Atmungskette

Struktur der Mitochondrien

• Mitochondrien:
  • Doppelmembran-Organellen
  • Erzeugung von Energie für die Zelle in Form von Adenosintriphosphat (ATP)
  • Signalgeber mit Beteiligung bei der Zelldifferenzierung und dem Zelltod Zelltod Zellschäden und Zelltod
• Innere und äußere Mitochondrienmembran:
  • Struktur aus einer Phospholipid-Doppelschicht und Proteinen
  • Innere Mitochondrienmembran:
    • Beherbergung der ATP-Synthase und der Proteine Proteine Proteine und Peptide, die für die Reaktionen der Atmungskette notwendig sind
    • Vergrößerung der funktionalen Oberfläche der inneren Membran durch Cristae
    • Durchlässigkeit der inneren Membran exklusiv für O₂, CO₂ und H₂O.
  • Matrix: Raum, der von der inneren Membran umschlossen wird
    • Heimat wichtiger Proteine Proteine Proteine und Peptide: Enzyme Enzyme Grundlagen der Enzyme des Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels und des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes
    • Beherbergung der mitochondrialen DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA
    • Aufnahme von Adenosindiphosphat (ADP) und anorganischem Phosphat Phosphat Elektrolyte (P_i) in die Matrix, wenn neu synthetisiertes ATP heraustransportiert wird
  • Äußere Mitochondrienmembran: durchsetzt mit Porinen, die die Diffusion von Ionen und Metaboliten ermöglichen
    • Passage von Metaboliten wie ATP, ADP und Calciumionen (Ca²⁺) vermittelt durch Transportproteine:
      • Transit von Nukleotiden und Ionen durch spannungsabhängige Anionenkanäle
      • Erzeugung von Ionengradienten
    • Transport von Pyruvat Pyruvat Glykolyse, Fettsäuren Fettsäuren Fettsäuren und Lipide und Aminosäuren in die Matrix durch spezifische Transporter, zur Verwertung im Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels.
  • Intermembranraum: Raum zwischen der äußeren und inneren Membran
    • Zusammensetzung mit gleichen kleinen Molekülen wie das Zytosol Zytosol Die Zelle: Zytosol und Zytoskelett
    • Kontrollierter Raum mit verschiedenen größeren Proteinen, die durch die äußere Membran reguliert werden

Komplexe der Atmungskette

Komplex I

• NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase
• Übertragung von 2 Elektronen von NADH (Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid) auf Ubichinon
• Transport von 4 Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum

Komplex II

• Succinat-Dehydrogenase
• Übertragung von 2 Elektronen von FADH (Flavin-Adenin-Dinukleotid) auf Ubichinon
• Kein Transport von Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum

Komplex III

• Ubichinol:Cytochrom-c-Oxidoreduktase
• Transport von 4 Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum
• Hemmung des Komplexes durch Dimercaprol

Komplex IV

• Cytochrom-c-Oxidase
• Übertragung von 4 Elektronen auf O₂ und dessen Reduktion zu 2 Molekülen H₂O.
• Transport von 2 Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum

Elektronentransport

• Innere Mitochondrienmembran:
  • Undurchlässigkeit für Moleküle und Ionen wie Wasserstoffionen (H⁺)
  • Trennung der Stoffwechselwege des Zytosols und der mitochondrialen Matrix
  • Aufnahme der reduzierten Cofaktoren aus den katabolen Stoffwechselwegen der verschiedenen Zellkompartimente
  • Beherbergung der Atmungskette und der ATP-Synthase
• Mitochondriale Matrix (beherbergt):
  • Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
  • Enzyme Enzyme Grundlagen der Enzyme des Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels
  • β-Oxidation
  • Anderer Stoffwechselwege, die am Aminosäure-Abbau beteiligt sind
• Kopplung des Transportes von Elektronen an den von Protonen

Oxidative Phosphorylierung

• Die Atmungskette und die oxidative Phosphorylierung stehen über den Protonengradienten miteinander in Verbindung.
• Die ATP-Synthase nutzt den Protonengradienten, um ATP zu erzeugen:
  • Funktion der ATP-Synthase als Ionenkanal für Protonen, die in die mitochondriale Matrix zurückfließen
  • Erzeugung von Energie durch den Fluss von Protonen, die zur ATP-Synthese verwendet wird
• Möglichkeiten, ATP zu generieren: Glykolyse Glykolyse Glykolyse
  • Produktion von 2 ATP während der Glykolyse Glykolyse Glykolyse
  • Reduktion von 2 NAD⁺ zu NADH
  • Umwandlung von 2 Pyruvat Pyruvat Glykolyse in 2 Acetyl-CoA Acetyl-CoA Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels (Acetyl-Coenzym A) durch die Pyruvat-Dehydrogenase mit Produktion von jeweils 1 NADH
  • Eintritt von 2 Acetyl-CoA Acetyl-CoA Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels in den Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels, Kodensation mit Oxalacetat Oxalacetat Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels und Bildung von:
    • 2 Guanosintriphosphat (GTP), die in 2 ATP umgewandelt werden
    • 6 NADH
    • 2 FADH₂
• Die Atmungskette ist entscheidend für den Aufbau des Protonengradienten:
  • Eintritt und Reoxidation von NADH in die Atmungskette an Komplex I mit Weitergabe der Elektronen an Ubichinon
  • Übertragung der Elektronen von Ubichinon auf Cytochrom c durch Komplex III
  • Übertragung der Elektronen von Cytochrom C auf O₂ durch Komplex IV
  • Transport von jeweils 4 Protonen in den Intermembranraum durch Komplex I und Komplex III sowie von 2 Protonen durch Komplex IV pro Elektronenpaar
  • Transport von somit insgesamt 60 Protonen in den Intermembranraum mithilfe der 6 NADH aus dem Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels
• Es entstehen 2 ATP während der Glykolyse Glykolyse Glykolyse und 2 weitere im Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels.

Regulation der oxidativen Phosphorylierung

• Wichtige Regulationsmechanismen steuern die Geschwindigkeit der Glykolyse Glykolyse Glykolyse, des Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels, des Pyruvatabbau und der oxidativen Phosphorylierung anhand der relativen Konzentrationen folgender Moleküle:
  • ATP
  • ADP
  • AMP (Adenosinmonophosphat)
  • NADH
• Glykolyse Glykolyse Glykolyse, Fettsäureabbau und Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels stellen die primären Quellen für Elektronen dar, die in die Atmungskette eintreten.
• Die Regulation der Glykolyse Glykolyse Glykolyse und des Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels wird mit dem Bedarf an ATP aus der oxidativen Phosphorylierung koordiniert.
• Die oxidative Phosphorylierung wird durch den zellulären Energiebedarf reguliert:
  • Bestimmung des Energiestatus einer Zelle anhand von intrazellulärem ADP und ATP
  • Gewährleistung einer ausreichenden Versorgung der Atmungskette mit Elektronen durch die Regulierung der Schrittmacher-Enzyme der Glykolyse Glykolyse Glykolyse und des Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels:
    • Phosphofructokinase (PFK)
    • Pyruvat-Dehydrogenase
    • Citrat-Synthase
    • Isocitrat-Dehydrogenase (IDH)
    • α-Ketoglutarat-Dehydrogenase
• Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels und Glykolyse Glykolyse Glykolyse kommunizieren durch Citrat miteinander, das einen hemmenden Effekt auf die Glykolyse Glykolyse Glykolyse hat:
  • Hemmung der Oxidation von Pyruvat Pyruvat Glykolyse zu Acetyl-CoA Acetyl-CoA Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels durch erhöhte NADH- und Acetyl-CoA-Spiegel
  • Hemmung der Dehydrogenase-Reaktionen des Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels durch erhöhte NADH-Spiegel
• Ein weiterer wichtiger regulatorischer Effekt ist die Hemmung der PFK durch Citrat:
  • Anstieg der ATP- und Abfall der ADP-Spiegel, wenn der ATP-Bedarf der Zelle abnimmt
  • Hemmung des Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels, da ADP die Isocitrat-Dehydrogenase aktiviert und ATP die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase hemmt
  • Anstieg der Citratkonzentration durch Hemmung des Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels
  • Übertritt von Citrat aus den Mitochondrien ins Zytosol Zytosol Die Zelle: Zytosol und Zytoskelett und somit Hemmung der PFK und des Kohlenhydratabbaus