EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

KM-8: Chemische Grundlagen des Lebens Bilanz der Atmungskette 295 295 c Enzymkomplex III Ubichinol tritt in den Enzymkomplex ein. Dabei werden die Wasserstoff- atome als Protonen abgegeben, in den folgenden Redoxenzymen werden nur mehr Elektronen transportiert. Die Elektronen werden über mehrere Zwischenschritte die man als Q-Cyclus bezeichnet, auf Cytochrom C über- tragen. Cytochrom C ist ein Protein, welches ein Häm gebunden enthält. Das Eisen-Zentralatom des Häm ist in der reduzierten Form Fe 2+ und in der oxidierten Form Fe 3+ . Da Cytochrom C nur ein Elektron aufnimmt, wer- den pro QH 2 zwei Cytochrom C-Moleküle reduziert. Beim Vorgang werden insgesamt 4 Protonen gepumpt (2 vom QH 2 und 2 aus der Matrix). QH 2 + 2 Cytc(Fe 3+ )+ 2 H + → Q + 2 Cytc(Fe 2+ ) + 4 H + c Enzymkomplex IV Das reduzierte Cytochrom reagiert hier mit dem Sauerstoff. Ein Sauer- stoffmolekül O 2 nimmt 4 Elektronen auf und wird zu 2 O 2– . Diese reagieren sofort mit 4 Protonen zu 2 H 2 O. Da wir aber von einem NADH.H + ausgegan- gen sind, haben wir an dieser Stelle nur 2 Cyt(Fe 2+ ), daher formulieren wir die Gleichung mit 0,5 O 2 (sonst müssten wir sämtliche bisherige Gleichun- gen der Bilanz verdoppeln). Bei diesem Schritt werden pro Sauerstoffmo- lekül 4 Protonen gepumpt, für 0,5 O 2 also 2 H + . 2 Cyt(Fe 2+ ) + 0,5 O 2 + 4 H + → 2 Cyt(Fe 3+ ) + H 2 O + 2H + c Enzymkomplex V Hier findet die Produktion von ATP, also die Posphorylierung statt. Pro ATP benötigt man 4 H + , die zurückfließen. Eigentlich 3 H + zur ATP-Produktion und eines zur Ablösung von der Membran. ATP und in Gegenrichtung ADP können die Mitochondrienmembran passieren und stehen so in der Zelle zur Verfügung. ADP 3– + HPO 4 2– + 4 H + → ATP 4– + H 2 O + 3 H + Bilanzen Bei der oxidativen Phosphorylierung werden also pro NADH.H + 10 Protonen gepumpt, pro FADH 2 6 Protonen. Daher liefert die Oxidation von einem Molekül NADH.H + 2,5 Moleküle ATP, die von einem Molekül FADH 2 1,5 Moleküle ATP. Die Bilanz für ein AcCoA (für den Citratzyclus und die Atmungskette) beträgt daher beim Abbau zu CO 2 und H 2 O 3 NADH.H + (entsprechen 7,5 ATP) und 1 FADH 2 (entspricht 1,5 ATP) und 1 GTP (entspricht 1 ATP). Also werden pro AcCoA 10 ATP gebildet. Die Bilanz für ein Stearinsäuremolekül beträgt 120 ATP. Sie ist leicht zu berech- nen, da sämtliche Vorgänge (mit Ausnahme der Aktivierung) am Mitochon- drium stattfinden. Schwieriger ist die Bilanz für ein Glucosemolekül zu berechnen. Man findet in der Fachliteratur Werte zwischen 30 und 32 ATP. Das hat folgenden Grund: Die Glycolyse findet im Cytosol statt. Die dort entstehenden 2 NADH.H + müssen erst zur Atmungskette in das Mitochondrium gebracht werden. Dies geschieht über einen chemischen Umweg. NADH.H + reduziert eine Verbindung, entwe- der Oxalacetat zu Malat („ Malatshuttle ”) oder Glyceral-3-phosphat zu Glycerol- 3-phosphat ( „ Glycerolphosphatshuttle ” ). Die entstandenen Verbindungen kön- nen die Mitochondrienmembran durchdringen. Im Mitochondrium wird daraus biologisch aktivierter Wasserstoff freigesetzt. Der Transporter wird dann auf kompliziertem Weg wieder in das Cytosol zurückgebracht (Abb. 303–1). Im Malatshuttle geht keine Energie verloren, er funktioniert aber nur, wenn die NADH.H + -Konzentration im Cytosol höher ist als im Mitochondrium. Ist das nicht der Fall, so muss der Glycerolphosphatshuttle ablaufen. Dabei ist aber ein Aufwand von 1 ATP erforderlich. Im Gehirn und in der Skelettmuskulatur wird häufig der zweite Weg benötigt. So kommt man pro Glucose auf 32 (Malatshuttle) oder 30 (Glycerolphos- phatshuttle) oder als Durchschnittswert auch auf 31 ATP. Wie auch immer, jedenfalls ist die Bilanz weit besser als der anaerobe Wert mit 2 ATP. Abb. 295–1: Energiebilanz des Glucoseabbaus Bei der Weitergabe eines Elektrons von einem Carrier auf den nächsten wird zum Ladungsausgleich ein Proton von Stufe zu Stufe mitgeschleppt. Dadurch gelangt dieses aus der Mitochondrien- matrix in den Intermembranraum. zur Protonenpumpe H + e – H + e – H + e – H H e – Vom Reduktionsmittel zum nächsten Reduktions- Mittel Intermembranraum Mitochondrienmatrix Ionenkanal 4 CO 2 2 NADH • H + 2 NADH • H + 2 FAD.H 2 2 ATP Glucose 2 Pyruvat 2 Acetyl-CoA + 2 CO 2 ∆ G für Verbrennung: –2872 kJ/mol Glucose Wirkungsgrad = 31,86 % Cytosol Mitochondrien 2 GTP 6 NADH 5 ATP 2 ATP 3 ATP 15 ATP 3 ATP 5 ATP ∑ = 30 ATP (32 ATP) /mol Glucose ∆ G für ATP-Bildung : 30 • 30,5 = +915 kJ/mol Glucose Malatshuttle Glycerolphosphatshuttle Üb Übung 295.1 Berechne die Energiebilanz in gebildetem ATP für den vollständigen Abbau von einem Molekül Palmitinsäure (Hilfe: Seite 287) MALAT- SHUTTLE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv