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Zur Erinnerung…. -Der Citratzyklus wird an drei Reaktionsschritten reguliert (Pyruvat-DH/Isocitrat-DH/ -Ketoglutarat-DH): Hohe Energie- ladung (viel ATP/NADH)

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Präsentation zum Thema: "Zur Erinnerung…. -Der Citratzyklus wird an drei Reaktionsschritten reguliert (Pyruvat-DH/Isocitrat-DH/ -Ketoglutarat-DH): Hohe Energie- ladung (viel ATP/NADH)"—  Präsentation transkript:

1 Zur Erinnerung…. -Der Citratzyklus wird an drei Reaktionsschritten reguliert (Pyruvat-DH/Isocitrat-DH/ -Ketoglutarat-DH): Hohe Energie- ladung (viel ATP/NADH) inhibiert den Zyklus. -Der Citratzyklus stellt viele Bauelemente für As, Purine/Pyrimidine, Fettsäuren/Steroide und Porphyrine bereit. Die anaplerotische Reaktion von Pyruvat zu Oxalacetat stellt sicher, dass der Zyklus weiterlaufen kann. - Bei der oxidativen Phosphorylierung werden schrittweise Elektronen vom NADH (bzw. FADH2) auf Sauerstoff transferiert (Atmungs- kette). Die die Energie, die hierbei entsteht wird in einen Protonen- gradienten an der inneren Mito-Membran umgewandelt.

2 Komplex I Komplex II Komplex III QH 2 Komplex III Komplex III überträgt die Elektronen vom QH 2 auf Cytochrom c

3 Komplex III -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 Q o ) QH 2 + 2Cyt c(ox) +2H + (Matrix) Q + 2Cyt c(red) +4 H + (Cytosol)

4 Der Q-Zyklus Teil 1 -Verknüpfung von Elektronentransfer vom QH2 auf Cytochrom C mit dem Protonentransport 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 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!

5 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 QH 2 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: 2QH22Q QQH2 2Cyt c(ox)2Cyt c (red) 4 Protonen von N nach P, 2 Protonen von N an Komplex III

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

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

8 Die Reduktion des O 2 (Teil 1) Cu 2+ (Cupri) Cu 1+ (Cupro) erstes e - zweites e - Fe 3+ Fe 2+ O 2 -Bindung an das Häm a 3 (vgl. Hämoglobin)

9 Die Reduktion des O 2 (Teil 2) Reduktion des O 2 zu O 2 2- (Peroxid) drittes e - Spaltung der O-O Bindung Fe 3+ =O (Ferrylgr.) Cu B 2+ -OH H + -Aufnahme viertes e - Reduktion der Ferrylgr. zu Fe 2+ -OH H + -Aufnahme und Abspaltung von Wasser

10 Die Cytochrom-c-Oxidase ist auch Protonenpumpe diese Protonen werden der Matrix bei der Wasserbildung entzogen diese Protonen werden aktiv transportiert (Mechanismus unbekannt) -die Matrix verliert bei der Reduktion von O 2 8 Protonen.

11 Ein Problem: Superoxide und Peroxide -Bei der Reduktion von O 2 zu Wasser können durch unvollständige Reaktionen O 2 - und O 2 2- entstehen:. O2 O 2 - O 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.

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

13 Die chemiosmotische Hypothese (Mitchell 1961) ATP-Synthase Protonenpumpen NADH-Q-Oxidoreductase Q-Cytochrom-c-Oxidoreductase Cytochrom-C-Oxidase -ATP wird durch den Aufbau eines Protonengradienten an der inneren Mito-Membran hergestellt. -Die protonenmotorische Kraft treibt eine ATP-generierende Maschine

14 Die ATP-Synthase (Komplex V) (früher: F 1 F o -ATPase) -der ATP-herstellende Enzymkomplex in der Mito-Membran - besteht aus einer protonenleitenden und einer katalytischen Einheit katalytische Einheit: 3, ß3,,, ß bindet ATP und ADP!!! N-Seite P-Seite Protonenkanal: c-Einheiten, 1 a Einheit 2 b Einheiten (Verbindung ) Rotor: Fo und -Stiel Stator: Rest des Komplexes

15 Die Reaktion der ATP-Synthase ADP + HPO H + ATP 4- + H 2 O -ATP bildet sich an der F1-Einheit auch ohne Protonenfluss!! - Das gebundene ATP verlässt aber nicht das katalytische Zentrum ohne Protonenfluss! -Die Funktion des Protonenflusses ist daher nicht die Bildung, sondern die Freisetzung von ATP von der Synthase

16 Der Mechanismus des Bindungswechsels an der ß-Einheit der Synthase Die -Einheit macht die drei ß-Einheiten nicht- äquivalent: Sie kann die Bindung von ATP modulieren (T (tight)-, L(loose)-, und O (open)- Konformationen sind möglich)

17 Der Mechanismus des Bindungswechsels an der ß-Einheit der Synthase -Das Rotieren von ändert die katalytischen Eigenschaften der ß-Untereinheiten von T (ATP-Synthese ist möglich) über L (Intermediärzustand) und O (Bindung und Freisetzung von ATP ist möglich)

18 Der kleinste Motor der Welt -Einheit rotiert bei der Rückreaktion, d.h. bei der Hydrolyse von ATP -Die -Einheit rotiert in 120°-Schritten -Dieser Motor hat einen Wirkungsgrad von nahezu 100% (nahezu alle Energie der ATP-Hydrolyse wird in Rotationsenergie umgewandelt)

19 Wie treibt der Protonenfluss die Rotation der -Einheit an?

20 Wenn die c-Einheit in der Membran (hydrophob) ist, so muss dieser Rest Protoniert sein Bei Kontakt mit den halbkanälen der a-Einheit dieser Rest reversibel Protonen abgeben

21 c-Einheita-Einheit P-Seite N-Seite Die c-Einheiten sind mit der -Einheit ver- bunden!

22 P-Seite N-Seite Deprotonierung wird durch geringe H + - Konzentration erleichtert c-Einheit a-Einheit

23 P-Seite (Protonenconc. hoch) N-Seite Protonenconc. niedrig

24 rotiert durch Protonenfluss Keine Rotation von a und ß durch ver- bindung über b-Einheit -Eine vollständige Drehung generiert 3 ATP-Moleküle. - Bei 10 c-Einheiten: 3,3 Protonen müssen für die Generierung von einem Molekül ATP transportiert werden.


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