Zur Erinnerung….. - Der Citratzyklus ist die erste Phase in der aeroben Verbrennung von Brennstoffmolekülen. -In den Zyklus wird eine aktivierte Acetylgruppe.

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1 zur Erinnerung….. - Der Citratzyklus ist die erste Phase in der aeroben Verbrennung von Brennstoffmolekülen. -In den Zyklus wird eine aktivierte Acetylgruppe in Form des Acetyl-CoA eingeschleust. - Im Citratzyklus wird die Acetylgruppe vom AcetylCoA vollständig zu CO2 oxidiert. Hierbei entstehen „Reduktionsäquivalente“ in Form von NADH und FADH2.

2 zur Erinnerung and die Kofaktoren...
-Thiaminpyrophosphat (TPP): oxidative Decarboxylierung von a-Ketosäuren (z.B. Pyruvat) und Übertragung von aktivierten Aldehydeinheiten -CoA : Übertragung von aktivierten Acetyl/Acylresten -NAD/FAD: Elektronenüberträger -Biotin: Übertragung von CO2 auf andere Metaboliten Liponamid: Transfer von Acetylgruppen auf CoA

3 Krankheiten -Thiaminpyrophosphat (TPP): oxidative Decarboxylierung von
a-Ketosäuren (z.B. Pyruvat) und Übertragung von aktivierten Aldehydeinheiten Thiaminmangel (B1) führt zur Beriberi: ein neurologisches und kardiovaskuläres 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.

4 Citratzyklus: Regulation
Phosphorylierung Prinzipiell: Wenn der Energiespiegel in der Zelle hoch ist, wird die Rate des Citratzykluses vermindert.

5 Der Citratzyklus stellt viele Bauelemente für anabole Prozesse bereit
anaplerotische Reaktion durch Pyruvat-Carboxylase

6 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)

7 Die protonenmotorische Kraft
ATP wird durch den Aufbau eines Protonengradienten an einer Membran hergestellt. Protonenpumpen NADH-Q-Oxidoreductase Q-Cytochrom-c-Oxidoreductase Cytochrom-C-Oxidase ATP-Synthase

8 Der Protonengradient wird an der inneren Membran der
Mitochondrien aufgebaut Membran, an der die oxidative Phosphorylierung stattfindet P (posivit geladene) Seite N (negativ geladene) Seite

9 Das Redoxpotential E‘o
Standardhalbzelle (Redox-Paar II H+ + 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

10 DG‘° = -nFDE‘o Das Redoxpotential E‘o und DG‘° Faraday-Konstante
(Proportionalitätskonst.) Änderung der freien Standardenthalpie DG‘° = -nFDE‘o Änderung des Standardreduktionspotentials Anzahl der übertragenen Elektronen

11 Die Potentialdifferenz zwischen NADH und
O2 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=-0,32V 1/2 O2 + NADH + H+ H2O + NAD+ DE‘°=+1,14V NADH ist ein guter e- Donor, O2 ein guter e- Acceptor: Die Reaktion ist begünstigt: 1,14 Volt entspricht -220kJ/mol

12 Die Atmungskette Die spontane Reaktion von Sauerstoff und
NADH zu Wasser würde mit einem Mal sehr viel Energie freisetzen, die nicht effizient in 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 die innere Mito-Membran. Der Protonengradient ist die Treibende Kraft der ATP-Synthese.

13 Die Komponenten der Atmungskette
auch Komplexe I-IV genannt

14 Die prosthetischen Gruppen der Elektronenüberträger:
FMN, Coenzym Q, Eisen-Schwefel (Fe-S)-Cluster und Häm -Strukturell dem FAD ähnlich (in Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex) -Bestandteil von Flavoproteinen (Riboflavin, B2 ist Vitamin) Isoalloxazinring

15 Coenzym Q (Ubichinon) Bei Ubichinon ist der Elektronentransfer mit Protonen-Bindung bzw. Freisetzung gekoppelt! Isoprenkette vollständig oxidiert (Q) vollständig reduziert (QH2)

16 Eisen-Schwefel (Fe-S)-Cluster
4-S-Koordination durch Cystein 2Fe-2S-Typ 2 anorganische Sulfidgruppen 4 Cys 4Fe-4S-Typ 4 anorganische Sulfidgruppen 4Cys Das Eisen in diesen Clustern kann reversibel von Fe2+ zu Fe3+ oxidiert werden und dient daher als Elektronenüberträger

17 Unterschiedliche Häm-Gruppen:
B-Typ: bL und bH (im Cytochrom b) C-Typ (im Cytochrom C)

18 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) NADH NAD+ 2e- FMN 6X4Fe-4S 4H+ Matrix (N-Seite) 2e- 2H+ Q QH2 P-Seite

19 Wie werden Protonen von der Matrix
in den P-Raum gepumpt? Die gekoppelten Elektronen-Protonen Transfers am Coenzym Q sind für den Transport von H+ entscheidend. 2 H+ e- e- e- e-

20 (keine Protonenpumpe)
NADH aus dem Citratzyklus Komplex I Komplex II (keine Protonenpumpe) Über diesen Weg wird auch FADH2 aus anderen Stoffwechselwegen ein- geschleusst. [FADH2] Succinat-DH ist Komponente von Komplex II

21 Komplex III Komplex I QH2 Komplex II Komplex III
Komplex III überträgt die Elektronen vom QH2 auf Cytochrom C

22 Komplex III QH2 + 2Cyt c(ox) +2H+(Matrix) Q + Cyt c(red) + H+(Cytosol)
-Komplex ist Protonenpumpe. -22 Proteine (Dimer). -Monomer hat 3 Häm-Gruppen und ein ungewöhnliches Fe-S-Cluster (Rieske-Zentrum) (Koordination mit His erhöht das Reduktionspotential). -Komplex hat zwei Bindungsstellen für Q (Qi und Qo)

23 Der Q-Zyklus Teil 1 -Verknüpfung von Elektronentransfer vom QH2 auf Cytochrom C nennt man Q-Zyklus. 1. Bindung von QH2 an Qo-Stelle 2. 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 Q in der Qi-Tasche. 4. Die H+-Ionen vom QH2 in der Qo-Stelle wandern zur P-Seite!

24 Der Q-Zyklus Teil 2 5. Die Qo-Stelle hat nun oxidiertes Ubichinon (Q), die Qi-Stelle das 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 QH2 Teilreaktionen: 2QH2 2Q Q QH2 2Cyt c(ox) 2Cyt c (red) 4 Protonen von N nach P, 2 Protonen von N an Komplex III

25 Der letzte Schritt: Die Reduktion von O2
Dieser Schritt wird durch die Cytochrom C-Oxidase (Komplex IV) katalysiert. O2 + 4e- + 4 H+ 2 H2O Komplex IV 13 Untereinheiten, 2 Häm Gruppen (HämA) 2 Kupferzentren (A und B)

26 Komplex IV: Cytochrom-c- Oxidase
nimmt die Elektronen vom Cytochrom c auf e- aktives Zentrum

27 Die Reduktion des O2 (Teil 1)
erstes e- zweites e- O2-Bindung an das Häm a3 (vgl. Hämoglobin) Cu2+ (Cupri) Cu1+ (Cupro) Fe 3+ Fe 2+

28 Die Reduktion des O2 (Teil 2)
viertes e- Reduktion der Ferrylgr. zu Fe3+-OH H+-Aufnahme drittes e- H+-Aufnahme und Abspaltung von Wasser Spaltung der O-O Bindung Fe4+=O (Ferrylgr.) CuB 2+ -OH H+-Aufnahme Reduktion des O2 zu O22-

29 Die Cytochrom-c-Oxidase ist auch Protonenpumpe
-die Matrix verliert bei der Reduktion von O2 8 Protonen. diese Protonen werden aktiv transportiert (Mechanismus unbekannt) diese Protonen werden der Matrix bei der Wasserbildung entzogen

30 Ein Problem: Superoxide und Peroxide
-Bei der Reduktion von O2 zu Wasser können durch unvollständige Reaktionen O2- und O22- entstehen: . . O2 O O22- Superoxid Peroxid -Obwohl die Cytochrom-c-Oxidase sehr effizient und zuverlässig arbeitet, ist nicht zu verhindern, dass geringe Mengen an Superoxid und Peroxid gebildet werden. - Diese Verbindungen sind sehr toxisch.

31 Superoxid-Dismutase und Katalase wandeln Peroxid
und Superoxid in Wasser und O2 um . SOD O2- + H+ O2 + H2O2 Katalase 2 H2O2 O2 + H2O Amyotrophe Lateralsklerose ALS: Eine neurodegenerative Krankheit die Motoneuronen betrifft. Mutationen im SOD-Gen rufen bei ca. 25% der Patienten die Krankeit hervor.