Die Atmungskette und die oxidative Phosphorylierung sind für die Stoffwechselvorgänge der Zelle von zentraler Bedeutung. Hier wird die Energie aus der aufgenommenen Nahrung in die Energieeinheit unseres Körpers (Adenosintriphosphat) umgewandelt. Wie der Name Atmungskette schon verrät, spielt hier auch Sauerstoff eine wichtige Rolle. Wie genau dieser komplexe Mechanismus funktioniert und welche Stoffe ihn außer Kraft setzen, klärt dieser Artikel.

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Schematische Darstellung Atmungskette

Bild: “Schematische Darstellung der Atmungskette” von OnkelDagobert. Lizenz: CC BY-SA 3.0


Funktion und Lokalisation der Atmungskette

Das Ziel der Atmungskette  ist es, die während verschiedener Stoffwechselvorgänge verbrauchten Reduktionsäquivalente NADH/H+ und FADH2 wieder aufzubereiten. Dafür werden die Elektronen derselbigen auf Sauerstoff übertragen.

O2 + 4H+ + 4e = 2 H2O

Die große Energie, die dabei frei wird, wird gleichzeitig in Form eines Protonengradienten genutzt, um aus Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat Adenosintriphosphat (ATP) zu synthetisieren. Dieser letzte Schritt wird oxidative Phosphorylierung genannt.

Die Atmungskette wird auf insgesamt vier Multienzymkomplexe plus einen für die oxidative Phosphorylierung aufgeteilt. Alle Komplexe sind in der inneren mitochondrialen Membran lokalisiert. Die Elektronenübertragung wird somit in mehrere Reaktionen untergliedert, um einerseits die für ein Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch typische Knallgasreaktion zu vermeiden und andererseits die Energie der exothermen Reaktionen maximal ausnutzen zu können.

Mitochondrium

Bild: “Mitochondria” von BruceBlaus. Lizenz: CC BY 3.0

Aufbau der einzelnen Komplexe der Atmungskette

Komplex I: Die NADH-Ubichinon Oxidoreduktase

Der erste Komplex der Atmungskette ist die NADH-Ubichinon Oxidoreduktase. Er ist ein Transmembranprotein und oxidiert NADH/H+ zu NAD+. Dabei überträgt NADH/H+ seine beiden Elektronen und Wasserstoffatome auf das Flavinmononukleotid. Dieses wird dadurch reduziert. Die reduzierte Form gibt nun die zwei Elektronen und Wasserstoffatome an das Eisen-Schwefel Zentrum des Komplexes weiter, welches wiederum mit Hilfe der Elektronen und Wasserstoffatome das Coenzym Ubichinon zu Ubichinol reduziert. Ubichinol ist in der inneren Mitochondrienmembran frei beweglich und überträgt die Elektronen und Wasserstoffatome später auf Komplex III.

Merke: Komplex I überträgt 2e- und 2H+ von NADH/H+ auf Ubichinon. Dabei werden 4H+ von der Matrix in den Intermembranraum gepumpt.

Komplex II: Die Succinat-Ubichinon Oxidoreduktase

Der zweite Komplex der Atmungskette ist die Succinat-Ubichinon Oxidoreduktase. Er ermöglicht den Quereinstieg von Elektronen aus FADH2. Dazu werden je zwei Elektronen und Wasserstoffatome von Succinat auf Ubichinon übertragen. Succinat wird dabei von FAD oxidiert. Dies entspricht dem ersten Regenerationsschritt des Cytratzyklus. FADH2 gibt die Elektronen und Wasserstoffatome nun an Ubichinon weiter. Auch hier wirkt wie bei Komplex I das Eisen-Schwefel Zentrum mit.

Die zwei Elektronen bewirken den Export von sechs Protonen durch die innere mitochondriale Membran. Dafür geben sie ihre Energie an die Komplexe III und IV ab, welche beide als Protonenpumpen agieren. Der Komplex II selbst ist ein peripheres Protein und kann daher keine Protonen über die innere mitochondriale Membran pumpen.

Merke: Komplex II überträgt 2e– und 2H+ von Succinat auf Ubichinon. Komplex II ist als einziger Komplex der Atmungskette keine Protonenpumpe.

Komplex III: Die Ubichinol-Cytochrom-C Oxidoreduktase

Der dritte Komplex der Atmungskette ist ein Transmembranprotein und heißt Ubichinol-Cytochrom-C Oxidoreduktase. Hier werden die Elektronen von Ubichinol aus den Komplexen I und II übernommen und auf 2 Cytochrom-C übertragen. Dafür wird Ubichinol zu Ubichinon oxidiert. Es werden lediglich die Elektronen übernommen. Diese zwei Elektronen werden entweder über ein Eisen-Schwefel Zentrum oder über den Q-Zyklus an 2 Cytochrom-C abgegeben.

Bei diesem Vorgang geht Cytochrom vom Fe3+-Zustand in den Fe2+-Zustand und ändert damit seine Wertigkeit. Cytochrom-C ist im Intermembranraum des Mitochondriums lokalisiert und kann so von Komplex III zu Komplex IV gelangen. Die Protonen die bei der Oxidation von Ubichinol frei werden, werden direkt in den Intermembranraum gepumpt. Ebenso die zwei Protonen, die beim Q-Zyklus frei werden. Zieht man Bilanz, werden pro Ubichinol zwei Elektronen übertragen und vier Protonen über die innere mitochondriale Membran gepumpt.

Merke: Komplex III erhält über Ubichinol aus den Komplexen I und II 2e. Diese überträgt er auf 2 Cytochrom-C. Dabei werden 4H+ von der Matrix in den Intermembranraum gepumpt.

Komplex IV: Die Cytochrom-C-O2 Oxidoreduktase

Der vierte Komplex der Atmungskette ist ein Transmembranprotein und heißt Cytochrom-C-O2 Oxidoreduktase. Hier werden die Elektronen von den beiden Cytochromen-C aus Komplex III auf 1/2 O2 übertragen. Dafür wird Cytochrom-C von 1/2 O2 oxidiert. Es entsteht ein O2-, welches sich in der Mitochondrienmatrix mit zwei H+-Ionen zu Wasser verbindet.

Der Komplex IV ist kupferabhängig. Kupfer A und Kupfer B sammeln die Elektronen ein und bilden eine Elektronentransportkette, um diese gleichzeitig auf den Sauerstoff übertragen zu können. Auch hier werden wieder Protonen in den Intermembranraum gepumpt. Dieses Mal allerdings nur zwei.

Merke: Komplex IV erhält über 2 Cytochrom-C aus Komplex III 2e. Diese überträgt er auf Sauerstoff. Dabei werden 2H+ von der Matrix in den Intermembranraum gepumpt. Komplex IV enthält als einziger Komplex der Atmungskette kein Eisen-Schwefel Zentrum.
Atmungskette

Bild: “Schematische Darstellung der Atmungskette mit den Komplexen (I, II, III und IV), sowie der ATP-Synthase (Komplex V) in der inneren Membran der Mitochondrien.” von Klaus Hoffmeier. Lizenz: Gemeinfrei

Aufbau der oxidativen Phosphorylierung

Komplex V: Die ATP-Synthase

Der fünfte Komplex ist für die oxidative Phosphorylierung zuständig und wird ATP-Synthase genannt. Die ATP-Synthase nutzt den von den vier Komplexen der Atmungskette aufgebauten Protonengradienten, welcher eine elektrochemische Potentialdifferenz verursacht. Die Protonen streben also dazu, entlang ihres Konzentrationsgefälles in die Matrix zu gelangen. Die ATP-Synthase ermöglicht dies durch einen Protonenkanal, der in ihrem so genannten F0-Teil enthalten ist. Die Protonen können somit vom Intermembranraum durch den F0-Teil in den Matrixraum diffundieren.

Der F1-Teil ragt in den Matrixraum und erinnert von der Form her an einen Pilz. Hier findet die eigentliche ATP-Synthese statt. Der Protonenfluss durch den F0-Teil bewirkt eine Drehbewegung im F1-Teil. Dabei werden circa drei Protonen für eine vollständige Drehung und damit auch der Synthese eines ATPs benötigt.

ADP + Phosphat = ATP

Der F1-Teil wird in drei alpha- und drei beta-Einheiten unterteilt, welche sich gegenseitig abwechseln. Mittig befindet sich die gamma-Einheit. Die beta-Einheit besitzt in der Loose-Stellung eine hohe Affinität für ADP und Phosphat.

Dreht sie sich nun ein Drittel weiter in die Tight-Stellung, so erhöht sich ihre Affinität für ATP soweit, bis sie die für ADP und Phosphat übersteigt. Dies führt zu Bildung von ATP. Bei der nächsten Drehung um ein Drittel kommt die beta-Einheit in die Open-Stellung. Hier wird das fertige ATP aus der Bindungstasche gedrückt. Der F1-Teil dreht sich um ein Drittel weiter und der Zyklus beginnt erneut.

Energiebilanz der Atmungskette

Für die Synthese von einem ATP werden ungefähr drei Protonen benötigt. Die Oxidation von NADH/H+ erwirkt, dass zehn Protonen von der Matrix in den Intermembranraum gepumpt werden. Pro NADH/H+ können also rund drei ATP gebildet werden. 

Die Oxidation von FADH2 ermöglicht das Pumpen von sechs Protonen über die innere mitochondriale Membran. Damit können pro FADH2 zwei ATP produziert werden. Oft werden jedoch geringere Werte in Büchern angegeben. Dies liegt daran, dass einige Protonen noch für andere Zwecke genutzt werden. Es fließen also nicht alle von den Komplexen I, III und IV gepumpten Protonen in den Protonenkanal der ATP-Synthase ein.

Hemmstoffe und Entkoppler der Atmungskette

Die vielen Stoffe, die die Produktivität der Atmungskette und der oxidativen Phosphorylierung vermindern oder gar ganz einstellen, werden in Hemmstoffe und Entkoppler eingeteilt. Dabei blockieren Hemmstoffe bestimmte Komplexe, sodass der Elektronentransport eingeschränkt oder gar nicht von statten gehen kann. Demnach kann auch keine oder deutlich weniger Sauerstoffreduktion stattfinden.

Hemmstoffe der Atmungskette

Barbiturate zählen zu solchen Hemmstoffen. Sie hemmen den ersten Komplex der Atmungskette, indem sie die Wasserstoffübertragung von Flavinomononukleotid auf Ubichinon blockieren. Das führt dazu, dass nur noch die Elektronen von Komplex II bei Komplex III ankommen und von dort im Komplex IV auf Sauerstoff übertragen werden können. Die Atmungskette ist also gehemmt, kommt jedoch nicht vollständig zum Erliegen. Ähnlich wirkt auch das in Deutschland verbotene Insektizid Rotenon.

Malonat hemmt den Komplex II der Atmungskette. Hier verhält es sich ähnlich wie bei den Barbituraten: Da die Elektronenzufuhr durch Komplex I noch vorhanden ist, wird die Atmungskette nur gedrosselt jedoch nicht gänzlich gestoppt.

Das Anitibiotikum Antimycin A hemmt den dritten Komplex der Atmungskette. Damit wird die Übertragung der Elektronen an Komplex IV unterbunden und die Reduktion von Sauerstoff kann nicht mehr stattfinden.

Die Blausäure HCN hemmt den vierten Komplex der Atmungskette. Sie blockiert die Elektronenübertragung von Cytochrom C auf Sauerstoff, indem sie die Cytochromoxidase funktionsunfähig macht. Dadurch können die Elektronen nicht verbraucht werden und durch die Anhäufung dieser, kommen bald alle Komplexe der Atmungskette zum Erliegen. Es werden dann auch keine Protonen mehr gepumpt, was wiederum dafür sorgt, dass kein ATP mehr gebildet werden kann. Die Zellatmung ist komplett blockiert und es kommt zur tödlich endenden inneren Erstickung.

Entkoppler der Atmungskette

Als Entkoppler werden Stoffe bezeichnet, die die Energieerzeugung vom Elektronenfluss entkoppeln. Das bedeutet, dass der durch den Elektronenfluss aufgebaute Protonengradient direkt wieder abgebaut wird und damit nicht von der ATP-Synthase genutzt werden kann. Die Energie, die nun nicht von der ATP-Synthase umgewandelt wird, wird in Form von Wärme frei. Der Elektronentransport jedoch läuft ungehindert weiter, sodass der Sauerstoffverbrauch durch Reduktion gleich bleibt oder sogar erhöht wird, weil die Regulation der Atmungskette über die ADP-Konzentration nicht mehr wirksam ist.

Merke: Entkoppler erhöhen die Sauerstoffreduktion und stoppen die ATP-Synthese.

Der Protonenkanal Thermogenin ist ein physiologischer Vertreter der Entkoppler und wird bei Kälte in die innere mitochondriale Membran eingebaut. Er kommt im braunen Fettgewebe vor und trägt mit seiner Wirkung zur Wärmebildung bei.

Dinitrophenol hingegen ist ein pathologischer Vertreter der Entkoppler. Es handelt sich hierbei um ein fettlösliches Molekül, das sich in der inneren mitochondrialen Membran einlagert und die Protonen der Intermembranseite auf die Matrixseite transportiert. Der Protonengradient wird somit abgebaut.

Beliebte Prüfungsfragen zur Atmungskette und oxidativen Phosphorylierung

Die Lösungen befinden sich unterhalb der Quellenangaben.

1. Welche der folgenden Aussagen zu Komplexen der Atmungskette trifft zu?

  1. Der erste Komplex der Atmungskette fungiert als einziger nicht als Protonenpumpe.
  2. Der zweite Komplex der Atmungskette pumpt 4 Protonen in den Intermembranraum.
  3. Der dritte Komplex der Atmungskette oxidiert NADH/H+ zu NAD+.
  4. Der vierte Komplex der Atmungskette hat als einziger kein Eisen-Schwefel Zentrum.
  5. Der fünfte Komplex der Atmungskette reduziert Sauerstoff zu Wasser.

2. Die ATP-Synthase…

  1. …besteht aus einem F1– und einem F2-Teil.
  2. …enthält in ihrem F0-Teil einen Protonenkanal.
  3. …benötigt pro Drehung circa 4 Protonen.
  4. …stellt ATP aus AMP und Pyrophosphat her.
  5. …ragt mit ihrem F1-Teil in den Intermembranraum hinein.

3. Welche der folgenden Aussagen zu Hemmstoffen und Entkopplern trifft zu?

  1. Barbiturate hemmen den Komplex II der Atmungskette.
  2. Rotenon hemmt den Komplex I der Atmungskette.
  3. Antimycin A ist ein Entkoppler.
  4. Cyanid hemmt den Komplex III der Atmungskette.
  5. Entkoppler senken die Reduktion von Sauerstoff.

Quellen

Löffler, G. (sechste Auflage). Basiswissen Biochemie mit Pathobiochemie. Springer.

Eggemann, I. (sechste Auflage). Medi-Learn Skriptenreihe Biochemie 1 Energiestoffwechsel. MEDI-LEARN.

Rassow, J. & Hauser, K. & Netzker, R. & Deutzmann, R. (dritte Auflage) Duale Reihe Biochemie. Thieme.

Atmungskette via Wikipedia.

Lösungen zu den Fragen: 1D, 2B, 3B

 

 

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