Wasserstoffatom-Überträger mit Flavin

• Flavinmononukleotid (FMN)

  • in Komplex I

• Flavinadenindinukleotid (FAD)

  • in Komplex II

Komplex I

• DH mit FMN

• viele FeS-Cluster und Ubichinon als Elektronenakzeptor

Komplex II

• Succinat:Q-Oxidoreduktase

• mit Succinat-DH aus Citratzyklus

Komplex III

• Ubichinon/Cytochrom c-Reduktase

• FeS-Cluster und Häm-Gruppen

Komplex IV

• Cytochromoxidase

• Hämgruppen und Kupferzentren

• übertragen Elektronen auf O2

Cytochrom c

• löslicher Elektronencarrier

Statisch

• αβ

• b

• a

• δ

rotierend

• γ

• ε

• c

• Drehung von ε und γ führt zu Konformationsänderung beim αβ-Hexamer

  • ATP-Synthese

• Komplex I: NADH-Dehydrogenase

  • übertragen 2 Elektronen des NADH über FMN auf Ubichinon

  • dabei werden Protonen in den Intermembranraum gepumpt

• Komplex II: Succinat-Q-Oxidoreduktase

  • bildet FADH2 im Citratzyklus

  • überträgt Elektronen von FADH2 über FES-Cluster und Häm-Gruppe auf Ubichinon

• Komplex III: Cytochrom-Reduktase

  • nutzen Elektronen vom reduzierten Ubichinon (Ubichinol) um Protonen in den Intermembranraum zu pumpen und diese auf Cytochrom c zu übertragen

• Komplex IV: Cytochrom-c-Oxidase

  • Elektronen des reduzierten Cytochrom c werden auf Sauerstoff übertragen

  • dabei Protonen in den Intermembranraum gepumpt

• ATPase

  • nutzt die Energie des Protonengradienten zur Synthese von ATP aus ADP und P

Wasserlöslicher Kopfteil: F1

• 5 UE:

• Hexamer mit ATPase-Aktivität: (αβ)3

  • strukturell homolog, aber nur β katalytisch aktiv

• Rotor: γ + ε

  • γ verbindet F0 und F1

• δ

membrangebundener, hydrophober Teil: F0

• Rotor aus unterschiedlich vielen c-UE (artspezifisch)

• ein a

  • Kontakt zu c-Ring

• 2 b

  • stabilisiert Kopf und Anker

• lösen sich durch Mg2+-Entzug voneinander

• FMN

  • Komplex I

• FAD

  • Komplex II

• Fe-S-Zentren (an Cystein gebunden)

  • Komplex I

  • Komplex III

• Chinone: Ubichinon

  • in Membran

• Cytochrome (Redoxsysteme mit Pyrrholringen mit Häm)

  • gelöst

Fakultativ: nicht zwingend

• können auch anaerob

• Wechseln Stoffwechsel

Obligat: zwingend

• obligat anaerob: Gärer

• Protonengradient: im Intermembranraum hoch

• 4 Komponente:

Komplex I: NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase

• NADH, FMN, FeS-Cluster, Ubichinon

• 2 Protonen (Netto, 2 auch auf Q)

Komplex II: Succinat:Ubichinon-Oxidoreduktase

• FAD, FeE-Cluster, Hämgruppe, Ubichinon

Komplex III: Ubichinol:Cytochrom c-Oxidoreduktase

• Ubichinol, Hämgruppen, FeS-Cluster, Cyt c,

• 4 Protonen gepumpt

• Q-Zyklus

Komplex IV: Cytochrom c:O2-Oxidoreduktase

• Cyt c, Hämgruppen, Kupferzentren, O2

• 4 Protonen gepumpt

Komplex V: F1F0-ATP-Synthese

• Protonengradient: Protonen außerhalb Cytoplasmamembran

1. NADH-DH I

   • FMN

   • pumpt netto 4 Protonen

   • Reduziert Ubichinon

2. Quinoloxidase cytbo3

   • oxidiert Ubichinol, reduziert Sauerstoff

   • Pumpt 2 Protonen + 2 von Ubichinol

   • Unter oxischen Bedingungen hauptsächlich vorhanden

   • Mit Cytochrom bo

1. NADH-DH II

   • FAD

   • keine Protonenpumpe, dafür schneller (?)

   • Reduziert Ubichinon

2. Quinoloxidase cytbd3

   • oxidiert Ubichinon: pumpt 2 Protonen

   • Keine Protonenpumpe

   • Reduziert Sauerstoff

   • Cytochrom bd

   • Vorhanden unter mikrooxischen Konditionen (höhere Affinität)

• keine Cyt c-Oxidase ua

• oxidiert Cyt c

• Reduziert Sauerstoff (terminale Oxidase)

• Protonenpumpe

• Bei E. Coli durch Quinoloxidase als terminale Oxidase ersetzt

• Oxidase-Test:

  • TMPD (Tetramethyl-p-phenylenediamin Dihydrochlorid) reduziert Cyt c

  • Cyt c kann durch Cytochrom-Oxidase oxidiert werden, was wiederum Sauerstoff reduziert

  • Oxidiertes TMPD ist pink

    • Oxidase vorhanden: Pink!

Alternative Atmungsketten

• E. coli besitzt keine Cytochrom c-Oxidase:

• Quinoloxidase als terminale Oxidase

• bei Sauerstoffmangel: alternative Oxidase (cyt bd-Typ)

  • nicht energiekonservierend

  • Höhere Sauerstoffaffinität

Bei Sauerstoffmangel besitzt die Quinoloxidase cytbo3 eine höhere Affinität für Sauerstoff

• teilweise in Membran verankert

  • F1 innerhalb Cytoplasma

  • F0 in Membranen

• Ionen-/Protonengradient treibt Drehung des Rotors durch Bindung an c-UE an

• ADP bindet an aktives Zentrum in beta-UE

• Drehung des Rotors führt zur Konformationsänderung der beta-UE:

  • 1. Bindung ADP + Pi

  • 2. Bindung zu ATP katalysiert

  • 3. ATP freigesetzt

• Auch reversibel möglich

Rotor:

• artspezifische Anzahl an c-UE

• gamma-UE

• epsilon-UE

Stator:

• a-UE

• 2 b-UE

• delta-UE

• Jeweils 3 alpha- und beta-UE

• 1 volle Umdrehung des Rotors entspricht 3 ATP

• Anzahl an c-UE entspricht Anzahl benötigter Ionen für die Synthese von 3 ATP

Eukaryoten:

• Komplex I: NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase

• Komplex II: Succinat:Ubichinon-Oxidoreduktase

• Komplex III: Ubichinol:Cyt c-Oxidoreduktase

• Komplex VI: Cyt c:O2-Oxidoreduktase

• Komplex V: ATPase (ATP-Synthase)

Mindestens:

• Ionentranslozierendes Enzym

• terminale Oxidase

• ATPase

Fakultativ anaerob

Glykolyse:

Glc + 2 NAD+ -> 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH

Pyruvatoxidation:

2 Pyruvat + 2 NAD+ -> 2 Acetyl-CoA + 2 NADH + 2 CO2

TCC:

2 Acetyl-CoA + 6 NAD+ + 2 FAD+ + 2 GDP/ADP + Pi -> 4 CO2 + 6 NADH + 2 FADH2 + 2 GTP/ATP

insgesamt:

Glc -> 4 ATP + 10 NADH + 2 FADH + 6 CO2 + 6 H2O

1 Reduktionsäquivalente entspricht 2 ATP:

Glc -> 38ATP + 6 CO2 + 6 H2O