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B978-3-437-43690-1.10006-3

10.1016/B978-3-437-43690-1.10006-3

978-3-437-43690-1

Mitochondrien. Die Cristae bilden flache Lamellen, nur an wenigen Stellen besteht eine Kontinuität zum Intermembranraum.

Atmungskette und ATP-Synthase im Überblick. I, III, IV Atmungskettenkomplexe I, III, IV, Q Ubichinon, c Cytochrom c.

Stöchiometrie der mitochondrialen ATP-Synthese.

Experimentelle Untersuchung der Atmungskontrolle. Isolierte Mitochondrien werden in einem geeigneten Puffer suspendiert und in einer Küvette inkubiert. Zu Beginn des Experiments wird Sauerstoff durch die Suspension geleitet. Die Mitochondrien nehmen den Sauerstoff auf und liegen dann im sog. Status 1 (Ausgangszustand) vor. Anschließend wird ein geeignetes Substrat zugesetzt, das die Atmungskette mit Elektronen versorgen kann, z.B. Succinat. Die Mitochondrien erreichen damit den Status 2. Die Aktivität der Atmungskette kann nun über den Sauerstoffverbrauch gemessen werden: Bei Zugabe von ADP steigt der Sauerstoffverbrauch an, die Atmung erreicht ihren maximalen Wert (Status 3 der Atmung). Sobald das ADP aufgebraucht ist, wird wesentlich weniger Sauerstoff verbraucht, die Atmung ist durch die verfügbare ADP-Menge limitiert (Status 4). Bei erneuter Zugabe von ADP wird wieder die maximale Atmung erreicht.

Wege der Elektronen durch die Atmungskette. Römische Ziffern: Atmungskettenkomplexe, Q: Ubichinon, c: Cytochrom c. Für die Komplexe I, III und IV ist die Zahl der Protonen angegeben, die aus der Matrix gepumpt werden, wenn zwei Elektronen durch den jeweiligen Komplex hindurchlaufen. Gezeigt ist auch die Herkunft der Elektronen: Ein NADH + H+ (konkret: ein NADH) gibt an die Atmungskette zwei Elektronen ab, die zuvor von der bezeichneten Struktur entnommen wurden. NAD+ oxidiert fast immer Alkohole. Zunächst wird dabei vom NAD+ ein Hydridion (ein Proton zusammen mit zwei Elektronen) aufgenommen, sodass aus dem NAD+ ein NADH entsteht. Parallel wird von der OH-Gruppe ein Proton abgegeben. Dieses Proton wird aber nicht auf das NAD+ übertragen, sondern freigesetzt. (Dieses ist das H+, das in dem Ausdruck NADH + H+ separat angegeben wird.) Ein Proton wird anschließend aber auch vom NADH am Komplex I freigesetzt. Im gesamten Reaktionszyklus werden somit insgesamt zwei Protonen freigesetzt. Die gleiche Zahl an Protonen wird bei der Synthese des Wassers am Komplex IV verbraucht. Die Protonen, die von den Atmungskettenkomplexen aus der Matrix gepumpt werden und den pH-Gradienten aufbauen, haben mit den Protonen des NADH + H+ und FADH2 nichts zu tun. FADH2 wird meist bei der Bildung einer Doppelbindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen gebildet. Der Komplex II vermittelt die Übertragung der Elektronen auf Ubichinon. Auch FADH2 setzt zwei Protonen frei, und die gleiche Zahl an Protonen wird vom Komplex IV verbraucht.

Bestimmung des Redoxpotenzials des NADH unter Standardbedingungen.

Hemmstoffe der Atmungskette. Bei Blockade an einer Stelle stauen sich die Elektronen vor dieser Stelle an, und die Aktivität sämtlicher Atmungskettenkomplexe kommt zum Erliegen. Die Bindungsstellen für Myxothiazol und Antimycin A konnten inzwischen genauer bestimmt werden (Abb. 6.14). Die Hemmstoffe der Cytochrom-Oxidase lagern sich in die Sauerstoffbindungsstelle ein (Abb. 6.17).

Wege der Elektronen durch den Atmungskettenkomplex I.

Flavinmononucleotid (FMN) in oxidierter und in reduzierter Form. Das Flavinadenindinucleotid (FAD, enthalten im Komplex II) hat zusätzlich eine ADP-Gruppe.

Struktur der Eisen-Schwefel-Zentren, die über Cysteinreste mit den Atmungskettenproteinen verbunden sind.

Wege der Elektronen durch den Atmungskettenkomplex II. Der hydrophile Teil des Komplexes enthält je ein Eisen-Schwefel-Zentrum vom Typ [2Fe-2S], [4Fe-4S] und [3Fe-4S].

Ubichinon (Coenzym Q) erhält Elektronen nicht nur von den Komplexen I und II der Atmungskette, sondern auch von der Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase und von der ETF-Ubichinon-Oxidoreduktase.

Ubichinon (Coenzym Q) wird über die Zwischenstufe des Semichinons zu Ubichinol (QH2) reduziert. Das Semichinon enthält ein ungepaartes Elektron und ist somit ein Radikal.

Kooperation von Ubichinon und Cytochrom-bc1-Komplex beim Protonentransport.

Die Nomenklatur der Cytochrome der Atmungskette richtet sich nach dem Typ der Hämgruppe. Typ b repräsentiert den einfachsten Fall. Im Typ c sind durch die Reaktion der beiden Vinylgruppen des Porphyrinrings mit den SH-Gruppen zweier Cysteinreste zwei Thioetherbindungen entstanden. In der Schemazeichnung sind außerdem die beiden Aminosäuren angegeben, die im Cytochrom c mit dem zentralen Eisenion verbunden sind. Im Typ a enthält die Hämgruppe zusätzlich einen Formylrest sowie eine hydrophobe Seitenkette.

Neisseria gonorrhoeae als Auslöser Cytochrom-c-abhängiger Apoptose.

a) Neisserien (kleine Diplokokken) in neutrophilen Granulozyten eines Eiterausstrichs.

b) Schema zur Funktion des bakteriellen Außenmembranproteins PorB.

Bindungsstelle für den Sauerstoff in der Cytochrom-Oxidase (Komplex IV). Der Sauerstoff bindet unmittelbar zwischen dem Eisenion des Häms a3 und dem Kupferion B. Das Kupfer-A-Zentrum besteht aus zwei Kupferionen, die in ein Kupfer-Schwefel-Zentrum eingebunden sind.

Häm a3 und CuB in einer Röntgenkristallstruktur. Ausschnitt aus der Kristallstruktur der Cytochrom-Oxidase von Paracoccus denitrificans, der ersten Struktur eines Atmungskettenkomplexes, die aufgeklärt werden konnte. Die Sauerstoffbindungsstelle in der Cytochrom-Oxidase dieser Bakterien zeigt große Ähnlichkeiten mit der entsprechenden Bindungsstelle der humanen Cytochrom-Oxidase. Das Eisenion des Häms a3 ist rot, CuB ist blau dargestellt. Beide Metallionen sind ca. 0,5 nm voneinander entfernt.

Die wichtigsten Bestandteile der ATP-Synthase. Der F0-Teil enthält in der ATP-Synthase der Säugerzellen zusätzlich zu den gezeigten a-, b- und c-Untereinheiten mindestens fünf weitere Proteine, deren genaue Anordnung und Funktion aber noch nicht bekannt ist. Der Weg der Protonen und die Drehrichtung des Rotors sind durch Pfeile angegeben.

Die ATP-Synthase im Elektronenmikroskop. Die Abbildungen zeigen die ATP-Synthase aus Rinderherzmitochondrien in unterschiedlichen Projektionen. Der F1-Teil liegt jeweils oben, der F0-Teil unten. Abhängig von der Orientierung ist lediglich der zentrale Stiel sichtbar, oder es ist zusätzlich auch der Stator zu erkennen. Der in A gezeigte Größenmaßstab entspricht 10 nm.

ATP-Synthese durch den F1-Teil der ATP-Synthase. Während der Komplex der kreisförmig angeordneten - und -Untereinheiten vom Stator festgehalten wird, dreht sich die -Untereinheit in der Mitte des Komplexes. Indem das gebundene ADP zusammen mit Pi in einer hydrophoben Tasche eingeschlossen wird, ändern sich für beide Stoffe die Reaktionsbedingungen, und sie reagieren gemeinsam spontan unter Bildung von ATP. Eine weitere Drehung der -Untereinheit führt anschließend zur Öffnung des Reaktionsraums und zur ATP-Freisetzung.

Entstehung und Beseitigung von H2O2 in den Mitochondrien. SOD Superoxid-Dismutase, Q Ubisemichinon.

Akutes Stadium der Leber`schen-Optikusneuropathie (LHON). Charakteristisch sind im Augenhintergrund ungewöhnliche Schlängelungen und Verdickungen der Gefäße im Bereich der Papille (parapapilläre Teleangiektasien). Die Papille ist im akuten Stadium leicht geschwollen und verblasst in späteren Stadien.

Hohlfuß bei einem Patienten mit Friedreich-Ataxie. Infolge der axonalen Neuropathie kommt es bei vielen Patienten mit Friedreich-Ataxie frühzeitig auch zu Skelettdeformationen, typisch ist die Hohlfußbildung.

Proteinkomplexe der Atmungskette

Tab. 6.2
Komplex Zahl der Untereinheiten prosthetische Gruppen Zahl der in den Intermembranraum gepumpten H+ Hemmstoffe
Komplex I
NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase
46 FMN, Fe-S 4 Rotenon, Amytal
Komplex II
Succinat-Ubichinon- Oxidoreduktase (Succinat-Dehydrogenase)
4 FAD, Fe-S, Häm keine Malonat
Komplex III
Ubichinol-Cytochrom-c- Oxidoreduktase (Cytochrom-bc1-Komplex)
11 Häm, Häm c1, Fe-S 4 Myxothiazol, Antimycin A
Komplex IV
(Cytochrom-Oxidase)
13 Häm a, Häm a3, CuA, CuB 2 CN, CO, H2S

Mitochondrien und Energiegewinnung

J. Rassow

  • 6.1

    Struktur und Ursprung der Mitochondrien 182

  • 6.1.1

    Die vier Kompartimente der Mitochondrien182

  • 6.1.2

    Mitochondriengenetik183

  • 6.1.3

    Mitochondrien als Nachkommen von Bakterien183

  • 6.2

    Das Prinzip der mitochondrialen ATP-Synthese 183

  • 6.2.1

    Kooperation von ATP-Synthase und Atmungskette183

  • 6.2.2

    Stöchiometrie der mitochondrialen ATP-Synthese186

  • 6.2.3

    Entkoppler186

  • 6.2.4

    Mitochondriale Metabolittranslokatoren187

  • 6.2.5

    Regulation der Atmung188

  • 6.3

    Struktur und Funktion der Atmungskette 189

  • 6.3.1

    Überblick, Redoxzentren, Hemmstoffe189

  • 6.3.2

    Komplex I190

  • 6.3.3

    Komplex II: die Succinat-Dehydrogenase des Citratzyklus191

  • 6.3.4

    ETF-Ubichinon-Oxidoreduktase und Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase192

  • 6.3.5

    Ubichinon, Komplex III und der Q-Zyklus193

  • 6.3.6

    Cytochrom c und Komplex IV (Cytochrom- Oxidase)195

  • 6.3.7

    Das Respirasom I, III2, IV4197

  • 6.4

    Struktur und Funktion der ATP-Synthase 198

  • 6.4.1

    F0-Teil und F1-Teil der ATP-Synthase198

  • 6.4.2

    Die protonenmotorische Kraft200

  • 6.5

    Entstehung und Beseitigung von Sauerstoffradikalen 200

  • 6.5.1

    Bildung von Sauerstoffradikalen in der Atmungskette200

  • 6.5.2

    Bildung von H2O2202

  • 6.6

    Mitochondriopathien 202

  • 6.6.1

    Mutationen in der mitochondrialen DNA202

  • 6.6.2

    Friedreich-Ataxie203

Praxisfall

Nur wenige Augenblicke entschieden am Donnerstagnachmittag in einem Hallenbad über Leben und Tod: Mehrere Minuten dürfte es unbemerkt geblieben sein, dass ein dreijähriger Junge in das bis zu 1,80 Meter tiefe Wasserbecken gefallen war. Erst als ein anderes Kind zu seiner Mutter sagte: Der kann aber lange tauchen, wurde eine Badbesucherin aufmerksam und zog den Jungen aus dem Wasser. Der Bub sei grün und blau im Gesicht gewesen, berichtete später ein Badegast. Der umgehend alarmierte Bademeister begann sofort mit der Wiederbelebung. Kurze Zeit später spuckte der Junge Wasser und begann zu atmen. Als er zu weinen anfing, hab ich gewusst, dass er es schafft, kommentierte der Bademeister. Seine schnelle Reaktion wurde nachher in der Kinderklinik gelobt. Der Ärztliche Leiter gab bekannt, der Junge habe die Sache gut weggesteckt. Er werde mit Sicherheit keine bleibenden Schäden davontragen. (nach: Oberösterreichische Nachrichten vom 25.02.2006)

Wenn wir nicht mehr atmen können, müssen wir ersticken. Aber warum? Wegen der Sauerstoffversorgung des Gehirns? Aber wozu dient der Sauerstoff? Zur Zellatmung? Was darf man sich unter Zellatmung vorstellen? Eine Oxidation? Aber was wird da oxidiert? Glucose? Wird die Glucose nicht in der Glykolyse oxidiert? Oder im Citratzyklus? Ist das die Zellatmung? Aber in Glykolyse und Citratzyklus wird gar kein O2 benötigt! Wo bleibt dann der Sauerstoff, den wir mit der Atemluft aufnehmen? Im CO2, das wir ausatmen? Ist das wirklich so? Warum ist das Atmen überhaupt lebenswichtig? Könnte man unter bestimmten Bedingungen vielleicht auch ohne O2 leben? Wäre auch eine Atmung ohne Sauerstoff denkbar? Alle diese Fragen finden in der Biochemie der Mitochondrien ihre Antwort.

Zur Orientierung

In den Zellen unserer Gewebe wachsen, vermehren und bewegen sich in beträchtlicher Anzahl Nachkommen von Bakterien, die ihre freie Lebensweise bereits vor mehr als 2 Mrd. Jahren aufgegeben haben, um als Mitochondrien zu einer symbiontischen Lebensweise überzugehen. Für den Stoffwechsel ist v.a. bedeutsam, dass die Mitochondrien dabei ihre bakterielle ATP-Synthase beibehalten haben, ein Enzym, das die Synthese des bei Weitem größten Anteils von ATP im gesamten Stoffwechsel katalysiert. Die Energie dazu bekommt dieses Enzym aus der Atmungskette, die ebenfalls an der Innenmembran der Mitochondrien lokalisiert ist. Die Atmungskette besteht im Wesentlichen aus vier großen Komponenten in denen u.a. wichtige Redoxreaktionen zum Aufbau eines Protonengradienten stattfinden, der die ATP-Synthase ähnlich einer Turbine antreibt. Dazu wird Sauerstoff aus der Atmung benötigt. Die molekularen Mechanismen der mitochondrialen ATP-Synthese sind der Schlüssel zum Verständnis des gesamten Energiestoffwechsels. Viele Erbkrankheiten beruhen auf Mitochondriopathien.

Struktur und Ursprung der Mitochondrien

Die vier Kompartimente der Mitochondrien

Jede Zelle des Menschen enthält gewöhnlich zwischen 500 und 1500 Mitochondrien. Eine wichtige Ausnahme stellen die Erythrozyten dar, die keine Mitochondrien enthalten. Mitochondrien lassen sich lichtmikroskopisch als ca. 0,5 m dünne und meist mehrere Mikrometer lange Strukturen darstellen (Kap. 16.8). Elektronenmikroskopische Präparate zeigen vier Kompartimente der Mitochondrien (Abb. 6.1):
  • die Außenmembran

  • die Innenmembran

  • den zwischen beiden Membranen liegenden Intermembranraum

  • die Matrix, d.h. der Innenraum der Mitochondrien (im Gegensatz zum Zytosol, den Raum außerhalb der Mitochondrien).

Die Außenmembran der Mitochondrien besitzt Poren, durch die Ionen und kleine Moleküle leicht hindurchtreten können. Insbesondere stellen sie für Protonen, einfache organische Säuren und ATP kein Hindernis dar. Für kleine Proteine hingegen sind die Poren bereits zu eng. Die Poren werden von einem homotrimeren Komplex eines 30-kDa-Proteins, dem Porin, gebildet.

Schon gewusst

Interessanterweise befinden sich im Prinzip sehr ähnlich aufgebaute Poren auch in der äußeren Membran gramnegativer Bakterien. Die Porine der Mitochondrien und der Bakterien sind nicht durch -Helices in der Membran verankert, sondern durch -Faltblatt-Strukturen. Dies ist insofern bemerkenswert, als nahezu alle anderen Proteine der unterschiedlichsten Membranen ausschließlich durch -Helices in die Lipiddoppelschicht eingebettet sind (Kap. 2.2.3 und 8.4.2Kap. 2.2.3Kap. 8.4.2).

Die Innenmembran ist für geladene Teilchen grundsätzlich undurchlässig. Sofern Stoffe über die mitochondriale Innenmembran transportiert werden können, geschieht dies nur unter zwei Voraussetzungen:
  • Entweder handelt es sich um ein sehr kleines, ungeladenes Molekül, etwa molekularen Sauerstoff, das leicht durch die Lipidmembranen hindurchdiffundieren kann,

  • oder es handelt sich um einen Metaboliten, für den in der Innenmembran ein spezielles Transportsystem vorhanden ist. Auch Protonen können die Innenmembran nur durch entsprechende Protonenkanäle passieren.

Lange Zeit war unklar, wie Wassermoleküle über die Innenmembran transportiert werden können. Erst vor wenigen Jahren wurde entdeckt, dass die Innenmembran Aquaporine vom Typ AQP8 enthält. Zumindest in bestimmten Geweben scheinen die Mitochondrien auch andere Aquaporine zu enthalten.
Als Cristae bezeichnet man die Membransysteme und die von ihnen umschlossenen Hohlräume innerhalb der Mitochondrien. Sie entstehen zunächst als Einfaltungen der Innenmembran in die Matrix hinein. Bis vor wenigen Jahren wurde angenommen, dass die Cristae lediglich dazu dienen, die Fläche der Innenmembran zu vergrößern. Der Innenraum der Cristae sollte entsprechend ein vergrößerter Intermembranraum sein. Aufgrund neuerer Untersuchungen werden die Cristae nunmehr eher als eigenständige Strukturen angesehen. Tatsächlich bilden die Cristae i.d.R. ausgedehnte Lamellen, die nur durch sehr kleine Poren mit dem direkt unter der Außenmembran liegenden Intermembranraum verbunden sind.
Charakteristisch für steroidhormonproduzierende Zellen sind eigentümliche tubuläre Cristae. Die molekularen Ursachen und die physiologischen Konsequenzen dieser morphologischen Unterschiede sind ungeklärt.
Bis Anfang 2008 wurden in umfangreichen Studien zum Proteom der Säugermitochondrien 624 verschiedene Proteine identifiziert. Man vermutet, dass damit etwa die Hälfte der mitochondrialen Proteine bekannt ist. Von diesen Proteinen befinden sich die weitaus meisten in der Innenmembran und in der Matrix. Die Innenmembran besteht zu ca. 75% aus Membranproteinen. Auch die Proteinkonzentration in der Matrix ist enorm hoch und liegt bei ca. 900 mg/mL. Die Proteinmoleküle sind derart dicht gepackt, dass zwischen ihnen kaum noch Wasser Platz hat. Die extreme Proteinkonzentration scheint nur dadurch möglich zu sein, dass sich die meisten Enzyme, die jeweils in einer bestimmten Stoffwechselfunktion kooperieren, zu dichten quasikristallinen Einheiten zusammenlagern.

Mitochondriengenetik

Mitochondrien werden in den Zellen niemals neu gebildet, sondern entstehen immer nur durch Teilung bereits vorhandener Mitochondrien. Bemerkenswerterweise stammen die Mitochondrien aller Menschen ausschließlich von den Mitochondrien der Mütter ab (maternale Vererbung). Zwar enthalten auch Spermien Mitochondrien, sie spielen aber nach der Befruchtung der Eizelle keine Rolle mehr, da diese unvergleichlich viel mehr Mitochondrien enthält (ca. 200.000) als die kleinen Spermien (ca. 50–75). Die Mitochondrien der Spermien scheinen nach der Befruchtung zudem spezifisch abgebaut zu werden.
Mit den Mitochondrien wird maternal auch das mitochondriale Genom vererbt (Kap. 11.4.5). Dabei handelt es sich um ein ringförmiges Chromosom, von dem in jedem Mitochondrium ca. zwei bis zehn Exemplare vorhanden sind. Das Chromosom umfasst beim Menschen 16.569 Basenpaare und kodiert für 13 Proteine, zwei ribosomale RNA (12S und 16S) und 22 tRNA. Die mitochondrial kodierten Proteine sind ausnahmslos hydrophobe Proteine der mitochondrialen Innenmembran. Sie sind entweder Komponenten der Atmungskette oder der ATP-Synthase.
Alle übrigen mitochondrialen Proteine sind im Kern kodiert, werden im Zytosol synthetisiert und dann posttranslational in die Mitochondrien eingebaut (Kap. 17.3).

MERKE

Mitochondrien und das mitochondriale Genom werden maternal vererbt. Das mitochondriale Genom kodiert für 13 Proteine (ausnahmslos Untereinheiten der Atmungskette und der ATP-Synthase), zwei ribosomale RNA sowie 22 tRNA.

Mitochondrien als Nachkommen von Bakterien

Mitochondrien zeigen in vielen Eigentümlichkeiten eine Ähnlichkeit mit Bakterien. Zu den prokaryontischen Charakteristika der Mitochondrien zählen u.a. das ringförmige Chromosom, die autonome Vermehrung durch Teilung (unabhängig vom Zellkern), das trimere Porin der Außenmembran und nicht zuletzt das System der ATP-Produktion, das in diesem Kapitel erläutert wird. Auch die Ribosomen der Mitochondrien sind mit ihrer 16S-rRNA bakteriellen Ribosomen sehr ähnlich. Die mitochondriale RNA-Polymerase ist eigenartigerweise weder prokaryontisch noch eukaryontisch, sondern mit der RNA-Polymerase bestimmter Bakteriophagen verwandt. Die RNA-Polymerase kooperiert allerdings mit einem Sigma-Faktor, der wiederum ein typisch prokaryontisches Merkmal darstellt.
Alle diese Beobachtungen lassen sich am schlüssigsten damit erklären, dass es sich bei den heutigen Mitochondrien um die Nachkommen endosymbiontischer Bakterien handelt, die im Zuge der Entstehung der eukaryontischen Zellen vor mehr als 2 Mrd. Jahren in Wirtszellen eingewandert sind. Endosymbiontische Vorläufer der Mitochondrien haben möglicherweise bereits vor 2,7 Mrd. Jahren existiert.

Das Prinzip der mitochondrialen ATP-Synthese

Wichtige Funktionen der Mitochondrien

Tab. 6.1
Funktion
Atmungskette und oxidative Phosphorylierung
Synthese von Acetyl-CoA (Pyruvat-Dehydrogenase)Citratzyklus
B-Oxidation der Fettsäuren
Gluconeogenese (Pyruvat-Carboxylase)
Teile des Aminosäurestoffwechsels
Teile des Harnstoffzyklus (Carbamoylphosphat-Synthase und Ornithincarbamoyl-Transferase)
Abbau der Catecholamine (Monoamin-Oxidase)
Ketonkörperbildung (nur in der Leber)
Porphyrinsynthese, Hämsynthese (-Aminolävulinat-Synthese; Ferrochelatase)
Synthese von Eisen-Schwefel-Zentren
Stoffwechsel der Steroide (Synthese von Pregnenolon aus Cholesterin; Synthese von Cortisol aus 11-Desoxycortisol)
Apoptose (Freisetzung von Cytochrom c)

Kooperation von ATP-Synthase und Atmungskette

Die ATP-Synthase
Adenosintriphosphat (ATP) ist der entscheidende Energieträger des Organismus. Nahezu alle Prozesse in der belebten Natur werden direkt oder indirekt durch Energie aus der Hydrolyse von ATP ermöglicht. Entsprechend werden enorme Mengen an ATP hydrolysiert und aus den Hydrolyseprodukten, also aus ADP und Pi, wieder neu synthetisiert:
ADP+PiATP+H2O

Schon gewusst

Obwohl die ATP-Konzentration in den Zellen bei nur ca. 5 mmol/L liegt, gehört die Bildung von ATP zu den größten Syntheseleistungen des menschlichen Körpers. Ein ruhender Mensch hydrolysiert und synthetisiert pro Tag ungefähr 40 kg ATP, bei normaler Betätigung sind es im Durchschnitt ein kg ATP pro Kilogramm Körpergewicht. Bei intensiver Arbeit kann der Umsatz auf bis zu 0,5 kg pro Minute ansteigen. Allerdings verfügt der Organismus nur über einen knappen Vorrat von 3–4 g an freien Adeninnucleotiden. Somit muss jedes ATP-Molekül täglich mehrere 10.000 Mal zu ADP und Pi gespalten und wieder neu gebildet werden.

Das weitaus meiste ATP wird in den Mitochondrien und dort überwiegend von der ATP-Synthase synthetisiert. Das baumförmige Enzym ist in der mitochondrialen Innenmembran verankert, die katalytischen Zentren befinden sich in dem Teil des Enzyms, der in die mitochondriale Matrix hineinragt (Abb. 6.2). Wegen der zentralen Bedeutung der ATP-Versorgung für den gesamten Energiestoffwechsel, der seinerseits die Grundlage aller biochemischen Prozesse bildet, ist die ATP-Synthase eines der wichtigsten Enzyme der gesamten Biochemie.
Woher kommt die Energie, die von der mitochondrialen ATP-Synthase in Form von ATP gespeichert wird? Im Prinzip bezieht die ATP-Synthase diese Energie aus dem Einstrom von Protonen, die, einem Konzentrationsgefälle folgend, vom Intermembranraum durch den Membrananker der ATP-Synthase hindurch in die Matrix fließen. Die Protonen treiben die ATP-Synthase gleichsam so an, wie fließendes Wasser die Turbine eines Wasserkraftwerks antreibt. Dieses Konzentrationsgefälle der Protonen aufzubauen ist die Funktion der Atmungskette.

Schon gewusst

Die sog. chemiosmotische Theorie der mitochondrialen ATP-Synthese wurde 1961 von dem englischen Biochemiker Peter Mitchell veröffentlicht. Sie war viele Jahre sehr umstritten. Man suchte lange nach einem Anhaltspunkt dafür, dass die einströmenden Protonen in die Reaktionszentren der ATP-Synthase vordringen und dort unmittelbar in den Reaktionszyklus eingreifen. Es zeigte sich dann aber, dass die einströmenden Protonen tatsächlich nie mit den Reaktionszentren in Kontakt kommen und dass der Fluss der Protonen nur indirekt die Energie für die ATP-Synthese bereitstellt. Damit wurde die chemiosmotische Theorie bestätigt, und Peter Mitchell erhielt 1978 den Nobelpreis für Chemie.

Die Atmungskette
Bei der Atmungskette handelt es sich um eine Gruppe von Proteinkomplexen, die ebenfalls in der mitochondrialen Innenmembran verankert sind (Abb. 6.2). Ihre Funktion liegt darin, aktiv den Protonengradienten aufzubauen, aus dem die ATP-Synthase dann ihre Energie beziehen kann. Allerdings muss die Atmungskette dazu Protonen immer gegen den bereits vorhandenen Protonengradienten aus der Matrix herauspumpen. Die Atmungskette benötigt also ihrerseits Energie. Diese bezieht sie aus elektrischem Strom: An einem Ende der Atmungskette werden ständig Elektronen aufgenommen, die am anderen Ende der Atmungskette wieder abgegeben werden. Die Atmungskette ist eine elektrisch betriebene Protonenpumpe.
Durch die Aktivität der Atmungskette werden so viele Protonen aus der Matrix herausgepumpt, dass die Protonenkonzentration nur noch etwa ein Zehntel der Protonenkonzentration des Intermembranraums beträgt. Die Matrix ist daher immer alkalisch, der pH-Wert beträgt ca. 8. Näherungsweise kann man von einer pH-Differenz zwischen Matrix und Intermembranraum von pH 1 ausgehen.
Man hat lange Zeit angenommen, dass sich aufgrund der Poren der Außenmembran die Protonenkonzentration im Intermembranraum nicht wesentlich von derjenigen im Zytosol (pH 7,5) unterscheide. In neueren Untersuchungen wurde im Intermembranraum aber ein pH-Wert von 7,0 nachgewiesen. Vermutlich ist dabei von Bedeutung, dass große Bereiche des Intermembranraums in Form von Cristae abgetrennt sind.
und E
Das elektrische Membranpotenzial
Der Export der Protonen aus der Matrix wird nicht durch den Transport anderer Ionen kompensiert (er ist also nicht an den Export von Anionen oder den Import von Kationen gekoppelt). Daher entsteht zusammen mit dem chemischen Protonengradienten auch ein elektrisches Membranpotenzial. Durch den Verlust der Protonen ist die Matrix gegenüber dem Intermembranraum negativ aufgeladen. Das mitochondriale Membranpotenzial wird mit dem Symbol bezeichnet. Es beträgt ca. 140 mV, also etwa das Doppelte des Membranpotenzials einer Nervenzelle.
Der angegebene Wert für ist experimentell bestimmt worden. Er hängt nicht nur vom Konzentrationsverhältnis der Protonen, sondern auch vom Konzentrationsverhältnis verschiedener anderer geladener Teilchen ab. Funktionell entscheidend ist aber der Protonengradient.
Die elektrische Potenzialdifferenz E
Das elektrische Membranpotenzial zwischen Matrix und Intermembranraum darf nicht mit der elektrischen Potenzialdifferenz E zwischen den beiden Enden der Atmungskette verwechselt werden, die bewirkt, dass Elektronen durch die Atmungskette hindurchfließen. Die Potenzialdifferenz E besteht zwischen dem Elektronendonor, also der Substanz, die Elektronen an die Atmungskette abgibt, und dem Elektronenakzeptor, der die Elektronen zum Schluss aufnimmt.
  • Der wichtigste Elektronendonor in den Mitochondrien ist das NADH. Parallel werden Elektronen allerdings auch von FADH2 an die Atmungskette übergeben. NADH und FADH2 reduzieren die Atmungskette.

  • Auf der anderen Seite der Atmungskette werden die Elektronen vom Elektronenakzeptor Sauerstoff aufgenommen. Der Sauerstoff oxidiert die Atmungskette; er selbst wird dabei negativ aufgeladen und nimmt daraufhin Protonen aus der Mitochondrienmatrix auf, sodass ein Sauerstoffmolekül schließlich unter Bildung von zwei Wassermolekülen zerfällt. Bei diesem Sauerstoff handelt es sich um den Sauerstoff, den wir ständig mit der Atmung aufnehmen müssen.

An dieser Stelle sei kurz erwähnt, dass molekularer Sauerstoff in vergleichsweise geringen Mengen auch von den verschiedenen Oxidasen benötigt wird (Kap. 16.9). Erinnert sei aber auch an die Cyclooxygenase des Prostaglandinstoffwechsels (Kap. 7.2.5) und an das Cytochrom P450 im System der Biotransformation (Kap. 27.2.2).
Die elektrische Potenzialdifferenz E, von der die beiden Elektronen vom NADH zum Sauerstoff getrieben werden, beträgt unter sog. Standardbedingungen 1,14 V. Tatsächlich dürfte der Wert unter physiologischen Bedingungen bei ca. 1,1 V liegen. Die Energie, die 2 Mol Elektronen mitbringen, wenn sie, dieser Potenzialdifferenz folgend, durch die Atmungskette fließen, liegt zwischen 210 und 220 kJ (dieser Wert ergibt sich aus Gn F E, mit n 2). Diese Energie steht also für den Aufbau des Protonengradienten und damit – indirekt – für die ATP-Synthese zur Verfügung.
O2, H2O und CO2
Wir atmen also Sauerstoff ein, damit dieser den Elektronenfluss durch die Atmungsketten der Mitochondrien in den verschiedenen Zellen unseres Körpers antreiben kann (daher der Name Atmungskette). Der elektrische Strom, der durch die hohe Elektronenaffinität des Sauerstoffs hervorgerufen wird, liefert die Energie für den aktiven Transport von Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum, und der Protonengradient, der dadurch aufgebaut wird, treibt dann die ATP-Synthese an.
Zu beachten ist, dass der eingeatmete Sauerstoff in diesem Zusammenhang zu Wasser umgesetzt wird. Bei diesen Prozessen entsteht kein CO2; das ausgeatmete Kohlendioxid hat unmittelbar mit dem eingeatmeten Sauerstoff nichts zu tun. Es entsteht vielmehr als Überrest der aufgenommenen Nahrung (z.B. in der Reaktion der Pyruvat-Dehydrogenase und im Citratzyklus).
Allerdings beziehen NADH und FADH2 ihre Elektronen aus den Metaboliten, die beim Abbau der Nahrung anfallen. Fette, Kohlenhydrate und Aminosäuren geben beim biochemischen Abbau (kataboler Stoffwechsel) Elektronen ab, und der Kohlenstoff dieser Stoffe wird dadurch schrittweise bis zum CO2 oxidiert. Das ist der Grund, warum man den gesamten Zusammenhang der Phosphorylierung von ADP zu ATP auf der Basis der Oxidation zunächst der Nahrung und dann von NADH und FADH2 durch die Atmungskette als oxidative Phosphorylierung bezeichnet.

Schon gewusst

Für die Funktion der Atmungskette ist es lediglich entscheidend, dass geeignete Stoffe als Elektronendonoren bzw. als Elektronenakzeptoren zur Verfügung stehen. Um welche Stoffe es sich dabei handelt, ist im Grunde irrelevant. In allen Pflanzen und Tieren arbeiten die Atmungsketten stets mit NADH und FADH2 auf der einen und O2 auf der anderen Seite. Viele Bakterien enthalten aber alternative Atmungskettenkomplexe, die mit anderen Redoxsystemen arbeiten.

  • So dient den Bakterien der Art Escherichia coli an der Luft zwar O2 als Elektronenakzeptor, unter den sauerstoffarmen Bedingungen im Darmlumen bilden die Bakterien aber einen alternativen Atmungskettenkomplex, der anstelle von O2 spezifisch Nitrationen als Elektronenakzeptor verwendet. Der Sauerstoff wird hier also funktionell durch Nitrat ersetzt, die Bakterien atmen ohne Sauerstoff. Grundlage des Energiestoffwechsels ist in diesem Fall eine Nitratatmung. Verschiedene andere nitratatmende Bakterien werden in großem Umfang in Kläranlagen eingesetzt. Sie reduzieren das giftige Nitrat der Abwässer bis zum molekularen Stickstoff, N2, und lösen das Nitrat damit buchstäblich in Luft auf.

  • Am Boden tiefer Gewässer wachsen oft Bakterien auf der Basis einer Sulfatatmung, indem sie aus dem Wasser Sulfationen aufnehmen und diese an ihren Atmungsketten zu Schwefelwasserstoff, H2S, reduzieren. Die Sulfatatmung ist am charakteristischen H2S-Geruch leicht zu erkennen.

MERKE

Die ATP-Synthase der Mitochondrien wird von einem Protonengradienten angetrieben, der von der Atmungskette aufgebaut wird. Die Atmungskette pumpt ständig Protonen aus der Matrix heraus, die dadurch alkalisch wird. Die Atmungskette bezieht ihre Energie aus dem Fluss von Elektronen, die von NADH und FADH2 (Elektronendonoren) auf molekularen Sauerstoff (Elektronenakzeptor) übertragen werden. Die elektrische Potenzialdifferenz E zwischen NADH und O2 beträgt unter Standardbedingungen 1,14 V. Der Sauerstoff der Atemluft wird dabei nicht zu Kohlendioxid, sondern zu Wasser umgesetzt.

Stöchiometrie der mitochondrialen ATP-Synthese

Traditionell ist in den Lehrbüchern der Biochemie mehrere Jahrzehnte lang die Stöchiometrie der mitochondrialen ATP-Synthese in sehr präzisen Zahlen dargestellt worden, wobei der Eindruck erweckt wurde, dass die entsprechenden Zahlenverhältnisse längst eindeutig und vollständig aufgeklärt seien. In jüngerer Zeit hat man sich weltweit auf eine wesentlich vorsichtigere Darstellung geeinigt.
Elektronenausbeute und Wirkungsgrad
Bislang wurde davon ausgegangen, dass genau drei Protonen durch den Membrananker der ATP-Synthase hindurchfließen müssen, damit diese genau ein ATP-Molekül synthetisieren kann (Abb. 6.3). Dieses Verhältnis lag sämtlichen Berechnungen zur Energieausbeute des Energiestoffwechsels zugrunde. Neuere Experimente haben aber gezeigt, dass die tatsächliche Zahl der erforderlichen Protonen vermutlich zwischen 3 und 4 liegt, z.B. bei 3,3 (Kap. 6.4.1).
Unzweifelhaft ist, dass jedes Molekül NADH zwei Elektronen an die Atmungskette abgibt. Als hinreichend gesichert gilt auch der Befund, dass die Energie dieser beiden Elektronen dazu verwendet wird, genau zehn Protonen aus der Matrix herauszutransportieren. Die beiden Elektronen, die von FADH2 abgegeben werden, erlauben nur den Transport von sechs Protonen, da sie erst später in die Atmungskette eingespeist werden (Kap. 6.3.1) In jedem Fall reichen die beiden Elektronen dann zur Synthese von einem Molekül H2O.
Daneben ist zu berücksichtigen, dass die ATP-Synthese auch den Einstrom der Ausgangssubstanzen, also von ADP und Pi, erfordert. Der Import des Pi erfordert dabei ein weiteres Proton. Zur Synthese von 1 ATP werden also insgesamt vier bis fünf Protonen benötigt, nämlich 3–4 H+ von der ATP-Synthase und 1 H+ für den Phosphattransport. Pro NADH werden zehn Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum exportiert. Falls die ATP-Synthase tatsächlich 3,3 Protonen pro ATP benötigt, würde der Einsatz von 1 Mol NADH die Synthese von 2,3 Mol ATP ermöglichen.
Unter physiologischen Bedingungen enthält 1 Mol ATP eine Energie von ca. 50 kJ. Die Energie der 2,3 Mol ATP, die pro Mol NADH gebildet werden, lässt sich nun in Bezug zu den 210–220 kJ setzen, die ursprünglich von der Potenzialdifferenz E der Atmungskette zur Verfügung gestellt wurden. Es zeigt sich, dass der Wirkungsgrad der mitochondrialen ATP-Synthese – unter der Voraussetzung, dass diese Zahlen stimmen – knapp über 50% liegt.
P/O-Quotient
Vermutlich werden also ca. 2,3 Mol ATP synthetisiert, wenn unter Vermittlung von NADH 1 Mol Sauerstoffatome reduziert werden. Dieses Verhältnis bezeichnet man als P/O-Quotienten (P für Phosphorylierung [von ADP zu ATP], O für Sauerstoff). Ausgehend von diesen Zahlen lässt sich berechnen, dass der vollständige Abbau von 1 Mol Glucose die Synthese von ca. 30 Mol ATP ermöglichen sollte. Diese Rechnung ist zwar weiterhin mit erheblichen Unwägbarkeiten verbunden, die traditionelle Angabe von 36–38 Mol ATP pro Mol oxidierter Glucose ist aber sicherlich zu hoch.

MERKE

Der Abbau von 1 Mol Glucose ermöglicht unter Beteiligung der Mitochondrien die Synthese von ca. 30 Mol ATP.

Entkoppler

Bestimmte Gifte, die als Entkoppler bezeichnet werden, heben das mitochondriale Membranpotenzial auf und machen dadurch die Kooperation der ATP-Synthase mit der Atmungskette unmöglich. In der Biochemie werden Entkoppler benutzt, um die Bedeutung des Protonengradienten für das Zusammenspiel von Atmungskette und ATP-Synthase zu untersuchen und zu illustrieren.
Ein klassisches Beispiel ist das 2,4-Dinitrophenol:
Das Proton der OH-Gruppe kann leicht abgegeben werden, das dadurch entstehende Phenolat kann aber auch leicht wieder ein Proton aufnehmen. Wenn 2,4-Dinitrophenol in die mitochondriale Innenmembran gerät, werden daher an der äußeren Seite der Membran schnell Protonen aufgenommen. Das ungeladene Molekül kann leicht durch die Innenmembran diffundieren. An der Innenseite werden die Protonen wieder an die basische Matrix abgegeben. Der Protonengradient bricht dadurch zusammen, und die ATP-Synthase kann kein ATP mehr synthetisieren, obwohl die Atmungskette immer noch aktiv ist. Die Aktivität der Atmungskette wird somit von der ATP-Synthese abgekoppelt.

Klinik

Eine Aufnahme größerer Mengen an 2,4-Dinitrophenol (DNP) führt dazu, dass in den Zellen Energiespeicher abgebaut werden, ohne dass dazu besondere körperliche Aktivitäten nötig wären. Die frei werdende Energie fällt ausschließlich in Form von Wärme an (Hyperthermie). Diese Beobachtung führte bereits in den 30er Jahren dazu, dass DNP als Diätpille zur Reduktion des Körpergewichts eingesetzt wurde. DNP hat allerdings eine erhebliche Toxizität. Nicht zuletzt durch die Auslösung der Hyperthermie ist eine Einnahme von DNP potenziell lebensgefährlich. Obwohl DNP deshalb schon bald für medizinische Zwecke verboten wurde, wird es illegal immer wieder als angebliches Wundermittel zur Gewichtsreduktion gehandelt. Auch bei anderen Präparaten, die zur Gewichtsreduktion in Verbindung mit erhöhter Körpertemperatur angeboten werden, ist damit zu rechnen, dass es sich faktisch um Entkoppler handelt. Wiederholt wurde DNP auch zur Tumortherapie angepriesen, angebliche positive Effekte sind aber nicht verifiziert.

Valinomycin, ein von bestimmten Bakterien gebildetes ringförmiges Oligopeptid, ist u.a. aufgrund seines Valingehalts sehr hydrophob und lagert sich leicht in biologische Membranen ein. Es bindet spezifisch Kaliumionen und transportiert diese bei seiner Diffusion durch die Membran von einer Seite auf die andere. Für die Mitochondrien bedeutet dies, dass zwar nicht der Protonengradient (pH) verändert wird, dass aber das Membranpotenzial zusammenbricht, das durch den Export der positiv geladenen Protonen aus der Matrix aufgebaut wurde. Tatsächlich trägt das Membranpotenzial wesentlich zu der Kraft bei, die die Protonen durch die ATP-Synthase in die Matrix treibt (Kap. 6.4.2). Dieser Teil der protonenmotorischen Kraft entfällt in Gegenwart von Valinomycin.
Im Gegensatz zu den beiden eben vorgestellten Entkopplern wirkt Thermogenin als ein physiologischer Entkoppler. Bei Neugeborenen ist das Verhältnis von Körperoberfläche zu Volumen wesentlich größer als bei Erwachsenen, und sie verlieren dadurch mehr Wärme. Dieser Verlust wird aber nicht wie beim Erwachsenen durch ein Kältezittern ausgeglichen, sondern durch eine zitterfreie Wärmebildung im braunen Fettgewebe, das auf verschiedene Stellen des Körpers verteilt ist. Die Mitochondrien dieses Gewebes enthalten in ihrer Innenmembran Thermogenin oder UCP (uncoupling protein), das einen Protonenkanal bildet und damit als Entkoppler wirkt. Die Energie des Protonengradienten, die nach Entkopplung der Atmungskette nicht mehr für die ATP-Synthese genutzt werden kann, wird (nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik) in Wärme umgewandelt. Die Mitochondrien können dadurch sehr effektiv Wärme erzeugen. Die Wärmebildung dieser Gewebe wird durch verschiedene Hormone den jeweiligen Bedürfnissen angepasst, von besonderer Bedeutung sind dabei adrenerge Rezeptoren vom Typ 3. Das braune Fettgewebe geht beim Menschen später weitgehend verloren. Vielen Säugetieren aber erlaubt es einen hinreichend warmen Winterschlaf.

Mitochondriale Metabolittranslokatoren

Um den mitochondrialen Protonengradienten zu halten, muss die Innenmembran sehr dicht sein und darf keine unspezifischen Poren enthalten. Trotzdem muss sowohl die Abgabe des neu synthetisierten ATP an das Zytosol als auch der Einstrom der Substrate ADP und Pi möglich sein. Der Transport dieser Stoffe wird durch bestimmte Translokatorproteine (Carrier) der Innenmembran vermittelt.
ADP/ATP-Translokator
Interessanterweise ist dasselbe Protein für den ATP-Ausstrom sowie für den ADP-Einstrom verantwortlich. Es wird als ATP-ADP-Translokator, ATP-ADP-Carrier (AAC) oder auch als Adeninnucleotidtranslokator (ANT) bezeichnet. Der Translokator ist so aufgebaut, dass er abwechselnd ein ATP nach außen und ein ADP nach innen transportiert.
Während ATP bei physiologischen pH-Werten vier negative Ladungen trägt, hat ADP nur drei negative Ladungen. Daher wird das stärker negativ geladene ATP durch das mitochondriale Membranpotenzial aus der negativ aufgeladenen Matrix herausgedrängt, und das ADP kann trotz seiner drei negativen Ladungen gegen das Membranpotenzial in die Matrix transportiert werden. Wie bei einer Drehtür wird ATP nach außen geschoben, während das dort wartende ADP in die Matrix hereingelassen wird. Der ATP-ADP-Translokator wird also vom Membranpotenzial angetrieben.
Phosphattranslokator
Ähnlich funktioniert auch der Phosphattranslokator der Mitochondrien. Die Dihydrogenphosphationen (H2PO4) werden im Austausch gegen Hydroxidionen importiert. Aufgrund des pH-Gradienten ist die Matrix basisch; die OH-Konzentration ist in der Matrix etwa zehnmal so hoch wie im Intermembranraum. Diesem Konzentrationsgefälle folgend, drängen die Hydroxidionen aus der Matrix heraus. An ihren Export ist der Import der Dihydrogenphosphationen energetisch gekoppelt, die als negativ geladene Teilchen gegen das Membranpotenzial importiert werden müssen. Der Phosphattranslokator wird somit letztlich vom pH-Gradienten angetrieben. Konkret geht dem Protonengradienten mit jedem einströmenden Phosphation ein Proton verloren, denn jedes exportierte Hydroxidion neutralisiert ein Proton im Intermembranraum.
Im Gegensatz zum ATP-ADP-Translokator arbeitet der Phosphattranslokator elektrisch neutral: Das OH-Ion und das Phosphation tragen die gleiche Ladung.
Charakteristika der Translokatorproteine
Die drei genannten Translokatorproteine der mitochondrialen Innenmembran (die Translokatoren für ATP/ADP und für Phosphat sowie das protonentranslozierende Thermogenin) weisen sehr ähnliche Strukturen auf. Die Ähnlichkeit erstreckt sich auch auf ihre Aminosäuresequenz, weshalb man von einer Proteinfamilie sprechen kann. Die Translokatorproteine haben eine Molekülmasse von ca. 30 kDa, sind mit sechs membranspannenden -Helices in die Innenmembran der Mitochondrien eingebettet und bilden dort Homodimere. Vermutlich ist es in der Evolution wiederholt zu einer Verdopplung eines ersten und ursprünglichen Translokatorgens gekommen, von dem alle heutigen Translokatorgene abstammen.
Insgesamt hat man im Genom des Menschen 41 Gene identifiziert, die Mitglieder dieser Proteinfamilie kodieren. Für viele, aber noch nicht für alle Translokatoren sind die Substrate bekannt. Identifiziert wurden u.a. die Translokatoren für Citrat, Malat und Aspartat, die bei der Fettsäuresynthese und der Gluconeogenese wichtig sind, sowie der Translokator, der in den Mitochondrien im Rahmen des Harnstoffzyklus die Ornithinaufnahme vermittelt. Anfang 2006 wurde das Mitoferrin als mitochondriales Translokatorprotein für Eisenionen identifiziert. Überraschend ist dabei, dass ein Mitglied einer Proteinfamilie von Translokatoren für organische Stoffe offenbar als Translokator für bestimmte Metallionen dient.
Abschließend sei betont, dass die mitochondriale Innenmembran viele andere Proteine mit Transportfunktionen enthält, die mit den hier angesprochenen Translokatorproteinen keinerlei Ähnlichkeit haben (z.B. Aquaporin AQP8 sowie die weiter unter beschriebenen Atmungskettenkomplexe I, III und IV).

Regulation der Atmung

Die mitochondriale ATP-Synthese muss den jeweiligen Bedürfnissen des Stoffwechsels angepasst werden. Hierfür ist ADP von zentraler Bedeutung (Abb. 6.4).
  • Wird in der Zelle viel ATP hydrolysiert, fällt viel ADP an, das im Austausch gegen ATP schnell in die Mitochondrien gelangt. Dort ermöglicht es die weitere ATP-Synthese. Je aktiver aber die ATP-Synthase ist, desto eher flacht sich der Protonengradient ab. Es wird deshalb angenommen, dass die Aktivität der Atmungskette vom Protonengradienten bestimmt wird. Wenn das Membranpotenzial abnimmt, kann die Atmungskette leichter ablaufen, weil weniger Energie notwendig ist, um die Protonen gegen den Protonengradienten in den Intermembranraum zu pumpen. Entsprechend erhöht sich die Aktivität der Atmungskette. Bei Entkopplung von Mitochondrien läuft die Atmungskette auf Hochtouren.

  • Wird hingegen in der Zelle weniger ATP hydrolysiert, so wird auch weniger ADP in die Mitochondrien importiert, und die ATP-Synthase bleibt stehen. Nun stauen sich die Protonen im Intermembranraum an, der Protonengradient wird größer, und schließlich reicht die Kraft der Atmungskette nicht mehr aus, weitere Protonen gegen den Konzentrationsgradienten aus der Matrix herauszutransportieren. Da der Protonentransport und der Elektronentransport aneinandergekoppelt sind, bleibt die Atmungskette daraufhin stehen. Dies hat wiederum zur Folge, dass NADH akkumuliert. Da das Konzentrationsverhältnis von NADH zu NAD+ einen wesentlichen Einfluss auf die Aktivität des Citratzyklus hat, kommt schließlich auch dieser zum Erliegen.

MERKE

Die Atmung wird in intakten Mitochondrien wesentlich durch die Verfügbarkeit von ADP reguliert.

Struktur und Funktion der Atmungskette

Überblick, Redoxzentren, Hemmstoffe

Bei den vier größten Komponenten der Atmungskette (Abb. 6.5) handelt es sich um Proteinkomplexe der mitochondrialen Innenmembran, die jeweils aus mehreren Untereinheiten bestehen. Diese Atmungskettenkomplexe werden mit den römischen Ziffern I–IV durchnummeriert.
  • Die Komplexe I und II nehmen Elektronen von NADH bzw. FADH2 auf und geben diese an Ubichinon ab.

  • Ubichinon (Coenzym Q) ist kein Protein, sondern ein kleines lipidlösliches organisches Molekül, das in der Innenmembran beweglich ist und leicht Elektronen aufnehmen und abgeben kann. Es transportiert die aufgenommenen Elektronen zum Komplex III der Atmungskette, von dem die Elektronen zunächst auf das kleine Protein Cytochrom c übertragen werden.

  • Cytochrom c ist ein Protein des Intermembranraums. Es rollt auf der äußeren Oberfläche der Innenmembran hin und her und überträgt die Elektronen schließlich auf den Komplex IV. Der Komplex IV enthält die Bindungsstelle für den Sauerstoff, der die Elektronen aufnimmt und dann zu Wasser umgesetzt wird.

Von den genannten Komponenten sind die Komplexe I, III und IV sowie das Ubichinon direkt am Transport der Protonen aus der Matrix beteiligt. Der Komplex II und auch das Cytochrom c transportieren hingegen keine Protonen, sondern nur Elektronen.

Schon gewusst

Erste wichtige Schritte zu einem molekularen Verständnis der Atmung unternahm in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts Otto Warburg (1883–1970) in Berlin. Für die Entdeckung des Komplex IV, von ihm Atmungsferment genannt, erhielt er 1931 den Nobelpreis für Medizin. 1936 isolierte er das NADH. Otto Warburg ist eine ausgesprochen legendäre Gestalt der deutschen Biochemie. Einer seiner Schüler war Hans Krebs, der Entdecker des Harnstoffzyklus und des Citratzyklus.

Redoxzentren der Atmungskette
Bis in die 80er Jahre des 20. Jahrhunderts waren die Proteine der Atmungskettenkomplexe experimentell nur schlecht zugänglich. Die Forschung konzentrierte sich deshalb insbesondere auf die Charakterisierung der in den Komplexen enthaltenen Redoxzentren. Dabei handelt es sich zum einen um Flavine, zum anderen um Metallionen, die Elektronen abwechselnd aufnehmen und abgeben können. Über die Wege, auf denen die Elektronen jeweils durch die Polypeptidketten hindurch von einem zum nächsten Redoxzentrum gelangen, ist bis heute nur wenig bekannt. Immerhin gelang es schon früh, sehr präzise zu bestimmen, in welcher Reihenfolge die Elektronen einige der wichtigsten Redoxzentren durchlaufen.
Die weitere Erforschung der Atmungskettenkomplexe kann inzwischen davon profitieren, dass von den Komplexen II, III, und IV hochaufgelöste Röntgenkristallstrukturen vorliegen. Seit 2006 ist auch der Komplex I zumindest teilweise in seiner Struktur bekannt.
Redoxpotenziale
Bei den Untersuchungen der Redoxzentren spielte die Wasserstoffelektrode eine große Rolle, eine Platinelektrode, die bei pH 0 (1 mol H+/L) von gasförmigem Wasserstoff mit einem Druck von 101,3 kPa (1 atm) umspült wird. Diese Elektrode wurde als Standardelektrode mit dem Redoxpotenzial E0 0 definiert und als Referenzelektrode zur Bestimmung der Redoxpotenziale der verschiedenen Redoxpaare verwendet. Man bestimmte also die Tendenz der Elektronen, jeweils von einem bestimmten Redoxzentrum zu einem bestimmten anderen Redoxzentrum hinüberzuwechseln. Definitionsgemäß fließen dabei die Elektronen immer vom System mit dem niedrigeren Potenzial zum System mit dem höheren Potenzial.
Zu den Standardbedingungen gehört, dass alle potenziellen Reaktionspartner in einer Konzentration von 1 mol/L vorliegen bzw. dass gasförmige Reaktanten einen Druck von 101,3 kPa haben. Für die Bestimmung der Redoxpotenziale für biochemische Zwecke geht man dagegen von pH 7 aus, der in etwa dem physiologischen pH-Wert entspricht, und kennzeichnet die so erhaltenen Werte mit einem Apostroph (E0).
  • Um z.B. die relative Reduktionskraft des NADH zu bestimmen, taucht man eine Elektrode in eine Lösung, die bei pH 7 sowohl 1 mol/L NADH als auch 1 mol/L NAD+ enthält. Wird diese Elektrode mit der Wasserstoffelektrode leitend verbunden, werden die Elektronen auf die Platinelektrode übertragen. Dabei entsteht relativ zur Wasserstoffelektrode eine elektrische Spannung von E0 0,32 V (Abb. 6.6). NADH ist ein gutes Reduktionsmittel, d.h., es hat eine ausgeprägte Tendenz, Elektronen abzugeben.

  • Für den Elektronenübergang von Sauerstoff, O2 + 2e + 2 H+ H2O, ergibt sich ein Redoxpotenzial von E0 +0,82 V. Sauerstoff nimmt gern Elektronen auf und ist daher ein gutes Oxidationsmittel. Die Differenz zwischen beiden Werten ergibt unter Standardbedingungen eine elektrische Potenzialdifferenz von 1,14 V zwischen den beiden Enden der Atmungskette.

  • Für das Redoxpaar FAD/FADH2 erhält man den Wert E0 0,22 V. Die Reduktionskraft von FADH2 ist also deutlich geringer als die von NADH. FADH2 muss folglich in der Atmungskette zwischen NADH und Sauerstoff liegen.

Diesem Prinzip folgend, konnte man über die Bestimmung der Redoxpotenziale verschiedener Redoxzentren die wichtigen Teile der Atmungskette als elektrochemische Reihe rekonstruieren. Die ermittelten Zahlen dürfen allerdings nicht überbewertet werden, da die tatsächlichen Werte unter physiologischen Bedingungen erheblich von den Standardwerten abweichen können.
Hemmstoffe
Für die Aufklärung der Reaktionsmechanismen der Atmungskettenkomplexe sind auch heute noch Hemmstoffe von großer Bedeutung, die den Fluss der Elektronen an bestimmten Stellen unterbrechen (Abb. 6.7). Die wichtigsten klassischen Hemmstoffe der Atmungskette sind Rotenon für Komplex I, Antimycin A und Myxothiazol für Komplex III sowie Cyanid für Komplex IV.

Komplex I

Der Komplex I der Atmungskette ist einer der größten und kompliziertesten Komplexe von Membranproteinen, die man in der Natur gefunden hat. Er besteht aus insgesamt 46 Untereinheiten, wovon sieben mitochondrial kodiert sind. Der Komplex I leistet einen wesentlichen Beitrag zur Aufrechterhaltung des Membranpotenzials: Nach Reduktion durch 1 NADH exportiert der Komplex I der Atmungskette 4 H+ aus der Matrix in den Intermembranraum.
Der Komplex I wird auch als NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase bezeichnet. In dieser Nomenklatur steht der Name derjenigen Substanz am Anfang, von der die Elektronen aufgenommen werden (Oxidation), gefolgt vom Namen der Substanz, an die die Elektronen abgegeben werden (Reduktion).
Beim Komplex I lassen sich zunächst zwei Teile unterscheiden (Abb. 6.8): ein hydrophiler Arm, der in die Matrix hineinragt und an den das NADH seine Elektronen abgibt, sowie ein größerer hydrophober Teil, der in die Innenmembran eingebettet ist und die Elektronen an das Ubichinon (Coenzym Q) weiterleitet. Die sieben mitochondrial kodierten Untereinheiten sind alle im hydrophoben Teil enthalten.
  • Der Weg, den im hydrophilen Teil des Komplexes I die vom NADH aufgenommenen Elektronen zum Ubichinon nehmen, ist weitgehend aufgeklärt. Die Elektronen werden zunächst von einem nichtkovalent gebundenen FMN (Flavinmononucleotid; Abb. 6.9) aufgenommen und dann über eine Kette von acht Eisen-Schwefel-Zentren (Abb. 6.10) zum hydrophoben Teil geleitet. Indem die Eisenionen der Eisen-Schwefel-Zentren zwischen dem Fe3+- und dem Fe2+-Zustand wechseln, nehmen sie jeweils einzelne Elektronen auf und leiten diese an das nächste Zentrum weiter.

  • Der Weg der Elektronen durch den hydrophoben Teil des Komplexes I ist noch gänzlich unbekannt. Für diesen Teil des Komplexes liegt auch noch keine Röntgenkristallstruktur vor. Eisen-Schwefel-Gruppen oder andere Redoxzentren wurden nicht nachgewiesen. So ist auch noch ungeklärt, wie die Bewegung der Elektronen durch den Komplex dazu führt, dass Protonen aus der Matrix heraustransportiert werden. Für den Mechanismus scheint es von Bedeutung zu sein, dass der Komplex nicht nur eine, sondern mehrere (vermutlich drei) Ubichinonbindungsstellen hat. Eindeutig ist nur, dass die Übertragung von zwei Elektronen (von 1 NADH) mit dem Export von genau vier Protonen verbunden ist.

Klassischer Hemmstoff des Komplexes I ist Rotenon, das den Fluss der Elektronen durch den membranständigen Teil des Komplexes unterbindet.

MERKE

Komplex I der Atmungskette besteht aus einem hydrophoben membranständigen Teil und einem hydrophilen Teil, der in die Matrix ragt. Nach Reduktion durch 1 NADH exportiert der Komplex 4 H+ aus der Matrix in den Intermembranraum.

Komplex II: die Succinat-Dehydrogenase des Citratzyklus

Parallel zum Komplex I arbeitet der Komplex II der Atmungskette, die Succinat-Ubichinon-Oxidoreduktase (Abb. 6.11). Bei diesem Proteinkomplex handelt es sich um die Succinat-Dehydrogenase, das einzige membranständige Enzym des Citratzyklus. In diesem Schritt des Citratzyklus wird nicht NAD+ reduziert, sondern FAD (Flavinadenindinucleotid; Kap. 4.2.2), das kovalent mit der Succinat-Dehydrogenase verbunden ist. Die Succinat-Dehydrogenase leitet die vom FAD aufgenommenen Elektronen dann an Ubichinon weiter, weshalb der ganze Enzymkomplex auch als Komplex II der Atmungskette bezeichnet wird. Dieser Komplex kann keine Protonen pumpen.
Der Komplex II besteht aus nur vier Untereinheiten, von denen zwei hydrophil sind und in die Matrix ragen.
  • Die erste hydrophile Untereinheit enthält das FAD und stellt somit die Succinat-Dehydrogenase im engeren Sinne dar.

  • Die zweite hydrophile Untereinheit enthält wiederum mehrere Eisen-Schwefel-Zentren.

  • Der hydrophobe Teil des Komplexes II enthält eine Hämgruppe, in deren Nähe die Elektronen schließlich zum Ubichinon gelangen.

Ein Hemmstoff der Succinat-Dehydrogenase ist das Malonat, von dem das Succinat aus seiner Bindungsstelle kompetitiv verdrängt wird.

MERKE

Die Succinat-Dehydrogenase des Citratzyklus bildet den Komplex II. Er überträgt Elektronen auf Ubichinon, transportiert aber keine Protonen.

ETF-Ubichinon-Oxidoreduktase und Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase

Parallel zum Komplex II speisen auch die ETF-Ubichinon-Oxidoreduktase und die Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase Elektronen in die Atmungskette ein, indem sie Elektronen auf Ubichinon übertragen (Abb. 6.12). Zu einem Ausstoß von Protonen in den Intermembranraum kommt es dabei auch hier nicht (sondern erst bei der Weiterleitung der Elektronen zu den Komplexen III und IV).
Acyl-CoA-Dehydrogenase
Dieses lösliche Enzym katalysiert zu Beginn der -Oxidation der Fettsäuren die Bildung einer Doppelbindung in der Acylgruppe. Bei dieser Reaktion werden zwei Elektronen und zwei Protonen auf FAD übertragen (Kap. 7.2.2). Das entstehende FADH2 wird aber nicht freigesetzt, sondern bleibt an die Acyl-CoA-Dehydrogenase gebunden. Es gibt seine Elektronen an ein weiteres lösliches Protein der Matrix ab, das elektronentransferierende Flavoprotein (ETF). Dieses übernimmt nicht nur Elektronen von der Acyl-CoA-Dehydrogenase, sondern von mindestens zehn verschiedenen FAD-abhängigen Dehydrogenasen der mitochondrialen Matrix. Das ETF gibt die Elektronen an die ETF-Ubichinon-Oxidoreduktase weiter, die den Elektronentransfer auf Ubichinon vermittelt.
Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase
Die Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase erlaubt die Einspeisung von Elektronen des in der Glykolyse anfallenden NADH in die Atmungskette. Das von der Glykolyse bereitgestellte NADH kann zur Reduktion von Dihydroxyacetonphosphat zu Glycerin-3-phosphat herangezogen werden (Kap. 5.2), und dieses kann die dabei aufgenommenen Elektronen dann unter Vermittlung der Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase an das Ubichinon der Atmungskette weiterleiten. Dabei wird das Dihydroxyacetonphosphat regeneriert. Insbesondere in der Leber und in den Adipozyten wird Glycerin-3-phosphat allerdings für die Synthese der Triglyceride (Triacylglycerole) verwendet (Kap. 7.3.2)
Es liegt eine gewisse Inkonsequenz der allgemeinen Nomenklatur darin, dass bislang weder die ETF-Ubichinon-Oxidoreduktase noch die Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase der Atmungskette zugerechnet werden. Wie auch die Succinat-Dehydrogenase erlauben sie unter Beteiligung von FAD den Elektronen bestimmter Dehydrogenasereaktionen unter Umgehung von Komplex I einen Quereinstieg in die Atmungskette.
NADH und FADH2
Zwischen NADH und FADH2 besteht ein grundsätzlicher Unterschied:
  • NADH diffundiert immer frei zwischen den NAD+-abhängigen Dehydrogenasen und dem Komplex I der Atmungskette hin und her; vermittelnde Proteine sind hier nicht nötig.

  • FADH2 ist hingegen als prosthetische Gruppe kovalent mit bestimmten Proteinen verknüpft, die als Flavoproteine bezeichnet werden (Kap. 4.2.2). FADH2 bleibt auch mit den entsprechenden Dehydrogenasen immer fest verbunden. Die Elektronen erreichen die Atmungskette meist nur durch die Vermittlung von ETF. Damit ergibt sich eine Kette von drei Flavoproteinen: 1. FAD-abhängige Dehydrogenase, 2. ETF, 3. ETF-Ubichinon-Oxidoreduktase. Die Reduktionskraft von ETF ist zu schwach, um den Komplex I zu reduzieren. Es bleibt nur der Quereinstieg in die Atmungskette über das Ubichinon.

Schon gewusst

Neben dem Weg über die Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase gibt es noch einen zweiten Weg, über den die in der Glykolyse anfallenden Elektronen in die Matrix gelangen können. Das NADH aus der Glykolyse kann nämlich im Zytosol zur Reduktion von Oxalacetat zu Malat verwendet werden, das dann in die Mitochondrien importiert wird (Kap. 7, Abb. 7.11). Dort wird es in den Citratzyklus eingespeist und gibt seine Elektronen unter Oxidation zu Oxalacetat wieder an NAD+ ab. Wenn sich dadurch in den Mitochondrien zu viel Oxalacetat ansammelt, kann dieses zu Aspartat umgesetzt und in dieser Form wieder in das Zytosol transportiert werden.

MERKE

NADH kann aus dem Zytosol nicht in die mitochondriale Matrix transportiert werden. Elektronen gelangen in die Mitochondrien ausschließlich mit bestimmten Metaboliten, überwiegend mit Pyruvat ( Acetyl-CoA Citratzyklus), in geringerem Umfang mit Glycerin-3-phosphat und mit Malat. Die Elektronen werden hier i.d.R. unter Vermittlung der Komplexe I bzw. II dem Ubichinon der Atmungskette zugeführt, teilweise aber auch mithilfe der ETF-Ubichinon-Oxidoreduktase bzw. der Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase.

Ubichinon, Komplex III und der Q-Zyklus

Ubichinon
Die Struktur des Ubichinons ist in Abb. 6.13 dargestellt. Die Benzochinongruppe des Moleküls kann schrittweise je zwei Elektronen und zwei Protonen aufnehmen. Die lange hydrophobe Seitenkette verankert das Molekül in der Innenmembran. Ubichinon wird auch als Coenzym Q bezeichnet. Wegen der zehn Isopreneinheiten der hydrophoben Seitenkette benutzt man mitunter das Symbol Q10.
Das Ubichinon hat die Aufgabe, Elektronen von den Komplexen I und II aufzunehmen und dann zum Komplex III der Atmungskette zu transportieren. Ubichinon kann zunächst ein Elektron und ein Proton aufnehmen, sodass es in Semichinon (auch Ubisemichinon genannt) umgewandelt wird. In einem weiteren Schritt nimmt es noch ein Elektron und ein Proton auf und wird dadurch zum Ubichinol.
Für den Mechanismus der Atmungskette ist bedeutsam, dass diese Protonen vom Ubichinon auf der Matrixseite der Innenmembran aufgenommen und dann auf der gegenüberliegenden Seite in den Intermembranraum abgegeben werden können. Letztlich werden von den zehn Protonen, die pro Molekül NADH exportiert werden, vier Protonen direkt von Ubichinon transportiert. An diesen Reaktionen ist allerdings auch der Komplex III im Q-Zyklus beteiligt.
Komplex III und Q-Zyklus
Um Protonen gegen den Protonengradienten aktiv aus der mitochondrialen Matrix herauspumpen zu können, muss Ubichinon mit dem Komplex III der Atmungskette kooperieren (Abb. 6.14). Dieser Komplex gibt die vom Ubichinon aufge nommenen Elektronen an das kleine Protein Cytochrom c ab, das sich an der Außenseite der Innenmembran befindet. Da Ubichinon in reduzierter Form als Ubichinol vorliegt, handelt es sich beim Komplex III um die Ubichinol-Cytochrom-c-Oxidoreduktase. Meist bezeichnet man Komplex III nach zwei seiner wichtigsten Komponenten als Cytochrom-bc1-Komplex (oder kurz als bc1-Komplex).
Der Cytochrom-bc1-Komplex enthält insgesamt elf Untereinheiten.
  • Eine dieser Untereinheiten ist das Cytochrom b, das vom mitochondrialen Genom kodiert wird. Alle anderen Untereinheiten sind kernkodiert. An das Cytochrom b sind zwei Hämgruppen gebunden, die jeweils ein Eisenion enthalten.

  • Eine weitere Hämgruppe ist Bestandteil von Cytochrom c1.

  • Der Cytochrom-bc1-Komplex enthält außerdem eine Untereinheit, die ein Eisen-Schwefel-Zentrum vom [2Fe-2S]-Typ enthält und nach ihrem Entdecker als Rieske-Eisen-Schwefel-Protein bezeichnet wird. Weitere Redoxzentren sind nicht vorhanden.

Der gesamte Komplex liegt normalerweise in Form stabiler Homodimere vor.
Ein Ubichinolmolekül trägt zwar nur zwei Protonen, gleichwohl kann ein Komplex III, ausgehend von einem Ubichinolmolekül, insgesamt vier Protonen aus der Matrix herauspumpen.
  • Die ersten zwei Protonen werden auf sehr einfache Weise übertragen: Das Ubichinon erhält vom Komplex I zwei Elektronen und nimmt dabei aus der Matrix zwei Protonen auf. Als Ubichinol diffundiert es dann zum Cytochrom-bc1-Komplex. An diesen kann es seine Elektronen nur an einer bestimmten Stelle abgeben, die in unmittelbarer Nähe des Intermembranraums liegt. Während die Elektronen von Ubichinol, der elektrischen Potenzialdifferenz folgend, in den Cytochrom-bc1-Komplex fließen, werden die beiden Protonen in den Intermembranraum abgegeben.

  • Die Übertragung der nächsten beiden Protonen ist komplizierter. Der Mechanismus wird als Q-Zyklus bezeichnet. Hier ist der Weg zu betrachten, den die beiden Elektronen, die vom Ubichinol abgegeben worden sind, durch den Cytochrom-bc1-Komplex nehmen (Abb. 6.14). Dieser Weg gabelt sich: Das erste Elektron fließt sofort über das Rieske-Eisen-Schwefel-Protein und das Cytochrom c1 zum Cytochrom c. Das zweite Elektron hingegen fließt über die beiden Hämgruppen von Cytochrom b zu einer weiteren Ubichinonbindungsstelle, die in der Nähe der Matrix liegt. Hier wird das Elektron auf Ubichinon übertragen, das dort zunächst als Semichinon gebunden bleibt. Sobald in der nächsten Runde des Reaktionszyklus ein weiteres Elektron ankommt (wiederum über den Cytochrom-b-Weg), wird dieses ebenfalls auf das wartende Semichinon geladen, und unter Aufnahme von zwei Protonen aus der Matrix wird ein weiteres Ubichinol freigesetzt. Dieses wandert dann zur bereits beschriebenen Bindungsstelle in der Nähe des Intermembranraums, wo es seine beiden Protonen und Elektronen abgibt.

Eine Rechnung zur Illustration: 100 Ubichinolmoleküle geben 200 Elektronen und 200 Protonen an den Cytochrom-bc1-Komplex ab. Davon wandern 100 Elektronen gleich weiter zum Cytochrom c. Die übrigen 100 Elektronen wandern durch das Cytochrom b hindurch zu 50 Ubichinonmolekülen, die daraufhin weitere 100 Protonen in den Intermembranraum transportieren. Anschließend gehen wieder 25 Elektronen den Weg des Q-Zyklus, um den Transport von 50 Protonen zu veranlassen. Die Zahl der Protonen (200 + 100 + 50 + 25 + ...) beträgt schließlich 400, also das Doppelte der ursprünglich an die 100 Ubichinolmoleküle gebundenen Protonen.

MERKE

Ubichinol überträgt die Elektronen von den Komplexen I und II auf Komplex III (Cytochrom-bc1-Komplex) der Atmungskette. Mithilfe des Q-Zyklus pumpt der Komplex III, ausgehend von 1 Ubichinol, insgesamt 4 H+ aus der Matrix.

Der Hemmstoff Myxothiazol blockiert die Ubichinolbindungsstelle des Cytochrom-bc1-Komplexes in der Nähe des Intermembranraums. Antimycin A verhindert auf der gegenüberliegenden Seite der Membran die Übertragung der Elektronen vom Cytochrom b auf Ubichinon (Abb. 6.14). In der Erforschung des Q-Zyklus war es sehr wichtig, mithilfe dieser beiden Hemmstoffe nachweisen zu können, dass es im Cytochrom-bc1-Komplex zwei unterschiedliche Bindungsstellen für Ubichinon gibt.

Cytochrom c und Komplex IV (Cytochrom-Oxidase)

Cytochrom c
Cytochrom c vermittelt die Übertragung der Elektronen vom Komplex III (Cytochrom-bc1-Komplex) auf Komplex IV. Protonen werden dabei nicht transportiert. Cytochrom c ist ein lösliches, monomeres Protein, das sich im Intermembranraum auf der Außenseite der Innenmembran zwischen den Komplexen III und IV hin- und herbewegt. Durch seine Hämgruppe hat Cytochrom c eine rote Farbe (Cytochrom bedeutet Zellfarbstoff). Für seine Funktion ist entscheidend, dass das Eisenion seiner Hämgruppe zwischen einem Fe2+- und einem Fe3+-Zustand wechseln und entsprechend einzelne Elektronen aufnehmen und anschließend wieder abgeben kann.
Cytochrom c ist ein vergleichsweise kleines Protein von nur 12,4 kDa. Die Polypeptidkette enthält 104 Aminosäurereste. Die Hämgruppe ist über Thioetherbindungen mit zwei Cysteinresten der Polypeptidkette kovalent verbunden (Abb. 6.15). Das Eisenion ist von der einen Seite durch seine Bindung an das Methionin der Position 80, von der anderen Seite durch das Histidin der Position 18 geschützt. Dadurch kann Cytochrom c weder durch Cyanidionen noch durch Kohlenmonoxid vergiftet werden, im Unterschied zum Häm a3 des Komplexes IV, das durch Cyanidionen leicht blockiert werden kann, sowie zur Hämgruppe des Hämoglobins, die anstelle von Sauerstoff sehr leicht Kohlenmonoxid binden kann.
In jüngster Zeit hat das Cytochrom c in einem ganz anderen Zusammenhang, nämlich als Auslöser von Apoptose, Beachtung gefunden. Wie in Kap. 23.3 näher erläutert wird, kommt es unter bestimmten Bedingungen in den Zellen zu einer Freisetzung des Cytochroms c aus dem Intermembranraum in das Zytosol und daraufhin zur Apoptose, also zum programmierten Zelltod. Der Mechanismus, durch den das Cytochrom c in das Zytosol gelangt, ist noch unklar. In vielen Details aufgeklärt sind aber bereits die Prozesse, die dann im Zytosol ausgelöst werden.

Klinik

Zu einer Cytochrom-c-abhängigen Apoptose kommt es z.B. bei einer Infektion der Harnröhre mit Neisseria gonorrhoeae, dem Erreger der Gonorrhö (Abb. 6.16). Die Bakterien geben an ihre Umgebung ein porenbildendes Membranprotein ab, das PorB. Dieses gelangt in die Zellen der infizierten Gewebe und auf bislang noch unbekannten Wegen in deren Mitochondrien. Die Einlagerung des PorB löst ein Schwellen der Mitochondrien aus, und durch Freisetzung des Cytochroms c kommt es zur Apoptose. Auf ähnliche Weise können auch die Bakterien der Art Helicobacter pylori, die als die entscheidenden Erreger von Magengeschwüren bekannt sind, eine Apoptose auslösen. Sie geben an ihre Umgebung das porenbildende Protein VacA ab, das in den Mitochondrien der infizierten Gewebe akkumuliert und dort eine Freisetzung von Cytochrom c auslöst.

Struktur und Funktion von Komplex IV
Der Komplex IV überträgt die Elektronen vom Cytochrom c auf Sauerstoff. Man bezeichnet diesen Komplex meist als Cytochrom-c-Oxidase oder einfach als Cytochrom-Oxidase. Mit der Übertragung von zwei Elektronen auf Sauerstoff ist der Transport von zwei Protonen über die Membran verbunden.
Die Cytochrom-Oxidase besteht aus 13 Untereinheiten, je zwei Komplexe lagern sich zu einem Dimer zusammen. Die Cytochrom-Oxidase enthält zwei Hämgruppen, drei Kupferionen, ein Magnesiumion und ein Zinkion. Die Elektronen werden zunächst über zwei der Kupferionen geleitet, die als CuA bezeichnet werden und ein eigentümliches Kupfer-Schwefel-Zentrum bilden (Abb. 6.17), und anschließend über das Häm a zum Häm a3 und von dort zum Sauerstoff, dessen Bindungsstelle sich in der Untereinheit I des Komplexes befindet. Diese Untereinheit I ist wie die Untereinheiten II und III mitochondrial kodiert.
Die Sauerstoffbindungsstelle liegt unmittelbar zwischen dem Häm a3 und dem Kupferion CuB (Abb. 6.17). Das Eisenion von Häm a3 wird an seiner Rückseite von einem Histidinrest fixiert, die Vorderseite ist frei und bindet den Sauerstoff (Abb. 6.18). Das Kupferion wird von drei Histidinresten festgehalten. Auch hier ist eine Seite frei gelassen, an die der Sauerstoff binden kann. Über diese beiden Metallionen können jetzt von zwei Seiten Elektronen auf das O2-Molekül übertragen werden. Im Zuge der Reduktion des Sauerstoffs kommt es an anderer Stelle der Cytochrom-Oxidase zur Übertragung von Protonen in den Intermembranraum. Wo dieser Protonenkanal genau liegt, ist noch unklar.
Die Bildung von H2O
Auch die genaue Sequenz der Schritte, die zur Wasserbildung führen, ist noch nicht geklärt. So zeigte sich in der Kristallstruktur, dass das CuB nicht direkt über der Ebene der Hämgruppe liegt, sondern deutlich aus der Achse verschoben ist. Entsprechend scheint das Sauerstoffmolekül schief zwischen den beiden Metallionen gebunden zu sein. Da es sich um zwei unterschiedliche Metallionen handelt, werden die beiden Sauerstoffatome in unterschiedlicher Weise zu Wasser umgesetzt. Gesichert ist der Befund, dass das Eisenion, das nach Bindung des Sauerstoffs zunächst im Fe2+-Zustand vorliegt, durch Abgabe von Elektronen an den Sauerstoff in einen Fe4+-Zustand übergeht. Das Kupferion geht vom Cu+- in den Cu2+-Zustand über. Das Reaktionszentrum ist durch einen Kanal von der Matrixseite her zugänglich, sodass Protonen an den reduzierten Sauerstoff herantreten können und das entstehende Wasser das Reaktionszentrum verlassen kann.
Trotz des komplizierten Reaktionszyklus am Komplex IV werden keine Zwischenprodukte freigesetzt. Vielmehr wird das eine gebundene O2-Molekül innerhalb kurzer Zeit sofort zu zwei Wassermolekülen umgesetzt. So werden vom Komplex IV auch keine Sauerstoffradikale abgegeben (Kap. 6.5).
Schließlich ist zu beachten, dass in einem Reaktionszyklus bei der Synthese jedes Wassermoleküls parallel zwei Protonen verbraucht und zwei andere Protonen in den Intermembranraum gepumpt werden. Die bei der Synthese des Wassers verbrauchten Protonen können insofern für die Stöchiometrie vernachlässigt werden, als die gleiche Zahl an Protonen im Zuge der Oxidation und Reduktion von NADH bzw. FADH2 freigesetzt wurde (Abb. 6.5). Für den Protonengradienten sind also nur die beiden in den Intermembranraum übertragenen Protonen von Belang.

Klinik

Die Vergiftung der Atmungskette durch Cyanide kommt dadurch zustande, dass sich Cyanidionen mit hoher Affinität in die Sauerstoffbindungsstelle der Cytochrom-Oxidase einlagern und diese dadurch für den Sauerstoff blockieren. Es kommt zu einem Rückstau der Elektronen in den Redoxzentren der Atmungskette, und der Protonentransport kommt zum Stillstand. Geringe Mengen an Cyanidionen werden in den Mitochondrien von dem dort ständig vorhandenen Enzym Rhodanese mit Schwefel zu Rhodanid (Thiocyanat, SCN) umgesetzt und dadurch inaktiviert. Bei Cyanidvergiftungen verabreicht man i.v. größere Mengen an Natriumthiosulfat, damit der Rhodanese für diese Reaktion möglichst viel Schwefel zur Verfügung steht.

MERKE

Cytochrom c vermittelt die Übertragung der Elektronen vom Komplex III auf den Komplex IV (Cytochrom-Oxidase). Protonen werden dabei nicht transportiert. Wenn am Komplex IV ein Sauerstoffatom zu H2O umgesetzt wird, müssen dazu 2 H+ aufgenommen werden. Gleichzeitig wird die dabei freigesetzte Energie dazu genutzt, 2 weitere H+ über die Membran in den Intermembranraum zu pumpen. Kurz: 2 H+ werden verbraucht, 2 H+ werden gepumpt.

Eine Übersicht über die Komplexe I–IV der Atmungskette gibt Tab. 6.2

Das Respirasom I, III2, IV4

In der mitochondrialen Innenmembran bildet der Komplex I zusammen mit den Komplexen III und IV einen gemeinsamen Großkomplex. Es wurde vorgeschlagen, diesen Gesamtkomplex als Respirasom zu bezeichnen. Er vereinigt offensichtlich alle Komponenten, die daran beteiligt sind, Elektronen von NADH zum Sauerstoff zu leiten. Ein Komplex I bindet jeweils ein Komplex-III-Dimer, das seinerseits zwei Komplex-IV-Dimere bindet. Das Respirasom hat somit die Zusammensetzung I, III2, IV4. Vermutlich erleichtert diese kompakte Bauweise die Kooperation der beteiligten Atmungskettenkomplexe. Auffällig ist, dass an dieser Struktur keine Proteine beteiligt sind, die Elektronen über einen FAD-Quereinstieg aufnehmen: Weder der Komplex II noch die ETF-Ubichinon-Oxidoreduktase wurde im Respirasom gefunden.

Struktur und Funktion der ATP-Synthase

F0-Teil und F1-Teil der ATP-Synthase

Der Proteinkomplex der ATP-Synthase findet sich weitgehend identisch auch in Bakterien und in Chloroplasten. Auch dort wird diese von einem Protonengradienten angetrieben und dient der ATP-Synthese. Die ATP-Synthasen bestehen aus zwei Teilen (Abb. 6.19 und 6.20):
  • Der hydrophobe F0-Teil besteht aus integralen Membranproteinen und nimmt die Energie des Protonengradienten auf.

  • Der hydrophile F1-Teil ist über einen zentralen Stiel im F0-Teil verankert und ragt in die Matrix hinein. Das Köpfchen des F1-Teils enthält drei Reaktionszentren, die jeweils gemeinsam von einer - und einer -Untereinheit gebildet werden. Die drei /-Dimere bilden einen kompakten Ring, in dem sich - und -Untereinheiten abwechseln. Der enge Kanal in der Mitte des Rings nimmt den zentralen Stiel der ATP-Synthase auf.

Seitlich ist zudem ein peripherer Stiel angelagert, der den F1-Teil zusätzlich mit dem F0-Teil verbindet und als Stator bezeichnet wird (Abb. 6.20).
Mitunter wird die ATP-Synthase als Komplex V der Atmungskette bezeichnet. Dies ist aber insofern irreführend, als die Atmungskettenkomplexe und die ATP-Synthase vollkommen unterschiedliche Funktionen ausüben. Der Einfachheit halber spricht man gelegentlich auch von der ATPase. Diese historisch bedingte Bezeichnung hat insofern ihre Berechtigung, als der F1-Teil der ATP-Synthase in Abwesenheit eines Protonengradienten tatsächlich ATP hydrolysiert. Wenn der F0-Teil durch den Hemmstoff Oligomycin blockiert wird, ist die ATP-Synthase ebenfalls nur noch als ATPase aktiv.
Der F1-Teil und die Rotation der -Untereinheit
In den drei Reaktionszentren der ATP-Synthase verläuft die ATP-Synthese in drei Schritten (Abb. 6.21):
  • Das jeweilige Reaktionszentrum öffnet sich und nimmt ADP und Pi auf.

  • Das Reaktionszentrum schließt sich, und ADP und Pi reagieren spontan (ohne Zufuhr von Energie) zu ATP. In diesem Zustand ist das ATP an eine -Untereinheit gebunden.

  • Unter Energieverbrauch öffnet sich dann das Reaktionszentrum wieder, und das ATP wird freigesetzt.

Es stellte sich überraschend heraus, dass der zentrale Stiel der ATP-Synthase im Wesentlichen nur von zwei langen -Helices gebildet wird. Beide -Helices gehören zur -Untereinheit der ATP-Synthase (Abb. 6.19). Die -Untereinheit ist im F0-Teil der ATP-Synthase verankert, wo sie durch den Einstrom der Protonen in die Matrix in Rotation versetzt wird. Von der Matrix aus beobachtet, dreht sich die -Untereinheit gegen den Uhrzeigersinn (Abb. 6.21). Die -Untereinheit ragt in die Mitte des Köpfchens der ATP-Synthase hinein, wo sie in den drei Reaktionszentren durch ihre Rotation alternierend Konformationsänderungen auslöst, die letztlich zur Freisetzung des ATP führen. Damit das Köpfchen durch die Rotation der -Untereinheit nicht selbst in Rotation versetzt wird, ist es an der Seite mit dem Stator verbunden.

Schon gewusst

Die Sequenz der ATP-Synthese wurde 1973 von Paul Boyer erarbeitet, der später auch die Hypothese entwickelte, dass die drei Reaktionszentren der ATP-Synthase durch eine Rotation innerhalb des Enzyms aktiviert werden. Den entscheidenden Durchbruch im Verständnis des Reaktionsmechanismus brachte die Röntgenkristallstruktur des F1-Teils, die 1994 veröffentlicht wurde. Der Leiter der Arbeitsgruppe, John Walker von der Universität Cambridge in England, erhielt für diese Arbeit 1997 gemeinsam mit Paul Boyer den Nobelpreis für Chemie. Die ATP-Synthase ist bislang das einzige Enzym, für dessen Erforschung bereits zwei Nobelpreise vergeben wurden (1978 und 1997).

Blick ins Labor

Die Rotation der -Untereinheit ließ sich in spektakulärer Weise experimentell nachweisen, indem die -Untereinheit isolierter ATP-Synthasen mit einem langen Actinfilament verknüpft wurde. Um die Bewegungen des Filaments verfolgen zu können, wurde dieses mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert. In Gegenwart von ATP begannen die Filamente zu rotieren, was mithilfe eines Mikroskops beobachtet werden konnte. In diesem Experiment ließ man die ATP-Synthase also gleichsam rückwärtslaufen: Unter Hydrolyse von ATP wurde die -Untereinheit in Rotation versetzt. Originalfilmaufnahmen aus diesen Experimenten sowie umfangreiche Datensammlungen zur Struktur und Funktion der ATP-Synthase sind über die folgenden Internetadressen zugänglich: http://www.cnr. berkeley.edu/~hongwang/Project/ATP_synthase/http://www.bmb.leeds.ac.uk/illingworth/oxphos/atpase.htm http://www.csun.edu/~hcchm001/wwwatp2.htm

Der Rotor im F0-Teil
Die Kristallisation als Voraussetzung für die Aufklärung der 3-D-Struktur von Membranproteinen ist sehr viel schwieriger als die von löslichen Proteinen. So erklärt es sich, dass über die Struktur des hydrophoben F0-Teils der ATP-Synthase wesentlich weniger bekannt ist als über den F1-Teil, den man abtrennen und separat kristallisieren konnte. Selbst die Zahl der Untereinheiten steht für den F0-Teil der Säugermitochondrien noch nicht fest. Unglücklicherweise ist auch die Nomenklatur der Untereinheiten uneinheitlich.
Die wichtigsten Bauelemente scheinen aber in allen ATP-Synthasen der verschiedensten Organismen die gleichen zu sein. Der F0-Teil wird im Wesentlichen von drei verschiedenen Proteinen gebildet (Abb. 6.19):
  • Der Rotor des F0-Teils wird von neun bis zwölf gleichartigen c-Untereinheiten gebildet, die in einem Kreis angeordnet sind. Jede dieser Untereinheiten besteht aus zwei membranspannenden -Helices, die an der Matrixseite über eine Schlaufe miteinander verbunden sind.

  • Diesem Rotor liegt seitlich eine einzelne a-Untereinheit an. Wenn nun Protonen durch den Spalt zwischen der a-Untereinheit und dem Rotor hindurchfließen, setzen sie dadurch den Rotor in Bewegung.

  • Ein Dimer von b-Untereinheiten bildet den Stator, der die a-Untereinheit mit dem Köpfchen des F1-Teils verbindet und dadurch garantiert, dass die Drehung des Rotors zwar auf die -Untereinheit, nicht aber auf das Köpfchen mit den /-Dimeren übertragen wird. Die d- und die e-Untereinheit der ATP-Synthase sind an der Ausbildung des Stators bzw. des zentralen Stiels beteiligt. Traditionell werden sie dem F1-Teil zugezählt, der damit die Zusammensetzung 3, 3, , , hat. Der Kern des F0-Teils hat die Zusammensetzung a, b2, c9–12.

Die a-Untereinheit ist mitochondrial kodiert. In der mitochondrialen DNA überlappt das a-Gen (ATPase-Untereinheit 6) mit dem Gen für die Untereinheit 8 der ATPase. Dieses kodiert für eines der mindestens fünf akzessorischen Proteine des F0-Teils, deren genaue Funktion noch nicht bekannt ist. Mit Ausnahme der ATPase-Untereinheiten 6 und 8 sind alle Komponenten der ATP-Synthase kernkodiert.
Die Anzahl der c-Untereinheiten (ATPase-Untereinheit 9 oder Su9, Subunit 9) des Rotors konnte für die mitochondriale ATP-Synthase der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae sicher bestimmt werden. Nachgewiesen wurden genau zehn c-Untereinheiten. Demnach müssen in der Bäckerhefe zehn Protonen durch den F0-Teil fließen, um die Synthese von 3 ATP zu ermöglichen, also 3,33 Protonen pro 1 ATP. Aus dieser Stöchiometrie ergibt sich theoretisch der in Kap. 6.2.2 angegebene P/O-Quotient von ca. 2,3.
Diese Werte können aber nur mit erheblichem Vorbehalt auf die ATP-Synthase des Menschen übertragen werden, denn für eine bakterielle ATP-Synthase wurden inzwischen elf c-Untereinheiten nachgewiesen, die ATP-Synthasen der Chloroplasten des Spinats enthalten sogar 14 c-Untereinheiten. Da mit isolierten Säugermitochondrien experimentell meist P/O-Quotienten von 2,5 bestimmt wurden, kann bislang nicht ausgeschlossen werden, dass auch die ATP-Synthasen des Menschen möglicherweise mehr c-Untereinheiten enthalten als die homologen Enzyme in der Hefe.

MERKE

Während der ATP-Synthese fließen Protonen nur durch den F0-Teil, nicht aber durch den F1-Teil der ATP-Synthase. Die -Untereinheit der ATP-Synthase ist im Rotor des F0-Teils verankert. Durch Rotation der -Untereinheit kommt es zu Konformationsänderungen in den drei Reaktionszentren des F1-Teils (der F1-Teil dreht sich nicht, er ist durch den Stator fixiert!), und aus ADP + Pi wird ATP gebildet.

Die protonenmotorische Kraft

Zwei Kräfte treiben die Protonen durch den F0-Teil der ATP-Synthase hindurch:
  • das Membranpotenzial

  • der chemische Konzentrationsunterschied der Protonen pH 1.

Die gesamte Triebkraft, die auf die Protonen wirkt, bezeichnet man als protonenmotorische Kraft (PMK, engl. proton motive force). Sie wird gewöhnlich in mV angegeben. Das Membranpotenzial konnte man mit ca. 140 mV experimentell bestimmen. Den Beitrag, den der Konzentrationsunterschied der Protonen zur protonenmotorischen Kraft leistet, lässt sich nach der Nernst-Gleichung berechnen, indem man ein Verhältnis der inneren, [H+]i, und äußeren Protonenkonzentration, [H+]a, von 1: 10 zugrunde legt. Für eine physiologische Körpertemperatur von 310 K und mit z 1 (für die Ladung des Protons) erhält man:
U=kTzeInc1c2=61mV
Dabei bezeichnet k die Boltzmann-Konstante (1,38 1023 J/K) und e die elektrische Elementarladung (1,6 1019 C). Somit ist PMK 140 mV + 61 mV 201 mV. Etwa 70% der Kraft, die auf die einströmenden Protonen wirkt, werden demnach vom Membranpotenzial beigesteuert, während der Beitrag des chemischen Konzentrationsgradienten nur ca. 30% beträgt.
Daraus lässt sich die freie Enthalpie G eines Protons berechnen, das bei einer PMK von 200 mV in die Matrix einströmt. Unter Verwendung der Faraday-Konstanten F ergibt sich ein G von 96.500 J V1 mol1 /0,2 V 19,3 kJ/mol. Zur Synthese von 1 Mol ATP benötigt man unter physiologischen Bedingungen ca. 50 kJ, folglich müssen mindestens drei Protonen ihre Energie zur Verfügung stellen, damit ein ATP synthetisiert werden kann.

MERKE

Die protonenmotorische Kraft kommt überwiegend durch das mitochondriale Membranpotenzial von ca. 140 mV zustande. Die übrigen 30% werden vom Konzentrationsunterschied der Protonen pH beigesteuert.

Entstehung und Beseitigung von Sauerstoffradikalen

Bildung von Sauerstoffradikalen in der Atmungskette

Superoxidradikal und Hydroxylradikal
Sauerstoffradikale (ROS von reactive oxygen species) werden nicht nur in Mitochondrien gebildet, sind aber hier von besonderer Bedeutung. Ein Sauerstoffradikal entsteht in der Zelle immer dann, wenn ein Sauerstoffmolekül ein einzelnes Elektron aufnimmt. Aus dem O2-Molekül entsteht dadurch das O2•-Ion, das als Superoxidradikal (Superoxidanion) bezeichnet wird. Da die Superoxidradikale sehr reaktiv sind und unspezifisch mit vielen verschiedenen Verbindungen reagieren, können sie eine Zelle erheblich schädigen. Aus Superoxidradikalen werden zudem H2O2 (Wasserstoffperoxid) und das chemisch außerordentlich aggressive Hydroxylradikal OH• gebildet (Abb. 6.22).
Als Entstehungsort der Superoxidradikale könnte man zunächst die Cytochrom-Oxidase vermuten, da hier die Übertragung der Elektronen auf den Sauerstoff stattfindet. Allerdings arbeitet die Cytochrom-Oxidase sehr effizient, sodass es zu keiner unvollständigen Reduktion eines Sauerstoffmoleküls kommt. Tatsächlich werden die Superoxidradikale überwiegend unter Beteiligung von Komplex III gebildet, und es ist sehr wahrscheinlich, dass die hierfür benötigten Elektronen unmittelbar von Ubisemichinon geliefert werden.
Superoxid-Dismutase und Katalase
Normalerweise enthalten Mitochondrien nur wenig Superoxidradikale, da diese durch die Aktivität der Superoxid-Dismutase (SOD) schnell beseitigt werden (Abb. 6.22). Dieses Enzym katalysiert die Umsetzung von Superoxidradikalen zu H2O2 (Wasserstoffperoxid) und molekularem Sauerstoff:
2O2+2H+H2O2+O2
Bei dieser Reaktion wird eines der reagierenden Superoxidradikale oxidiert, während das andere reduziert wird. Derartige Reaktionen werden als Disproportionierungen (oder auch als Dismutationen) bezeichnet.
Eine Superoxid-Dismutase gibt es nicht nur in den Mitochondrien, sondern auch im Zytosol sowie extrazellulär. Die mitochondriale SOD enthält Mangan, die zytosolische SOD Kupfer und Zink.

Klinik

Mutationen im Gen SOD1, das die Cu/Zn-SOD des Zytosols kodiert, sind die Ursache einer erblichen Form der amyotrophen Lateralsklerose (ALS). Bei dieser neurodegenerativen Erkrankung kommt es zu einer Degeneration der Motoneuronen und entsprechenden Lähmungen. Der weltweit berühmteste Patient mit ALS ist der englische Physiker Stephen Hawking. In Deutschland sind derzeit ca. 6000 Patienten von ALS betroffen. In mehr als 90% der Fälle ist die Ursache der Erkrankung unbekannt, Mutationen im SOD1-Gen lassen sich also nur bei einigen der Patienten nachweisen.

H2O2 ist kein Radikal und scheint für die Zelle wesentlich ungefährlicher zu sein als das Superoxidradikal. Es ist jedoch ein aggressives Oxidationsmittel und darf deshalb in den Zellen nicht akkumulieren. Dies wird durch das Enzym Katalase verhindert:
2H2O22H2O+O2

MERKE

Durch Übertragung eines einzelnen Elektrons auf molekularen Sauerstoff entsteht das Superoxidradikal O2•. Durch die Superoxid-Dismutase wird das Superoxidradikal zu Sauerstoff und H2O2 umgesetzt. Katalase katalysiert die weitere Disproportionierung von H2O2 zu Wasser und molekularem Sauerstoff: Durch die Kooperation von Superoxid-Dismutase und Katalase können anfallende Superoxidradikale normalerweise effektiv beseitigt werden, bevor sie größere Schäden anrichten.

Glutathion-Peroxidase
Zu einem kleineren Teil wird das H2O2 auch durch die Glutathion-Peroxidase beseitigt (Abb. 6.17), die dann über Glutathion regeneriert wird. Bei Glutathion handelt es sich um das Tripeptid -Glu–Cys–Gly (GSH). Das Glutathion, das zur reduktiven Regeneration des Enzyms verbraucht wird und dann in der GSSG-Form vorliegt, wird seinerseits durch Reduktion mit NADPH regeneriert. Das mitochondriale Enzym Transhydrogenase kann NADPH und NADH wechselseitig als Reduktionsmittel verwenden, sodass die zur glutathionabhängigen Reduktion benötigten Elektronen letztlich von NADH bezogen werden können.
Fenton-Reaktion
Wenn das H2O2 schneller gebildet wird, als es vor Ort enzymatisch abgebaut werden kann, verteilt es sich in der Zelle und kann dabei auch sehr leicht durch Membranen in benachbarte Kompartimente übertreten. Trifft Wasserstoffperoxid auf Fe2+-Ionen, kommt es zur sog. Fenton-Reaktion, bei der die besonders gefährlichen Hydroxylradikale entstehen:
Fe2++H2O2Fe3++OH+OH
Toxizität der Sauerstoffradikale
Radikale können Kettenreaktionen auslösen, indem sie einzelne Elektronen von benachbarten Molekülen aufnehmen, die dadurch ihrerseits zu Radikalen werden. Sind hiervon mehrfach ungesättigte Fettsäuren betroffen, so neigen diese dazu, Sauerstoff im Bereich der Doppelbindung einzubauen. Das Reaktionsprodukt ist extrem instabil, und es kommt zur Fragmentierung der Fettsäure. Durch derartige Reaktionsketten können deshalb insbesondere Membranen erheblich geschädigt werden.
Verschiedene Studien haben gezeigt, dass auch die mitochondriale DNA von Sauerstoffradikalen geschädigt wird. Die Theorie, dass die mitochondriale DNA durch ihre Nähe zur Atmungskette den Wirkungen von Sauerstoffradikalen besonders stark ausgesetzt und dass der generelle Alterungsprozess aller Zellen nicht zuletzt auf das Altern der mitochondrialen DNA zurückzuführen sei, ist allerdings umstritten.
Sauerstoffradikale werden in unterschiedlichem Umfang auch außerhalb der Mitochondrien gebildet, z.B. im Stoffwechsel der Purine. Beim Abbau der Purine werden letztlich Xanthin und Harnsäure gebildet. Diese beiden letzten Schritte des Purinabbaus werden von der Xanthin-Oxidase katalysiert, die dabei molekularen Sauerstoff zu H2O2 reduziert (Kap. 10.2.3). Normalerweise wird das Wasserstoffperoxid schnell unter Vermittlung der Katalase beseitigt. Dieses System ist allerdings überfordert, wenn ein Gewebe nicht mehr ausreichend mit Sauerstoff versorgt wird, also im Fall einer Ischämie. Da das ATP dann nicht mehr regeneriert wird, kommt es zu einem beschleunigten Adeninabbau und damit auch zu einer beschleunigten Synthese von H2O2

MERKE

Die Toxizität der Sauerstoffradikale beruht auf deren hoher Reaktivität gegenüber vielen Komponenten der Zelle; v.a. wird sie auf die Schädigung der Membranen zurückgeführt.

Bildung von H2O2

Bildung von H2O2 in Peroxisomen
Der Name der Peroxisomen weist bereits darauf hin, dass für diese Zellorganellen das Wasserstoffperoxid eine besondere Bedeutung hat. Peroxisomen enthalten viele Oxidasen, die ständig große Mengen an H2O2 produzieren. Zu diesen Oxidasen gehört z.B. die Acyl-CoA-Dehydrogenase, die an der peroxisomalen -Oxidation von Fettsäuren beteiligt ist. In den Mitochondrien werden die bei der -Oxidation anfallenden Elektronen in Form von NADH und FADH2 zur Atmungskette transportiert und von dieser auf Sauerstoff übertragen. Peroxisomen enthalten keine Atmungskette, und so werden die bei der peroxisomalen -Oxidation anfallenden Elektronen direkt auf molekularen Sauerstoff übertragen (Kap. 7.2.2, Abb. 7.9Kap. 7.2.2Abb. 7.9). Im Gegensatz zu den Mitochondrien können die Peroxisomen kein ATP synthetisieren.
Die Peroxisomen enthalten eine besonders hohe Konzentration an Katalase, die das entstandene H2O2 weitgehend beseitigt, wobei dann letztlich wie in den Mitochondrien Wasser gebildet wird. Die Katalase kann bis zu 40% des peroxisomalen Proteins ausmachen. Neben der Katalase enthalten Peroxisomen auch sehr viele Peroxidasen. Diese tragen ebenfalls zum Abbau des H2O2 bei, indem sie es für die Oxidation verschiedener organischer Verbindungen verwenden. Auch hierbei entsteht Wasser:
RH2+H2O2R+2H2O
Bei der Verbindung RH2 kann es sich z.B. um Ethanol handeln, das in den Peroxisomen zu Acetaldehyd oxidiert wird. Tatsächlich spielen Peroxisomen aufgrund ihres H2O2-Gehalts eine erhebliche Rolle in der Entgiftung. Ethanol ist in dieser Hinsicht nur ein Beispiel (Kap. 16.9 und 27.2Kap. 16.9Kap. 27.2).

MERKE

Peroxisomen enthalten viele Oxidasen, die ständig große Mengen an H2O2 produzieren, sowie Katalasen und Peroxidasen zum Abbau des H2O2.

Bildung von H2O2 in neutrophilen Granulozyten und Makrophagen
Ein weiteres Beispiel für eine gezielte Synthese von H2O2 bieten die Leukozyten, die pathogene Mikroorganismen phagozytieren, um sie abzutöten (Kap. 25.4). Hierzu synthetisieren die Zellen mithilfe einer NADPH-Oxidase große Mengen an H2O2. Dieses Enzym befindet sich in der Plasmamembran und in der Phagosomenmembran. Es katalysiert die Übertragung der Elektronen von NADPH auf extrazellulären Sauerstoff, wobei zunächst Superoxidradikale gebildet werden. Aus diesen entsteht durch Disproportionierung H2O2, mit dem dann die aufgenommenen Keime abgetötet werden. Da das H2O2 membrangängig ist, gelangt es teilweise auch in die körpereigenen Zellen. Auch aus diesem Grund müssen die Zellen aller Gewebe des Körpers in der Lage sein, H2O2 durch Katalasen abzubauen.
Im Laufe der Jahre ist eine Vielzahl von Reaktionen beschrieben worden, die in den Zellen durch den Kontakt mit H2O2 ausgelöst werden. Unter anderem kommt es zu einer Aktivierung von Genen, die in einem funktionellen Zusammenhang mit dem Abbau von Wasserstoffperoxid und Sauerstoffradikalen stehen. Wenn diese Schutzmechanismen nicht mehr ausreichen, können Sauerstoffradikale auch einen programmierten Zelltod, die Apoptose, auslösen.

Mitochondriopathien

Die Mitochondrien sind Faktoren bei der Pathogenese einer Vielzahl von Erbkrankheiten, die sich in sehr unterschiedlichen Symptomen äußern. Die meisten der bekannten Mitochondriopathien beruhen auf einem Defekt der mitochondrialen ATP-Synthese. Entsprechend manifestieren sie sich primär in Funktionen, die in besonderer Weise von der mitochondrialen ATP-Synthese abhängig sind. An erster Stelle steht hier das Nervensystem. Die Neurone können ihre Funktion nur bei einem intakten Membranpotenzial erfüllen, und dieses beruht nicht zuletzt auf der Aktivität der Na+-K+-ATPase, die große Mengen an ATP benötigt. Zudem ist auch die Aktivität der Synapsen unabdingbar auf die Zufuhr von ausreichenden ATP-Mengen angewiesen.
Gelegentlich werden Kinder geboren, die sich zunächst trotz schwerer Defekte der Mitochondrien entwickeln konnten, weil sie über den Blutkreislauf der Mutter versorgt wurden. Wenn die Mitochondrien nicht mehr genügend Pyruvat aus der Glykolyse des Zytosols aufnehmen, kommt es zu einer Laktatazidose. Im Mutterleib kann dieses Lactat noch über den Cori-Zyklus der Gluconeogenese zugeführt werden. Postnatal sterben die Patienten oft nach wenigen Tagen an der Übersäuerung des Bluts.

MERKE

Defekte der Mitochondrien äußern sich meist in neurologischen Krankheiten.

Mutationen in der mitochondrialen DNA

Ein charakteristisches Beispiel für eine Krankheit der mitochondrialen DNA ist die hereditäre Leber`sche-Optikusneuropathie (LHON, Leber`s hereditary optic neuropathy; Abb. 6.23). Zugrunde liegt eine Mutation, die das Gen der Untereinheit 4 des Komplexes I der Atmungskette betrifft. Da es sich um eine Mutation in der mitochondrialen DNA handelt (am häufigsten in Position 11.778), wird die Krankheit maternal vererbt. Vermutlich kommt es aufgrund dieser Mutation primär zu einer reduzierten ATP-Synthese, die der Stoffwechsel aber lange Zeit gut zu kompensieren vermag, sodass die Patienten symptomfrei leben können. Im typischen Fall kommt es dann zwischen dem 20. und 30. Lebensjahr zu einer plötzlichen Erblindung, erst nur auf einem Auge, innerhalb von Wochen bis Monaten dann auch auf dem anderen Auge.
Die Erblindung beruht auf dem irreversiblen Untergang von Neuronen des N. opticus, andere Organe sind nicht betroffen. Die Krankheit bleibt auf einen großen, zentralen Gesichtsfeldausfall beschränkt (Zentralskotom). Die Patienten sehen hier nur sehr verschwommen. Eine effektive Therapie ist derzeit nicht möglich. Warum überwiegend Männer betroffen sind und warum die Krankheit erst zwischen dem 20. und 30. Lebensjahr ausbricht, ist nicht klar.
Für viele Mutationen der mitochondrialen DNA konnte gezeigt werden, dass sie im Laufe des Lebens akkumulieren und einen Schwellenwert erreichen müssen, um pathophysiologische Folgen zu haben. Solange mindestens 10% der mitochondrialen DNA-Moleküle intakt sind, können die Mitochondrien noch normal arbeiten. Je geringer dieser Anteil wird, desto ausgeprägter sind dann die Krankheitssymptome. Alle Krankheiten der mitochondrialen DNA zusammen haben eine Prävalenz von ca. 1: 15.000.
Zu den bislang nicht verstandenen Eigentümlichkeiten derartiger Erkrankungen gehört, dass zunächst immer nur ein bestimmtes Gewebe von dem Defekt betroffen ist. Im Fall der LHON ist es der N. opticus, im Fall anderer Defekte der mitochondrialen DNA sind es jeweils andere Gewebe, die zuerst betroffen sind. So äußert sich die MERRF-Krankheit (Myoclonic epilepsy and ragged red fiber disease) zunächst in einer allgemeinen Muskelschwäche und in Epilepsie. Ursache ist eine Mutation in der mitochondrial kodierten tRNALys. Wenn der Anteil der intakten DNA-Moleküle in den Mitochondrien weiter sinkt, kommt es zu Taubheit, Demenz, Atemproblemen, dilatativer Kardiomyopathie und Beeinträchtigung der Nierenfunktion.
Pathologisch findet man bei der MERRF-Krankheit, aber auch bei vielen anderen Mitochondriopathien ausgedehnte parakristalline Einschlüsse in den Mitochondrien, die aus bestimmten Proteinen bestehen. In den mitochondrienreichen roten Typ-I-Muskelfasern kommt es zu charakteristischen Verklumpungen der Mitochondrien, die bereits lichtmikroskopisch beobachtet werden können (ragged red fibers).

MERKE

Krankheiten der mitochondrialen ATP-Synthese werden allgemein als Krankheiten des OXPHOS-Systems bezeichnet, also als Krankheiten der oxidativen Phosphorylierung. Die Ursachen können entweder in Mutationen der mitochondrialen DNA (wie im Fall von LHON und MERRF) oder in Mutationen der Gene im Kern liegen.

Friedreich-Ataxie

Dass sich die Funktion der Mitochondrien nicht in der ATP-Synthese erschöpft und nicht alle Mitochondriopathien auf Mutationen der mitochondrialen DNA zurückzuführen sind, wurde 1996 mit der Identifizierung des Gendefekts illustriert, der die Ursache der Friedreich-Ataxie ist.
Auch bei dieser Krankheit handelt es sich um ein neurologisches Syndrom. Die Prävalenz liegt bei 1: 50.000. Zunächst degenerieren bestimmte Neurone im lumbosakralen Rückenmark. Betroffen sind insbesondere die Hinterstränge und die spinozerebellaren Bahnen. In späteren Stadien sind auch motorische Bahnen und das Kleinhirn betroffen. Die Defekte äußern sich zunächst in einer Gangunsicherheit (Ataxie), in späteren Stadien können sich die Patienten nur noch mithilfe eines Rollstuhls fortbewegen (Abb. 6.24). Der für die Erkrankung verantwortliche Gendefekt wurde auf dem Chromosom 9 im Zellkern gefunden. Das betroffene Protein wurde Frataxin genannt und in der mitochondrialen Matrix nachgewiesen. Wenn die Mitochondrien zu wenig Frataxin enthalten, kommt es zu einer etwa zehnfachen Steigerung des Eisengehalts der Mitochondrien. Über die Fenton-Reaktion scheint die erhöhte Eisenkonzentration dann auch eine Akkumulation von Hydroxylradikalen zu bewirken. Auch in diesem Fall lässt sich die naheliegende Frage nicht beantworten, warum primär die Neurone des Rückenmarks betroffen sind und nicht z.B. der N. opticus.
Frataxin ist ein kleines Protein von 210 Aminosäuren, das mehrere Eisenionen binden kann und in den Mitochondrien offenbar an der korrekten Verteilung der Eisenionen beteiligt ist. Direkt oder indirekt ist es zusammen mit der Ferrochelatase auch an der Biogenese der Hämgruppen beteiligt (Kap. 25.3). Die molekularen Mechanismen sind aber noch unbekannt.

Schon gewusst

Die Entdeckung des Frataxins hat dazu geführt, dass in den vergangenen Jahren eine Reihe umfangreicher Studien zum mitochondrialen Eisenstoffwechsel durchgeführt wurde. Überraschend zeigte sich dabei, dass eine der wichtigsten Funktionen der Mitochondrien in der Synthese von Eisen-Schwefel-Zentren nicht nur für mitochondriale, sondern auch für bestimmte zytosolische Proteine besteht. So kann die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae unter anaeroben Bedingungen zwar ohne die mitochondriale ATP-Synthese wachsen (das ATP wird dabei in ausreichendem Umfang durch die Glykolyse bereitgestellt), aber gleichwohl nicht ohne Mitochondrien leben. Es wurde nachgewiesen, dass die Mitochondrien in diesem Fall ausschließlich für die Biogenese von Eisen-Schwefel-Zentren essenziell sind, u.a. für das zytosolische Protein Rli1p, das u.a. an der Biogenese der Ribosomen beteiligt ist.

So zeigt sich, dass die traditionelle Formel von den Mitochondrien als den Kraftwerken der Zelle einer sehr eingeschränkten Sichtweise entspricht. Tatsächlich haben die Mitochondrien in jüngster Zeit v.a. im Zusammenhang der Auslösung von Apoptose Beachtung gefunden (Kap. 23.3). Vermutlich wird sich ein tieferes Verständnis von Erkrankungen wie der hereditären Leber-Optikusneuropathie und der Friedreich-Ataxie erst aus einer Aufklärung der Zusammenhänge des mitochondrialen Energiestoffwechsels mit dem Eisenstoffwechsel und mit den Mechanismen des programmierten Zelltodes ergeben.

Zusammenfassung

Herkunft und Vermehrung

Mitochondrien sind in der Evolution vor mehr als 2 Mrd. Jahren aus endosymbiontischen Bakterien entstanden. Viele Eigenschaften der rezenten Mitochondrien lassen sich durch diese Vorgeschichte erklären. Mitochondrien entstehen in den Zellen nie neu, sondern stets durch Wachstum und Teilung zuvor bereits vorhandener Mitochondrien. Das mitochondriale Genom des Menschen umfasst 16.569 Basenpaare. Neben zwei rRNAs und 22 tRNAs kodiert es für 13 Proteine, bei denen es sich ausnahmslos um Komponenten der Atmungskette und der ATP-Synthase handelt. Alle übrigen der vermutlich über 1 000 mitochondrialen Proteine werden jedoch im Zellkern kodiert. Mitochondrien und das mitochondriale Genom werden maternal vererbt.

Die ATP-Synthase

Im Körper des Menschen wird das meiste ATP von der mitochondrialen ATP-Synthase synthetisiert. Sie ist mit ihrem F0-Teil in der Innenmembran verankert, der hydrophile F1-Teil ragt in die Matrix hinein und trägt drei gleichartige Reaktionszentren, in denen ADP mit anorganischem Phosphat zu ATP umgesetzt wird. Die ATP-Synthese wird durch Konformationsänderungen ermöglicht, die durch eine Rotation der -Untereinheit im Kopf des F1-Teils ausgelöst werden. Die -Untereinheit ist in einem Rotor verankert, der sich im membranständigen F0-Teil dreht. Die Rotation wird durch den Einstrom von Protonen ausgelöst, die, ihrem Konzentrationsgefälle folgend, aus dem Intermembranraum in die Matrix strömen. Die im ATP enthaltene Energie stammt letztlich aus dem Protonengradienten, der die Protonen in die Matrix strömen lässt.

Die Atmungskette

Der mitochondriale Protonengradient wird von der Atmungskette aufrechterhalten. Die Atmungskette besteht aus einer Gruppe mehrerer Proteinkomplexe, die in die mitochondriale Innenmembran eingebettet sind. Sie nimmt sowohl von NADH als auch von FADH2 Elektronen auf, die in einer festgelegten Reihenfolge durch die Komponenten der Atmungskette hindurchfließen und schließlich auf molekularen Sauerstoff (O2) übertragen werden, der unter Aufnahme von Protonen in zwei Wassermoleküle zerfällt. Am Transport der Elektronen sind u.a. auch der Cofaktor Ubichinon sowie das kleine Protein Cytochrom c beteiligt, das sich im Intermembranraum befindet.
Die Energie der Elektronen wird von den Atmungskettenkomplexen I, III und IV dazu genutzt, Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum zu pumpen. Der pH-Wert steigt dadurch in der Matrix auf ca. 8, die Matrix wird also schwach alkalisch. Der Protonengradient ist die Ursache des mitochondrialen Membranpotenzials, das wesentlich zu der protonenmotorischen Kraft beiträgt, die die ATP-Synthase antreibt.
Entkoppler sind Reagenzien oder Proteine, die zwar die Aktivität der Atmungskette unbehindert lassen, die aber den Aufbau des Protonengradienten verhindern, z.B. durch Bildung einer protonenleitenden Pore in der mitochondrialen Innenmembran. Die ATP-Synthese kommt dadurch zum Erliegen.

Die Rolle des Sauerstoffs

Der Sauerstoff der Atemluft wird bei der Zellatmung letztlich vollständig zu Wasser umgesetzt. Das Kohlendioxid, das abgegeben wird, entsteht unabhängig von der Atmungskette im Stoffwechsel, z.B. in den Reaktionen der Pyruvat-Dehydrogenase und im Citratzyklus. Das Atmen ist primär deshalb lebenswichtig, weil der Sauerstoff zur Aufnahme der Elektronen der Atmungskette benötigt wird. In der Atmungskette mancher Bakterien wird der Sauerstoff durch Nitrat oder durch Sulfat ersetzt und ermöglicht so ein Atmen ohne Sauerstoff.

Sauerstoffradikale

Durch Übertragung einzelner Elektronen auf Sauerstoff entstehen Sauerstoffradikale, in den Mitochondrien vermutlich überwiegend in Nebenreaktionen des Q-Zyklus am Kompex III der Atmungskette. In einem ersten Schritt wird O2 zum Superoxidradikal O2• reduziert, aus dem dann leicht Wasserstoffperoxid (H2O2) entsteht. Sauerstoffradikale und H2O2 sind toxisch. Der Inaktivierung dienen in den Zellen u.a. das Tripeptid Glutathion sowie das Enzym Katalase. Die höchste Produktion an H2O2 wie auch die meiste Katalase lassen sich in den Peroxisomen nachweisen. In den Phagozyten des Immunsystems wird H2O2 in großen Mengen synthetisiert, um phagozytierte Mikroorganismen abzutöten.

Fragen

  • 1.

    Warum enthält die ATP-Synthase nicht nur einen Stiel, sondern zwei?

  • 2.

    Warum ist es bislang unbekannt, wie viele Protonen durch den F0-Teil strömen müssen, um die Synthese eines ATP zu ermöglichen? Denken Sie bei der Beantwortung

  • an die Untereinheiten des Enzyms, die mit den Protonen unmittelbar in Kontakt kommen, und

  • an den gegenwärtigen Forschungsstand in der Charakterisierung der ATP-Synthasen unterschiedlicher Organismen.

  • 3.

    Folgen die positiv geladenen Eisenionen dem Membranpotenzial, wenn sie unter Vermittlung des kürzlich entdeckten Mitoferrins in die mitochondriale Matrix einströmen, oder müssen sie gegen das Membranpotenzial importiert werden?

  • 4.

    Im Citratzyklus werden sowohl NADH als auch FADH2 produziert. Auf welchen Wegen gelangen die beiden Coenzyme zur Atmungskette?

  • 5.

    Welche Komponenten der Atmungskette sind keine integralen Membranproteine?

  • 6.

    In welchem Kompartiment der Mitochondrien befindet sich das Cytochrom c?

  • 7.

    Erläutern Sie in Bezug auf die Atmungskette die Ausdrücke und E. Denken Sie bei der Beantwortung daran,

  • wie die jeweiligen Potenzialdifferenzen entstehen und

  • welches die physiologische Funktion der Potenzialdifferenzen ist.

  • 8.

    Diskutieren Sie, wie man erklären kann, dass die Aktivität der Atmungskette in den Cristae zu einem Absinken des pH-Werts führt. Denken Sie bei der Beantwortung

  • an die Durchlässigkeit der Außenmembran,

  • aber auch an den aktuellen Forschungsstand in Bezug auf die Struktur der Cristae.

  • 9.

    Wo entsteht im Organismus H2O2, das schädlich ist, und wo entsteht H2O2, das nützlich ist? Denken Sie bei der Beantwortung

  • an die jeweils beteiligten Enzyme,

  • Zellorganellen,

  • Stoffwechselsituationen und

  • Zelltypen.

  • 10.

    Diskutieren Sie die pathobiochemischen Zusammenhänge bei der Friedreich-Ataxie. Was könnte die entscheidende Ursache der neuronalen Defekte sein? Denken Sie bei der Beantwortung

  • an die Rolle des Frataxins bei der Biogenese der Eisen-Schwefel-Zentren der Atmungskette und

  • bei der Bildung von Sauerstoffradikalen sowie

  • an die möglichen indirekten Effekte auf den Export von Eisen-Schwefel-Zentren in das Zytosol und

  • auf die Auslösung von Apoptose.

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