Oxidative Phosphorylierung Flashcards
Die Oxidative Phosphorlierung - Lernziele
- Oxidative Phosphorylierung und Mitochondrien
- Elekktronentransfer und Energie
- Vier Komponenten der Atmungskette
- ATP-Synthese durch Protonengradienten
- Shuttle-Systeme
- Regulation
Definition oxidative Phosphorylierung
Dies ist der Prozess in welchem ATP hergestellt wird, wobei er durch den Transfer von Elektronen aus NADH und FADH2 an O2 über eine Serie von unterschiedlichen Elektronencarriern innerhalb der Mitochondrienmembran angetrieben wird
Grundprinzip der oxidativen Phosphorylierung
Atmung/Respiration Definition
- ATP erzeugender Prozess
- anorganische Verbindungen (O2) als letzter Elektronenakzeptor
- Elektronendonor kann eine organische oder eine anorganische Verbindung sein
- Der höhepunkt der Zellatmung
- entlang Elektronentransportkette
- NADH und FADH2 Moleküle aus Glykolyse gewonnen werden genutzt um O2 zu reduzieren und um viele ATP Moleküle zu generieren
Wo findet die oxidative Phosphorylierung statt?
an der inneren Mitochondrienmembran
Das Mitochondrium
- ca. 2 mikrometer x o,5 mikrometer groß
- Atmungskette, Fettsäureoxidation, Citratzyklus
- äußere Membren
- gefaltete inner Membran mit Einstülpungen (Cristae) –> Vergrößerung der Membranoberfläche
- Intermembranraum und Matrix
Was wird währen der ox. Phos. aufgebaut und genutzt?
protonenmotorische Kraft
Wie kommt es zur oxidativen Phosphorylierung?
- durch Elektronentransfer
- Elektronenübertragungspotential (von NADH und FADH2) → Phosphorylgruppenübertragungspotential (von ATP)
Wie können wir das Elektronenübertragungspotential in das Phosphorylgruppenübertragungspotential umrechnen?
Redoxreaktionen
…betrachten ein Redoxpaar und können in zwei Halbreaktionen zerlegt werden. Die GGW-Lage wird durh das Redoxpotential bestimmt
Beispiel: Fe2+ + Cu2+ → Fe3+ + Cu+
- Fe2+ is Elektronendonor
- Cu2+ ist Elektronenakzeptor
Biologische Oxidationen sind häufig Dehydrogenierungen oder Elektronenübertragungen
Arten der Übertragung von ‘Reduktionsäquivalenten’
- direkt als Elektronen
- als Wasserstoffatome
- als Hydridion (H-)
- Reaktion mit Sauerstoff
Redoxpotential
- Maß für Elektronenaffinität
- Bezugsgröße ist die Standard-H2-Elektrode → E0 = 0.0 V
E0’ > 0 (positiv)
- positives Redoxpotential
- Stoff wirkt oxidierend
- will e- aufnehmen
- wird reduziert
E0’ < 0 (negativ)
- negatives Redoxpotential
- Stoff wirkt reduzierend
- möchte e- abgeben
- wird oxidiert
Reduktionspotential und freie Energie Formel
ΔG0’ = - n * F * ΔE0’
- n = Anzahl der übertragenden Elektronen
- ΔE = Redoxpotentialdifferenz
- ΔG = Änderung der freien Enthalpe
- F = Faraday-Konstante = 96458 J/(mol*V)
Nernst’sche Gleichung
Die Halbzellenpotentiale hängen neben der Art der Reaktanden und der Reaktion auch von den Konzentrationen ab
E = E0 + (RT)/(nF) * ln [e--akzeptor]/[e--donor]
für T=25°:
E = E0 + (0.059/F) * log ([e--akzeptor]/[e--donor])
E = E0 + (0.026/F) * ln ([e--akzeptor]/[e--donor])
Weg des Elektonentransports
- Entlang eines Reduktionspotentialgradienten
- über MembranproteinKomplexe, die den Elektronentransfer an den Protonentransport durch die innere Mitochondrienmembran koppelt
- NADH-Q-Oxidoreduktase
- Q-Cytochrom-c-Oxidoreduktase
- Cytochrom-c-Oxidase
Komplex I: NADH-Q-Oxidoreduktase - NADH-Dehydrogenase
Reaktion:
NADH + Q + 5 H+Matrix → NAD+ + QH2 + 4 H+Cytoplasma
- NADH wird oxidiert, gibt Elektronen an Ubichinon (Q) und reduziert dieses
- Dieser Komplex nimmt ‘high energy’ elektronen von NADH Molekülen auf, agiert als Protonenpumpe, die die Bewegung der Elektronen nutzt um H+ Ionen in den Intermembranraum zu pumpen
Struktur der NADH-Q-Oxidoreduktase
- [4Fe4S]-Zentrum
- Eisen-SchwefelZentruum
- FMN als Coenzym
- Elektronentransfer an FMN und Eisen-Schwefel-Zentren
- > 900 kDa
- mehr als 46 Polypeptidketten
- kodiert in Mitochondiren und Zellkern
- L-Form
- horizontale Komponente innerhalb Membran
- vertikale Komponente in der Matrix
Ubichinon
- membrangebundener, beweglicher Elektronencarrier
- Elektronenaufnahme ist gekoppelt mit H+-Aufnahme
- Isoprenyl-Seitenkette dient als Membrananker
- kleines hydrophobes Molekül
- agiert als Elektronen carrier und shuttle
- von Komplex I/II zu Komplex III
Komplex II
- Succinat-Q-Reduktase-Komplex
- Succinat-Dehydrogenase Teil des Komplexes
- kann keine Protonen pumpen
- FADH2
Weg der Elektronen in die Elektronentransportkette ausgehend von FADH2
- FADH2 Herstellung durch Succinat-DH
- Succinat-DH Bestandteil des Succinat-Q-Reduktase-Komplexes (Komplex II)
- FADH2 verlässt Komplex nicht
- transferiert e- zum Eisen-Schwefel-Zentrum des Komplexxes
- schließlich auf Q
Q-Cytochrom-c-Oxidoreduktase
Komplex III
Reaktion
QH2 + 2 Cyt cox + 2 H+Matrix → Q + 2 Cyt cred + 4 H+Cytoplasma
Q-Zyklus
Q-Cytochrom-c-Oxidoreduktase
Struktur
Komplex III
- 3 tetrapyrole:
- Häm c1
- Häm bL (low e-affinity)
- Häm bH (high e-Affinität)
- Rieske-FeS-Zentrum
- Eisen-Schwefel-Cluster von Aminosäure Histidin koordiniert
- Transmebrankomplex aus quasi Parallelen Alpha helices
Was sind Cytochrome, Was beinhalten sie?
- Farbstoffe (haben absorptionseigenschaften)mit Häm-kofaktor in der komplex III/IV
- Gibt verschiedene ( kovalent gebunden/ nur durch WBB..unterschiedliche strukturen) mit unterschiedlichen Eigenschaften
- Proteine, das Elektronen transferiert
Warum beihalten die komplexe der Atmungskette unterschiedliche metallhaltige kofaktoren?
Verschiede Kofaktoren haben unterschiedliche Redoxpotentiale
-> Bedarf an unterschiedlichen e-affinitäten, da kofaktoren e- aufnehmen/abgeben müssen
Q-Zyklus
- Hälfte: Erstes QH2-Molekül wird oxidiert
- ein e- reduziert Cytochrom-c
- ein e- reduziert Q zu Q-*
- Hälfte: Zweites QH2-Molekül wird oxidiert
- ein e- reduziert weiteres Cytochrom-c
- ein e- reduziert Q-* zu QH2
Cytochrom-c-Oxidase
Komplex IV
Struktur und Reaktion
- 13 Proteinuntereinheiten
- 2 Häm-a-Gruppen
- zweikerniges Cu-A-Zentrum
- CuB-Häm-a3-Zentrum
Reaktion
4 Cyt cred + 8 H+Matrix + O2 → 4 Cyt cox + 2 H2O + 4 H+
- nutzt Elektronen um H+ Ionen aus der Matrix zu pumpen
- transferiert Elektronen auf Sauerstoff
- reduziert Sauerstoff zu Wasser
Mechanismus der Cytochrom-c-Oxidase
4 Cyt cred + 8 H+Matrix + O2 → 4 Cyt cox + 2 H2O + 4 H+
- Zwei Cytochrom-c-Moleküle übertragen Elektronen nacheinander, um CuB und Häm a3 zu reduzieren
- Reduziertes CuB und Fe in Häm a3 bindet O2 welches eine Peroxidbrücke bildet
- Die Addition von je zwei weiteren Protonen spaltet die Peroxidbrücke
- Die Addition von zwei weiteren Protonen führt zur Freisetzung von Wasser
Molekulare Uhren
- AS-Substitutionen pro 100 AS-Resten entlang der Zeit aufgetragen
- wie schnell entwickelt sich ein Enzym
- Aussage über die Wichtigkeit eines Proteins
Reduktion molekularen Sauerstoffs
toxische Teilreduzierte Spezies
Diskutieren Sie die Evolution des Cytochrom-c-Proteins
- wenige Abweichungen cyt C in vielen versch. Organismen mit mitochondrialen Atmungssystemen
- geringe Strukturelle Unterschiede der Interaktionsflächen
- cyt c von verschiedenen Organismen austauschbar und funktionsfähig
- Aminosäuresequenzen sind ähnlich
- trotz Evolutionsdauer von Milliarsen Jahren
- 25% unverändert
Welche Anforderungen ergibt sich aus der reduktion des mol O2 an die Komplexe in Der Atmungskette?
- O2-Radikale = tox, teil reduzierende Spezies
⇒ dürfen nicht mit O reagieren
⇒ dürfen e- nicht auf O übertragen
Detoxifizierung reaktiver Sauerstoffspezies
Superoxid-Dismutase und Katalase
Superoxid-Dismutase: 2O2-* 2 H+ ⇔ O2 + H2O2
Katalase: 2 H2O2 ⇔ 2 O2 + 2 H2O
→ zwei diffusionskontrollierte Enzyme
Dismutation Definition
Oft synonym mit Disproportionierung verwendet. Ein Molekül wird durch Oxidation und Reduktion in zwei verschiedene Produkte umgewandelt.
Wie wandelt man die Energie aus dem Elektronentransfer um?
- fElektronentransport gekoppelt an Bilung kovalenter, energiereicher Zwischenprodukte mit hohem Phosphorylgruppenübertragungspotential
- Elektronentransfer koppelt an den Aufbau eines Protonengradienten der inneren Mitchondirenmembran
protonenmotorische Kraft treibt ATP-Synthese
Die chemiosmotische Hypothese
- wenn Elektronen durch die Atmungskette fließen, werden Protonen durch diese Membran gepumps
- Protonenmotirische Kraft (Δp) = chemischer Gradient (ΔpH) + elektrischer Gradient (ΔE)
- die protonenmotorische Kraft, d.h. beide Gradienten treibt die ATP-Synthese
Die ATP-Synthase
Aufbau
Protonenleitende F0-Untereinheit
- ca. 160 kDa
- hydrophob/in der Membran
- 10-14 c-UE
- 1 a-UE
- über zwei b-UE, die δ-UE und zentralen γε-Stiel mit dem F1-Teil verbunden
Lösliche F1-Untereinheit
- ca. 370 kDa
- α3β3γδ3
- β-UE spaltet Nukleotide
- γ-UE unterbricht die Symmetrie des α3β3γδ3-Hexamers
→Alle drei β-UE haben unterschiedliche Konformationen
Rotor ⇔ Stator
Die ATP-Synthase
Reaktion
ADP3- + HPO42- + H+ ⇔ ATP4- + H2O
Synthesemechanismus
ATPase - Mechanismus der beta UE
- 3 Konformationen der beta-UE
- O: open - bindet dissoziiert AT/DP
- L: loose - stabilisiert ADP + Pi
- T: tight - feste ATP-Bindung
- gamma UE rotiert 120° gegen Uhrzeigersinn
- Bindungswechsel durch induzierte Asymmetrie
ATP-Synthase - Kopplung von Protonenfluss und Rotation durch Halbkanäle
- c-UE aus 10-14 Asparaginsäuren (polare TMD: ungewöhnlich) → H+ kann binden!
- a-UE mit cytoplasmatischer und Matrixhalbkanal
H+ aus Intermembranraum diffundiert in cytoplasmatischen HK → wird gebunden → Rotation im Uhrzeigersinn → H+ in Matrix HK → entalssen von H+ in Matrix → usw
ATP-Synthase Skizze
Welche Rolle spielen die Protonen in der ATP-Synthese durch die F0F1-ATP-Synthese?
- Protonengradient notwendig für ATP synthese
- Bindung Proton führt zu konformationellen Änderung des Enzyms
- gebunden ATP kann freigesetzt werden
- Rolle liegt nicht darin ATP herzustellen
- sondern aus Synthase freisetzen
Was war der Beweis für die Rotation der ATP-Synthase während Substratumsatzes?
- klonierte α3β3γ -Untereinheiten
- β-UE mit His an Nickel-beschichtete Oberfläche gebunden und weiteren
- Fluoreszenztag an γ-Untereinheit gebunden
- beobachtete Rotation durch Fluoreszenz-Mikroskopie
Wie viele H+ Atome sind notwendig bei 10c UE ein ATP zu erzeugen
3,33
Übersicht über die oxidative Phosphorylierung
Atmungskontrolle
- Elektronen fließen nur bei Bedarf an ATP von Brennstoffmolekülen zu Sauerstoff
- nur bei hohen Konzentrationen von ADP
- Akzeptorkontrolle
Für was wird die Energie vom Protonengradienten genutzt?
- aktiver Transport
- Elektronenpotential
- Wärmeerzeugung
- NADPH-Synthese
- ATP
- Flagellenrotation
Wie hoch ist die Netto-ATP-Ausbeute wenn cytoplasmatisches NADH von der Elektronentransportkette mit Hilfe des Glyceerin-3-Phosphat-Shuttles reoxidiert wird?
1.5
Was ist die gegenwärtig vorherrschende Lehrmeinung für die Anwesenheit von Mitochondrien in eukaryotischen Zellen? Was sind Argumente dafür?
Es wird angenommen, dass diese Organe,,en ein Resultat eines endosymbiontischen Ereignisses sind (Endosymbiontentheorie). Der Aufbau der Mitochondrien stimmt mit dieser Theorie überein. Zusätzlich zeigen DNA-Sequenzanalysen der mtDNA, dass ein Vorgänger eines exisitierenden Bakteriums die Quelle für die bestehenden Mitochondrien sind.
Warum wird weniger ATP aus Reoxidation von FADH2 als NADH hergestellt?
- Komplex II keine Protonenpumpe
- Fluss der Elektronen von FADH2 zum Sauerstoff pumpt weniger Protonen aus der Matrix
- NADH pumpt mehr Protonen
- weniger ATP hergestellt
