oxidative Phosphorylierung & Atmungskette Flashcards Preview

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Flashcards in oxidative Phosphorylierung & Atmungskette Deck (21):
1

Wo findet die Atmungskette statt?

Was ist der Zweck der Atmungskette?

Die Atmungskette läuft an der inneren Mitochondrienmembran ab.

Bei der Atmungskette werden von NADH und FADH2 Elektronen auf Sauerstoff übertragen, wodurch dieser zu Wasser reduziert wird. Dieser hochenergetische Prozess wird an die Bildung von Energie in Form von ATP gekoppelt (oxidative Phosphorlylierung).

2

Aus wie vielen Protein-Komplexen besteht die Atmungskette und welche Stoff dienen als Elektronenüberträger?

Was sind die Cofaktoren der Proteine der Atmungskette?

Die Atmungskette besteht aus 5 membrangebundenen Protein-Komplexen.
Ubichinon und Cytochrom c dienen als mobile Elektronenüberträger.

Die Cofaktoren der Proteine der Atmungskette sind FAD, FMN, Eisen-Schwefel-Zentren und verschiedene Hämgruppen (in den Cytochromen).

3

Wie viele Elektronen kann ein Eisen-Schwefel-Zentrum übertragen?

Eisen-Schwefel-Zentren sind immer 1-Elektron-Überträger

4

Was ist Ubichinon?

Wo ist es lokalisiert?

Zwischen welchen Komplexen überträgt Ubichinon Elektronen?

Durch welche Enzyme wird Ubichinon reduziert?

Wie nennt man die reduzierten Formen des Ubichinons?

Ubichinon (Coenzym Q) ist ein 1- oder 2-Elektronenakzeptor.

Es ist durch lange Isopren-Seitenketten in der inneren Mitochondrienmembran verankert und kann dort frei diffundieren.

Ubichinon überträgt Elektronen von Komplex I auf Komplex III, oder von Komplex II auf III, aber niemals von I auf II.

Reduziert wird das Ubichinon durch:
-ETF:Ubichinon-Oxidoreduktase (ETF=Electron-Transferring-Flavoprotein; Oxidation von FADH2 aus der beta-Oxidation)
-Glycero-phosphat-Oxidase (Glycero-phosphat-Dehydrogenase; Oxidation das NADH aus der cytosolischen Glycolyse)

5

Was passiert in Komplex I (NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase)?

Komplex I überträgt die Elektronen von NADH + H+ auf Ubichinon, sodass es zu Ubihydrochinon reduziert wird.
Die freigewordene Redoxenergie wird genutzt, um 4 Protonen von der Matrixseite in den Intermembranraum zu pumpen.

NADH + H+ + Ubichinon + 4H+(M) --> NAD + Ubihydrochinon + 4H+(IMR)

6

Was passiert in Komplex II (Succinat-Dehydrogenase, Succinat-Ubichinon-Oxidoreduktase)?

Der Komplex II besteht aus vier Untereinheiten. Die beiden hydrophilen UE sind die Succinat-Dehydrogenase aus dem Citratcyclus.
Das dort gebildete FADH2 überträgt noch im selben Komplex seine Elektronen auf Ubichinon.

Succinat + Ubichinon --> Fumarat + Ubihydrochinon

Im Komplex II werden KEINE Elektronen gepumpt.

7

Was passiert in Komplex III (Cytochrom-c-Reduktase, Ubihydrochinon:Cytochrom-c-Oxidoreduktase)

In Komplex III werden die Elektronen des Ubihydrochinons auf Cytochrom c (IMR) übertragen.
Ein Cytochrom c kann jeweils nur ein Elektron aufnehmen.
Komplex III hat auf der cytosolischen Seite ein Oxidationszentrum für Ubichinon und auf der Matrix-Seite ein Reduktionszentrum.
Um ein Elektron auf Cytochrom b (Rückaufnahme von Elektronen) zu übertragen, muss Ubichinon zunächst ein Elektron auf das Rieske-Eisen-Schwefel-Zentrum übertragen, damit das entstehende Ubisemichinon stark reduzierend auf Cytochrom b wirkt.
Da immer ein Elektron zur Rückübertragung auf Ubichinon zurück auf die Matrix-Seite transportiert wird, werden nominell nur 2 H+ von der Matrix in den IMR transferiert.

1QH2 + 2Cyt c3+ + 2H+(M) --> 1Q + 2Cyt c2+ + 4 H+

Da der Redoywechsel des Ubichinons mit einer Protonenabgabe und -aufnahme über Cytochrom b verbunden ist, werden Protonen nicht "gepumpt".

8

Was passiert in Komplex IV (Cytochrom c-Oxidase)

Komplex IV reoxidiert Cytochrom c und reduziert dabei Sauerstoff zu Wasser.
Das Elektron eines Cytochrom c wird an das zweikernige Cu a-Zentrum abgegeben. Über das Häm a-Zentrum fließt es auf das binukleäre Zentrum (aus Häm a3 und Cu b). An diesem Zentrum wird O2 reduziert. Sauerstoff kann erst binden, wenn zwei Elektronen "vorgeladen" sind. Dies fördert die initiale Bildung der Peroxidstufe und somit die Vermeidung von Superoxidradikalen.
Um zwei Moleküle Wasser zu produzieren, braucht Komplex II also vier "chemische Protonen".
Es werden 4 Protonen in den Intermembranraum gepumpt.

4Cyt c(red) + O2 + 8H+(M) --> 4Cyt c(ox) + 2H2O + 4H+(IMR)

9

Welche Komplexe der Atmungskette pumpen Protonen in den Intermembranraum?

Warum?

Wie viele Protonen werden pro oxidiertes NADH aus der Matrix in den Intermembranraum gepumpt?

Welche Komplexe tragen zur Einschleusung von Elektronen bei der Succinat-Reduktion bei und welche Komplexe bilden dabei den Protonengradienten mit wie vielen Protonen?

Komplexe I, III, IV pumpen Protonen in den Intermembranraum.

Den dadurch entstehenden Protonengradienten nutzt die F1/F0-ATP-Synthase zur ATP-Synthese.

Pro oxidiertes NADH werden 10 Protonen über die innere Mitochondrienmembran gepumpt.

Komplex II und die anderen Dehydrogenasen schleusen Elektronen ein, Komplex I wird umgangen und nur Komplexe III und IV tragen mit 6 Protonen zum Aufbau des Protonengradienten bei.

10

Wie lautet die Gleichung für die F1-F0-ATP-Synthase (Komplex V)?

ADP + Pi + 2,7H+(IMR) --> ATP + H2O + 2,7 H+(M)

11

Aus wie vielen Untereinheiten besteht F1-F0-ATP-Synthase?

Welcher Teil synthetisiert ATP?

Welcher Teil dient als Protonenmotor?

Die F1-F0-ATP-Synthase besteht aus 16 Untereinheiten.

Der ins die Matrix hinreichende F1-Stiel hydrolysiert ATP (enthält die Nucleotidbindungsstellen).

Der membranständige F0-Teil fungiert als Protonenmotor.

12

Wie sind die F1-F0-ATP-Synthase Untereinheiten angeordnet?

Welches Protein enthält die Synthase noch und was macht er?

Der F1-Teil ist aufgebaut aus drei alpha- und drei beta-Einheiten. 2 b-Einheiten bilden den peripheren Stiel und sind über die d-Einheit an eine der beta-Einheiten gebunden. Der periphere Stiel verbindet außerdem F1- und F0-Teil.
Die gamma-Einheit bildet einen zentralen Stiel, der bis in die Spitze der F1-Einheit hineinragt. Ihr Kontakt mit den 8 ringförmig angeordneten c-Einheiten wird durch eine delta- und epsilon-Einheit verstärkt. Eine Untereinheit a verbindet die b- mit den c-Einheiten.

Neben den Untereinheiten sitzt an der d- und b-Einheit noch das OSCP (Oligomycin Sensitivity Conferring Protein), an das Olygomycin bindet und so die ATP-Synthese hemmt, indem es einen Protonenrückfluss verhindert.

13

Wie funktioniert die der F0-Teil der F1-F0-ATP-Synthase?

Protonen werden durch zwei Kanäle in der A-Untereinheit an die c-Untereinheiten geleitet. Dort protonieren sie einen spezifischen Aspartatrest und lösen somit eine Drehbewegung der c-Untereinheiten aus. Der mit den c-Untereinheiten verbundene Stiel dreht sich ebenfalls, während die Untereinheiten a, b und OSCP statisch sind und so die Drehung des F1-Teils verhindern.

14

Wie funktioniert der F1-Teil der F1-F0-ATP-Synthase?

Wie viele ATP werden pro vollständige Rotation der gamma-Einheit gebildet?

Durch die Rotation des zentralen Stiels (gamma-Untereinheit) kommt es zu einer periodischen Konformationsänderung der drei alpha-beta-Dimere:

-in der L-Form (loose) kann ADP und Pi gebunden und Wasser ausgeschlossen werden.
-in der T-Form (tight) wird aus ADP und Pi ATP gebildet und fest gebunden.
-in der O-Form (open) wird ATP freigesetzt, dann geht sie wieder in die L-Form über.

Bei einer vollständigen Rotation der gamma-Einheit werden 3 ATP gebildet.

15

Bis zu welcher Größe können Moleküle durch die äußere Mitochondrienmembran diffundieren? Was stellt das Problem da?

Wie wird ADP und anorganisches Phosphat in die Mitochondrien-Matrix gebracht?

Wie viel H+ fließen pro Import von ADP und Pi und Export von ATP in den Matrixraum?

Bis zu einer Größe von 300Da können Moleküle frei durch die äußere Mitochondrienmembran diffundieren, das Problem stellt die innere Membran dar. Hier müssen Transportproteine ans Werk:

Die Adeninnukleotid-Translocase (Antiporter) tauscht ATP4- gegen ADP3- aus. Damit wird jeweils eine negative Ladung heraustransportiert, was durch den elektrochemischen Gradienten des Mitochondriums (IMR +, M -) begünstigt wird.

Phosphat wird durch einen Symporter zusammen mit H+ in die Matrix gebracht. Dieser wird durch den Protonenrückstrom, als auch durch den Protonengradienten begünstigt.

Pro Import von ADP und Pi und Export von ATP fließt 1 H+ in den Matrixraum. Entsprechend erhöhen sich die energetischen Kosten der ATP-Synthese.

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Wie funktioniert der Adeninnukleotid-Carrier?

Der Carrier hat Bindungsstelle für Adenninnucleotide. Wegen des Ladungsgradienten wird ATP4- 30-mal schneller nach außen transportiert, als ADP3-, allerdings wird ADP3- viel schneller nach Innen transportiert.

17

Wozu und wie dient das Malat-Aspartat-Shuttle?

Der Malat-Aspartat-Shuttle dient z.B. zum Transport von cytoplasmatischem NADH + H+ aus der Glycolyse.
Cytosolisches Oxalacetat wird zunächst mit NADH + H+ zu Malat reduziert und dann durch den alpha-Ketoglutarat/Malat-Carrier wird das Malat in der Matrix unter Bildung von NADH + H+ zu Oxalacetat reoxidiert.
Da kein Carrier für Oxalacetat existiert, wird dieses zuerst mit Glutamat zu Aspartat und alpha-Ketoglutarat transaminiert, durch einen Aspartat/Glutamat-Carrier rausgeschleust und dann wieder zu Oxalacetat und Glutamat transaminiert.

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Wie funktioniert das alpha-Glycerophosphat-Shuttle?

Das alpha-Glycerophosphat-Shuttle dient zum Einschleusen der Reduktionsäquvalente des cytosolischen NADH ins Mitochondrium.

Cytosolische Glycerophosphat-Dehydrogenase (Glycerin-3-Phosphat-Dehydrogenase) reduziert unter Verbrauch von NADH+H+ Dihydroxyacetonphosphat zu alpha-Glycerophosphat (Glycerin-3-phosphat).
Die mit der inneren Mitochondrienmembran assoziierte Glycerophosphat-Dehydrogenase (Glycerophosphat:Ubichinon-Oxidoreduktase) wird alpha-Glycerophosphat wieder FAD-abhängig reoxidiert.
Die zwei auf FAD übertragenen Elektronen (in FADH2) werden nun auch Ubichinon übertragen (-->Ubihydrochinon)

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Wie wird mitochondriales NADPH erzeugt?

Die Transhydrogenase (ein integrales Membranprotein) katalysiert die Übertragung eines Hydridions (H- = 2e- + 1 H+):

NADH + NADP+ + H+(IMR) --> NAD+ + NADPH + H+

Die Reaktion ist an einen Protonengradienten gekoppelt. So wird für energetisierte Mitochondrien eine optimale NADPH-Versorgung sichergestellt.

20

Was versteht man unter Atmungskontrolle?

Was machen Entkoppler?

Was ist die Eigenschaft von Entkopplern?

Mitochondrien oxidieren nur dann schnell Substrate (z.B. Succinat), wenn genug ADP und Pi vorhanden sind. Die strikte Kopplung der Substratoxidation und ATP-Bildung nennt man Atmungskontrolle.

Die Atmungskontrolle hängt von der Dichtigkeit der inneren Mitochondrienmembran ab. Wenn durch Entkoppler (wie z.B. 2,4-Dinitrophenol, DNP) der passive Rückstrom von Protonen möglich ist und das elektrochemische Potential aufgehoben ist, dann ist auch die Atmungskontrolle aufgehoben und die Atmungsrate ist auch in Abwesenheit von ADP maximal. Jedoch wird kein ATP gebildet.

Entkoppler können in protonierter und deprotonierter Form frei über die Membran diffundieren und führen so zum Zusammenbruch des Protonengradienten.

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Warum wird die Atmungskontrolle überhaupt entkoppelt?

Welches Protein katalysiert die Thermogenese?

Wie wird es reguliert?

Im entkoppelten Zustand wird die im Protonengradienten gespeicherte Energie als Wärme frei und kann zu Thermogenese bei Säugetieren genutzt werden.

Das Entkopplungsprotein Thermogenin sorgt für einen passiven, elektrogenen Uniport von Protonen und entkoppelt so die mitochondriale Atmung.

Die Regulation von Thermogenin findet über besonders im braunen Fettgewebe vorkommende beta3-Rezeptoren:
Ein Anstieg von cAMP steigert die Lipolyse und somit auch eine gesteigerte Neusynthese von Thermogenin und Lipoproteinlipase (LPL).