7 ZELLATMUNG A. BIOCHEMISCHE GRUNDLAGEN Im aeroben Metabolismus gebildetes ATP wird zum großen Teil in Mitochondrien synthetisiert und im Cytosol verbraucht. Bei der mitochondrialen ATP-Synthese wird die Oxidation von Substraten wie NADH und Succinat durch Sauerstoff mit der Phosphorylierung von ADP ge- koppelt; dieser Prozess heißt oxidative Phosphorylierung. Er wird von Enzymen der inneren Mitochondrienmembran katalysiert, wobei die Energie für die Bildung von ATP von den Oxi- dationsvorgängen bereitgestellt wird. Die Energieübertragung geschieht durch Ionen-Pumpen, die Protonen ohne begleitende Anionen durch die innere Mitochondrien-Membran transportieren (elektrogener Protonen- transport). Dabei entstehen gleichzeitig ein Protonengradient und ein Membranpotential (au- ßen positiv); beide können als Komponenten eines "elektrochemischen Protonengradienten" aufgefasst werden. Bei der NADH-Oxidation verschwinden Protonen aus der Matrix: NADH + H + + ½ O2 NAD + + H2O Der Beitrag dieser skalaren (nicht elektrogenen) Protonen ist gering, da sie bei der Reduktion von NAD + wieder freigesetzt werden, und soll hier nicht weiter besprochen werden. Protonenpumpen, die durch Elektronentransport getrieben werden, sind in den Komplexen I, III und IV enthalten; sie transportieren Protonen in den Intermembran-Raum. Die ATP- Synthase ist eine Protonenpumpe, die diese Protonen zurück in die mitochondriale Matrix fließen lässt und dadurch die Energie für die ATP-Synthese erhält. Auch dieser Protonen- transport ist elektrogen, d.h. er findet ohne begleitende Anionen statt. Dieser Mechanismus der oxidativen Phosphorylierung basiert auf der 1961 zuerst formulierten "chemiosmotischen Theorie" des Engländers Peter Mitchell, für die er 1979 den Nobelpreis bekam. Die Elektronen werden durch NADH und FADH2 an die Atmungskettenkomplexe I und II geliefert. In den hier durchgeführten Versuchen wird Succinat, als Substrat des Komplexes II (auch als Succinatdehydrogenase bekannt) verwendet. Durch die Oxidation von Succinat zu Fumarat wird gleichzeitig der Cofactor FAD zu FADH2 reduziert. Die Elektronen des FADH2 können daraufhin weitergeleitet und in die Atmungskette eingebracht werden. - OOC-CH2-CH2-COO - + FAD - OOC-CH=CH-COO - + FADH2 Succinat Fumarat
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ZELLATMUNG - Ruhr University Bochum...dessen Regulation, Citratzyklus, Atmungskette; Prinzipien und Mechanismen der Stoffwechselregulation; Unterschiedliche Mechanismen der ATP-Bildung;
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ZELLATMUNG
A. BIOCHEMISCHE GRUNDLAGEN
Im aeroben Metabolismus gebildetes ATP wird zum großen Teil in Mitochondrien synthetisiert
und im Cytosol verbraucht. Bei der mitochondrialen ATP-Synthese wird die Oxidation von
Substraten wie NADH und Succinat durch Sauerstoff mit der Phosphorylierung von ADP ge-
koppelt; dieser Prozess heißt oxidative Phosphorylierung. Er wird von Enzymen der inneren
Mitochondrienmembran katalysiert, wobei die Energie für die Bildung von ATP von den Oxi-
dationsvorgängen bereitgestellt wird.
Die Energieübertragung geschieht durch Ionen-Pumpen, die Protonen ohne begleitende
Anionen durch die innere Mitochondrien-Membran transportieren (elektrogener Protonen-
transport). Dabei entstehen gleichzeitig ein Protonengradient und ein Membranpotential (au-
ßen positiv); beide können als Komponenten eines "elektrochemischen Protonengradienten"
aufgefasst werden. Bei der NADH-Oxidation verschwinden Protonen aus der Matrix:
NADH + H+ + ½ O2 NAD+ + H2O
Der Beitrag dieser skalaren (nicht elektrogenen) Protonen ist gering, da sie bei der Reduktion
von NAD+ wieder freigesetzt werden, und soll hier nicht weiter besprochen werden.
Protonenpumpen, die durch Elektronentransport getrieben werden, sind in den Komplexen I,
III und IV enthalten; sie transportieren Protonen in den Intermembran-Raum. Die ATP-
Synthase ist eine Protonenpumpe, die diese Protonen zurück in die mitochondriale Matrix
fließen lässt und dadurch die Energie für die ATP-Synthese erhält. Auch dieser Protonen-
transport ist elektrogen, d.h. er findet ohne begleitende Anionen statt. Dieser Mechanismus
der oxidativen Phosphorylierung basiert auf der 1961 zuerst formulierten "chemiosmotischen
Theorie" des Engländers Peter Mitchell, für die er 1979 den Nobelpreis bekam.
Die Elektronen werden durch NADH und FADH2 an die Atmungskettenkomplexe I und II
geliefert. In den hier durchgeführten Versuchen wird Succinat, als Substrat des Komplexes II
(auch als Succinatdehydrogenase bekannt) verwendet. Durch die Oxidation von Succinat zu
Fumarat wird gleichzeitig der Cofactor FAD zu FADH2 reduziert. Die Elektronen des FADH2
können daraufhin weitergeleitet und in die Atmungskette eingebracht werden.
-OOC-CH2-CH2-COO- + FAD -OOC-CH=CH-COO- + FADH2
Succinat Fumarat
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Da ATP in der Mitochondrienmatrix synthetisiert, aber in der Regel im Cytosol verbraucht wird,
sind Transportvorgänge für Substrat und Produkt der oxidativen Phosphorylierung wichtig.
ADP und Phosphat werden in die Matrix und ATP wird in das Cytosol transportiert. Dies
geschieht durch zwei Transportsysteme.
1. Die Adeninnukleotid-Translokase ermöglicht den Austausch von Matrix-ATP gegen
cytosolisches ADP:
Cytosol Matrix
ADP-3 ADP-3
ATP-4 ATP-4
Dieser Prozess ist elektrogen und wird durch das Membranpotential getrieben: beim
ADP/ATP-Austausch wird durch ATP eine negative Ladung mehr in das Cytosol
transportiert, als durch ADP in die Matrix gelangt.
2. Der Phosphat-Transporter katalysiert den Austausch von Matrix-OH- gegen cytosoli-
sches Phosphat:
Cytosol Matrix
H2PO4- H2PO4
-
OH- OH-
oder, davon nicht unterscheidbar, den Kotantransport von Phosphat und Protonen:
Cytosol Matrix
H2PO4- H2PO4
-
H+ H+
Dieser Prozess ist elektroneutral und wird durch den pH-Gradienten getrieben.
Die Stöchiometrie der ATP-Bildung bei der Oxidation von NADH oder FADH2 wird durch das
P/O-Verhältnis (oder ATP/O- oder ADP/O-Verhältnis, je nachdem, welche Reaktion betrachtet
wird) ausgedrückt. Theoretisch hängt das ATP/O-Verhältnis von der Zahl der elektrogenen
Protonen ab, die
1. im Elektronentransport produziert,
2. bei der ATP-Synthese und
3. während des Substrat- und Produkt-Transports verbraucht werden.
Das ATP/O-Verhältnis für die Oxidation von NADH oder FADH2 wird gewöhnlich mit 3 bzw. 2
angegeben. Experimentell werden häufiger Werte um 2,5 für NADH und 1,5 für Succinat
gefunden.
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Aus energetischen Gründen kann ATP nicht ohne gleichzeitig ablaufende Redoxvorgänge
synthetisiert werden. Umgekehrt würde die Oxidation von NADH oder FADH2 ohne gleichzeitige
Phosphorylierung nur Wärme erzeugen. Eine kinetische Kontrolle, die Atmungskontrolle,
verhindert dies und lässt nennenswert schnelle Oxidation in der Atmungskette nur zu, wenn die
Möglichkeit der ATP-Synthese durch Anwesenheit von ADP gegeben ist.
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Abb. 1: Schematische Darstellung der oxidativen Phosphorylierung
Abb. 1 zeigt die wichtigsten Prozesse der oxidativen Phosphorylierung, die in der Mitochondrienmatrix und an der inneren
Mitochondrienmembran ablaufen. (I-IV) Komplex I-IV der Atmungskette; (F1/F0) ATP-Synthase; (U) Coenzym Q; (C)
Cytochrom c; (T) Adeninnukleotid-Translokase; (P) Phosphat-Transporter; (EH/E-) Entkoppler im protonierten bzw.