Fragen zur Atmungskette?
Meine Frage ist, wieso die H+ passieren. War die Membran nicht undurchlässig?
Liege ich richtig mit meiner Theorie, dass wenn NADH+ H+ am Proteinkomplex I zu NAD wird, die Protonen nur abgegeben werden und dass durch diesen Ausgleich H+ passieren kann? Sowas in der Art wie 2e-? Aber wo kommt das wieder her?
1 Antwort
Hi, korrekt sie ist undurchlässig, die H+ werden aktiv durch die Membran geschleust, beim Transport der e-, die das NADH anliefert und in die Atmungskette einschleust, Endakzeptor dieser Elektronen ist Sauerstoff (1/2 O2) + 2e- (aus der Elektronentransportkette) + 2H+ (aus der Matrix der Mitochondrien) ---> H2O Diese H+ bitte nicht verwechseln mit denen, die aus der Matrix durch die Membran in den Intermembranraum der Mitochondrien geschleust werden.
Die durch die Membran gepumpten Protonen sind in etwa wie das Füllen einer Talsperre zu betrachten. Diese Talsperre befindet sich im Intermembranraum, die innere Membran ist die Talsperrenmauer (wie du richtig erkannt hast).
Der Elektronentransport durch die Atmungskette und die ATP-Synthese sind durch einen Protonengradienten über die innere Mitochondrienmembran miteinander gekoppelt. Das war damals eine bahnbrechende Hypothese, da man u.a. nach energiereichen Zwischenprodukten gesucht hatte, aber keine fand. Es ist die sog. "chemiosmotische Hypothese" von Peter Mitchell (1961), die die ATP-Synthese erklären konnte. Ich habe dazu ein (vereinfachtes) Bildchen angehangen.
Um ATP gewinnen zu können, bauen Zellen bzw. bestimmte Organellen von ihnen, namentlich Mitochondrien, einen elektrochemischen Gradienten aus H+-Ionen (Protonen) über eine Membran (innere Mitochondrienmembran, blau) auf, das ist eine Form von gespeicherter Energie, vergleichbar mit einer gefüllten Talsperre (oranger Teil).
Der Rückfluss der H+-Ionen durch die Membran (grün), treibt die ATP-Synthese an, ähnlich wie Turbinen am Fuße einer Talsperre, wenn diese ausläuft. Es sind H+-transportierende ATP-Synthasen in der inneren Mitochondrienmembran, die die im Gradienten gespeicherte Energie für die ATP-Synthese nutzbar machen (das sind die "Turbinen", grün).
Die Energie zum Aufbau des H+-Gradienten (zum Füllen der Talsperre), wird durch Redoxprozesse aufgebracht, in die die Elektronen eingespeist (übertragen) werden, die aus dem Abbau der Brennstoffmoleküle der Nahrungsstoffe stammen. Bei der Glykolyse (Zuckerabbau), der Fettsäureoxidation (Fettabbau) und im Citratzyklus (Stoffwechselzyklus) entstehen NADH und FADH2, das sind energiereiche Moleküle, die Elektronen übertragen können, deren Elektronen in die Redoxkette zum Aufbau des Gradienten der ATP-Gewinnung eingespeist werden (orange, e-). Sie sind sozusagen das Antriebsmittel für den Motor (das organene Kästchen), der den H+-Gradienten aufbaut, mit dem ATP letztlich erzeugt wird (grün). Dabei werden NADH und FADH2 wieder zurück-oxidiert zu NAD und FAD und stehen wieder frei zur Verfügung. Es ist der letzte oxidative Schritt im Abbau der Nahrungsstoffe, bei dem NADH und FADH2 wieder zurück oxidieren, daher ist es quasi eine "End-Oxidation" auf einem Abbauweg der Brennstoffmoleküle zur Erzeugung energiereicher Produkte (ATP).
Die in die Redoxkette der inneren Mitochondrienmembran eingespeisten Elektronen werden durch eine Reihe von Proteinkomplexen der inneren Mitochondrienmembran (hier nur durch ein orangenes Kästchen angedeutet, bei dir ist es aufgelöst dargestellt) letztlich auf Sauerstoff (O2) übertragen (orange), Sauerstoff ist der Endakzeptor dieser Elektronentransportkette, die man daher "Atmungskette" nennt, dabei ensteht als Endprodukt Wasser (H2O).
Damit die Zellatmung stattfinden kann, erfolgt auch eine äußere Atmung, das Heranführen des benötigten Sauerstoffs über Atmungsorgane (Lungen) und transportierendes quasi "flüssiges Gewebe", was eigens darauf spezialisiert ist, den benötigten Sauerstoff durch den Körper zu transportieren und den Mitochondrien zuzuführen, Blut (Adern), stellt Sauerstoff für die Atmungskette und die Erzeugung von ATP bereit. Anhand des betriebenen Aufwandes, wir atmen ständig ein und aus, das Blut transportiert ständig Sauerstoff zum Gewebe, erkennt man, wie zentral für das Überleben, dieser Teil des Energiestoffwechsels ist. Daher findet er auch Eingang in den Stoff des Unterrichts. Er ist von herausragender Bedeutung für das Fach, universell verbreitet in den Lebensform, die auf der Erde angetroffen werden, einschließlich des Menschen.
Fazit: Der Transport der Elektronen durch die Elektronentransportkette der inneren Mitochondrienmembran treibt den H+-Transport durch die innere Mitochondrienmembran in den Intermembranraum der Mitochondrien an, wenn die H+-Ionen durch einen Enzymkomplex in der inneren Mitochondrienmembran in die Mitochondrienmatrix zurückfließen, wird ATP gebildet (grün). Diese Elektronentransportkette aus diversen transmembranen Proteinkomplexen der inneren Mitochondrienmembran, nennt man Atmungskette. Die Oxidation und Regenerierung der Elektronenüberträger (NADH ---> NAD, Endoxidation) und die Phosphorylierung (ADP + Pi ---> ATP) sind durch einen H+-Gradienten an der inneren Mitochondrienmembran miteinander gekoppelt. Deswegen nennt man diesen Weg der ATP-Bildung auch "oxidative Phosphorylierung". Atmungskette und Endoxidation sind also Teil der oxidativen Phosphorylierung. Gruß, Cliff
Der Fokus liegt auf den Elektronen (e-), das H + H+ schreibt man nur formal dazu, wenn die Carrier mit e- bestückt sind (in ihrer reduzierten Form vorliegen), sie pendeln immer hin und her zwischen NAD <----> NADH + H+ und übertragen Elektronen in die Atmungskette und somit auf auf O2. Warum machen sie das?
Das Übertragen der Elektronen (e-) aus den Nahrungsstoffmolekülen über das NADH (als Überträger) in die Elektronentransportkette der Atmungskette auf O2 folgt einem Energiegefälle (läuft also freiwillig ab), dies wird genutzt, um den H+ Gradienten über die Membran aufzubauen und diese Energie vorübergehend zu speichern bzw. für die ATP-Synthese nutzbar zu machen. Die Reaktion ist formal nichts anderes als die "Knallgasreaktion" http://www.chemie.de/lexikon/Knallgas.html . Würde man die so in Zellen ablaufen lassen, würde es die Zellen in Stücke reißen, die Zelle bzw. ihr Organell, das Mitochondrium, hat die Reaktion, sehr trickreich, in Teilprozesse zerlegt (über die Elektronentransportkette), so dass die Knallgasreaktion "gegängelt", unter physiologischen Bedingungen, zur ATP-Erzeugung doch ablaufen kann, wenn man so will, ein Meisterwerk.
Edit: die "2e-" müsste man aus der Gleichung entfernen, da sie bereits in NADH + H+ enthalten sind, also: NADH + H+ + ½ O2 → H2O + NAD
Vielen Dank für diese ausführliche Antwort, ich denke ich hab´s jetzt besser verstanden
Eine Frage hätte ich noch: Wenn NADH und FADH2 Haben sie bereits die Elektronen aufgenommen und wenn sie diese abgegeben haben, werden sie zu NAD und FADH, oder? Wie passt NADH+ H+ in diese Gleichung?