11 MZB I - Jelezarow 2

(Komplex V, ATP-Synthetase, F1F0-ATPase sind synonyme Bezeichnungen)

Sein F1-Teil hat eine Kugelgestalt, ragt in die Matrix hinein und ist über einen Stiel mit dem F0-Teil, der in die Membran eingebettet ist, verbunden

Der c-Ring ist fest mit den Untereinheiten γ und ε verbunden. Während der ATP-Synthese rotiert der c-Ring zusammen mit den Untereinheiten γ und ε im α3β3-Hexamer von F1. Der c-Ring rotiert auch gegenüber der a-Untereinheit, die über den Stator b2 fest mit dem α3β3-Hexamer von F1 verbunden ist. Als Resultat dreht sich der c-Ring mitsamt dem Stiel (γ und ε) im F1-Teil. Es dreht sich aber auch der c-Ring gegenüber der a-Untereinheit von F0. Die Drehung wird durch das Einströmen von H+ aus dem Zwischenmembranraum durch die a-Untereinheit von F0 angetrieben

Die ATP-Synthese findet in der β-Untereinheit des F1-Teils statt, die drei verschiedene Konformationen einnehmen kann:

T-Konformation (tight = fest): ATP, ADP und Pa sind sehr fest an die aktive Stelle der βUntereinheit gebunden. Die Gleichgewichtskonstante des Gleichgewichts ADP + Pa ↔ ATP ist etwa 1, es entsteht also spontan ATP.

L-Konformation (loose = locker): ADP und Pa sind an die aktive Stelle der β-Untereinheit gebunden aber nicht mehr so stark, dass spontan ATP entsteht.

O-Konformation (open = offen): ATP, ADP und Pa binden kaum

Die β-Untereinheiten nehmen die T-, Loder O-Konformation ein. Je nach ihrer momentanen Konformation bildet die β-Untereinheit ATP (TKonformation), bindet ADP und Pa (L-Konformation) oder lässt ATP frei (O-Konformation). Die rotierende γUntereinheit (blau) bewirkt den Konformationswechsel. Der Stator verhindert, dass sich der Ring der βUntereinheiten mitdreht 

totale Anzahl an gewonnenem Mol ATP pro Mol Glucose zu berechnen. Insgesamt 10 Mol NADred und 2 Mol FADred werden in der Glykolyse und im Citratzyklus produziert. Mit 2.5 ATP pro NADred und 1.5 ATP/FADred ergibt die Summe 10 × 2.5 + 2 × 1.5 = 28 Mol ATP. Dabei ist zu beachten, dass wenn 2 NADred über den Glycerol-3-phosphat-Shuttle in die Atmungskette eintreten, wird Komplex I umgangen (die Elektronen werden als FADred eingeschleust). In diesem Fall ist die Summe: 8 × 2.5 + 4 × 1.5 = 26 Mol ATP. Dazu muss man noch 2 ATP und 2 GTP (welches analog zu ATP ist) aus Substratkettenphosphorylierung in der Glykolyse bzw. im Citratzyklus anrechnen. Total sind es entweder 30 (Glycerin-3-phosphat-Shuttle) oder 32 Mol ATP (Malat-Aspartat-Shuttle) pro Mol vollständig zu CO2 und H2O oxidierter Glucose.

Von den Reaktionen der Atmungskette ist nur die Cytochrom c-Oxidasereaktion (Komplex IV) stark exergon
 -> Sie ist ein guter Kontrollpunkt für die Regulation der gesamten oxidativen Phosphorylierung

-> Die Geschwindigkeit der Cytochrom c Oxidase-Reaktion wird einzig über das Angebot an Substrat verändert, also über die Konzentration des reduzierten Cytochrom c
  (-> Ist das Verhältnis Cyt c (Fe2+)/Cyt c(Fe3+) gross, läuft die Cytochrom c-Oxidasereaktion schnell ab, weil ein grosses Substratangebot vorherrscht. Ist das Verhältnis klein, ist die Reaktion langsam, weil das Substratangebot klein ist)

Im Ruhezustand wird wenig ATP zu ADP + Pa hydrolysiert. Der ATP-Verbrauch ist minimal und das Verhältnis ([ADP][Pa])/[ATP] ist niedrig, weil viel ATP vorhanden ist (hohe Energieladung im Ruhezustand). Auch die Glykolyse und der Citratzyklus sind wegen des grossen Angebots an ATP und dem kleinen ATP-Verbrauch verlangsamt. 
-> dadurch wird das Verhältnis Cyt c(Fe2+)/Cyt c(Fe3+) niedrig, so dass die oxidative Phosphorylierung verlangsamt ist. Es kommt zu einem Fliessgleichgewicht auf tiefem Niveau: wenig ATP-Verbrauch, langsame NADred- und ATP-Bildung. Wird der Körper wieder aktiv, so wird mehr ATP verbraucht, das Verhältnis ([ADP][Pa])/[ATP] steigt, damit wird auch das Verhältnis Cyt c(Fe2+)/Cyt c(Fe3+) grösser: Die oxidative Phosphorylierung kommt auf Touren und produziert mehr ATP.

Nur wenn die Atmungskette und ATP-Synthese über den Protonengradienten gekoppelt sind, kann ATP entstehen. Die Kopplung erfordert, dass die Protonen ausschliesslich über die Komplexe I, III und IV hinaus und über die ATP-Synthase wieder in die Matrix hinein wandern. Können anderswo H+ durchschlüpfen, wird das System entkoppelt, die ATP-Synthese wird verlangsamt und es entsteht nur Wärme. Genau das bewirken die sogenannten EntkopplerVerbindungen

am Beispiel von Dinitrophenol: In Gegenwart von Dinitrophenol oxidiert die Atmungskette in rasantem Tempo NADred zu H2O und NADox und pumpt ständig H+ in den Zwischenmembranraum. Die H+ werden aber vom Dinitrophenol sofort durch die Lipiddoppelschicht in die Matrix zurück gebracht. Es bildet sich kein Protonengradient und damit kein ATP, wohl aber Wärme!

Höhere Organismen benutzen natürliche Entkoppler, um Wärme zu produzieren. Tiere, die einen Winterschlaf machen, der Kälte besonders angepasste Tiere, auch neugeborene Tiere und menschliche Säuglinge produzieren Wärme im braunen Fettgewebe