Die ATP-Synthase als molekulare Mühle
Die Zelle hat keine Steckdose zum Aufladen von ATP, daher wird die Energie für dessen Synthese über einen speziellen molekularen Mechanismus bereitgestellt, der sich in der inneren mitochondrialen Membran befindet. Dieser Mechanismus ist das Enzym ATP-Synthase, das nach dem Prinzip einer Windmühle arbeitet.
Die ATP-Synthase besteht aus zwei Teilen: dem membranständigen F0-Teil (ein Rotor, durch den Protonen fließen) und dem katalytischen F1-Teil (wo die Anlagerung von anorganischem Phosphat an ADP stattfindet). Der Protonenstrom durch F0 treibt den Rotor an: Jeweils drei Protonen drehen ihn um 120°, und bei jeder solchen Drehung wird an einer der Untereinheiten ein ATP-Molekül synthetisiert. Eine volle Umdrehung ergibt etwa drei ATP-Moleküle.
Protonengradient und Intermembranraum
Damit sich die ATP-Synthase dreht, muss im Intermembranraum des Mitochondriums eine hohe Konzentration von Protonen H+ und in der Matrix eine niedrige aufrechterhalten werden. Diese Differenz erzeugt einen elektrochemischen Gradienten, der als ΔμH+ bezeichnet wird und aus zwei Komponenten besteht: dem chemischen Potential (Konzentrationsunterschied) und dem elektrischen Potential (Ladungsunterschied an den Membranseiten).
Die Seiten der inneren Membran werden üblicherweise wie folgt bezeichnet:
- P-Seite (positiv) – zeigt zum Intermembranraum, ist durch einen Überschuss an Protonen positiv geladen;
- N-Seite (negativ) – zeigt zur Matrix, ist negativ geladen.
Protonen streben danach, von der P-Seite auf die N-Seite zurückzukehren, aber die Membran ist undurchlässig, und der einzige Weg führt durch den Rotor der ATP-Synthase.
Elektronenquellen: NADH und FADH2
Protonen werden durch die Energie in den Intermembranraum gepumpt, die bei der Elektronenübertragung freigesetzt wird. Als Elektronenquellen dienen reduzierte Coenzyme, die im Citratzyklus und anderen Reaktionen entstehen:
- NADH + H+ – transportiert im Wesentlichen ein Hydrid-Ion (H−) mit zwei Elektronen;
- FADH2 – dient ebenfalls als Donor von zwei Elektronen und zwei Protonen.
Elektronen werden nacheinander über Proteinkomplexe der inneren Membran weitergeleitet, wobei sie Energie verlieren, die für das Pumpen von Protonen genutzt wird.
Komplexe I und II der Atmungskette
Komplex I – NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase (NADH-Dehydrogenase). Nimmt zwei Elektronen von NADH über Flavinmononukleotid (FMN) auf und überträgt sie auf Ubichinon (Q). Durch die Aufnahme von zwei Elektronen und zwei Protonen aus der Matrix wird Ubichinon zu Ubichinol (QH2) reduziert. Dabei werden 4 Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum gepumpt.
Komplex II – Succinat-Dehydrogenase. Pumpt keine Protonen. Ihre Aufgabe ist es, den Ubichinon-Pool durch Oxidation von Succinat zu Fumarat (einer Reaktion des Citratzyklus) unter Bildung von FADH2 und anschließender Elektronenübertragung auf Ubichinon aufrechtzuerhalten. Das Häm B im Komplex verhindert das Entweichen von Elektronen auf Sauerstoff, wodurch die Bildung von Wasserstoffperoxid und reaktiven Sauerstoffspezies vermieden wird.
Komplex III und der Q-Zyklus
Komplex III – Ubichinol-Cytochrom-c-Oxidoreduktase. Nutzt die Energie der Reoxidation von Ubichinol. Besitzt zwei aktive Zentren: eines auf der P-Seite, das andere auf der N-Seite. Die Elektronen von QH2 werden aufgeteilt: Eines wandert über das Rieske-Eisen-Schwefel-Protein zum Cytochrom c, das zweite zum Häm B und von dort zurück zum Ubichinon, um dieses auf der N-Seite zu reduzieren (Q-Zyklus).
Die Spaltung kovalenter Bindungen bei der Elektronenverlagerung setzt Energie frei, dank derer der Komplex 4 Protonen in den Intermembranraum pumpt. Cytochrom c ist ein beweglicher Überträger, der Elektronen zum nächsten Komplex transportiert.
Komplex IV und Wasserbildung
Komplex IV – Cytochrom-c-Oxidase. Nimmt jeweils ein Elektron von vier Cytochrom-c-Molekülen auf. Enthält im aktiven Zentrum einen bimetallischen Cluster mit Eisen- und Kupferatomen. Die Elektronen werden nacheinander auf molekularen Sauerstoff O2 übertragen.
Die kontrollierte Sauerstoffreduktion schließt die Peroxidbildung aus: Protonen aus der Matrix lagern sich schrittweise an, und als Ergebnis entstehen zwei H2O-Moleküle. Die Energie des Prozesses wird genutzt, um 2 Protonen in den Intermembranraum zu pumpen. Auf diese Weise „gibt“ die Atmungskette Elektronen sicher an den finalen Akzeptor – Sauerstoff – ab.
Energiebilanz
Gesamtanzahl der gepumpten Protonen:
- Oxidation eines NADH-Moleküls: 4 (Komplex I) + 4 (Komplex III) + 2 (Komplex IV) = 10 Protonen;
- Oxidation eines FADH2-Moleküls: 4 (Komplex III) + 2 (Komplex IV) = 6 Protonen.
Da für die Synthese eines ATP etwa 3–4 Protonen verbraucht werden, beträgt die Ausbeute etwa 2,5 ATP pro NADH und 1,5 ATP pro FADH2 (gerundet 3 bzw. 2).
Schlüsselpunkte
- Die ATP-Synthase ist ein F0F1-Enzym, das ATP mithilfe der Energie des Protonengradienten synthetisiert.
- Der elektrochemische H+-Gradient wird durch die Komplexe I, III und IV der Atmungskette aufgebaut.
- NADH gibt Elektronen an Komplex I ab, FADH2 an Komplex II über die Succinat-Dehydrogenase.
- Ubichinon (Q) und Cytochrom c sind mobile Elektronenüberträger.
- Komplex II pumpt keine Protonen, sondern hält lediglich den Ubichinon-Pool aufrecht.
- Komplex IV reduziert O2 zu H2O und verhindert so die Peroxidbildung.
- Die Oxidation von NADH liefert ~2,5 ATP, die von FADH2 ~1,5 ATP.
- Das Entweichen von Elektronen auf Sauerstoff führt zur Bildung reaktiven Sauerstoffs und zu Zellschäden.