Mechanismen der ATP Synthese in Mitochondrien

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1 Mechanismen der ATP Synthese in Mitochondrien

2 Übersicht Die Bedeutung von ATP Aufbau eines Mitochondriums ATP Synthese: Citratzyklus Atmungskette ATP Synthase Regulation der ATP Synthese

3 Die Bedeutung von ATP wichtigster Energiespeicher in biologischen Systemen Hydrolyse von ATP ist exergone Reaktion liefert physiologische Arbeitsleistung in Kopplung mit (endergonen) Reaktionen

4 Die Bedeutung von ATP Warum ist die Hydrolyse exergon? Ladungen stoßen sich ab H2O Verändert nach Wikipedia ATP (A) + H2O (B) ADP (C) + Pi (D) + H+ (E) Entropie nimmt zu

5 Die Bedeutung von ATP Der Energiebetrag der Hydrolyse ist variabel ATP (A) + H2O (B) ADP (C) + Pi (D) + H+ (E) G0 = -30,5 kj / mol Standardbedingungen G=RT lnq RT lnk eq =RT ln Nach Gibbs gilt: mit [C ] [ D] [ E ] Q= und [ A] [ B] Q K eq [C]eq [ D]eq [ E ]eq K eq = [ A]eq [B ]eq Energiebetrag ist abhängig von Temperatur und Stoffkonzentrationen

6 Die Bedeutung von ATP Ein Fließgleichgewicht muss erhalten werden ATP (A) + H2O (B) ADP (C) + Pi (D) + H+ (E) würde spontan so lange ablaufen, bis Q = Keq und Q G=RT lnq RT lnk eq =RT ln K eq ΔG 0 Deshalb: Edukte nachliefern, Produkte entziehen offenes System!

7 Aufbau eines Mitochondriums Cristae: Einstülpungen der inneren Membran DNA ist ringförmig Innere Mitochondrienmembran ist die Permeabilitätsschranke Protonengradient kann aufgebaut werden Aus Lehninger 2009

8 ATP Synthese: der Citratzyklus Vorgeschaltete Reaktionen zur Lieferung des Substrats Acetyl-CoA In der Mitochondrienmatrix a) Oxidative Decarboxylierung von Pyruvat irreversible Reaktion: Pyruvat + NAD+ + CoA-SH Acetyl-CoA + CO2 + NADH katalysiert durch Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex (3 Enzyme u. 5 Co-Faktoren) b) β-oxidation von Fettsäuren c) Oxidation von Aminosäuren

9 ATP Synthese: der Citratzyklus β-oxidation von Fettsäuren D- Verändert nach Voet 2010 In der Mitochondrienmatrix Stufenweise Oxidation der Intermediate im Citratyklus Wird zur Reduktion von NAD+ und FAD genutzt Succinat-Dehydrogenase in der inneren Mitochondrienmembran

10 ATP Synthese: der Citratzyklus Die Produkte in der Übersicht Netto-Reaktion: Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi CoA-SH + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2 CO2 + ADP GDP + ATP Verändert nach Voet 2010 (reversibel!) Substratkettenphosphorylierung

11 ATP Synthese: die Atmungskette Komplex I: NADH-Dehydrogenase Komplex II: Succinat-Dehydrogenase Komplex III: Cytochrom-bc1-Komplex Komplex IV: Cytochrom-Oxidase Ubichinon (Q): in der inneren Mitochondrienmembran Cytochrom c (Cyt c): im Intermembranraum Netto-Reaktionen: Verändert nach Lehninger NADH + H+ + ½ O H+in 1 NAD+ + 1 H2O + 10 H+out und bei Oxidation von Succinat oder 2-Glycerophosphat 1 FADH2 + ½ O2 + 6 H+in 1 FAD + 1 H2O + 6 H+out

12 ATP Synthese: die Atmungskette Warum fließen Elektronen durch die Membran? E (V) NADH bzw. FADH2 werden auf der Matrix-Seite oxidiert (je 2) Elektronen: durchlaufen diverse Redoxmediatoren sinken stetig im Energiebetrag entlang dem Potentialgefälle werden letztlich auf Sauerstoff übertragen E ges = -1,130 V G ges = -218,2 kj mol-1 pro mol NADH! FAD Succinat (Komplex II) Verändert nach Voet 2010

13 ATP Synthese: die Atmungskette Die Energie wird von Protonenpumpen genutzt Proteinkomplexe nutzen frei werdende Energie für (sonst endergone) Konformationsänderungen Protonen dadurch entgegen dem elektrochemischen Gradienten transportiert Aus B. Lieb: Folien zur Vorlesung Zellbiologie 04 Mitochondrien und Chloroplasten Protonentransport Institut Zoologie, Mainz, SS 2009

14 ATP Synthese: die Atmungskette Der Q-Zyklus erhöht die Energieeffizienz Aus Lehninger 2009

15 ATP Synthese: das Grundprinzip Der Abbau des Gradienten führt zur ATP Synthese Aus Voet 2010 Protonen können nicht durch Innenmembran zurück diffundieren Gelangen durch ATP Synthase zurück in die Matrix Triebkraft ist der (erzeugte) elekrochemische Gradient Dadurch verfügbare Energie wird zur Synthese von ATP genutzt

16 ATP Synthese: die ATP Synthase Der Aufbau ähnelt einem molekularen Dynamo F0-Teil: c-untereinheiten 1 Ein- und 1 Austrittsstelle für H+ Ist der Rotor F1-Teil: 3 α-untereinheiten 3 β-untereinheiten (katalytische UE) 1 γ- und 1 ε-ue ( Kurbelwelle ) Ist der Katalysator Fester Teil: 1 δ- mit b2-untereinheit Ist der Stator Aus Lehninger 2009

17 ATP Synthese: die ATP Synthase Wie funktioniert die ATP Synthase? Protonenfluss treibt den Rotor an γ γ-kurbelwelle dreht sich mit Asymmetrisches Ende bewirkt dabei Konformationsänderungen der α- und β-ue Schließen einer β-ue- Tasche schafft hydrophoben Raum ADP + Pi + H+ ATP + H2O ΔG 0 (Kondensationsreaktion) γ Verändert nach Lehninger 2009 γ ATP Synthese wird exergon

18 ATP Synthese: die ATP Synthase Filme zur Funktionsweise

19 ATP Synthese: die ATP Synthase Filme zur Funktionsweise

20 ATP Synthese: Translokasen Wie werden ATP, ADP und Pi ausgetauscht? Aus Lehninger 2009 Antiporter und Symporter ohne zusätzlichen (!) Energieaufwand Aber: Protonengradient wird teilweise abgebaut

21 ATP Synthese: Übersicht Schrittweise Oxidation und Decarboxylierung eines Substrats (z.b. Glukose) Substratkettenphosphorylierung und Bildung von Reduktionsäquivalenten (NADH und FADH2) Reoxidation der Äquivalente in der Atmungskette Protonengradient wird generiert, der bei Abbau zur ATP Synthese durch ATP Synthase genutzt wird Gesamtprozess ist die oxidative Phosphorylierung Aus Lehninger 2009

22 ATP Synthese: Übersicht Die ATP-Ausbeute am Beispiel von Glukose Aus Voet 2010

23 ATP Synthese: Regulation Substrate selbst sind allosterische Effektoren Inhibieren meist die eigene Synthese feedback Regulation / Rückkopplung Citrat hemmt Citrat-Synthase und Phosphofructokinase spart Kohlenhydrate NADH / NAD+ und ATP / ADP, AMP, Pi Verhältnis als Maßstab für Energiestatus der Zelle ADP + Pi: Akzeptorkontrolle der Atmung (Sauerstoff-Verbrauch) Aktivieren die Atmungskette Pull-Mechanismus oxidative Phosphorylierung wird vom Energiebedarf der Zelle reguliert! Aus Lehninger 2009

24 ATP Synthese: Regulation Weitere Regulationsmechanismen a) Kovalente Inhibition des PDH-Komplexes indirekt durch ATP b) Calcium als allosterischer Aktivator für PDH und Enzyme des TCA im Muskelgewebe c) Entkoppler bauen den Protonengradient ohne Synthese von ATP ab (z.b. UCP)

25 ATP Synthese: Regulation Amphibole Reaktionen greifen in den TCA ein Kataplerotische Reakionen verbrauchen Zwischenprodukte des TCA Anaplerotische Reakionen liefern Zwischenprodukte des TCA nach Geschwindigkeit der ATP Synthese wird beeinflusst! Fazit: ATP Synthese steht in essentieller Wechselwirkung mit anderen Stoffwechselaktivitäten der Zelle Aus Voet 2010

26 ENDE