Glykolyse!
Pyruvat-!
dehydrogenase!
Citronensäure-!
Zyklus!
!
Indirekte ATP synthese!
Protonen können in wässriger Lösung sehr!
schnell transportiert werden.!
Ionen können biologische Membranen nicht spontan durchqueren !
Der mitochondriale Elektronentransfer durch die Atmungskette pumpt Protonen von der Matrix auf die cytosolischen Seite. Der dadurch
aufgebaute pH-Gradient liefert Protonen-getriebene Kraft. !
Spezifische Membran-Transportsysteme
!1) Kanalbildner: Hiermit wird ein durchgängiger Kanal gebildet, !
!durch den die Moleküle ihrem Konzentrationsgradienten folgend !
!frei über die Membran diffundieren können.!
!
2) Carrier: Selektive Bindung an den Carrier von einer Membranseite,!
!Diffusion zur anderen Membranseite, abdissozieren zu dieser Seite,!
!Rückdiffusion des leeren Carriers.!
Mitochondrium!
Die äussere mitochondriale Membran enthält Porine, !
die die freie Diffusion von bis zu 10kDa grossen Molekülen ! erlauben. Die Protonen können daher mit dem Cytoplasma!
frei austauschen.!
Die oxidative Phosphorylierung und ATP-Synthese werden
über einen transmembranen Protonengradienten gekoppelt. !
Der Elektronentransport erzeugt einen elektrochemischen Protonengradienten ! über die innere mitochondriale Membran. Die Elektronen werden über !
drei Proteinkomplexe, und durch das membrangelöste Coenzym Q und das ! periphere Membranprotein Cytochrom C übertragen.!
!
Die Proteinkomplexe pumpen ungefähr je 4 Protonen.!
Modell einer elektronentransport-gekoppelten Protonenpumpe
!In der oxidierten Form binden Elektronen auf der Matrixseite der Membran an Aminosäure-!
ketten. Reduktion bewirkt einen Konformationswechsel, der protonierte Gruppen auf der ! cytosolischen Seite der Membran zugänglich macht und zudem die pK-Werte erniedrigt. Das ! verursacht eine Dissoziation der Protonen. Reoxidation führt zu einem Konformationswechsel,!
der das Protein in der ursprünglichen Konformation wieder herstellt. Im Komplex I werden für!
jedes von NADH abgegebene Elektronpaar vier Protonen durch die innere mitochondriale ! Membran gepumpt. !
Model der NADH-Q-Reduktase
!Die peripheren Membranproteine dieser grossen Elektronen-getriebenen ! Protonenpumpe sind blau eingefärbt. Die hydrophoben, intramembranären ! Untereinheiten (codiert von der mitochondrialen DNA) sind gelb. !
Der Komplex hat eine Masse von 850 kD und 43 Polypeptide.!
!
Der postulierte Fluss der Elektronen mittels der verschiedenen!
Carriermolekülen ist eingezeichnet. !
Die Reduktion des Flavinmononukleotides (FMN) zu FMNH
2! verläuft über ein Semi-Quinon Zwischenprodukt.!
FMN unterscheidet sich von FAD nur durch das Fehlen ! des AMP-Rests.!
Flavinmononukleotid (FMN)!
Model der NADH-Q-Reduktase
!Die peripheren Membranproteine dieser grossen Elektronen-getriebenen ! Protonenpumpe sind blau eingefärbt. Die hydrophoben, intramembranären ! Untereinheiten (codiert von der mitochondrialen DNA) sind gelb. !
!
Der postulierte Fluss der Elektronen mittels der verschiedenen!
Carriermolekülen ist eingezeichnet. !
Molekulare Modelle der Eisen-Schwefel Komplexe
!2Fe-2S Cluster! 4Fe-4S Cluster!
Die oxidierten und reduzierten Zustände aller Eisen-Schwefel-Cluster unterscheiden sich ! unabhängig von der Anzahl der Fe-Atome generell nur durch die Ladung. Die !
individuellen Fe-Atome haben Oxidationsstufen zwischen den Werten +2 und +3. !
Kristall-Struktur von Ferredoxin
!Dieses monomere Protein enthält zwei 4Fe-4S -clusters. ! Die Cluster sind über 4 Cysteine im Protein gebunden. !
!
Model der NADH-Q-Reduktase
!Die peripheren Membranproteine dieser grossen Elektronen-getriebenen ! Protonenpumpe sind blau eingefärbt. Die hydrophoben, intramembranären ! Untereinheiten (codiert von der mitochondrialen DNA) sind gelb. !
!
Der postulierte Fluss der Elektronen mittels der verschiedenen!
Carriermolekülen ist eingezeichnet. !
Wie FMN bindet auch das Co-enzym Q freie Radikale mittels ! eines stabilen, semi-chinoiden Zustandes.!
Q! QH2!
Coenzym Q (CoQ): !
ein membran-löslicher Elektronenträger
!Model der Cytochrom-Reduktase !
Vier Redox-Zentren sind im Elektronentransport involviert. Cytochrome b ! enthält zwei Häm-Gruppen, und ein 2Fe-2S cluster. Die Cytochrom C1 !
Untereinheit enthält eine Hämgruppe. Elektronen von QH2 werden an einer ! Stelle zwischen bL und dem 2Fe-2S cluster eingeschleust. !
Cytochrome sind !
elektronenübertragende ! Hämproteine.!
Hämgruppen wechseln den Oxidationszustand!
während der Elektronenübertragung ! zwischen Fe(II) und Fe(III).!
Protein-gebundene Hämgruppen
!Reduzierte Hämgruppen können Elektronen über Entfernungen von 1 - 2 nm ! übertragen und sind daher sehr reaktive Spezies. Sie sind im Cytochrom !
abgeschirmt, um zu verhindern das Elektronen unspezifisch auf andere ! zelluläre Kompoenten übertragen werden.!
Verschiedene Hämgruppen!
(Myoglobin/Hämoglobin)!
Jeder Typ von Cytochromen enthält eine unterschiedlich substituierte ! Hämgruppe mit dem koordinativ gebundenen, redoxaktiven Eisenion.!
Isoprenoid-Modifikation!
Model der Cytochrom-Reduktase !
Vier Redox-Zentren sind im Elektronentransport involviert. Cytochrome b ! enthält zwei Häm-Gruppen, und ein 2Fe-2S cluster. Die Cytochrom C1 !
Untereinheit enthält eine Hämgruppe. Elektronen von QH2 werden an einer ! Stelle zwischen bL und dem 2Fe-2S cluster eingeschleust. !
Cytochrome sind !
elektronenübertragende ! Hämproteine.!
Cytochrome C: ein löslicher Elektronenträger
!Cytochrom C ist ein peripheres Membranprotein, das Elektronen zwischen den Komplexen III und IV entlang der äusseren Oberfläche der inneren mitochondrialen Membran. !
Cytochrom C enthält eine Hämgruppe (c), die über Lysin-Reste gebunden ist.!
Cytochrom C-Oxidase
!Cytochrom C-Oxidase katalysiert die Ein-Elektronen-Oxidation von vier ! nacheinander reduzierten Cytochrom C-Molekülen bei gleichzeitiger !
Vier-Elektronen-Reduktion von einem Molekül O2.!
!
Vorgeschlagener Reaktionscyklus der 4-Elektronen- Reduktion von O
2durch cytochrome C-oxidase!
Um O2 an dem zweikernigen a3-CuB-Komplex zu H2O zu reduzieren, ! werden vier, sämtlich von Cytochrom C gelieferte Elektronen sowie vier ! Protonen benötigt. !
Struktur von !
Cytochrom C- Oxidase!
!
!
Nature, 2006!
Δ G0 = - 52.6 kcal/mol!
FADH2!
!
1) !Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase !
!(Oxidation des NADH durch Dihydroxyacetonphosphat)!
2) Oxidation von Glycerin-3-phosphat durch die mitochondriale, flavionabhängige !
!Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase unter Reduktion von FAD zu FADH2!
3) Reoxidation von FADH2 durch Uebergang der Elektronen in die Elektronentransport-!
!kette.!
Elektronen des cytosolischen!
NADH werden in drei ! Schritten auf die !
mitochondriale Elektronen-!
transportkette übertragen.!
Glycerin-3-P shuttle!
Spezifische Inhibitoren waren (sind) !
wichtig um den Elektronenfluss aufzuklären.!
Chemische Inhibitoren des Elektronentransports
!Superoxid radikale werden in andere, hochreaktive Sauerstoffspezies ! umgewandelt.!
Diese hochreaktiven freien Radikale oxidieren (schädigen) Lipide (Membranen), Proteine (Enzyme) und DNA (Mutationen).!
Verschiedene degenerative Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer und
Huntington-Krankheit sind mit oxidativen Schädigungen der Mitochondrien verbunden. Freie Radikale werden auch als Ursache des Alterns diskutiert.
Tatsächlich leiden Personen mit angeborenen mitochondrialen Defekten an einer Reihe von Symptomen, die für ein hohes Alter typisch sind. !
!
Antoxidantien zerstören freie Radikale ! wie O2- und OH-. !
Antioxiodantien!
Superoxid-dismutase (SOD) katalysiert die Umwandlung von Superoxideanionen: !
! !O2- + O2- ---> H2O2 + O2!
! ! ! 2H+!
Katalase inaktiviert H2O2:!
!
! !2 H2O2 ---> 2 H2O + O2 ! !!
SOD ist in allen Zellen von aeroben Organismen vorhanden, und eine essentielle Anpassung an eine Sauerstoff-haltige Atmosphäre. Defekte in SOD führen zu neurologischen Krankheiten
(Nervenschädigungen). !
Autophagy !
-> Mitophagy!
Der Protonengradient ist eine interconvertible Form von !
freier Energie.!
ATP synthase complex!
Der Bindungswechsel-mechanismus der ATPase
!O: offene Konformation, sehr geringe Affinität zu Liganden und ist katalytisch !
!nicht aktiv!
L: bindet die Liganden locker, ist katalytisch aber ebenso nicht aktiv!
T: bindet Liganden fest, katalytisch aktiv!
!
ATP wird an der T-Stelle synthetisiert und an der Stelle O freigesetzt.!
!
Die zum Antrieb der Konformationswechsel erforderliche Energieübertragung ! erfolgt über die Protonen-getriebene Rotation !
Model Earnshaw book!
Der mitochondriale ATP-ADP Translokase
!Das Protein katalysiert die gekoppelte Bindung von ADP und die Freisetzung ! von ATP auf der Matrix Seite. !
Der Reaktionszyklus wird vom Membranpotential getrieben. !
Im Vergleich zur oxidativen Phosphorylierung verbraucht die anaerobe Gärung Glucose in ! verschwenderischer Weise. Die Gärung liefert 2 Moleküle ATP pro Glucose, während der!
vollständige Abbau durch oxidative Phosphorylierung ca. 30 Moleküle ATP ergibt.!
!
Glycolytische ATP-Produktion im Muskel:!
!
Die ATP-Produktion kann bei der anaeroben Glykolyse jedoch bis zu 100-mal schneller ! Erfolgen als bei der oxidativen Phosphorylierung. Infolgedessen wird ATP bei raschem ! Verbrauch in Geweben wie z.B. dem Muskel fast vollständig durch anaerobe Glycolyse ! regeneriert. !
Gärung versus oxidative Phosphorylierung
!Typ I! Typ II!
aerob! anerob!
Wärmeerzeugung!
