Zur Erinnerung…. -Der Citratzyklus wird an drei Reaktionsschritten reguliert (Pyruvat-DH/Isocitrat-DH/a-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.

Komplex III Komplex I QH2 Komplex II Komplex III Komplex III überträgt die Elektronen vom QH2 auf Cytochrom c

Komplex III QH2 + 2Cyt c(ox) +2H+(Matrix) Q + 2Cyt c(red) +4 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)

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. 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!

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

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)

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

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+

Die Reduktion des O2 (Teil 2) viertes e- Reduktion der Ferrylgr. zu Fe2+-OH H+-Aufnahme drittes e- H+-Aufnahme und Abspaltung von Wasser Spaltung der O-O Bindung Fe3+=O (Ferrylgr.) CuB 2+ -OH H+-Aufnahme Reduktion des O2 zu O22- (Peroxid)

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

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 zuverlässig arbeitet, ist nicht zu verhindern, dass geringe Mengen an Superoxid und Peroxid gebildet werden. - Diese Verbindungen sind sehr toxisch.

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 ALS-Krankeit hervor.

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

Die ATP-Synthase (Komplex V) (früher: F1Fo-ATPase) -der ATP-herstellende Enzymkomplex in der Mito-Membran - besteht aus einer protonenleitenden und einer katalytischen Einheit P-Seite Protonenkanal: 10-14 c-Einheiten, 1 a Einheit 2 b Einheiten (Verbindung ) N-Seite Rotor: Fo und ge-Stiel Stator: Rest des Komplexes katalytische Einheit: a3, ß3,g, d, e ß bindet ATP und ADP!!!

Die Reaktion der ATP-Synthase ADP + HPO42- + H+ ATP4- + H2O -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

Der Mechanismus des Bindungswechsels an der ß-Einheit der Synthase Die g-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)

Der Mechanismus des Bindungswechsels an der ß-Einheit der Synthase -Das Rotieren von g 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)

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

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

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

P-Seite a-Einheit c-Einheit Die c-Einheiten sind mit der g-Einheit ver- bunden! N-Seite

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

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

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