Die Atmungskette Inhalt: 1. Einleitung und Funktion 2. Die einzelnen Komplexe der Atmungskette 3. Zusammengefasst: Die Vorgänge in der Atmungskette 4. Transporte durch die Mitochondrienmembran 5. Die Regulation der Atmungskette 6. Bilanz der Atmungskette 7. Entkoppler und Hemmstoffe der Atmungskette 8. Mitochondriale Krankheiten 9. Klausuraufgaben zur Atmungskette 10. Quellenangaben 1. Einleitung und Funktion Um zu leben benötigt unser Körper ständig Energie, die wir in Form von Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißen zu uns nehmen. Die in unseren Nahrungsmitteln steckende Energie muss jedoch in eine andere, verwertbare Form umgewandelt werden, in das ATP (Adenosintriphosphat). Dieses ATP wird in den Mitochondrien im Rahmen der Atmungskette hergestellt. Was ist die Atmungskette? Dabei handelt es sich um eine Abfolge von Redoxsystemen, an deren Ende die Energie von Elektronen dazu benutzt wird, ATP zu erzeugen. Also, alles etwas genauer: Die bei verschiedenen Stoffwechselprozessen (z.b. Citratzyklus), in unserem Körper anfallenden Elektronen werden von der Atmungskette aufgenommen. Diese Elektronen laufen dann in einer Kette von Redoxstufen in Richtung Sauerstoff (den wir ja durch unsere Atmung aufnehmen), werden auf ihn übertragen und reduzieren ihn somit zu Wasser. Auf ihrer Reise zum Sauerstoff geben sie ihre Energie ab, die dazu benötigt wird, einen Protonengradienten über der inneren Mitochondrienmembran aufzubauen. Dieser Gradient ermöglicht dann die Herstellung von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat. Die chemische Reaktion der Wasserbildung in der Atmungskette, also wie aus Wasserstoffatomen der reduzierten Coenzyme und dem Sauerstoff Wasser wird, und die dabei frei werdende Energie, die zur Bildung von ATP genutzt wird, ist eine Knallgasreaktion. Da diese Reaktion stark exergon ist, (das heißt, sie läuft spontan ab), würde sie, wenn sie nicht im Rahmen der Atmungskette schrittweise ablaufen würde, die Zelle in einer Mikroexplosion zerstören. Die Leistung der Atmungskette ist es, die Reaktion so ablaufen zu lassen, dass die Zelle nicht umgebracht wird. 1
Die Elektronen können nicht sofort auf den Sauerstoff übertragen werden, sondern müssen schrittweise durch mehrere Redoxsysteme fließen, bevor sie dann letztendlich zum Sauerstoff gelangen. Die Atmungskette enthält vier solcher Redoxsysteme (Komplexe 1-4). 2. Die einzelnen Komplexe der Atmungskette Komplex 1: NADH- Ubichinon- Reduktase Auf diesen Komplex werden die Elektronen aller NADHs, die in unseren Zellen anfallen übertragen. Dabei werden die Elektronen auf Ubichinon (auch Coenzym Q genannt) übertragen. Dies geschieht jedoch nicht direkt, sondern über zwei Zwischenschritte: 1. Zwischenschritt NADH/H* überträgt seine beiden Elektronen auf FMN (Flavinmononucleotid). 2. Zwischenschritt Das nun reduzierte FMNH 2 gibt die Elektronen dann an so gennante Eisen/Schwefel-Cluster weiter. Von diesen erfolgt dann aber die Übertragung auf Ubichinon, das dadurch zu Ubichinol reduziert wird. Die Energie, die bei diesem Prozess frei wird, treibt vier Protonen vom Matrix- in den Intermembranraum. Abbildung 1: Komplex 1: NADH-Ubichinon-Reduktase Komplex 2: Die Succinat-Ubichinon- Reduktase Der Komplex 2 ist gleichzeitig ein Enzym des Citratzyklus, nämlich die Succinatdehydrogenase.( Er nimmt nur die Elektronen dieser bestimmten Reaktion (Succinat zu Fumarat, wobei FADH2 abgespalten wird) auf.)) 2
Die Aufgabe des Komplexes 2 besteht darin, Wasserstoff von Succinat auf Ubichinon zu übertragen. Auch diese Übertragung verläuft über eine Zwischenstufe, in diesem Fall über FADH2. Außerdem sind auch hier Eisen-Schwefel-Cluster am Elektronentransport beteiligt, diese übertragen die Elektronen auf Cytochrom b. Von da aus werden sie dann wie in Komplex 1 auf Ubichinon übertragen welches dann wieder zu Ubichinol reduziert wird. Abbildung 2: Komplex 2: Die Succinat-Ubichinon-Reduktase Weitere Einstiegsmöglichkeiten der Atmungskette: Andere mitochondriale Dehydrogenasen geben ihren Wasserstoff auch an das Ubichinon ab. Hier dienen immer Flavoproteine als Vermittler. Das für uns wichtigste Flavoprotein ist die Acyl-CoA-Dehydrogenase aus der ß- Oxidation. Hier gehen die Elektronen in Form von Wasserstoff von der Fettsäure auf das FAD der Dehydrogenase über, und von da aus gelangen sie an das Elektronen- Transferierende Flavoprotein (ETF). Die EFT-Ubichinon-Oxidoreduktase katalysiert die Weitergabe des Wasserstoffs an das Ubichinon. Abbildung 3: EFT-Ubichinon-Oxidoreduktase 3
Ubichinon als Sammelbecken Es sammeln sich also alle Elektronen auf dem Ubichinon, das wahlweise ein oder zwei Elektronen aufnehmen kann. Ubichinon überträgt die Elektronen dann auf den Komplex 3. Merke: Ubichinol entsteht also auf drei Wegen: 1. durch Übertragung der Elektronen von NADH/H* im Komplex 1 der Atmungskette 2. durch Übertragung der Elektronen von FADH2 im Komplex 2 der Atmungskette 3. durch Übertragung der Elektronen von FADH2, das beim Fettsäureabbau entsteht, durch ETF Abbildung 4: Ubichinon als Sammelbecken Komplex 3: Die Cytochrom-c-Reduktase Bis zu diesem Punkt ist also auf 3 verschiedenen Wegen Ubichinol entstanden. Die Aufgabe des 3. Komplexes besteht nun darin, die Elektronen von Ubichinol an Cytochrom c weiterzuleiten. 4
Auch hier sind wieder Zwischenschritte eingeschaltet: Zunächst überträgt Ubichinol ein Elektron auf Cytochrom b 562. Von dort gelangt es über Cytochrom b 566, Eisen-schwefel-Cluster und Cytochrom c 1 schließlich zu Cytochrom c. Die Aufgabe von Cytochrom c ist es, den Elektronentransport von Komplex 3 auf Komplex 4 durchzuführen. Wie Komplex 1 ist auch Komplex 3 eine Protonenpumpe, bei der Übertragung eines Elektronenpaars auf zwei Moleküle Cytochrom c werden insgesamt 4 Protonen in den Intermembranraum befördert. Abbildung 5: Komplex 3: Die Coenzym Q-Cytochrom-c-Reduktase! Ubichinon kann zwei Elektronen aufnehmen, Cytochrome dagegen nur ein Elektron Komplex 4: Die Cytochrom-c-Oxidase Der Komplex 4 ist der letzte Komplex der Atmungskette. Seine Aufgabe ist es, die Elektronen von Cytochrom c auf Sauerstoff zu übertragen, wodurch Wasser ensteht. Wichtige Bestandteile der Cytochrom-Oxidase sind 2 Häm-Gruppen und Kupfer- Ionen, die für die Übertragung der Elektronen auf den Sauerstoff notwendig sind. Auch der Komplex 4 fungiert mal wieder als Protonenpumpe. Hierbei werden allerdings nur 2 Protonen in den Intermembranraum gepumpt und nicht 4 wie bei den Komplexen 1 und 3. Man muss bei diesem Vorgang beachten, dass Sauerstoff ein sehr reaktives Molekül ist. Das heißt, wenn es einmal 1 Elektron gebunden hat, ist es sehr begierig auch noch 3 andere Elektronen zu binden. Da die Elektronen aber einzeln angeliefert werden, muss die Cytochrom-Oxidase die Freisetzung von reaktiven Zwischenprodukten verhindern, da sie sich sonst Elektronen von irgendeinem zellulären Molekül stehlen, und so großen Schaden anrichten würden. 5
Der Komplex hält den Sauerstoff deshalb so lange gebunden, bis vier Elektronen darauf übertragen sind. Abbildung 6: Komplex 4: Die Cytochrom-c-Sauerstoff-Reduktase Komplex 5: ATP- Synthase Die Elektronen sind nun an ihrem Ziel, dem Sauerstoff angelangt. Ihre Energie haben sie für den Aufbau eines Protonengradienten bereitgestellt. Diese Protonen werden nun gebraucht, um ATP zu erzeugen, was durch die ATP Synthase geschieht. Der Vorgang heißt oxidative Phosphorylierung. Die ATP Synthase besteht aus zwei verschiedenen Untereinheiten, dem F 0 und dem F 1 -Anteil. F 0 ist ein Protonenkanal, durch den die Protonen aus dem Intermembranraum in die Matrix zurückfließen. Der F 1 - Anteil ist der katalytische Teil der ATP Synthase, er sitzt dem Protonenkanal wie ein kleines Köpfchen auf und ragt in die Matrix hinein. Er produziert ATP aus ADP und anorganischem Phosphat. Die ATP Synthase entspricht also einer rückwärts laufenden ATP abhängigen Protonenpumpe. Abbildung 7: Komplex 5: Die ATP-Synthase 6
! Die ATP-Synthase gehört in die Enzym-Klasse der Hydrolasen und nicht in die der Synthasen. Erwähnenswert ist vielleicht noch die Tatsache, dass nicht die Bildung von ATP die Energie aus dem Protonenrückstrom verbraucht, sondern das Freisetzen des ATP vom Enzym. Abbildung 8: Übersichtsbild über die Komplexe 3. Zusammengefasst: Die Vorgänge in der Atmungskette Wie wir nun wissen, werden reduzierte Coenzyme zur Energiegewinnung in die Atmungskette eingeschleust. Dort wird der Wasserstoff auf Sauerstoff übertragen und es entsteht Wasser. Damit die Zelle nicht zerstört wird (weil Knallgasreaktion), werden die Reduktionsäquivalente schrittweise in die nutzbare chemische Energie umgewandelt. Zunächst werden sämtliche Wasserstoffatome verschiedener Herkunft (z.b. von Komplex 1 und 2) auf Ubichinon übertragen, das dadurch zu Ubichinol reduziert wird. Man kann sagen, dass Ubichinol einen Sammelpool für die ganzen Reduktionsäquivalente darstellt. Vom Ubichinol werden die Elektronen zum Komplex 3 der Atmungskette transportiert. Dort erfolgt dann die Umladung auf Cytochrom c. Von dort aus gelangen die Elektronen zum Komplex 4, der sie dann schließlich auf Sauerstoff überträgt. Der Sauerstoff verbindet sich nun mit Protonen aus dem Matrixraum zu Wasser. Gleichzeitig wird die Energie der Elektronenübertragungen von den Komplexen 1, 3 und 4 genutzt, um einen Protonengradienten über der inneren Mitochondrienmembran aufzubauen. Dieser Gradient ist die Voraussetzung für die ATP-Produktion durch Komplex 5 (ATP Synthase). 7
4. Transporte durch die Mitochondrienmembran Wie gelangen Reduktionsäquivalente vom Zytosol ins Mitochondrium? Das NADH/H +, welches beispielsweise in der der Glykolyse entsteht, muss vom Zytosol ins Mitochondrium transportiert werden um im Rahmen der Atmungskette Energie zu erzeugen. Die innere Mitochondrienmembran, die ja hauptverantwortlich für den Aufbau eines Protonengradienten ist, stellt für die meisten Moleküle und auch für NADH/H + ein Hindernis dar. Es muss also Mechanismen geben, die solch wichtigen Moleküle (NADH/H + liefert ja 2,5 ATP) ins Mitochondrium transferieren. Der wichtigste Mechanismus ist der: Malat-Shuttle (Malat-Aspartat-Zyklus) NADH/H+ ist ja nicht in der Lage die innere Mitochondrienmembran zu durchdringen, deshalb wird ein Umweg über den Malat-Shuttle genommen. Dabei wird zytoplasmatisches Oxalacetat von NADH/H + zu Malat reduziert. Im ersten Schritt wird erst einmal Oxalacetat aus Aspartat gebildet, das geschieht durch die Aspartat-Aminotransferase (AST), die gleichzeitig α-ketoglutarat in Glutamat umwandelt. Danach überträgt das NADH/H + seine Elektronen auf Oxalacetat wodurch Malat entsteht. Malat kann in ein Mitochondrium gelangen und dort wieder zu Oxalacetat oxidiert werden. Hierbei wird ein mitochondriales NAD + zu NADH/H + reduziert. Malat gelangt über einen Antiporter gegen α-ketoglutarat ins Mitochondrium. Im Mitochondrium erfolgt dann eine Transaminierungsreaktion vom Oxalacetat zum Aspartat. Die Aminogruppe stammt vom Glutamat, das dadurch zum α-ketoglutarat wird. Das Aspartat wird nun im Austausch gegen Glutamat ins Zytosol transportiert und steht für einen weiteren Zyklus zur Verfügung. Abbildung 4: Komplex 3: Die Cytochrom-c-Reduktase [2] 8
Wie gelangt ATP aus dem Mitochondrium in das Zytosol? Das bei der oxidativen Phosphorylierung entstandene ATP muss aus dem Mitochondrium ins Zytosol gelangen, um der Zelle für viele Stoffwechselvorgänge zur Verfügung zu stehen. Dafür gibt es in der inneren Mitochondrienmembran den ATP/ADP-Translokator. Das ist ein spezieller Transporter, der ATP im Austausch gegen ADP aus dem Matrixraum befördert. ATP besitzt vier negative Ladungen und ADP drei. Mit jedem Transportvorgang wird also eine negative Ladung aus dem Mitochondrium herausgepumpt. Der Transport wird durch das Membranpotenzial der inneren Mitochondrienmembran angetrieben, da die Membran außen positiv geladen ist, erfolgt der Transport negativer Ladung von innen nach außen entlang dem elektrischen Gefälle über der Membran. 5. Regulation der Atmungskette Allgemein kann man sagen, dass ein hoher Protonengradient den Elektronentransport der Atmungskette hemmt (negative Rückkopplung). Ein hohes Verhältnis von NADH/H + zu NAD hemmt den Citratzyklus (negative Rückkopplung), so wird die Anlieferung von Reduktionsäquivalenten verlangsamt und damit der Ablauf der Atmungskette gebremst. Die Konzentration an ADP ist für unsere Zellen der wichtigste Anzeiger des Energiestatus, eine Kontrolle der Atmungsgeschwindigkeit erfolgt über diese ADP-Konzentration in der Zelle. Durch ADP-Zugabe kann die Geschwindigkeit der Atmungskette erheblich gesteigert werden. Außerdem beschleunigen die erhöhte ADP-Konzentration in der Zelle zusätzlich den Citratzyklus, die Pyruvat- Dehydrogenase und die Glykolyse, welche alle Lieferanten von Reduktionsäquivalente für die Atmungskette sind. 6. Bilanz der Atmungskette Wieviel ATP entsteht ausgehend vom NADH/H+? Geht man vom NADH/H+ aus, werden in der Atmungskette insgesamt 10 Protonen aus dem Matrixraum in den Intermembranraum transportiert. Je 4 über Komplex 1 und 3 und 2 über Komplex 4. Nun wird ein Proton dafür benötigt, um ein Phosphat aus dem Zytoplasma ins Mitochondrium zu transportieren und drei Protonen für die Phosphorylierung von einem ADP. Die Bildung eines ATP s kostet also 4 Protonen! Aus der Oxidation von einem NADH/H+ entsteht in der Atmungskette 2,5 ATP (weil: 10:4= 2,5). 9
Wie viel ATP entsteht ausgehend von FADH 2? Ausgehend vom FADH 2 werden nicht 10 sondern nur 6 Protonen aus der Matrix gepumpt. Warum nur 6? Weil der Einstieg in die Atmungskette erst bei Komplex 2 erfolgt, der ja selbst nicht in der Lage ist, Protonen aus den Mitochondrien zu pumpen. Da die Bildung von ATP jedoch auch hier 4 Protonen kostet, entstehen deshalb ausgehend vom FADH 2 nur 1,5 ATP (weil: 6:4= 1,5). Der Phosphat/Sauerstoff- Quotient (P/O-Quotient) Mit dem P/O-Quotient kann man ausdrücken, wie viel Sauerstoff für die Phosphorylierung einer bestimmten Menge an ATP benötigt wird. Wegen der unterschiedlichen Energie der Elektronen von NADH und FADH 2 ergibt sich für die beiden Reduktionsäquivalente auch ein unterschiedlicher P/O-Quotient. Beim NADH werden für einen Sauerstoff 2,5 Phosphate in ADP eingebaut, der P/O- Quotient beträgt somit 2,5. Beim FADH 2 sind es entsprechend nur 1,5. 7. Entkoppler und Hemmstoffe der Atmungskette Entkoppler ermöglichen einen Abbau des Protonengradienten, ohne dass ATP produziert wird (nur Wärme wird hergestellt) Hemmstoffe greifen in die Elektronentransportkette ein und blockieren an irgendeiner Stelle den Weitertransport der Elektronen (ohne Therapie, kann dies in kürzester Zeit tödlich sein) Welche Stoffe dienen als Entkoppler? Braunes Fettgewebe: - besitzen Neugeborene - hier erfolgt kontrollierte Entkopplung der Atmungskette zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur - enthält Thermogenin, ein Entkopplungsprotein, das in innerer Mitochondrienmembran eingelagert ist und als Protonenkanal wirkt, durch den Protonen aus dem Intermembranraum wieder ins Mitochondrium zurückfließen - die frei werdende Energie wird direkt in Wärme umgewandelt und nicht in Form von ATP gespeichert 2,4-Dinitrophenol (DNP): - lipophile Säure - kann also Protonen über Mitochondrienmembran transportieren - frei werdende Energie wird auch hier in Wärme umgewandelt 10
Welche Stoffe hemmen die Atmungskette? Vorweg sei gesagt, dass alle aufgelisteten Stoffe beim Menschen die Cytochrom- Oxidase hemmen und somit den Komplex 4 der Atmungskette blockieren. Die Folge ist ein inneres Ersticken. Schwefelwasserstoff (H 2 S) Blausäure (Zyankali) 8. Mitochondriale Krankheiten Krankheiten, die die Wirkung der Atmungskette und die oxidative Phosphorylierung stören, werden unter dem Begriff mitochondriale Krankheiten zusammengefasst. Wie entstehen mitochondriale Krankheiten? Die Ursache mitochondrialer Krankheiten sind vor allem Genmutationen. Da die Atmungskette nicht nur von der mitochondrialen DNA (mt DNA), sondern auch von der nucleären DNA codiert wird, können mitochondriale Krankheiten über beide DNA`s übertragen werden. Einteilung mitochondrialer Krankheiten: - Krankheiten durch Mutationen der mitochondrialen DNA und Defekte von Proteinen der Atmungskette: Einige Beispiele: Erkrankung Gendefekt der mtdna Symptomatik KSS (Kearns-Sayre- Syndrom) Deletion Retinitis pigmentosa Kardiomyopathie Opthalmoplegie LHON (Lebersche hereditäre Optikusneuropathie) Punktmutation eines Strukturgens (Komplex 1) bilateraler Visusverlust bei jungen Männern - Krankheiten durch Mutationen der nucleären DNA mit direkter Auswirkung auf die Proteine der Atmungskette: Bei dieser Gruppe sind Defekte des Komplex 1 der Atmungskette am häufigsten. Mutationen der nucleären Gene, die für diesen Komplex codieren, führen oft zu einem 11
Multiorganversagen in früher Kindheit. Seltener beobachtet man Krankheiten durch Defekte einzelner Organe, wie Gehirn, Skelettmuskulatur, Herz und Auge. - Krankheiten durch Mutation der nucleären DNA mit indirekter Auswirkung auf Proteine der Atmungskette: Friedrich-Ataxie: - neuro-muskuläre Erkrankung - Mutation führt zur verminderten Bildung des mitochondrialen Proteins Frataxin - dieses ist wichtig für den Aufbau der Eisen-Schwefel-Cluster in den Komplexen 1 und 3, die somit in ihrer Funktion vermindert sind Huntington-Erkrankung: - schwere neurologische Störungen - Beeinträchtigung des Proteins Huntingtin 9. Klausuraufgaben zur Atmungskette Zum Schluss noch ein paar Beispielaufgaben zur Atmungskette. Und, könnt ihr sie beantworten??? 1. Welche Rolle besitzt Thermogenin? Antwort: Es nutzt den Protonengradienten in der Atmungskette um Wärme zu erzeugen. 2. Wie wirken Entkoppler auf die Atmungskette? Antwort: Sie ermöglichen den Abbau des Protonengradienten, ohne dass ATP produziert wird 3. Wo findet die oxidative Phosphorylierung satt? Antwort: In der inneren Mitochondrienmembran 4. Nenne einen lipidlöslichen Elektronencarrier der Atmungskette Antwort: Ubichinon 5. Skizziere den Aufbau und Lokalisation der ATP-Synthase Antwort: Siehe Abbildung Komplex 5 Rechenaufgabe: Das Halbelement NAD+/NADH hat ein Standardreduktionspotential E0 = -0,320 V, das Halbelement Ubichinon/Ubichinol ein E0 von =+ 010 V a. Formuliere die Reaktion des Komplex1 der Atmungskette mit Angabe der Richtung des spontanen Reaktionsablaufs und berechne E0 und das G0 der Reaktion. (F= 96500 C/mol) 12
b. Die Hydrolyseenergie von ATP beträgt -30 kj/mol. Reicht die in der obigen Reaktion gewonnene Energie zur ATP Synthese aus und wie viel mol ATP könnten maximal gebildet werden? c. Berechne das G der Reaktion des Komplex1 der Atmungskette (siehe a), wenn folgende Konzentrationsverhältnisse vorliegen: [Ubichinol]/[Ubichinon]= 0,1 [NAD+]/[NADH]= 0,1 (R= 8,315 J/K mol ; T= 298 K) Lösungen Zu a) NADH/H+ + Ubichinon NAD+ + Ubichinol E0 = E0 red E0 ox = +0,10 V (- 0,320 V) = +0,24 V - G0 = n x F x E0 G0 = -2 x 96.500 J/V x 0,42 V = - 81.060 J/mol!!! Hier muss man die 96.500 C/mol (C=Coulomb) in J/V umwandeln Zu b) Coulomb= J/V - 81, 060 kj/mol = 2,702 ATP - 30 kj/mol Zu c) G = G0 + R x T x ln Produkte / Edukte = - 81,060 kj/mol + 8,315 J/mol x K x 298 K x ln ( 0,1 x 0,1) = - 92.471 J/mol 13
10. Quellenangaben 1. Biochemie des Menschen, Florian Horn, Gerd Lindenmeier, Isabelle Moc, Christian Grillhösl, Silke Berghold, Nadine Schneider und Birgit Münster, 2. Auflage 2003, Thieme Verlag 2. Biochemie & Pathobiochemie, Georg Löffler, Petro E. Petrides, 7. Auflage 2003, Springer Verlag 3. Karlsons Biochemie & Pathobiochemie, Detlef Doenecke, 15. Auflage 2005, Thieme Verlag 4. Kurzlehrbuch Biochemie, Melanie Königshoff, Thieme Verlag Abbildungen: 1. In Anlehnung an Biochemie des Menschen, Horn, 2. Auflage 2003, Thieme Verlag 2. www.biologie.uni-duesseldorf.de/.../zoophysiologie/lehre 14