Mitochondriale Atmungskette - Energiegewinn der Zelle

Gliederung:

1. Shuttlesysteme der oxidativen Phosphorylierung

2. Oxidation der Reduktionsäquivalente in der Atmungskette

3. Die Phosphorylierung

4. Energiebilanz der Atmungskette

5. Hemmstoffe und Entkopplung in der Atmungskette

6. MtDNA Mutationen

1. Shuttlesysteme der oxidativen Phosphorylierung

1.1 Einleitung zum Thema

Das Grundprinzip der Atmungskette ist die klassische Knallgasreaktion bei der Sauerstoff zu Wasser reduziert wird. Diese stark exergone Reaktion läuft im menschlichen Organismus in verschiedenen Stufen ab, so daß die Energie in mehreren Etappen frei wird und optimal genutzt bzw. in kleinen Portionen gespeichert werden kann.

Die Elektronen der Reduktionsäquivalente (NADH und FADH2, aus der Glykolyse der Fettsäureoxidation und dem Citratcyclus) werden über eine Reihe von Elektronencarriern ( Proteinkomplexe der inneren Mitochondrienmembran) auf O2 übertragen. Während dieser sehr exergonen Reaktion wird die freiwerdende Energie in einem Protonengradienten gespeichert. Ein weiterer Proteinkomplex der inneren Mitochondrienmembran, die ATPase, nutzt diese Energie dann für die energieverbrauchende ATP-Synthese.

1.2. Shuttle Systeme der oxidativen Phosphorylierung

1.2.1. Das Mitochondrium

In der inneren Mitochondrienmembran sind die Proteinkomplexe der Atmungskette verankert. Die eigene DNA des Mitochondriums codiert gemeinsam mit der KernDNA die Membranproteine der Atmungskette und der ATP-Synthase. Die mtDNA wird nur von der Mutter vererbt.

Aufbau:

- ovale Zellorganellen
- Zwei Membransysteme, wobei die innere stark gefaltet ist ⃗ Cristae
- Äußere Membran für kleine Moleküle und Ionen vollständig permeabel, enthält Porin ein Transmembranprotein mit einer großen Pore
- Innere Membran im Wesentlichen undurchlässig für Ionen und polare Moleküle, auch undurchlässig für NADH und FADH2
- Mitochondrium enthält Komplexe der Atmungskette⃗ innere Memb. Enzyme des Citratcyclus⃗ Matrix Enzyme der FS-Oxidation⃗ Matrix

1.2.2 NADH und Glycerin-3 Phosphat Shuttle

Der Trick der möglich macht, daß das cytosolische NADH in das Mitochondrium gelangt besteht darin, daß nicht das NADH selbst, sondern nur die Elektronen durch die innere Mitochondrienmembran transportiert werden.

Prinzip:

- Elektronen werden von NADH auf Dihydroxyacetonphosphat übertragen ⃗ Glycerin 3 Phosphat
- Glycerin- 3 Phosphat diffundiert durch die Membran
- Reoxidation zu DHAP, Übertragung des Elektrons auf FAD
- DHAP diffundiert zurück

⃗ das Shuttle System ist ein geschlossener Kreislauf

Nachteil:

Das reduzierte Flavin überträgt seine Elektronen direkt auf den Elektronen Carrier Q, so daß Komplex I komplett übergangen wird und so weniger Elektronen übertragen werden. Dieser vermeintliche Verlust wird von einem ATP ( es werden nur 1,5 statt 2,5 ATP) ermöglicht aber den wichtigen Elektronentransport vom Cytosol in das Mitochondrium gegen den NADH Konzentrationsgradienten!!

1.2.3 Der Malat Asparatat Shuttle

Dieses Shuttle System kommt vor allem in Herz und Leber zum Tragen. Prinzip:

- Elektronen werden von NADH auf Oxalacetat übertragen ⃗ Malat
- Malat passiert innere Mitochondrienmembran
- NADH wird reoxidiert
- Oxalaceteat ( nicht membrangängig ) wird in einer Transaminierungsreaktion zu Asparatat

Im Gegensatz zum vorigen Shuttle ist dieser leicht reversibel. Deshalb gelangt

NADH über diesen Shuttle nur dann ins Mitochondrium, wenn das NADH/NAD+ Verhältnis im Cytosol höher ist als in der Matrix.

1.2.4. Die ATP-ADP Translokase

Auch ATP und ADP müssen die nicht permeable innere Mitchondrienmembran durchqueren; dies geschieht durch einen Adeninnucleotidcarrier. Die Translokase ist ein Antiporter und deshalb gelangt nur ADP in die Matrix, wenn ATP hinausbefördert wird.

Prinzip:

- ATP-ADP Translokase enthält ein nucleotidbindendes Zentrum, an dem sowohl ADP als auch ATP gebunden werden können
- der Transportmechanismus besteht im Umstülpen der Translokase

Nachteil:

Das Membranpotential wird beim Austausch von ATP gegen ADP vermindert. Etwa ein Viertel der Energieausbeute aus dem Elektonentransfer wird gebraucht, um das Membranpotential wieder vollständig auszubilden.

1.2.5. Phosphat Transport

a) Phosphat Carrier

- elektroneutraler Austausch von Pi gegen OH- oder elektroneutraler Symport Pi gegen H+

- arbeitet in Abstimmung mit ADP/ATP Translokase

b) Dicarboxylatcarrier

- Malat, Fumarat und Succinat werden im Austausch gegen Pi aus der Matrix Raus transportiert

c) Tricarboxylatcarrier

- Citrat und ein Proton werden im Austausch gegen Pi transportiert

2 Oxidation der Reduktionsäquivalente in der Atmungskette

3 Die Phosphorylierung

3.1. Aufbau des Protonengradients über die Membran

Komplexe I, III und IV sind aktiv an der Bildung des Protonengradienten beteiligt und konservieren so die Energie, die bei der Atmungskette frei wird. Während Komplex I und III jeweils vier Protonen auf die Cytosolseite des Mitochondriums transportieren, sind dies im Komplex IV nur zwei. Im folgenden werde ich näher auf den Protonentransport in Komplex III eingehen.

3.1.1 Komplex III und der Q- Zyklus

Von den elf Untereinheiten des III. Komplexes sind nur drei an der Energiekonservierung beteiligt: Cytochrom b, Cytochrom ci und das FeS Protein mit dem Rieske Zentrum. Dieser Komplex überträgt Elektronen von Ubichinol auf Cytochrom c und transportiert gleichzeitig Elektronen von innen nach außen. Unter dem Q- Zyklus versteht man die Verknüpfung dieser beiden Reaktionen in Komplex III.

Komplex III hat zwei aktive Seiten:

- Q0 Seite zwischen Rieske Zentrum und Cytochrom b ( Oxidation von Ubichinol)
- Qi Seite im Cytochrom c nahe der Matrix

3.1.1. Elektronentransfer im Q-Zyklus

Ubihydrochinol ist ein gutes Reduktionsmittel, das seine zwei Elektronen nacheinander abgibt.

1. Elektron: Das 1. Elektron wird entlang dem hohen Potential zum Rieske FeS Zentrum transportiert und nacheinander von Cytochrom ci auf Cytochrom c gegeben.

Der Transfer von einem Elektron wandelt Ubihydrochinol in Ubisemichinon Q.- um .

2. Elektron: Transfer zur Qi Seite über Häm bL (low potential) und Häm bH (high potential) zur Cytochrom b Untereinheit; ein elektrogener Schritt, der durch die unterschiedlichen Redoxpotentiale der beiden Häms gesteuert wird.

Es entsteht Q, aber bis hier ist der Q- Zyklus nur zur Hälfte vollzogen, da erst eins von zwei Elektronen auf Cytochrom c übertragen worden ist. Nun überträgt ein neues Molekül Ubihydrochinol ein Elektron über den FeS Cluster auf Cytochrom c, das andere gelangt über die Häms zu Cytochrom b. Allerdings reduziert diesmal Häm bH gebundenes Ubisemichinon statt Ubichinon, der Zyklus ist vollendet. Durch einen kompletten Zyklus werden also zwei Elektronen transportiert, zwei Ubihydrochinol zu Ubichinol oxidiert und umgekehrt zwei Ubichinol zu Ubihydrochinol reduziert. Es findet also kein wirklicher Protonentransport statt. Es ist vielmehr so, daß an der Qi Seite die Reduktion von Ubichinol stattfindet und an der Qo Seite die Oxidation stattfindet, so daß hier zwei Protonen frei werden. Für jedes übertragende Elektronenpaar werden zwei Protonen von innen nach außen transportiert. Der Cytochrom b Weg ist eine Art Warteschleife, da so der Übergang von einem zwei Elektronen Transporter zu einem ein Elektronentransporter (Cytochrom c) geschaffen wird.

3.2 Nutzen des Protonengradienten für die Phosphorylierung

3.2.1 Von Mitchells Theorie zur erforschten Tatsache

Der Zusammenhang zwischen dem Elektronentransport in der Atmungskette und der Synthese von ATP war ein großes Forschungsgebiet in der Mitte dieses Jahrhunderts und hat verschiedene Theorien hervorgerufen.

1. Theorie: Elektronentransport bewirkt energiereiches Zwischenprodukt als Vorstufe des ATP.
2. Theorie: Freie Energie wird in einer aktivierten Proteinkonformation festgehalten, die die ATP- Synthese betreibt

Um diese Theorien zu bestätigen wurde fieberhaft nach einem Zwischen- Produkt gesucht, das eine von diesen Theorien bestätigen würde. Als 1961 der englische Forscher Peter Mitchell eine völlig neuen Theorie aufstellte, wurde er für verrückt erklärt, heute gilt diese Theorie als die wahre.

Mitchells Theorie: Transport von Elektronen bewirkt Protonentransport von der Matrix in den Intermembranraum

⃗ H+ Konzentration auf der cytosolischen Seite steigt an ⃗elektrisches Potential und pH- Gradient entsteht

⃗ energiekonservierender Vorgang! Diese Energie wird dann zur ATP Synthese durch den ATPase Komplex genutzt!!

Tatsachen, die diese Theorie unterstützen:

- meßbarer Protonengradient entsteht an der inneren Mitochondrienmembran

während des Elektonentransports ⃗ pH außen ist um 1,4 Einheiten niedriger als innen ⃗ Membranpotential: 0,14 V

- ein ohne Elektonentransport durch die Atmungskette hervorgerufener Protonengradient ( oder durch die Protonenpumpe Bacterio-rhodopsin hergestellter ) bewirkt auch ATP Synthese ⃗ Atmungskette und ATP Synthase sind getrennte Systeme, die durch Protonengradient zusammenhängen

- Die oxidative Phosphorylierung benötigt eine undurchlässige

Mitochondrienmembran, da sonst kein Membranpotential aufgebaut werden kann.

Mitchells Theorie war übrigens noch bis Mitte der Siebziger Jahre umstritten.

3.3 Die ATP-Synthase

3.3.1 Aufbau der ATP Synthase

- kugelflächige Erhebung auf Membranoberfläche (Matrixseite), mit 8.5µm

Durchmesser

Dieser mikroskopisch sichtbare Partikel ist die F1 Einheit der ATP Synthase, die mechanisch abgelöst werden kann. Bei fehlender F1 Einheit wird kein ATP mehr synthetisiert. Somit muß das katalytische Zentrum dort liegen. Die abgelöste Untereinheit bewirkt eine ATP Spaltung, die der Aufrechterhaltung eines Protonengradienten dienen kann, aber auch eine Rolle bei der Fortbewegung des Mitochondriums in der Zelle zu spielen scheint.

Die F1 Einheit hat fünf Polypeptidketten mit folgenden Untereinheiten: 3a, 3b, c, d, e. a und b Subunits sind zwar homolog aufgebaut und binden beide Nucleotide, aber nur die b-Einheiten haben katalytische Aktivität.

Die ATPase besteht noch aus einer F0 Einheit, die einen Protonenkanal bildet und aus sechs Untereinheiten besteht, die aus vier verschiedenen Polypeptidketten bestehen.

3.4 Mechanismus der ATP Synthase

Die eigentliche Aufgabe des Protonengradienten ist nicht die ATP Bildung, sondern die Freisetzung von der Synthase und die Substrat Bindung.

Binding change ( Bindungswechsel ):

- die drei katalytischen b- Einheiten sind unterschiedlich besetzt:

O- Form (open) ⃗ niedrige Substrataffinität, keine Bindung

L- Form (lose) ⃗ Substrate (ADP und Pi) locker gebunden, aber katalytisch inaktiv

T- Form (tight) ⃗ Substrate werden fest gebunden

- Energiefluß der Protonen durch F0 Einheit ⃗ O- Form wird zu L

⃗ L- Form wird zu T ⃗ T- Form wird zu O

Somit wird durch Konformationsänderung ATP von der T- Form freigesetzt und an der alten L-Form ein neues ATP gebildet. Als Rotor dient die c Untereinheit, an die Protonen docken, und die die Energie nutzt, um das ATP freizusetzen.

4 Energiebilanz der Atmungskette

5 Regulation der Atmungskette

6 Hemmstoffe der Atmungskette und Entkopplung

7 MtDNA Mutationen

Mitochondriendefekte sind Ursache einer Vielzahl von (degenerativen) Krankheiten, Altern und Krebs. Vor allem Gewebe, die einen hohen Energiebedarf haben sind von diesen Krankheiten betroffen.

Die Mutationsrate der mtDNA ist sehr hoch. Wie stark eine Zelle von diesen

Mutationen beeinflußt wird, hängt davon ab wieviel Prozent der Mitochondrien dieser Zelle bzw. des Gewebes von dieser Mutation betroffen sind. Steigt die Zahl der betroffenen Mitochondrien in einer Zelle stetig an wird der Energiehaushalt immer schlechter, und fällt die Energieausbeute schließlich unter den Energiebedarf des Gewebes werden die Symptome deutlich sichtbar und schreiten voran. Da die mtDNA aber nicht allein die Atmungskette codiert, sondern auch die KernDNA einen Anteil an der Atmungskette codiert, können mitochondriale Krankheiten auch über Mendelsche Regeln vererbt werden.

7.1 Beispiel einer mtDNA Mutation

Ein und der selbe Defekt der mtDNA kann ganz unterschiedliche Phänotypen hervorrufen und unterschiedliche Genotypen können sehr ähnliche Phänotypen ausprägen. Dystonie und die Leber Optikus Krankheit haben beide ihre Ursache in der selben Mutation. Auf dem ND6 Gen der mtDNA ist anstelle eines G ein A codiert. Deshalb wird im Kodon 72 statt Alanin Valin produziert. ND 6 ist zuständig für eine Untereinheit der NADH Dehydrogenase. Dieser Gen Defekt kann sowohl die Leber Optikus Krankheit als auch eine Dystonie hervorrufen.

7.1.1 Leber Optikus Krankheit

Eine Form der Blindheit, die mütterlicherseits vererbt wird und meist plötzlich in den mittleren Lebensjahren auftritt und durch das Absterben des N. Optikus verursacht wird. Es sind vorwiegend Männer von dieser Krankheit betroffen.

7.1.2 Dystonie

Manifestiert sich frühzeitig. Symptome: Bewegungsstörungen, verwaschene Sprache, geistige Behinderung, Kleinwuchs und häufig Degeneration der Basalganglien Diese sehr unterschiedlichen Phänotypen des selben Gendefekts werden durch die unterschiedlich starke Hybridisierung der mtDNA im Gewebe bedingt. In diesem Fall ist bei der Leber Optikus Krankheit die Hybridisierung durch die mutierte mtDNA geringer als bei der Dystonie. Warum aber der selbe biochemische Defekt so unterschiedliche Krankheiten verursacht ist noch immer ungeklärt.

7.2 Alter und Mitochondriendefekte

Forschungen haben ergeben, daß mtDNA Mutationen und somit auch die Atmungskettenenzymaktivität in besonders stoffwechselaktiven Geweben wie z.B. Skelettmuskel, Leber und Gehirn abnehmen. Dies führte zu der Überlegung, daß die Funktion der Mitochondrien mit dem Alter immer schlechter wird. Durch den zunehmenden Verlust der Zellenergie entsteht vermehrt oxidativer Streß und es entstehen mehr und mehr freie Radikale (O2-, H2O2 und OH.). Freie Radikale sind extrem reaktionsfähig und können wiederum die mtDNA schädigen. Häufungen der Defekte wurden bei verschiedenen Tumoren identifiziert und sind auch verstärkt in den Basalganglien und in der Rindenregion des Gehirns zu finden, vor allem bei alten Menschen ab 75. Diese Mutationen sind besonders bei Alzheimer und Huntington Patienten stark vermehrt.

7.3 Forschung an mtDNA Defekten

Um neue Erkenntnisse über mitochondriale Krankheiten sowie Altern und Krebs zu erlangen, hofft man bald in der Lage zu sein mutierte mtDNA in die Keimbahn von Mäusen einzuschleusen. So will man dann erforschen welchen Stellenwert die physiologische und genetische Variation der mtDNA hat und wie entscheidend die Hybridisierungsverhältnisse sind und welchen Einfluß diese Defekte auf die Energieproduktion und den oxidativen Streß haben.