Zur Erinnerung….. - Der Citratzyklus ist die erste Phase in der aeroben Verbrennung von...

zur Erinnerung…..

- Der Citratzyklus ist die erste Phase in der aeroben Verbrennungvon Brennstoffmolekülen.

-In den Zyklus wird eine aktivierte Acetylgruppe in Form des Acetyl-CoA eingeschleust.

- Im Citratzyklus wird die Acetylgruppe vom AcetylCoA vollständigzu CO2 oxidiert. Hierbei entstehen „Reduktionsäquivalente“ in Formvon NADH und FADH2.

zur Erinnerung and die Kofaktoren...

-Thiaminpyrophosphat (TPP): oxidative Decarboxylierung von -Ketosäuren (z.B. Pyruvat) und Übertragung von aktiviertenAldehydeinheiten

-CoA : Übertragung von aktivierten Acetyl/Acylresten

-NAD/FAD: Elektronenüberträger

-Biotin: Übertragung von CO2 auf andere Metaboliten

Liponamid: Transfer von Acetylgruppen auf CoA

Krankheiten-Thiaminpyrophosphat (TPP): oxidative Decarboxylierung von -Ketosäuren (z.B. Pyruvat) und Übertragung von aktiviertenAldehydeinheiten Thiaminmangel (B1) führt zur Beriberi: ein neurologisches undkardiovaskuläres Leiden.

Liponamid: Dieses Molekül wird bei Quecksliber- und Aresinit-Vergiftungen inaktivert: Erkrankungen des Nervensystems („verrückt wie ein Hutmacher“, Hutmacher haben viel mit Quecksilbernitrat gearbeitet) sind die Folge.

Citratzyklus: Regulation

Phosphorylierung

Prinzipiell: Wenn der Energiespiegelin der Zelle hoch ist, wird die Ratedes Citratzykluses vermindert.

Der Citratzyklus stellt viele Bauelemente für anabole Prozesse bereit

anaplerotische Reaktiondurch Pyruvat-Carboxylase

Die oxidative Phosphorylierung

-Die Elektronen in NADH und in FADH2 (hohes Übertragungspotential)werden über diverse Carrier-Proteine auf O2 übertragen.

2 H+ + 2e- + 1/2 O2 H2O

-Die hierbei freiwerdende Energie wird für die Erzeugung von ATP verwendet.

-26 der 30 ATP Moleküle, die bei der Oxidation von Glucose frei werden, stammen aus der oxidativen Phosphorylierung.

-Atmung: ATP-erzeugender Prozess, bei der eine anorganische Verbindung (z.B. O2) als Elektronenacceptor fungiert.

(Reaktion ist stark exergonisch)

Die protonenmotorische Kraft

ATP-Synthase

ProtonenpumpenNADH-Q-OxidoreductaseQ-Cytochrom-c-OxidoreductaseCytochrom-C-Oxidase

ATP wird durch den Aufbau eines Protonengradienten an einerMembran hergestellt.

Der Protonengradient wird an der inneren Membran derMitochondrien aufgebaut

N (negativ geladene) Seite

P (posivit geladene) SeiteMembran, an der die

oxidative Phosphorylierungstattfindet

Das Redoxpotential E‘o

Standardhalbzelle(Redox-Paar IIH+ + e- 1/2H2)

Redox-Paar I:X- X+e-

In der Biochemie: pH=7 (10-7M)

Eine Verbindung, die e- an H+ abgibt, hat ein negatives E‘o.

Eine Verbindung, die e- von H2 aufnimmt, hat ein positives E‘o

Das Redoxpotential E‘o und G‘°

G‘° = -nFE‘o

Anzahl der übertragenenElektronen

Faraday-Konstante(Proportionalitätskonst.)

Änderung der freien Standardenthalpie

Änderung desStandardreduktionspotentials

Die Potentialdifferenz zwischen NADH undO2 ist sehr groß

Die Treibende Kraft bei der oxidativen Phosphorylierung:Elektronentransfer von NADH (und FADH2) auf O2.

1. Teilreaktion: 1/2 O2 + 2H+ + 2e- H2O E‘o=+0,82V

2. Teilreaktion: NAD+ + H+ + 2e- NADH E‘o=-0,32V1/2 O2 + NADH + H+ H2O + NAD+ E‘°=+1,14V

NADH ist ein guter e- Donor, O2 ein guter e- Acceptor:Die Reaktion ist begünstigt: 1,14 Volt entspricht -220kJ/mol

Die Atmungskette

Die spontane Reaktion von Sauerstoff und NADH zu Wasser würde mit einem Mal sehr viel Energie freisetzen, die nicht effizientin biologischen Systemen verwendet werden kann. Daher wird die Redoxreaktion langsam und über diverse Zwischenstufen durchgeführt, um die Energie der Elektronenübertragung effizient in die ATP-Synthese zu leiten.Dies ist die Aufgabe der Atmungskette.

Der Elektronenfluss durch die Atmungskette bewirkt einen Protonentransport durch dieinnere Mito-Membran. Der Protonengradientist die Treibende Kraft der ATP-Synthese.

Die Komponenten der Atmungskette

auch Komplexe I-IV genannt

Die prosthetischen Gruppen der Elektronenüberträger: FMN, Coenzym Q, Eisen-Schwefel (Fe-S)-Cluster und Häm

Isoalloxazinring

-Strukturell dem FAD ähnlich (in Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex)-Bestandteil von Flavoproteinen (Riboflavin, B2 ist Vitamin)

Coenzym Q (Ubichinon)

Isoprenkette

vollständigoxidiert (Q)

vollständig reduziert (QH2)

Bei Ubichinon ist der Elektronentransfer mit Protonen-Bindungbzw. Freisetzung gekoppelt!

Eisen-Schwefel (Fe-S)-Cluster

4-S-Koordination durch Cystein

2Fe-2S-Typ2 anorganische Sulfidgruppen4 Cys

4Fe-4S-Typ4 anorganischeSulfidgruppen4Cys

Das Eisen in diesen Clustern kann reversibel von Fe2+ zu Fe3+

oxidiert werden und dient daher als Elektronenüberträger

Unterschiedliche Häm-Gruppen:B-Typ: bL und bH

(im Cytochrom b)

C-Typ(im Cytochrom C)

Der erste Schritt in der Atmungskette: Übertragung von Elektronen vom NADH auf die NADH-Q-Oxidoreduktase

-Komplex I (NADH-Q-Oxidoreduktase: Komplex aus 42 Untereinheiten)NADH + Q + 5H+ (Matrix) NAD+ + QH2 +4H+ (Cytosol)

Matrix(N-Seite)

P-Seite

NADH NAD+

2e-

FMN

6X4Fe-4S4H+

QH2Q

2H+2e-

Wie werden Protonen von der Matrixin den P-Raum gepumpt?

Die gekoppelten Elektronen-Protonen Transfers am Coenzym Q sindfür den Transport von H+ entscheidend.

e-

e-

2 H+

e-

e-

NADH aus dem Citratzyklus

Komplex I

Komplex II(keine Protonenpumpe)

Succinat-DHist Komponente von

Komplex II

[FADH2]

Über diesen Weg wirdauch FADH2 aus anderenStoffwechselwegen ein-geschleusst.

Komplex I

Komplex II

Komplex III

QH2

Komplex III

Komplex III überträgt die Elektronen vom QH2

auf Cytochrom C

Komplex III

-Komplex ist Protonenpumpe.-22 Proteine (Dimer).-Monomer hat 3 Häm-Gruppenund ein ungewöhnlichesFe-S-Cluster (Rieske-Zentrum)(Koordination mit Hiserhöht das Reduktionspotential).-Komplex hat zwei Bindungsstellenfür Q (Qi und Qo)

QH2 + 2Cyt c(ox) +2H+(Matrix) Q + Cyt c(red) + H+(Cytosol)

Der Q-Zyklus Teil 1-Verknüpfung von Elektronentransfer vom QH2 auf Cytochrom Cnennt man Q-Zyklus.1. Bindung von QH2 an Qo-Stelle2. 1 Elektron bindet an Rieske-Cluster und dann weiter zu C1 und schließlich reduziert es ein Cyt c.3. 2. Elektron von QH2 fließt über bL und bH auf ein oxidiertes Qin der Qi-Tasche.4. Die H+-Ionen vom QH2 in der Qo-Stelle wandern zur P-Seite!

Der Q-Zyklus Teil 25. Die Qo-Stelle hat nun oxidiertes Ubichinon (Q), die Qi-Stelledas Semichinonradikalion (Q.-).6. Cyt c(red) wird durch Cyt c(ox), und Q durch QH2 ersetzt.7. Elektronenfluss vom neuen QH2 wie beim ersten Schritt.8. Das Q in der Qi-Stelle nimmt 2H+ auf und wird zum QH2Teilreaktionen: 2QH2 2Q Q QH22Cyt c(ox) 2Cyt c (red)4 Protonen von N nach P, 2 Protonen von N an Komplex III

Der letzte Schritt: Die Reduktion von O2

Dieser Schritt wird durch die Cytochrom C-Oxidase(Komplex IV) katalysiert.

Komplex IV13 Untereinheiten, 2 Häm Gruppen (HämA)2 Kupferzentren (A und B)

O2 + 4e- + 4 H+ 2 H2O

Komplex IV: Cytochrom-c- Oxidase

nimmt die Elektronenvom Cytochrom c

aufe-

aktives Zentrum

Die Reduktion des O2 (Teil 1)

Cu2+ (Cupri)Cu1+ (Cupro)

erstes e- zweites e-

Fe 3+ Fe 2+

O2-Bindung an dasHäm a3 (vgl. Hämoglobin)

Die Reduktion des O2 (Teil 2)

Reduktion desO2 zu O22-

drittes e-

Spaltung derO-O BindungFe4+=O (Ferrylgr.)CuB 2+ -OHH+-Aufnahme

viertes e-

Reduktionder Ferrylgr.zu Fe3+-OHH+-Aufnahme

H+-Aufnahmeund Abspaltungvon Wasser

Die Cytochrom-c-Oxidase istauch Protonenpumpe

diese Protonen werden derMatrix bei der Wasserbildung

entzogen

diese Protonen werden aktivtransportiert (Mechanismus unbekannt)

-die Matrix verliert bei der Reduktionvon O2 8 Protonen.

Ein Problem: Superoxide und Peroxide

-Bei der Reduktion von O2 zu Wasser können durch unvollständige

Reaktionen O2- und O22- entstehen:.

O2 O2- O22- .

Superoxid Peroxid

-Obwohl die Cytochrom-c-Oxidase sehr effizient und zuverlässigarbeitet, ist nicht zu verhindern, dass geringe Mengen an Superoxidund Peroxid gebildet werden. - Diese Verbindungen sind sehr toxisch.

Superoxid-Dismutase und Katalase wandeln Peroxid und Superoxid in Wasser und O2 um

O2- + H+ O2 + H2O2SOD.

2 H2O2 O2 + H2OKatalase

Amyotrophe Lateralsklerose ALS: Eine neurodegenerative Krankheitdie Motoneuronen betrifft.

Mutationen im SOD-Gen rufen bei ca. 25% der Patienten die Krankeit hervor.