Atmungskette

Was ist die Atmungskette?

Die Atmungskette ist ein Teil des Energiestoffwechsels der meisten Lebewesen. Der Begriff bezeichnet zum einen einen Stoffwechselweg, nämlich eine Kette nacheinander stattfindender biochemischer Redoxreaktionen zur Energiegewinnung, zum anderen die Gesamtheit der daran beteiligten Proteinkomplexe.

Sie ist ein Spezialfall einer Elektronentransportkette und bildet zusammen mit der Chemiosmosis den Prozess der oxidativen Phosphorylierung.

Elektronen, die von NADH, FMNH2 und FADH2 angeliefert werden, werden in einer Reihe von Redoxvorgängen auf ein Oxidationsmittel übertragen. Die exergonische Reaktion von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (1/2 O2) zu Wasser wird dabei in Einzelschritte aufgeteilt. Anstelle einer eventuell explosionsartigen Wärmeentwicklung wird die Energie genutzt, um aus ADP und Phosphat ATP zu synthetisieren – die universelle „Energiewährung“ der Zelle.

Die Elektronen und der Wasserstoff an NADH und FADH2 stammen aus der Oxidation externer Elektronendonatoren, etwa durch den Citratzyklus, den Abbau von Fettsäuren und die Glykolyse.

Bei Eukaryoten befindet sich die Atmungskette in der inneren Membran der Mitochondrien, bei Prokaryoten in der Zellmembran. Dort kommen auch andere Elektronendonatoren als Fette und Zucker sowie andere Elektronenakzeptoren als Sauerstoff vor.

Die Atmungskette als Elektronentransportkette

Elektronentransportketten bestehen aus hintereinander geschalteten Redox-Molekülen, die Elektronen aufnehmen bzw. abgeben können. Die Elektronen werden von höheren auf niedrigere Energieniveaus weitergegeben – sie fallen „in Stufen bergab“.

Bei Eukaryoten sind nacheinander die Enzym-Komplexe I bis IV sowie die Überträger Ubichinon (Coenzym Q) und Cytochrom c beteiligt, die in die innere Mitochondrienmembran eingelagert sind. Zusammen bilden sie ein komplexes Redoxsystem.

Der Elektronentransport ist mit der Aufnahme und Abgabe von Protonen verbunden. Durch räumliche Organisation oder konformationelle Änderungen der Proteine werden Protonen (H+) aus der Matrix (dem Inneren der Mitochondrien) in den Intermembranraum transportiert. Es entsteht ein elektrochemischer Protonengradient (Konzentrationsunterschied plus negatives Membranpotential), auch proton motive force (pmf) genannt.

Nach der chemiosmotischen Theorie von Peter D. Mitchell nutzt die ATP-Synthase die Rückdiffusion der Protonen durch die innere Membran, um aus ADP und anorganischem Phosphat ATP zu synthetisieren. Diese Kopplung an die Atmungskette heißt Atmungskettenphosphorylierung oder oxidative Phosphorylierung (Oxphos).

Die Komplexe I und II

Ein Mitochondrium hat eine äußere und eine innere Membran; der Raum dazwischen ist der Intermembranraum (perimitochondrialer Raum). Drei der vier Komplexe durchspannen die innere Membran vollständig (integral), Komplex II endet dagegen „blind“ (peripher). Es wird ein Protonenkonzentrationsunterschied zwischen Intermembranraum und Matrix erzeugt, der in der ATP-Synthase zur ATP-Synthese genutzt wird.

Komplex I (NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase oder NADH-Dehydrogenase) ist ein sehr großer Enzymkomplex (940 kDa). Er reduziert mittels NADH (vor allem aus dem Citratzyklus) Ubichinon (UQ) zu Ubihydrochinon (UQH2, Ubichinol). Er besteht aus zwei Teilen mit charakteristischer L-Form, benötigt FMN (flavinhaltige Nukleotide) und Eisen-Schwefel-Zentren als prosthetische Gruppen. Pro oxidiertem NADH werden netto 3–4 Protonen in den Intermembranraum gepumpt, vermutlich durch konformationelle Änderungen des Enzyms.

Komplex II (Succinat:Ubichinon-Oxidoreduktase oder Succinat-Dehydrogenase) ist das Enzym Succinat-Dehydrogenase aus dem Citratzyklus: Succinat wird zu Fumarat oxidiert. FAD liegt als prosthetische Gruppe vor und überträgt die Elektronen auf Ubichinon. Komplex II enthält ebenfalls Eisen-Schwefel-Zentren, pumpt aber keine Protonen in den Intermembranraum.

Die Komplexe III und IV

Komplex III (Ubichinol:Cytochrom c-Oxidoreduktase oder Cytochrom-c-Reduktase): Der Q-Zyklus trägt durch asymmetrische Aufnahme und Abgabe von Protonen zur Erzeugung des Protonengradienten bei. Bei der Oxidation von Ubichinol (QH2) zu Ubichinon (Q) werden pro abgegebenem Elektron ein Molekül Cytochrom c reduziert und zwei Protonen in den Intermembranraum abgegeben. Das zweite Elektron reduziert an einer anderen Bindestelle auf der Matrixseite ein Ubichinon über das Radikal Ubisemichinon (QH) zu QH2, wobei zwei Protonen aus der Matrix aufgenommen werden.

Nach beiden Halbzyklen sind pro Ubichinol-Molekül vier Protonen in den Intermembranraum freigesetzt, zwei Protonen aus der Matrix entfernt und zwei Cytochrom c reduziert. Im Komplex III wird also ein Zwei-Elektronen-Transporter (Ubichinol) auf einen Ein-Elektronen-Transporter (Cytochrom c) umgeleitet.

Komplex IV (Cytochrom c:O2-Oxidoreduktase oder Cytochrom-c-Oxidase): Hier wird Cytochrom c oxidiert und Sauerstoff zu Wasser reduziert. Nach der sukzessiven Übertragung von vier Elektronen kann ein gebundenes Sauerstoffmolekül zu zwei Wassermolekülen reduziert werden; die dafür benötigten vier Protonen werden aus der Matrix entzogen. Die frei werdende Energie nutzt das Enzym, um weitere vier Protonen pro Sauerstoffmolekül von der Matrix in den Intermembranraum zu pumpen – über Konformationsänderungen: In einer Konformation bindet das Protein Protonen hochaffin, in der entgegengesetzten werden sie außen wieder freigesetzt.

Die Cytochrom-c-Oxidase ist ein Transmembranprotein mit zwei Häm a-Molekülen (Häm a und Häm a3) als prosthetische Gruppen und zwei Kupfer-Zentren (CuA und CuB) als Kofaktoren. Sie ist für nahezu sämtlichen Sauerstoffverbrauch aller sauerstoffatmenden Organismen verantwortlich.

Hemmstoffe der Atmungskette

Viele Hemmstoffe blockieren die Elektronentransportkette an verschiedenen Stellen und verringern dabei den Sauerstoffverbrauch:

• Komplex I: Rotonen-artige Stoffe wie Rotenon, Metformin und Amobarbital (Amytal). Da der Elektronentransfer von FADH2 an Komplex II nicht beeinflusst wird, kann die oxidative Phosphorylierung noch stattfinden. Auch die Biguanide wie das Diabetes-Medikament Metformin wirken vermutlich über eine Hemmung von Komplex I.
• Komplex II: Malonat und mehrere Fungizide (SDHI).
• Komplex III: Das Antibiotikum Antimycin A blockiert die Elektronenübertragung vom Coenzym Q auf Cytochrom c1. Komponenten vor der Blockade bleiben reduziert, alle dahinter oxidiert; Sauerstoffverbrauch an Komplex IV und ATP-Synthese werden gehemmt. Auch Strobilurin-Fungizide hemmen Komplex III an der Stelle Qo.
• Komplex IV: Cyanide, Azide, Stickstoffmonoxid und Kohlenmonoxid blockieren die Sauerstoff-Bindungsstelle. Es entsteht ein Elektronenstau, die Atmungskette kommt zum Erliegen. Bei Cyanid-Vergiftungen erscheinen die Venen rot, weil der Sauerstoff des Hämoglobins von den Zellen nicht verbraucht wird und sauerstoffreiches Blut in die Venen gelangt.
• ATP-Synthase: Das Antibiotikum Oligomycin bindet an den Fo-Teil (o für oligomycinsensitiv; in der Literatur wird nicht zwischen F0 und Fo unterschieden), der Protonengradient wird langsamer abgebaut, Elektronenfluss und Sauerstoffverbrauch sinken. Oligomycin dient auch als Entkoppler.

Entkoppler der Atmungskette

Entkoppler (Protonophore) bauen das mitochondriale Membranpotential (den Protonengradienten) ab und unterbrechen damit die Verknüpfung von Oxidation und Phosphorylierung.

Der Elektronentransport und die Komplexe I bis IV arbeiten dabei normal, aber der Protonengradient wird vom Entkoppler aufgehoben, sodass keine ATP synthetisiert werden kann. Da Protonen nicht mehr gegen einen elektrochemischen Gradienten transloziert werden müssen, laufen die Oxidationsschritte viel schneller ab – der Sauerstoffverbrauch steigt an (im Gegensatz zu den Hemmstoffen).

Natürlicher Entkoppler: Thermogenin (siehe braunes Fettgewebe).

Künstliche Entkoppler:

• 2,4-Dinitrophenol: eine schwache Säure, die außen (niedriger pH) protoniert wird, die Membran passieren und innen (höherer pH) deprotoniert wird.
• Carbonylcyanid-m-chlorphenylhydrazon (CCCP)
• Carbonylcyanid-p-trifluoromethoxyphenylhydrazon (FCCP)
• Pentachlorphenol (PCP)