Atmung Respiration 1

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1 Atmung Respiration 1

2 Atmung Die oxidative Phosphorylierung ist der letzte Schritt einer Serie von Energieumwandlungen, die insgesamt als Zellatmung oder einfach Atmung (Respiration) bezeichnet werden 2

3 Zellatmung (Übersicht) 3

4 Oxidative Phosphorylierung 4

5 Oxidative Phosphorylierung NADH und FADH 2 sind energiereiche Moleküle, da sie jeweils ein e - -Paar mit hohem Übertragungspotential besitzen Wenn diese Elektronen zur Reduktion von molekularem Sauerstoff zu Wasser benutzt werden, wird sehr viel Energie frei, die zur ATP-Erzeugung verwendet werden kann. Dieser Prozess wird als oxidative Phosphorylierung bezeichnet; er liefert ATP, wenn Elektronen von NADH oder FADH 2 über eine Reihe von Elektronen-Carriern auf O 2 übertragen werden. 5

6 Prinzip der oxidativen Phosphorylierung Die oxidative Phosphorylierung ist im Konzept einfach, im Mechanismus jedoch komplex. 6

7 Nochmals Mitochondrien 7

8 Elektrochemische Zelle: Redoxpotenziale X X + e H + + e 0.5 H 2 8

9 Thermodynamik Gibbsenergie unter Nicht-Standarbedingungen r Gº = R T lnk r G : Gibbsenergie, freie Energie T : absolute Temperatur K : Gleichgewichtskonstante R : allgemeine Gaskonstante (8.314 J K -1 mol -1 ) Q : Reaktionsquotient ' ' r r G G RT ln Q r G ' RT ln P a a a P Q A A a B Q B 9

10 G r Nernst-Gleichung nf E n : Anzahl Elektronen F : Faraday-Konstante (96484 C mol -1 ) R : allgemeine Gaskonstante (8.314 J K -1 mol -1 ) ' RT ' V E E lnq E logq nf n 10

11 Redoxreaktionen A ox + 2e - A red Normalpotential: E' 0 ; A ox + 2e - /A red oder A ox /A red Redoxreaktion: A ox + B red A red + B ox E' 0 = E' 0(A ox/ared) E' 0(B ox/bred) 11

12 Halbreaktionen 12

13 Übung Reduziertes NADH wird mit Sauerstoff als terminalem Elektronenakzeptor während der oxidativen Phosphorylierung oxidiert. Wie gross ist ' dieser Reaktion? r G F = J mol -1 V -1 13

14 Energie des Protonengradienten c c 2 2 trsg RT ln ZF V 2.303RT log ZF V c1 c1 Z ist die elektrische Ladung des Moleküls F = J mol -1 V -1 V ist das Membranpotential, ca V Für die innere Mitochondrienmembran gilt: ph aussen ist 1.4 Einheiten niedriger als innen, d.h. log(c 2 / c 1 ) = 1.4 trs G für die Translokation von Protonen aus der Matrix -1 ins Cytosol beträgt kjmol. H + 14

15 Elektronenübertragende Gruppen Die elektronenübertragenden Gruppen in den Proteinen der Elektronentransportkette bestehen aus: Flavinen, Eisen-Schwefel-Clustern, Chinonen, Hämgruppen und Kupferionen Die Reduktionspotenziale werden durch spezifische Komplexierung und die Proteinumgebung moduliert. 15

16 Wie werden Elektronen übertragen? Elektronen können sich durch den Raum bewegen, jedoch fällt die Geschwindigkeit des Transfers ab, je weiter Donor und Akzeptor entfernt sind Abnahme um einen Faktor 10 pro 0.17 nm s -1 bei Kontakt, 10 4 s -1 in einem für Proteine typischen Abstand von Donor und Akzeptor 16

17 Elektronenübertragungsraten 17

18 Atmungskette Komplex I Die Atmungskette besteht aus vier Komplexen: 3 Protonenpumpen 1 direkte Verbindung zum Citratzklus Komplex II Komplex III Komplex IV 18

19 Atmungskette 19

20 Atmungskette 20

21 Komponenten der mitochondrialen Elektrontransportkette 21

22 Oxidationsstufen von Chinonen Ubichinon Ubichinol 22

23 Komplex I: NADH-Q-Oxidoreduktase 23

24 Komplex I NADH-Q-Oxidoreduktase (NADH-Dehydrogenase): NADH Q 5H NAD QH 4H Matrix 2 Cytosol 24

25 Komplex II: Succinat-Q-Reduktase Über Ubichinol treten Elektronen vom FADH 2 in die Atmungskette Die Succinat-Dehydrogenase des Citratzyklus ist eine Komponente des Succinat-Q-Reduktase-Komplexes (Komplex II), ein integrales Membranprotein 25

26 Komplex III: Die zweite Protonenpumpe Q-Cytochrom c-oxidoreduktase QH 2Cyt c 2H Q 2Cyt c 4H 2 ox Matrix red Cytosol 26

27 Struktur des Q- Cytochrom C Oxidoreduktase- Komplexes (III) Modulation des Reduktionspotentials der verschiedenen prosthetischen Gruppen Homodimer bestehend aus je 11 verschiedenen Polypeptidketten 27

28 Der Q-Zyklus: Transmembrantransport von Protonen Übergang von zwei-elektronen-carriern zu ein-elektronen-carrier 28

29 Der letzte Schritt: Oxidation von reduziertem Cytochrom c und Reduktion von molekularem Sauerstoff zu Wasser Komplex IV: Cytochrom c-oxidase 4Cyt c 8H O 4Cyt c 2H O+4H red Matrix 2 ox 2 Cytosol 29

30 Cytochrom c Oxidase 30

31 Cytochrom C-Oxidase Mechanismus 1 Blau: oxidiert Rot: reduziert 31

32 Cytochrom C-Oxidase Mechanismus 2 32

33 33

34 Es werden zusätzlich noch 4 Protonen gepumpt 4Cyt c 8H O 4Cyt c 2H O+4H red Matrix 2 ox 2 Cytosol 34

35 Übung. Elektronentransport in einem Bakterium Tabelle 1. Reduktionspotentiale der Elektronentransportkomponenten eines Gram-negativen Bakteriums oxidierte Form (Oxidationsmittel) reduzierte Form (Reduktionsmittel) n E (V) Flavoprotein b (ox) Flavoprotein b (red) NAD + NADH + H Cytochrom a (+3) Cytochrom a (+2) Ferroprotein (ox) Ferroprotein (red) Cytochrom c (ox) Cytochrom c (red) E ist das Standard-Reduktions-Potential bei ph 7.0 und n die Anzahl der übertragenen Elektronen Die Analyse des Elektronentransports in einem Gram-negativen Bakterium zeigte, dass fünf Elektronentransportkomponenten an der Elektronentransportkette beteiligt sind. Die Standard-Reduktions-Potentiale dieser Komponenten sind in Tabelle 1 aufgeführt. a) Bestimmen Sie die Sequenz der Elektronentransportkomponenten in dieser Elektronentransportkette. b) Wie viele Moleküle ATP können unter Standardbedingungen höchstens gebildet werden, wenn ein Elektronenpaar die Elektronentransportkette durchläuft? c) Nehmen Sie an, dass das Bakterium mit Glucose als Substrat in einem aeroben Sediment gut wachsen kann. Mit der Zeit geht der Sauerstoff zur Neige, jedoch ist im Sediment Nitrat im Überschuss vorhanden. Kann das Bakterium mit der oben beschriebenen Elektronentransport-kette unter denitrifizierenden Bedingungen weiter wachsen? Erklären Sie Ihre Antwort. Hilfsgrössen: F = 96.5 kj mol -1 V -1 G für die Bildung von ATP: 30.5 kj mol -1 NO H + + 2e NO 2 + H 2 O; E = 0.42 V 35

36 Gefahr bei der Reduktion von Sauerstoff Superoxid- Anion Peroxid- Dianion Superoxid, Wasserstoffperoxid und andere daraus erzeugte Verbindungen wie HO werden als reaktive Sauerstoffverbindungen (reactive oxygen species, ROS) bezeichnet. 36

37 Superoxid-Dismutase 37

38 Katalase 38

39 Chemiosmotische Hypothese 39

40 ATP-Synthase Protonenleitende Einheit F 0 Zusammensetzung: c-ring, a und b Katalytische Einheit F 1 Zusammensetzung: Rotor: c-ring und -Stiel Stator: Rest des Moleküls 40

41 ATP-Synthese: Mechanismus des Bindungswechsels ATP entsteht im Enzym ohne protonenmotorische Kraft, wird aber nicht freigesetzt. Die Funktion des Protonengradienten ist nicht die ATP- Bildung, sondern seine Freisetzung von der Synthase. Daher Vorschlag: Mechanismus des Bindunswechsels Änderungen in den Eigenschaften der drei -Untereinheiten erlauben die aufeinander folgende ADP- und P i - Bindung, ATP-Synthese und ATP-Freisetzung. 41

42 Unterschiedliche Bidungsstellen open loose tight 42

43 Mechanismus des Bindungswechsels 43

44 ATP-Synthase Protonenleitende Einheit F 0 Zusammensetzung: c-ring, a und b Katalytische Einheit F 1 Zusammensetzung: Rotor: c-ring und -Stiel Stator: Rest des Moleküls 44

45 Direkte Beobachtung der Rotation fluoreszenezmarkiert His-Tags, haben Affinität zu Nickelionen Nickel-Beschichtung 45

46 Bestandteile der Protonenleitenden Einheit Protonenhalbkanäle 46

47 Protonenbewegung treibt die Rotation 47

48 Der Weg der Protonen 48

49 Stöchiometrie Die Anzahl der c-untereinheiten scheint zwischen 10 und 14 zu schwanken. Diese Anzahl ist wichtig, da eine 360º Drehung zur Synthese und Freisetzung von 3 Molekülen ATP führt (mitochondriale ATP-Synthase aus Hefe enthält 10 Untereinheiten). 3 bis 4 Protonen pro ATP 49

50 ShuttleSysteme für den Transport durch mitochondriale Membranen Die innere Mitochondrienmembran muss für die meisten Moleküle impermeabel sein. Trotzdem muss ein geregelter Austausch von Molekülen möglich sein membrandurchquerende Transportproteine und Shuttle-Systeme 50

51 ATP-ADP-Translokation Wird durch das Membranpotential angetrieben 51

52 Nochmals Stöchiometrie Beste Abschätzungen für Protonenzahl, die pro Elektronenpaar gepumpt werden bei: NADH-Q-Oxidoreduktase (Komplex I) 4 Q-Cyt-c-Oxidoreduktase (Komplex III) 2 Cytochrom-c-Oxidase (Komplex IV) 4 Für ein ATP müssen ca. 3 H + durch die ATPase fliessen Ein H + wird gebraucht um ATP ins Cytosol zu transportieren D.h. ca. 2.5 cytosolisches ATP pro NADH (2 e - ) 52

53 ATP- Ausbeute für Oxidation der Glucose: ca. 30 ATP 53

54 Acyl-CoA-Dehydrogenase Acyl-CoA + E-FAD trans- 2 -Enoyl-CoA + E-FADH 2 Aus dem FADH 2, das aus dieser Dehydrogenierung entsteht werden 1.5 ATP erzeugt, wie das auch der Fall ist bei der Oxidation von Succinat zu Fumarat 54

55 Entkoppler der oxidativen Phosphorylierung 55

56 Protonengradienten als umwandelbare Form von Gibbsenergie 56

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