Die meisten eukaryotischen Zellen haben Mitochondrien, die ATP aus Produkten des Zitronensäurezyklus, der Fettsäureoxidation und der Aminosäureoxidation produzieren. An der inneren Mitochondrienmembran passieren Elektronen von NADH und FADH2 die Elektronentransportkette zu Sauerstoff, der zu Wasser reduziert wird. Die Elektronentransportkette besteht aus einer enzymatischen Reihe von Elektronendonatoren und -akzeptoren. Jeder Elektronendonor leitet Elektronen an einen elektronegativeren Akzeptor weiter, der wiederum diese Elektronen an einen anderen Akzeptor spendet, Ein Prozess, der sich in der Reihe fortsetzt, bis Elektronen an Sauerstoff weitergegeben werden, den elektronegativsten und terminalsten Elektronenakzeptor in der Kette. Der Durchgang von Elektronen zwischen Donor und Akzeptor setzt Energie frei, die verwendet wird, um einen Protonengradienten über die Mitochondrienmembran zu erzeugen, indem Protonen in den Intermembranraum „gepumpt“ werden, wodurch ein thermodynamischer Zustand erzeugt wird, der das Potenzial hat, Arbeit zu leisten. Dieser gesamte Prozess wird als oxidative Phosphorylierung bezeichnet, da ADP unter Verwendung des elektrochemischen Gradienten, der durch die Redoxreaktionen der Elektronentransportkette hergestellt wird, zu ATP phosphoryliert wird.

Mitochondriale Redoxträger

Energie, die durch die Übertragung von Elektronen entlang der Elektronentransportkette gewonnen wird, wird verwendet, um Protonen aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum zu pumpen und einen elektrochemischen Protonengradienten (ΔpH) über die innere Mitochondrienmembran zu erzeugen. Dieser Protonengradient ist weitgehend, aber nicht ausschließlich verantwortlich für das mitochondriale Membranpotential (ΔΜM). Es ermöglicht der ATP-Synthase, den Fluss von H + durch das Enzym zurück in die Matrix zu nutzen, um ATP aus Adenosindiphosphat (ADP) und anorganischem Phosphat zu erzeugen. Komplex I (NADH-Coenzym Q-Reduktase; markiert I) akzeptiert Elektronen vom Elektronenträger Nicotinamid-Adenindinukleotid (NADH) des Krebs-Zyklus und leitet sie an Coenzym Q (Ubichinon; markiert Q) weiter, das auch Elektronen vom Komplex II (Succinatdehydrogenase; markiert II) empfängt. Q leitet Elektronen an Komplex III (Cytochrom bc1-Komplex; markiert III) weiter, der sie an Cytochrom c (cyt c) weiterleitet. Cyt c leitet Elektronen an den Komplex IV (Cytochrom-c-Oxidase; beschriftet IV) weiter, der die Elektronen und Wasserstoffionen verwendet, um molekularen Sauerstoff zu Wasser zu reduzieren.

Vier membrangebundene Komplexe wurden in Mitochondrien identifiziert. Jedes ist eine extrem komplexe Transmembranstruktur, die in die innere Membran eingebettet ist. Drei davon sind Protonenpumpen. Die Strukturen sind durch lipidlösliche Elektronenträger und wasserlösliche Elektronenträger elektrisch verbunden. The overall electron transport chain:

NADH+H+ → Complex I → Q Complex II Succinate → Complex III → cytochrome c → Complex IV → H2O Complex II Succinate 

Complex IEdit

In complex I (NADH ubiquinone oxireductase, Type I NADH dehydrogenase, or mitochondrial complex I; EC 1.6.5.3), two electrons are removed from NADH and transferred to a lipid-soluble carrier, ubiquinone (Q). The reduced product, ubiquinol (QH2), freely diffuses within the membrane, and Complex I translocates four protons (H+) across the membrane, thus producing a proton gradient. Komplex I ist einer der Hauptorte, an denen vorzeitige Elektronenlecks zu Sauerstoff auftreten, und ist somit einer der Hauptorte der Produktion von Superoxid.

Der Weg der Elektronen ist wie folgt:

NADH wird zu NAD + oxidiert, indem Flavinmononukleotid in einem Zwei-Elektronen-Schritt zu FMNH2 reduziert wird. FMNH2 wird dann in zwei Ein-Elektronen-Schritten durch ein Halbchinon-Zwischenprodukt oxidiert. Jedes Elektron transferiert somit vom FMNH2 zu einem Fe-S-Cluster, vom Fe-S-Cluster zu Ubichinon (Q). Die Übertragung des ersten Elektrons führt zur radikalischen (Halbchinon-) Form von Q, und die Übertragung des zweiten Elektrons reduziert die Halbchinonform auf die Ubiquinolform QH2. Während dieses Prozesses werden vier Protonen von der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum transloziert. Wenn die Elektronen kontinuierlich oxidiert und im gesamten Komplex reduziert werden, wird ein Elektronenstrom entlang der 180-Angström-Breite des Komplexes innerhalb der Membran erzeugt. Dieser Strom treibt den aktiven Transport von vier Protonen pro zwei Elektronen aus NADH in den Intermembranraum an.

Complex IIEdit

In complex II (succinate dehydrogenase or succinate-CoQ reductase; EC 1.3.5.1) additional electrons are delivered into the quinone pool (Q) originating from succinate and transferred (via flavin adenine dinucleotide (FAD)) to Q. Complex II consists of four protein subunits: succinate dehydrogenase, (SDHA); succinate dehydrogenase iron-sulfur subunit, mitochondrial, (SDHB); succinate dehydrogenase complex subunit C, (SDHC) and succinate dehydrogenase complex, subunit D, (SDHD). Other electron donors (e.g., Fettsäuren und Glycerin-3-Phosphat) auch direkte Elektronen in Q (über FAD). Komplex II ist ein paralleler Elektronentransportweg zu Komplex 1, aber im Gegensatz zu Komplex 1 werden auf diesem Weg keine Protonen in den Intermembranraum transportiert. Daher trägt der Weg durch Komplex II weniger Energie zum gesamten Elektronentransportkettenprozess bei.

Komplex IIIEdit

Im Komplex III (Cytochrom-bc1-Komplex oder CoQH2-Cytochrom-c-Reduktase; EC 1.10.2.2) trägt der Q-Zyklus durch eine asymmetrische Absorption / Freisetzung von Protonen zum Protonengradienten bei. An der QO-Stelle werden zwei Elektronen aus QH2 entfernt und nacheinander auf zwei Moleküle Cytochrom c übertragen, einen wasserlöslichen Elektronenträger, der sich im Intermembranraum befindet. Die beiden anderen Elektronen passieren nacheinander das Protein zur Qi-Stelle, wo der Chinonanteil von Ubichinon zu Chinol reduziert wird. Ein Protonengradient wird durch eine Chinol (2 H 2 + e − {\displaystyle {\ce{2H+2e-}}} ) Oxidation an der Qo−Stelle zu einem Chinon (2 H 2 + e – {\displaystyle {\ce {2H+2e-}}}) an der Qi-Stelle gebildet. (Insgesamt werden vier Protonen transloziert: zwei Protonen reduzieren Chinon zu Chinol und zwei Protonen werden aus zwei Ubiquinolmolekülen freigesetzt.)

QH 2 + 2 {\displaystyle {\ce {QH2 + 2}}} Cytochrom c {\displaystyle {\text{ cytochrom }}c} ( Fe III ) + 2 H {\displaystyle {\ce {(Fe^{III}) + 2 H}}} in + {\displaystyle _{\text{in}}^{+}} ⟶ Q + 2 {\displaystyle {\ce {-> Q + 2}}} Cytochrom c {\displaystyle {\text{ cytochrom }}c} ( Fe II ) + 4 H {\displaystyle {\ce {(Fe^{II}) + 4 H}}} out + {\displaystyle _{\text{out}}^{+}}

Wenn der Elektronentransfer reduziert wird (durch ein hohes Membranpotential oder respiratorische Inhibitoren wie Antimycin A), kann Komplex III Elektronen an molekularen Sauerstoff abgeben, was zu superoxidbildung.

Dieser Komplex wird durch Dimercaprol (British Antilewisite, BAL), Napthochinon und Antimycin gehemmt.

Complex IVEdit

In Komplex IV (Cytochrom-c-Oxidase; EC 1.9.3.1), manchmal auch Cytochrom AA3 genannt, werden vier Elektronen aus vier Molekülen Cytochrom c entfernt und auf molekularen Sauerstoff (O2) übertragen, wodurch zwei Wassermoleküle entstehen. Der Komplex enthält koordinierte Kupferionen und mehrere Häm-Gruppen. Gleichzeitig werden acht Protonen aus der Mitochondrienmatrix entfernt (obwohl nur vier über die Membran transloziert werden), was zum Protonengradienten beiträgt. Die genauen Details des Protonenpumpens in Komplex IV werden noch untersucht. Cyanid ist Inhibitoren des Komplexes 4.

Kopplung mit oxidativer Phosphorylierungbearbeiten

Die chemiosmotische Kopplungshypothese, vorgeschlagen von Nobelpreisträger Peter D. Darüber hinaus sind die Elektronentransportkette und die oxidative Phosphorylierung durch einen Protonengradienten über die innere Mitochondrienmembran gekoppelt. Der Ausfluss von Protonen aus der Mitochondrienmatrix erzeugt einen elektrochemischen Gradienten (Protonengradienten). Dieser Gradient wird vom FOF1-ATP-Synthase-Komplex verwendet, um ATP durch oxidative Phosphorylierung herzustellen. ATP-Synthase wird manchmal als komplexes V der Elektronentransportkette beschrieben. Die FO-Komponente der ATP-Synthase wirkt als Ionenkanal, der für einen Protonenfluss zurück in die Mitochondrienmatrix sorgt. Es besteht aus a-, b- und c-Untereinheiten. Protonen im Intermembranraum der Mitochondrien gelangen zuerst über einen Untereinheitskanal in den ATP-Synthase-Komplex. Dann bewegen sich Protonen zu den c-Untereinheiten. Die Anzahl der c-Untereinheiten bestimmt, wie viele Protonen erforderlich sind, damit das FO eine volle Umdrehung macht. Zum Beispiel gibt es beim Menschen 8 c-Untereinheiten, daher werden 8 Protonen benötigt. Nach c-Untereinheiten gelangen Protonen schließlich über einen Untereinheitskanal in die Matrix, der sich in die Mitochondrienmatrix öffnet. Dieser Rückfluss setzt freie Energie frei, die bei der Erzeugung der oxidierten Formen der Elektronenträger (NAD + und Q) entsteht. Die freie Energie wird verwendet, um die ATP-Synthese anzutreiben, die durch die F1-Komponente des Komplexes katalysiert wird.
Die Kopplung mit oxidativer Phosphorylierung ist ein Schlüsselschritt für die ATP-Produktion. In bestimmten Fällen kann die Entkopplung der beiden Prozesse jedoch biologisch sinnvoll sein. Das Entkopplungsprotein Thermogenin, das in der inneren Mitochondrienmembran des braunen Fettgewebes vorhanden ist, sorgt für einen alternativen Protonenfluss zurück zur inneren Mitochondrienmatrix. Thyroxin ist auch ein natürlicher Entkoppler. Diese alternative Strömung führt eher zur Thermogenese als zur ATP-Produktion.

Umgekehrter Elektronenflussbearbeiten

Umgekehrter Elektronenfluss ist die Übertragung von Elektronen durch die Elektronentransportkette durch die umgekehrten Redoxreaktionen. Dies erfordert normalerweise eine erhebliche Menge an Energie, was zu einer Verringerung der oxidierten Form von Elektronendonatoren führen kann. Zum Beispiel kann NAD + durch Komplex I zu NADH reduziert werden. Es muss jedoch noch mehr Arbeit geleistet werden, um dies zu bestätigen. Ein solches Beispiel ist die Blockade der ATP-Produktion durch die ATP-Synthase, was zu einem Aufbau von Protonen und damit zu einer höheren Protonenantriebskraft führt, die einen umgekehrten Elektronenfluss induziert.