Atmungskette inklusive Komplex II

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1 Atmungskette inklusive Komplex II Energiegewinnung durch oxidative Phosphorylierung GW2014 Das Prinzip der Oxidativen Phosphorylierung 14_01_01_harness_energy.jpg Chemiosmotische Kopplung

2 1) 2) 3) Pyruvate NADH + H+ Acetyl-CoA 4) Fettsäureabbau Erzeugung elektrischer und osmotischer Energie durch Substratabbau 14_06_Protons_pumped.jpg FADH 2 GW2014 2

3 Oxidative Phosphorylierung teilweise konserviert Bei der Zellatmung wird gebundener Wasserstoff zu Wasser oxidiert. 2 H 2 (gebunden als 2 NADH/H + ) + O 2 => (2 NAD + ) + 2 H 2 O Bei dieser Reaktion werden pro mol Wasserstoff ca. 240kJ frei. Bei Verbrennung in einer Flamme würde diese Wärmemenge entstehen. In der Atmungskette wird die Energie teilweise konserviert in kleinen Portionen verwendet um ATP zu produzieren

4 Mitochondrium im Elektronenmikroskop 01_18_folds mito.jpg Äußere Membran Intermembranraum Innere Membran Matrix Einstülpungen = Cristae 14_05_generate_energy.jpg FADH 2 Mitochondrien, die Kraftwerke der Zelle GW2014 4

5 Die Atmungskette 14_10_resp_enzy_comp.jpg Komplex II FADH 2 FAD + Komplex I Komplex III Komplex IV Komplex II (succinat dehydrogenase) GW2014 Komplex II

6 Allgemeines Prinzip der Funktionsweise der Atmungskette Potenzialdifferenz und Stromfluss durch chemische Reaktionen 2015 GW FADH mv

7 Die Atmungskette funktioniert wie eine Brennstoffzelle. Die Elektroden sind Der Komplex I (NADH:Ubichinon Oxidoreduktase), er nimmt Elektronen vom Donator NADH 2 auf: 2 NADH 2 => 2 NAD + 4 e H + Der Komplex IV (Cytochrom c Oxidase), er gibt Elektronen an den Sauerstoff ab, aus dem mit Protonen Wasser entsteht. O e H + => 2 H 2 O Die Elektronen durchlaufen ein Potentialgefälle, dadurch entsteht elektrische Energie. (Potentialdifferenz x Ladung = Arbeit!) Freie Energie und Potentialgefälle 14_21_Redox_potential.jpg 7

8 die Potentialdifferenz ( E) ist etwa 0,8 V(theoretisch 1,14 V); daraus ergibt sich pro mol Elektronen eine Energie von Fx E = x 0,8 = J oder 77,2 kj (F ist die Faradaysche Konstante, das Produkt aus der elektrischen Elementarladung und der Avogadroschen Zahl) für ein mol Wasserstoff: 2 x 77,2 = 154,4 kj Der Rest auf 240 kj (von 2 H 2 (gebunden als 2 NADH/H + ) + O 2 => (2 NAD + ) + 2 H 2 O) geht als Wärme verloren ADP + Phosphat => ATP + H 2 O Diese Reaktion ist endergon und benötigt Energiezufuhr : 50kJ/mol ATP 1 NADH+H + ~ 3 ATP 1 FADH 2 ~ 2 ATP theoretisch! GW2014 Der Weg der Elektronen 14_04_01_NADH_electron.jpg 8

9 Der lipidartige Elektronencarrier Ubichinon (Coenzym Q) ist auch die größte Gefahrenstelle für Oxidationsstress 14_20_01_Quinones.jpg bei Komplex II Autoxidation des Semichinonradikals durch Sauerstoff löst Oxidationsstress aus 2016 Cytochrom c Porphyrin (Porphyrin + Eisen = Häm) Eisen Methionin Histidin 9

10 14_24_01_Cytochrome_ox.jp Komplex IV g

11 14_27_01_H_pump_change.j Transport der Protonen pg Time 2016 Relative Anteile der Proton-motive Force 14_12_01_deltaV_deltapH.jpg 11

12 Aus der elektrochemischen Energie der Atmung entsteht: Osmotische Energie = ein Konzentrationsgradient von Protonen = ein ph-gradient von 1 (H + Verhältnis 1:10) Elektrische Energie = ein Membranpotential von etwa 0,15 V (innen negativ) mittels aktivem Transport von Protonen in den Intermembranraum durch die Komplexe I, III und IV 14_13_01_electroch_gradie.jp Oxidative Phosphorylierung g Komplex V 12

13 ATP Synthase Geschwindigkeit: 360 ~ 15 ns ATP Moleküle pro Minute 14_15_01_ATPsynthase2.jpg 13

14 Prinzip der oxidativen Phosphorylierung Der Rückfluss der Protonen führt wieder zur Umwandlung von osmotischer und elektrischer in chemische Energie ( chemiosmotische Kopplung ) Der Komplex V (die sogenannte F-ATPase) erzeugt ATP: ADP + Phosphat => ATP + H 2 O Diese Reaktion ist endergon und benötigt Energiezufuhr von 50kJ/mol ATP Maximal können pro mol Wasserstoff 2,5 mol ATP gebildet werden Zusätzlicher 14_16_01_coupled_transpor.j Energieaufwand für Substrattransport pg 14

15 Energie-Bilanz für den Abbau einer Fettsäure mit 16 C-Atomen (Palmitinsäure) durch ß-Oxidation und Citratzyklus -Oxidation: 7x 1 FADH 2 7 FADH 2 1 NADH 7 NADH Citratzyklus: 8x 1 FADH 2 8 FADH 2 3 NADH 24 NADH 1 GTP (~ ATP) 8 GTP Summe: Faktor (--> ATP) ATP 15 FADH 2 x 1,5 22,5 31 NADH x 2,5 77,5 8 GTP x Energie-Bilanz für den Abbau von Glucose (6 C-Atome) durch Glykolyse und Citratzyklus Glykolyse: 2 ATP 2 NADH Pyruvat --> Acetyl-CoA: 2 NADH Citratzyklus: 2x 1 FADH 2 2 FADH 2 3 NADH 6 NADH 1 GTP (~ ATP) 2 GTP Summe: Faktor (--> ATP) ATP 2 ATP x NADH x 2, FADH 2 x 1,5 3 2 GTP x

16 Big Bang oder Big Bounce Stoffwechsel elektromagnetische Energie (Licht, 1 ) R H 2 O + CO 2 H-C-OH + O 2 (oder H 2 CO 3 ) ATP R elektromagnetische Energie (Wärmestrahlung, 2 > 1 ) Kältetod des Universums STS: Kalt und Kälter: I wer kalt und immer kälter, I wer abgebrüht und älter. Aber des wüll i net GW