Substratdehydrierung und Energiegewinnung
in den Mitochondrien
Der weitaus grösste Teil der Energiegewinnung des Organismus erfolgt
innerhalb der Mitochondrien durch Kopplung von Wasserstoff- bzw. Elektronentransport
an die ATP-Bildung aus ADP und anorganischem Phosphat – oxidative
Phosphorylierung.
In den Mitochondrien laufen zwei miteinander gekoppelte Vorgänge ab,
nämlich die Reoxidation wasserstoffübertragender, reduierter
Coenzyme mit Sauerstoff unter Wasser-bildung und darüber hinaus die
Fixierung der bei diesem exergonen Vorgang freiwerdenden Energie in Form
von ATP.
Mitochondrialer Elektronentransport
NADH/H+ und FADH2 werden mit Sauerstoff reoxidiert
Die Sequenz von Enzymen und Ueberträgern (Carriern), die für
den Transport der Reduktionsäquivalente von NADH/H+ zum molekularen
Sauerstoff verantwortlich sind, wird als Atmungskette bezeichnet. Formal
handelt es sich hierbei um die stark exergone Reaktion von Wasserstoff
mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser, die Knallgasreaktion:
H2 + ½ O2 › H2O
DG°‘ = - 235 kJ/mol
Im Gegensatz zur Knallgasreaktion läuft die mitochondriale Wasserbildung
jedoch über ein Kaskadensystem von Redoxpartnern unerschiedlichen
Redoxpotentials, die in den Transport von Wasserstoff bzw. Elektronen zum
Sauerstoff eingeschaltet sind.
Der Hauptweg des Wasserstoff- bzw. Elektronentransports beginnt danach
mit dem NADH/H+.
Von dort werden Wasserstoff und Elektronen auf ein Flavinmononucleotid
(FMN) übertragen. Elektronen und Wasserstoff des FMN werden von Ubichinon
(Coenzym Q) übernommen.
Vom Ubichinon aus erfolgt in der Atmunskette nur noch ein Elektronentransport,
wobei Eisen eine besondere Rolle spielt. Es kommt nämlich in verschiedenen
an der Atmungskette beteiligten Cytochromen vor. In ihnen ist das Eisen
wie in der Hämgruppe des Hämoglobins im Zentrum eines Tetrapyrrol-Ringsystems
gebunden. Anders als beim Hämoglobin geht allerdings mit seiner Funktion
ein entsprechender Wertigkeitswechsel einher. Die verschiedenen Cytochrome
unterscheiden sich im wesentlichen durch die Substituenten an den Pyrrolringen
sowie die Art der Assoziation der Hämgruppe an das jeweilige Protein.
Insgesamt ist die Reoxidation von NADH/H+ (FADH2) mit Sauerstoff ein stark
exergoner Vorgang. Ordnet man die einzelnen niedermolekularen Redoxbestandteile
der Atmunskette entsprechend ihrem jeweiligen Redoxpotential, so ergeben
sich an drei Stellen Differenzen, die rein rechnerisch gross genug sind,
um die freie Energie für die Bildung eines ATP aus ADP und anorganischem
Phosphat zu liefern.
Vier mitochondriale Multienzymkomplexe transportieren Elektronen zum Sauerstoff
Die Atmungskette liegt in vier Multienzymkomplexen vor, die den Wasserstoff-
bzw. Elektronentransport katalysieren und die oben geschilderten Redoxpaare
als Coenzyme enthalten.
Komplex I
Der mit Abstand grösste Enymkomplex der Atmungskette ist die NADH:Ubichinon-Reduktase.
Dieses Enzym wird auch als Komplex I bezeichnet und katalysiert die Reaktion: NADH + H+ + Ubichinon › NAD+ + Ubichinol
Der Komplex enthält 23-30 Untereinheiten. Eine der Untereinheiten
enthält als Coenzym FMN, darüber hinaus kommen eine Reihe sog.
Eisen-Schwefel-Zentren vor. Beim Elektronentransport macht das Eisen entsprechende
Wertigkeitsänderungen durch.
Komplex II
Der zweite mitochondriale Atmunsgkomplex ist
wesentlich kleiner. Es handelt sich um die Succinat:Ubichinon-Oxidoreduktase
oder Komplex II. Das Enzym besteht aus vier Untereinheiten, von denen eine
FAD als Coenzym besitzt. Eine andere enthält drei Eisen-Schwefel-Zentren,
die dritte Untereinheit eine Hämgruppe. Aehnlich wie der Komplex I
katalysiert auch der Komplex II die Reduktion von Ubichinon, jedoch ist
in diesem Fall das Succinat das Reduktionsmittel:
Succinat + Ubichinon › Fumarat + Ubichinol Anstelle von Succinat kann auch a-Glycerophosphat oder Acyl-CoA stehen.
Komplex III
Der Komplex III ist die Ubichinol:Cytochrom c-Oxidoreduktase
und katalysiert die Reaktion: Ubichinol + 2 Cytochrom cox › Ubichinon + 2 Cytochrom cred
Aus diesem Grund wird das Enzym auch als Cytochrom c-Reduktase bezeichnet.
Der Komplex besteht aus 11 Untereinheiten. Die ersten beiden dienen der
Strukturbildung, die Untereinheiten 3 und 4 tragen ein Cytochrom, die Untereinheit
5 ein Eisen-Schwefel-Zentrum.
Komplex IV
Die Cytochrom c-Oxidase oder Komplex IV ist
ebenfalls ausserordentlich gross. Sie besteht aus 8 Untereinheiten, und
katalysiert die Reduktion von O2 zu Wasser: 2 Cytochrom cred + ½ O2 + 2 H+ › 2 Cytochrom cox + H2O
Die Untereinheit 1 enthält zwei Hämgruppen sowie ein am Elektronentransport
beteiligtes Kupferatom, die Untereinheit 2 ein weiteres Kupferatom.
Anordnung der Komplexe I-IV in der Atmungskette
Komplex I überträgt Protonen und Elektronen von NADH/H+ auf
Ubichinon. Komplex II hat eine ähnliche Funktion, nur ist in diesem
Fall das Reduktionsmittel Succinat.
Ausser durch die Komplexe I und II kann Ubichinon durch die Flavoprotein-Dehydrogenase
bzw. durch die ETF:Ubichinon-Oxidoreduktase reduziert werden. Das erstere
Enzym bezieht seine Reduktionsäquivalente aus dem Glycerophosphatcyclus,
das andere aus der Acyl-CoA Dehydrogenase.
Durch die genannten Vorgänge entstandenes Ubichinol reduziert mit
Hilfe des Komplexes III das Cytochrom c und gibt 2 Protonen ab. Die Elektronen
von Cytochrom c werden schliesslich mit Hilfe des Komplexes IV auf Sauerstoff übertragen,
der reduzierte Sauerstoff reagiert mit Protonen unter Wasserbildung.
Mitochondriale Energiekonservierung
Mitochondriale Energiekonservierung durch elektrochemische Potentialdifferenz
Mitochondrien sind dann zur Bildung von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat
imstande, wenn der Elektronenfluss vom Substrat zum Sauerstoff ungehindert
abläuft. Dieser Vorgang wird als oxidative Phosphorylierung, die
Verknüpfung von Elektronenfluss und ATP-Bildung als Kopplung von
Atmungskette und oxidativer Phosphorylierung bezeichnet. Die chemiosmotische
Hypothese besagt, dass Elektronentransport und oxidative Phosphorylierung
gekoppelt sind. Ihr Prinzip beruht auf der Tatsache, dass während
des Elektronenstransports eine Translokation von Protonen auf die Aussenseite
der inneren Mitochondrienmembran erfolgt. Die Energie für diesen
endergonen Prozess wird durch die exergone Reoxidation von wasserstoffübertragenden
Coenzymen mit Sauerstoff bereitgestellt. Eine wichtige Voraussetzung
ist, dass die innere Mitochondrienmembran für Ionen, besonders für
Protonen, nicht frei permeabel ist. Dadurch entsteht ein Ladungs- und
pH-Gradient über der inneren Mitochondrienmembran, eine sog. elekrochemische
Potentialdifferenz. Die Energiekonservierung erfolgt also primär
in Form einer energetisierten Membran.
Es konnte gezeigt werden, dass die Enzymkomplexe I und IV in der Tat Protonen
aktiv von der Matrixseite in den Intermembranraum der Mitochondrien transportieren
können, wobei die hierfür notwendige Energie den jeweiligen exergonen
Redoxreaktionen entstammen. Auch der Komplex III ist zum aktiven Protonentransport
imstande.
Im Enzymkomplex I werden 4 Protonen pro Elektronenpaar in den Intermembranraum
gepumt, nach dem Cyclus des Enzymkomplexes III ebenfalls 4 Protonen pro
Elektronenpaar und im Enzymkomplex IV wahrscheinlich 2 Protonen pro Elektronenpaar.
Mitochondriale ATP-Bildung durch F1/F0-ATPase katalysiert
Das zentrale Problem bei der Energiekonservierung in der Atmunskette besteht
in der Aufklärung des Zusammenhangs zwischen elektrochemischem Potential
und der Energiekonservierung durch Phosphorylierung von ADP zu ATP. Im
Prinzip kann dieser Vorgang als Umkehr der durch Transport-ATPasen katalysierten
Reaktionen aufgefasst werden. Eine Umkehr dieser Transportreaktionen könnte
einen über einer Membran bestehenden Ionengradienten ausnutzen, um
ATP aus ADP und Pi zu bilden.
Auf die Atmungskette übertragen bedeutet dies, dass sich in Mitochondrien
eine vektorielle, protonengetriebene ATP-Synthase finden müsste, die
in der Rückreaktion als Protonen-ATPase wirkt. Ihr Vorhandensein wurde
bewiesen. Sie wird als F1/F0-ATPase bezeichnet.
Der aus der Membran herausragende Teil des Enzymkomplexes wird bei Mitochondrien
auch als F1-Teil bezeichnet. Der in die Mitochondrienmembran integrierte
Stiel des ATP-Synthase-Komplexes wird auch als F0-Teil bezeichnet.
Es ist jedoch noch nicht mit Sicherheit bekannt, wie viele Protonen für
die Bildung eines ATP genötigt werden. Vermutlich liegt die Zahl zwischen
2 und 3.
Transportproteine der inneren Mitochondrienmembran
Die äussere Mitochondrienmembran ist wegen des Vorhandenseins porenbildender
Proteine für niedermolekulare Substanzen permeabel. Dagegen ist die
innere Mitochondrienmembran nur für Sauerstoff, Wasser, und CO2 frei
durchlässig. Sie enthält eine grosse Zahl von Transportsystemen,
damit der notwendige Stoffaustausch zwischen dem mitochondrialen Matrixraum
und den übrigen zellulären Kompartimenten stattfinden kann. So
sind bis heute 13 Anionentransportcarrier nachgewiesen worden.
• Der wichtigste Vertreter der ersten Gruppe von Transportproteinen
ist die Adenin-nucleotid-Translokase. Dieses Protein katalysiert die Austauschreaktion
der Adeninnucleotide über der inneren Mitochondrienmembran. ADP, welches
durch ATP-verbrauchende Prozesse im cytosolischen Raum entstanden ist, wird
im Austausch gegen ATP in die mitochondriale Matrix transportiert.
• Elektroneutrale, protonenkompensierte Carrier sind beispielsweise
der Phosphatcarrier. Im Symport mit einem Proton wird ein Phosphatanion in
die mitochondriale Innenmembran transportiert. Dieses Carrierprotein ist
zum Ausgleich der Phosphatbilanz bei der oxidativen Phosphorylierung essentiell.
Carrier mit ähnlichen katalytischen Eigenschaften sind für den
Transport von Pyruvat, Glutamat oder verzweigtkettigen Aminosäuren in
die Mitochondrien erforderlich.
• Elektroneutrale Austauschcarrier katalysieren den Austausch von
Dicarboxylaten zwischen dem cytoplasmatischen Raum und dem Matrixraum. Von
besonderem Interesse ist hier der Ketoglutarat/Malatcarrier. Er gehört
zum Cyclus, der für den Transport von Reduktionsäquivalenten aus
den oder in die Mitochondrien benötigt wird. Cytoplasmatische NADH/H+
wird zur Reduktion von Oxalacetat zu Malat benötigt. Ueber den Ketoglutarat
/ Malatcarrier erfolgt der Transport des Malats in den Matrixraum, wo Malat
durch die mitochondriale Malatdehydrogenase unter Bildung von NADH/H+ zu
Oxalacetat oxidiert wird. Da kein Carrier für Oxalacetat existiert,
muss der Kohlenstoffaustausch daddurch erfolgen, dass Oxalacetat mit Glutamat
zu Aspartat transaminiert wird. Wie für das Substratpaar Malat-Ketoglutarat
existiert ein Transportsystem für Glutamat-Aspartat. Ebenfalls dem Transport
von cytosolischen Reduktionsäquivalenten in die Atmunskette dient der
Glycerophosphatcyclus. Auf der cytosolischen Seite wird Dihydroxyacetonphosphat
NADH/H+-abhängig zu a-Glycerophosphat reduziert. Dieses wird durch die
in der mitochondrialen Innenmembran gelegene Glycerophosphat Oxidase oder
Flavoprotein Dehydrogenase FAD-abhängig reoxidiert, wobei schliesslich
Wasserstoff und Elektronen auf Ubichinon übertragen werden.
• Von besonderer Bedeutung für die Fettsäureoxidation ist
der Carnitincarrier.
Neben diesen Transportsystemen für Anionen enthält die Mitochondrienmembran
die Ausstattung für den aktiven Transport von mono- und divalenten
Kationen. Von besonderer Bedeutung ist der mitochondriale Calciumstoffwechsel.
Calcium ist ein wichtiger Aktivator der mitochondrialen Pyruvatdehydrogenase,
der NAD+-abhängigen Isocitratdehydrogenase sowie der a-Ketoglutaratdehydrogenase.
Regulation von Atmungskette und oxidativer Phosphorylierung
Spezifische Hemmstoffe für die einzelnen Enzymkomplexe
Die Hemmstoffe werden entsprechend ihrem Wirkungsort in Hemmstoffe der
Atmungskette, Hemmstoffe der oxidativen Phosphorylierung und Entkoppler
der oxidativen Phosphory-lierung unterteilt.
Hemmstoffe der Atmungskette, deren Angriffsort an den Wasserstoff- und
Elektronen-transportierenden Komplexen I-IV liegen, verhindern die Substratoxidation.
Ein wichtiger Inhibitor der oxidativen Phosphorylierung ist das Antibiotikum
Oligomycin, das ein spezifischer Inhibitor der F1/F0-ATPase ist.
Im Gegensatz zum Oligomycin besteht die Wirkung von Entkopplern darin,
die Oxidationsvorgänge innerhalb der Atmungskette von Phosphorylierungsvorgängen
abzutrennen. Als Resultat entwickelt sich eine unkontrollierte Atmung,
bei der das Angebot an ADP oder anorganischem Phosphat nicht länger
die Atmungsgeschwindigkeit bestimmt. Entkoppler sind generell lipophile
organische Verbindungen, die leicht protoniert bzw. deprotoniert werden
können. Dies führt zu einem Zusammenbruch des über der inneren
Mitochondrienmembran aufgebauten elektrochemischen Potentials und damit
trotz funktionierendem Elektronentransport zum Stop der ATP-Bildung durch
oxidative Phosphorylierung.
Ein Hemmstoff der oxidativen Phoshorylierung ist Atractylosid, das den
Transport von Adeninnucleotiden durch die innere mitochondriale Membran
hemmt. Es blockiert die ATP/ADP-Translokase und verhindert die Ausschleusung
des intramitochondrial erzeugten ATP in das Cytosol als wesentlichen Ort
des ATP-Verbrauchs. Da gleichzeitig auch die Einschleusung von ADP in das
Mitochondrium blockiert ist, kommt die oxidative Phosphorylierung aus Mangel
an phosphorylierbarem Substrat zum Erliegen.
ADP-Angebot reguliert Atmungsgeschwindigkeit
Es wurde beobachtet, dass isolierte Mitochondrien nur dann Substrat oxidieren
und Sauerstoff verbrauchen, wenn ihnen ADP und anorganisches Phosphat
angeboten wird. Diese strikte Kopplung von Substratoxidation und ATP-Bildung
wird auch als Atmungskontrolle bezeichnet.
Status der Atmungskette
|
Im Ueberschuss vorhanden |
Begrenzung der Atmungs-geschwindigkeit
durch |
| Status 1 |
O2 |
ADP und Substrat |
| Status 2 |
O2, ADP |
Substrat |
| Status 3 |
O2,ADP, Substrat |
Maximalgeschwindigkeit der Enzyme der
Atmungskette |
| Status 4 |
O2, Substrat |
ADP |
| Status 5 |
ADP, Substrat |
O2 |
Bis heute noch nicht endgültig beantwortet ist die Frage nach der
quantitativen Beziehung der durch den Substratstoffverbrauch von Mitochondrien
gemessenen Substratoxidation und der ATP-Bildung. Um diese Beziehung zu
definieren, wurde der Begriff des P/O-Quotienten geprägt, der das
Verhältnis von Sauerstoffverbrauch zum Phosphateinbau in ATP angibt.
Energie des Protonengradienten:
Anpassung der ATP-Synthese an zelluläre Bedürfnisse
Für isolierte Mitochondrien ist die Verfügbarkeit von ADP als
Phosphatakzeptor die einzige Grösse, die die Geschwindigkeit der Substratoxidation
kontrolliert. In der intakten Zelle liegen die Verhältnisse insofern
wesentlich komplizierter, als eine grosse Zahl energieverbrauchender Stoffwechselprozesse
zwar ADP und anorganisches Phosphat liefert, auf der anderen Seite aber
auch die Lieferung von oxidierbarem Substrat und möglicherweise Sauerstoff
einer komplexen Regulation unterliegt und damit geschwindigkeitsbestimmend
werden kann.
Mitochondriale Thermogenese
Thermogenese durch die Mitochondrien des braunen Fettgewebes
Hypothalamische Signale führen zu einer Stimulierung der Aktivität
des sympatischen Nervensystems, was zu einer gesteigerten Freisetzung von
Katecholaminen an den Nervenendigungen führt. Ueber b-Rezeptoren kommt
es zum Anstieg der cyclo-AMP-Konzentration im braunen Fettgewebe und zur
gesteigerten Lipolyse. Die dabei freigesetzten Fettsäuren werden in
der mitochondrialen Matrix oxidiert und das dabei entstehende NADH/H+ und
FADH2 über die Atmungskette oxidiert. Gleichzeitig führt die
hohe cAMP-Konzentration zur gesteigerten Transkription einiger für
die Thermogenese wichtiger Proteine. Eines von ihnen ist die Lipoproteinlipase,
die die Aufnahme extrazellulärer Lipide durch braune Adipozyten ermöglicht.
Das zweite ist das Protein Thermogenin, das in die innere Mitochondrienmembran
intergriert wird und dort eine Entkopplung der Atmungskette mit einer Verminderung
der Energiekonservierung als ATP und einer Steigerung der Wärmeabgabe
auslöst. Da das braune Fettgewebe ungewöhnlich gut durchblutet
ist, kann die produzierte Wärme leicht abgeführt werden und dient
dann der Aufrechterhaltung der Körpertemperatur.
Entkopplungsprotein des braunen Fettgewebes
Die Funktion des Thermogenins besteht in der physioloschen Entkopplung
der oxidativen Phosphorylierung. Der durch Thermogenin gebildete Kanal
in der inneren Mitochondrien-membran konkurriert mit der F1/F0-ATPase
um Protonen.
An der Redoxreaktion beteiligte Enzyme
Die Oxidoreduktasen können nach ihrem Reaktionsmechanismus in 5 Gruppen
eingeteilt werden:
• Anaerobe Dehydrogenasen katalysieren die Oxidation einer Vielzahl
von im Stoffwechsel auftretenden Substraten sowie Elektronentransportvorgänge.
Als Coenzyme kommen NAD+ bzw. NADP+ aber auch Flavinnucleotide infrage. Eine
eigene Gruppe der anaeroben Dehydrogenasen sind die eisenhaltigen Hämproteine,
die als Cytochrome in den Elektronentransport eingeschaltet sind.
• Aerobe Dehydrogenasen sind demgegenüber weniger zahlreich.
Auch bei ihnen dienen Flavinnucleotide als Oxidationsmittel, jedoch erfolgt
eine Elektronenübertragung auf Sauerstoff, so dass cytotoxisches H2O2
als Endprodukt ensteht.
Für die Entgiftung von H2O2 sind Hydroperoxidasen verantwortlich.
Sie benötigen ein reduziertes Substrat, das Wasserstoff und Elektronen
für die Bildung von Wasser aus H2O2 bereitstellt. Im Fall der Katalase
ist dies H2O2 selber.
Substrat red + H2O2 › Substrat ox +
2 H2O (Peroxidase)
H2O2 + H2O2 › O2 + 2 H2O (Katalase)
• Sauerstoffverbrauchende Enzyme sind Oxidasen und Oxygenasen.
Oxidasen katalysieren die Wasserbildung aus atomarem Sauerstoff mit Hilfe
von Substratwasserstoff und Substratelektronen. Das wichtigste Beispiel
für eine Oxidase ist die Cytochromoxidase.
Bei den Oxygenasen unterscheiden wird die Dioxygenasen und die Monooxygenasen.
Bei den Dioxygenasen werden beide Sauerstoffatome eines Sauerstoffmoleküls
in das Substrat eingebaut. Dioxygenasen finden sich vor allen Dingen im
Bereich des Aminosäurestoffwechsels (Tryptophandioxygenase).
Die Monooxygenasen oder mischfunktionellen Hydroxylasen zeichnen sich dadurch
aus, dass ein Sauerstoffatom von molekularem Sauerstoff eingebaut wird,
das zweite Atom dagegen der Wasserbildung dient.
Oxidativer Stress Die Fähigkeit, den durch Photosynthese entstandenen Sauerstoff zur
vollständigen und damit maximal effektiven Oxidation von Nahrungsstoffen
zu verwenden, hat die Möglichkeit biologischer Energieversorgung wesentlich
verbessert und stellt ohne Zweifel eine der wichtigsten Voraussetzungen
für die Entstehung höherer Lebensformen dar. Allerdings birgt
der Umgang mit Sauerstoff auch beträchtliche Gefahren. Sauerstoff
selbst und vor allem seine besonders reaktionsfähigen Radikale sind
imstande, nahezu alle in lebenden Strukturen vorkommenden Verbindungen
oxidativ zu verändern und damit funktionell schwer zu beeinträchtigen.
Um dieser Gefährdung entgegenzuwirken, benutzen alle aerob lebenden
Zellen die verschiedensten enzymatischen und nichtenzymtischen Schutzmechanismen
(z.B. Glutathion in Erythrozyten). |
Atmungskette