Elektronentransportkette (ETC), Wichtige Schritte, ATP-Erzeugung

Elektronentransportkette (ETC), Wichtige Schritte, ATP-Erzeugung

Elektronentransportkette (ETC)

  • Das bei Glykolyse , TCA-Zyklus und Fettsäureoxidation gebildete NADH und FADH 2 sind energiereiche Moleküle, da sie ein Elektronenpaar mit hohem Übertragungspotential enthalten.
  • ATP wird als Ergebnis der Energie erzeugt, die erzeugt wird, wenn Elektronen von NADH und FADH 2 durch eine Reihe von Elektronenträgern, die zusammen als Elektronentransportkette (ETC) bezeichnet werden, an molekularen Sauerstoff weitergeleitet werden.
  • Die Elektronentransportkette wird auch als Cytochromoxidase-System oder als Atmungskette bezeichnet.
  • Zu den Komponenten der Kette gehören FMN, Fe-S-Zentren, Coenzym Q und eine Reihe von Cytochromen (b, c1, c und aa3).
  • Die Energie, die aus dem Elektronentransfer durch die Elektronentransportkette stammt, wird verwendet, um Protonen über die innere Mitochondrienmembran von der Matrix zur cytosolischen Seite zu pumpen.
  • Als Ergebnis wird ein elektrochemischer Gradient erzeugt, der aus einem Protonengradienten und einem Membranpotential besteht.
  • Die durch die Bildung dieses Gradienten erzeugte Energie wird dann zur Bildung von ATP genutzt, wenn die Protonen ihren Gradienten über den ATP-Synthasekanal in die Matrix hinunterwandern.
  • Die Oxidation von 1 Mol NADH erzeugt ungefähr 2,5 Mol ATP, während die Oxidation von 1 Mol FADH 2 ungefähr 1,5 Mol ATP erzeugt.
  • Da Energie, die durch die Übertragung von Elektronen durch die Elektronentransportkette zu O 2 erzeugt wird, bei der Herstellung von ATP verwendet wird, wird der Gesamtprozess als oxidative Phosphorylierung bezeichnet.
  • Somit erfolgen der Elektronentransport und die ATP-Produktion gleichzeitig und sind eng gekoppelt.

Standort von ETC

Die Atmungskette befindet sich in der zytoplasmatischen Membran von Bakterien, bei eukaryotischen Zellen jedoch auf der Membran von Mitochondrien.

Komponenten der Elektronentransportkette

  1. Komplex I (NADH-Dehydrogenase)
  • Es enthält FMN, das 2 Elektronen und H + von 2 NADH akzeptiert, um die reduzierte Form von FMNH 2 zu werden ; enthält auch Eisenatome, die die Übertragung von e – und H + auf das Coenzym Q unterstützen.
  1. Komplex II (Succinatdehydrogenase)
  • Enthält Eisen und Succinat, das FAD zu FADH 2 oxidiert
  1. Coenzym Q.
  • Akzeptiert Elektronen von FMNH 2 (Komplex I) und FADH 2 (Komplex II) und überträgt Elektronen auf Komplex III.
  1. Komplex III (Cytochrom b)
  • Es enthält eine Hämgruppe, in der das Fe 3+ die Elektronen aus dem Coenzym Q aufnimmt, um Fe 2+ zu werden. Überträgt Elektronen auf Cytochrom c.
  1. Cytochrom c
  • Es enthält die Hämgruppe, in der das Fe 3+ die Elektronen aus dem Komplex III aufnimmt, um Fe 2+ zu werden. Überträgt Elektronen auf Komplex IV.
  1. Komplex IV (Cytochrom a)
  •  Es enthält die Hämgruppe, in der das Fe 3+ Elektronen von Cytochrom c akzeptiert, um Fe 2+ zu werden. Überträgt Elektronen auf O 2 , das mit Wasserstoff zu H 2 O kombiniert wird .
  1. Komplex V (ATP-Synthase)
  • Es enthält einen Protonenkanal, über den Protonen in die Matrix gelangen können, wobei die Protonengradientenenergie zur Bildung von ATP verwendet wird.

Wichtige Schritte in der Elektronentransportkette

  1. Übertragung von Elektronen von NADH auf Coenzym Q.
  • NADH leitet Elektronen über den NADH-Dehydrogenase-Komplex (Komplex I) an FMN weiter. Der Komplex ist auch als NADH: CoQ-Oxidoreduktase bekannt.
  • NADH wird durch die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-, Isocitrat-Dehydrogenase- und Malat-Dehydrogenase-Reaktionen des TCA-Zyklus, durch die Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion, die Pyruvat in Acetyl-CoA umwandelt, durch β-Oxidation von Fettsäuren und durch andere Oxidationsreaktionen hergestellt.
  • In der mitochondrialen Matrix produziertes NADH diffundiert in die innere mitochondriale Membran, wo es Elektronen an FMN weiterleitet, das fest an ein Protein gebunden ist.
  • FMN leitet die Elektronen durch eine Reihe von Eisen-Schwefel (Fe-S) -Komplexen zum Coenzym Q, das nacheinander Elektronen aufnimmt und dabei zuerst das Semichinon und dann Ubichinol bildet.
  • Die durch diese Elektronentransfers erzeugte Energie wird verwendet, um Protonen zur zytosolischen Seite der inneren Mitochondrienmembran zu pumpen.
  • Wenn die Protonen durch die Poren des ATP-Synthase-Komplexes in die Matrix zurückfließen, wird ATP erzeugt.
  1. Übertragung von Elektronen vom Coenzym Q auf Cytochrom c
  • Das Coenzym Q leitet Elektronen durch Fe-S-Zentren zu den Cytochromen b und c1, die die Elektronen auf Cytochrom c übertragen.
  • Der an diesen Transfers beteiligte Proteinkomplex wird als Komplex III oder als Cytochrom-b-c1-Komplex bezeichnet. Der Komplex ist auch als CoQ: C1-Oxidoreduktase bekannt.
  • Diese Cytochrome enthalten jeweils Häm als prothetische Gruppe, haben jedoch unterschiedliche Apoproteine.
  • Im Eisen (Fe3 +) -Zustand kann das Hämeisen ein Elektron aufnehmen und in den Eisen (Fe2 +) -Zustand reduziert werden.
  • Da die Cytochrome jeweils nur ein Elektron tragen können, müssen zwei Moleküle in jedem Cytochromkomplex für jedes oxidierte NADH-Molekül reduziert werden.
  • Die Energie, die durch die Übertragung von Elektronen von Coenzym Q auf Cytochrom c erzeugt wird, wird verwendet, um Protonen durch die innere Mitochondrienmembran zu pumpen.
  • Wenn die Protonen durch die Poren des ATP-Synthase-Komplexes in die Matrix zurückfließen, wird ATP erzeugt.
  • Elektronen aus FADH 2 , die durch Reaktionen wie die Oxidation von Succinat zu Fumarat erzeugt werden, treten am Komplex II, der Succinatdehydrogenase enthält, in die Elektronentransportkette ein.
  • Der Komplex II überträgt Elektronen auf das Coenzym Q, ohne dass das zugehörige Proton über die innere Mitochondrienmembran pumpt.
  1. Übertragung von Elektronen von Cytochrom c auf Sauerstoff
  • Cytochrom c überträgt Elektronen auf den Cytochrom-aa3-Komplex, der die Elektronen auf molekularen Sauerstoff überträgt und ihn zu Wasser reduziert.
  • Cytochromoxidase (Komplex IV) katalysiert diesen Elektronentransfer.
  • Die Cytochrome a und a3 enthalten jeweils ein Häm und zwei verschiedene Proteine, die jeweils Kupfer enthalten.
  • Zwei Elektronen sind erforderlich, um ein Sauerstoffatom zu reduzieren. Daher wird für jedes oxidierte NADH die Hälfte von O2 in H2O umgewandelt.
  • Die Energie, die durch die Übertragung von Elektronen von Cytochrom c auf Sauerstoff erzeugt wird, wird verwendet, um Protonen durch die innere Mitochondrienmembran zu pumpen.
  • Wenn die Protonen in die Matrix zurückfließen, wird ATP erzeugt.

ATP-Erzeugung in ETC

Die Produktion von ATP ist an den Elektronentransfer über die Elektronentransportkette zu O 2 gekoppelt . Der Gesamtprozess ist als oxidative Phosphorylierung bekannt. Protonen fließen ihren elektrochemischen Gradienten durch die membrangebundene ATP-Synthase hinunter. Der Protonenfluss durch die ATPase ermöglicht es dem Enzym, ATP zu synthetisieren.

  • Die genaue Menge an ATP, die durch diesen Prozess erzeugt wird, ist nicht klar festgelegt, aber aktuelle Überlegungen deuten darauf hin, dass für jedes Elektronenpaar, das von NADH in die Kette eintritt, 10 Protonen aus den Mitochondrien gepumpt werden. Da vier Protonen benötigt werden, um durch die ATPase zu fließen, um ein ATP zu synthetisieren, können 2,5 Mol (10 geteilt durch 4) ATP aus 1 Mol NADH erzeugt werden.
  • Für jedes Mol FADH 2 , das oxidiert wird, werden ungefähr 1,5 Mol ATP erzeugt, da die Elektronen von FADH 2 über das Coenzym Q unter Umgehung des NADH-Dehydrogenase-Schritts in die Kette gelangen (was zur Extrusion von 6 Protonen pro Elektronenpaar führt) die 10 Protonen pro Elektronenpaar).

Bedeutung der Elektronentransportkette

  • Die Elektronentransportkette ist der letzte und wichtigste Schritt der Zellatmung.
  • Während die Glykolyse und der Zitronensäurezyklus die notwendigen Vorläufer bilden, wird in der Elektronentransportkette ein Großteil des ATP erzeugt.
  • Es spielt eine wichtige Rolle sowohl bei der Photosynthese als auch bei der Zellatmung.

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