ein Bakterium (Endosymbiontentheorie)

• Redoxreaktionen von NADH und FADH2

  —> Übertragung von Elektronen auf Sauerstoff

  —> Elektronen werden durch die Elektronentransportkette zum Herstellen des Protonengradientens genutzt

• die Oxidation und die ATP Synthese sind über transmembranale Protonenflüsse gekoppelt

• Elektronen von NADH und FADH2 fließen durch vier Proteinkomlexe und reduzieren schließlich Sauerstoff zu Wasser

• Protonen werden auf die Außenseite der Membran gepumpt und treiben beim Rückfluss eine ATP-Synthase an

• durch ein Shuttle System

• wichtig in den Muskeln, da es zur aufrechterhaltung der schnellen Phosphorylierung beiträgt

• NADH kann nicht einfach in die Membran eindringen (impermeabel)

1. Gylcerin-3-phosphat-Shuttle

2. Malat-Shuttle

• durch die ATP-ADP-Translokase

• besteht aus 3 Untereinheiten, ist ein Antiporter

• enthält ein einzelnes nucleotidbindendes Zentrum

• ADP kommt nur in die Matrix wenn ATP austritt und umgekehrt

• Konformantionsänderung durch Substratbindung

• braucht Energie und zieht diese aus dem Protonengradienten, nutzt ca 1/4 der Energie, die durch den Protonengradienten entsteht

1. NADH-Q-Oxidoreduktase (Komplex I)

   —> 46 UE

   —> prosthetische Gruppe : FMN, FE-S

2. Succinat-Q-Reduktase (Komplex II)

   —> 4 UE

   —> prosthetische Gruppe: FAD, FE-S

3. Q-Cytochrom-c-Oxireduktase (Komplex III)

   —> 11 UE

   —> prosthetische Gruppe: Häm bH, Häm bL, Häm c1 und FE-S

4. Cytochrom-c-Oxidase (Komplex IV)

   —> 13 UE

   —> Häm a, Häm a3, CuA und CuB

—> die Komplexe haben unterschiedliche Affinität zu den Elektronen (zunehmend)

—> drei Protonenpumpen (1,3,4)

—> eine Verbindung zum Citratzyklus (2)

• die Elektronen von NADH und FADH2 fließen durch die Atmungskette, wodurch Protonenpumpen angetrieben werden und O2 reduziert wird

• als Redoxpotential —> Maß für das Elektronenübertragungspotential

• begünstigt, wenn >0

• das Redoxpotential nimmt von Komplex zu Komplex in der Elektronentransportkette zu

Die Elektronenaffinität der Komponenten erhöht sich, je weiter die Elektronen in der Atmungskette transportiert worden sind!!

• Die Elektronen werden über zwei freie träger und vier membrangebundene Multienzymkomlexe I bis IV mit steigendem redoxpotential aber sinkender Energie transportiert

• der Fluss der Elektronen über zwei freie Träger und vier Multientzymkomlexe folgt dem steigenden Redoxpotential der beteiligten Redoxzentren

• freie Träger:

  1. Coenzym Q (Ubichinon)

  2. Cytochrom c

1. diffundiert schnell innerhalb der Membran, da hydrophob

2. überträgt die Elektronen von NADH-Q-Oxireduktase auf die Q-Cytochrom-c-Oxidoreduktase

3. nimmt die Elektronen des im Citratzyklus entstandenen FADH2 auf und überträgt sie von der Succinat-Dehydrogenase auf den Q-Cytochrom-Oxireduktase Komplex

—> Q-Pool: gemisch von Q und QH2 im Membran-inneren

Oxidationsstufen:

• die Reduktion von Ubichinon (Q) zu Ubichinol (QH2) verläuft über ein intermediäres Semichinonradikal-anion (Q-)

• kleines, lösliches Protein, dass Elektronen von der Q-Cytochrom-c-Oxidoreduktase aud die Cytochrom-c-Oxidase überträgt

• elektonenübertragendes Protein mit einem Häm als prostethische Gruppe

• wechseln bei Elektronentransport zwischen Ferro (2+) und Ferri-Form (3+)

• NADH-Q-Oxidoreduktase, nimmt die Elektronen des NADH auf

  —> NADH muss nicht nur vom Citratzyklus kommen, kann auch vom Fettabbau kommen

• pro NADH werden 4 H+ in den Intermembranraum gepumpt und 1 Coenzym Q zu QH2 reduziert (Protonenpumpe)

• integraler Membrankomplex (Enzym) der inneren Mitochondrienmembran, der aber keine Protonenpumpe ist

  —> beinhaltet die Succinat-Q-Reduktase

• Reduziert Succinat zu Fumarat und nimmt die Elektronen von FADH2 auf, wenn es oxidiert wird

  —> es entsteht FAD und 2H+, diese beiden Protonen werden mit den beiden Elektronen auf Q übertragen

• Transportiert keine Protonen, weshalb aus FADH2 weniger ATP entsteht als aus NADH

• Protonenpumpe

  —> beinhaltet die Q-Cytochrom-c-Oxireductase

  —> Dimer aus 11 Polypeptidketten

• reduziert 2 Cytochrom c und QH2 zu Q, wodurch H+ in den Intermembranraum gelangen

  —> die Protonen von QH2 werden auf das Cytochrom c übertragen !

  —> netto werden 2 H+ in den Intermembranraum gepumpt

• besitzt mehrere Häm-Gruppen und ein Fe2S2 Zentrum

• Das Rieske Zentrum besizit eine Fe2S2 Gruppe, die durch Histidin Reste stabilisiert wird, sodass es leich Elektronen aufnehmen kann

Zwei Moleküle QH2 binden nacheinander an den Komplex, wobei jedes je 2 H+ und 2 e- abgibt

—>die Protonen gehen direkt in den Intermembranraum

1. das erste QH2, das den Q-Zyklus betritt bindet an die Q Bindungsstelle und seine Elektron wandert durch den Komplex zum Rieske und dann zum Cytockrom c

2. das andere Elektron wird auf das Q an einer anderen

   Bindungstelle übertragen, wodurch dieses zum Semichinonradikalanion wird

3. das nun vollständig oxidierte Q geht zurück in den Q-Pool

   —> der erste Halbzyklus ist abgeschlossen und es wurden 2 H+ gepumpt

4. das zweite QH2 bindet und reagiert wie das erste Molekül

5. das Semichininradikalanion, das jetzt 2e- gebunden hat nimmt nun 2 H+ aus der Matrix auf, wodurch es zu QH2 wird

   —> es wurden weitere 2 H+ in den Intermembranraum gepumpt und der Protonengradient wurde erweitert, weil zwei H+ aus der Matrix genommen wurden

—> es werden also zwei QH2 oxidiert und zwei Q gebildet und ein Q wird zu QH2 reduziert

—> das alles ist nötig, weil Cytochrom c immer nur ein e- aufnehmen kann

• katalysiert den Elektronentransport von Cytochrom c auf Sauerstoff als Endakzeptor (aerob!)

  —> es entsteht Wasser in der Matrix

  —> ist auch eine Protonenpumpe

• besteht aus 13 Polypeptidketten

• hat zwei Häm-Gruppen (Häm a und Häm a3-CuB)

  —> Häm a3-CuB reduziert Sauerstoff zu Wasser

• hat drei Kupferionen in zwei Kupferzentren

1. 2 Cytochrom c Moleküle übertragen e- nacheinander, um CuB und Häm a3 zu reduzieren

2. die reduzierten CuB und Fe in Häm a3 binden an Sauerstoff und bilden eine Peroxidbrücke aus

3. Addition von 2 weiteren e- durch Cytochrom c und 2 H+ spaltet die Peroxidbrücke

4. die Addition von zwei weiteren H+ führt zur Freisetzung von Wasser

   —> die vier H+ stammen aus der Matrix, was den Protonengradienten verstärkt

5. während des Mechanismus werden 4 H+ in den Intermembranraum gepumpt, hierfür wird die frei werdene Energie der Reaktionen genutzt

• der Protonengradient !

  —> protonenmotorische Kraft aus chemischen und elektischen Gradienten

  —> der Protonenfluss wird aber nicht zur Synthese genutzt sondern zur Freisetzung des ATP aus der Synthase

• die ATmungskette und die ATP Synthese sind grundsätzlich getrennte Prozesse, die über den Protonengradienten gekoppeöt sind

• wird durch die ATP Synthase katalysiert, auch Komplex V genannt

• besteht aus einer F0 und einer F1 einheit

  1. F0 = Rotor

     —> hydrophobes segment, bildet den Protonenkanal

     —> Ring aus 14 c-UE

  2. F1 = ATP Synthese (Stator)

     —> besitzt 5 Polypeptidketten

• 500 kDA groß

• Konformationsänderungen werden in der 𝛃-UE durch Rotation der 𝛄-UE erzeugt

• besitzt drei 𝛃-UE, also auch drei katalytische Zentren

• die Protonenmotorische Kraft bewirkt, dass die UE nacheinander ihre Funktion verändern

1. Bindung von ADP + P (loose)

2. ATP Synthese (tight)

3. Freisetzung oder Aufnahme von ATP (open)

—> immer eine Drehung um 120°, immer O—>L—>T

• ein Proton tritt in den cytoplasmatischen Halbkanal ein, durchläuft eine vollständige Drehung des c-Ringes und tritt durch den anderen Halbkanal in Richtung Matrix aus

• bei Tieren findet diese Entkopplung in braunem Fettgewebe statt

• ein Entkopplungsprotein, das durch Fettsäuren aktiviert wird, die wiederum durch “Kältehormone“ freigesetzt werden, lässt die Protonen aus dem Intermembranraum direkt wieder in die Matrix strömen

• diese Energie, die sonst in ATP gespeichert wird, wird jetzt als Wärme frei und es wird kein ATP mehr synthetisiert

  —> zitterfreie Thermogenese

1. Inhibition der Elektronentransportkette durch Rotenon und Amytal, durch Antimycin A und Cyanid oder durch Azid und CO

2. Inhibition der ATP Synthase durch Oligomycin und durch Dicyclohexylcarbodiimid, die den EInstrom von Protonen stören

3. Entkopplung des Elektronentransports von der ATP Synthese durch 2,4-Dinitrophenol und änliche aromatische Verbindungen. Diese befördern Protonen durch die Mitochondrienmembran und heben damit die protonenmotorische Kraft auf. Die Energie wird als Wärme frei

4. Inhibition des ATP Exports durch Hemmung der ATP/ADP Translokase durch Atractylosid oder Bongkreksäure