11 MZB I - Jelezarow 2

Der Cofaktor Liponsäureamid von Enzym 2 oxidiert sodann Hydroxyethyl-TDP zum Acetylliponamid. Das Oxidationsprodukt bleibt als Thioester kovalent an das Liponamid gebunden. Man beachte, dass noch kein Reduktionsäquivalent, also kein NADred, frei wird.

Enzym 2 überträgt die Acetylgruppe vom Liponamid auf Coenzym A. Die Bildung von Acetyl-CoA aus Acetat und CoA ist stark endergonisch, weil ein energiereicher Thioester gebildet wird. Da aber die Acetylgruppe als Thioester des Liponamids am Enzym gebunden ist, bleibt auch die Energie aus der vorangegangenen Oxidation partiell erhalten und kann für die Bildung von Acetyl-CoA wieder benutzt werden. Die Oxidation und die Bildung des Thioesters sind gekoppelt!

Rückoxidation von Dihydroliponamid zum Liponamid liefert NADred als Gewinn. Die Reaktion wird durch Enzym 3 katalysiert. FADox und FADred bleiben enzymgebunden, nur NADred erscheint als Produkt. Die Elektronen werden zuerst auf eine reaktive Disulfidgruppe übertragen. Die Oxidation des Dihydroliponamids entspricht einer Disulfidaustauschreaktion

Avcetyl-CoA + 3 NADox + FADox + GDP + Pa + 2 H2O --> 2 CO2 + 3 NADred + 3 H+ + FADred + GTP + CoA

Aus Acetyl-CoA und Oxalacetat entsteht Citrat, das dem Zyklus den Namen gegeben hat

Die Reaktion ist eine Aldolkondensation, die von der Citrat-Synthase (2.3.3.1) katalysiert wird

Die Reaktion ist wegen der Hydrolyse des energiereichen Thioesters stark exergonisch (∆G'° = - 31.4 kJ mol1). Oxalactetat bindet zuerst an das Enzym und ermöglicht die Bindung von Acetyl-CoA. Durch die geordnete Bindungsreihenfolge und das Schliessen der aktiven Stelle wird die unnütze Hydrolyse von Acetyl-CoA verhindert.

Citrat isomerisiert zu Isocitrat, welches leichter oxidiert und decarboxyliert werden kann als Citrat

Die Isomerisierung dient zur Vorbereitung der ersten oxidativen Decarboxylierung weil die Struktur R–CO–COOH (α-Ketocarbonsäure) besonders leicht decarboxyliert werden kann. Cis-Aconitat ist Zwischenprodukt der Isomerisierung und entsteht durch Wasserabspaltung aus Citrat. Stereospezifische Wasseranlagerung führt zu Isocitrat.

isomerisierende Enzym ist Aconitat-Hydratase (Trivialnamen Aconitase, 4.2.1.3).

Im nächsten Schritt folgt die Oxidation von Isocitrat zum Zwischenprodukt Oxalsuccinat. Diese α-Ketocarbonsäure decarboxyliert leicht zu α-Ketoglutarat

Beide Reaktionen werden durch die Isocitrat-Dehydrogenase (1.1.1.41) katalysiert

-> Das erste von vier Oxidationsäquivalenten entsteht (NADred) und das erste CO2 wird eliminiert

oxidativen Decarboxylierung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA

Die 4. Reaktion des Citratzyklus verläuft analog zur oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA. Die freie Energie der Reaktion wird benutzt, um einen energiereichen Thioester mit Coenzym A zu bilden

α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex (EC 1.2.4.2, 1.8.1.4, 2.3.1.61)

->das zweite NADred und das zweite CO2 werden gebildet 

Succinyl-CoA zu Succinat

Im Succinyl-CoA steckt Energie, die zur ATP-Synthese genutzt werden kann. ∆G°' für die Hydrolyse von Succinyl-CoA beträgt -33.5 kJ mol-1, genug um die Reaktion ADP + Pa → ATP (∆G°' = +30.5 kJ mol-1) in einer gekoppelten Reaktion anzutreiben

SuccinylCoA-Synthetase (EC 6.2.1.41)

Die Reaktion wird durch ein His an der aktiven Stelle der Succinyl-CoA-Synthetase ermöglicht.

Succinat-Dehydrogenase (EC 1.3.5.1) 

Der Cofaktor FAD ist kovalent an das Enzym gebunden. Deshalb wird das Reduktionsäquivalent FADred nicht freigesetzt, sondern bleibt am Enzym gebunden. Trotzdem werden in diesem FADred gespeicherten Elektronen zur Produktion von Energie (ATP) genutzt, denn die Succinat-Dehydrogenase ist ein integrales Membranprotein der inneren Mitochondrienmembran, wo die Elektronentransportkette integriert ist und die oxidative Phosphorylierung stattfindet

addiert Wasser an die Doppelbindung von Fumarsäure. Die Addition ist stereospezifisch; es entsteht nur L-Malat

Fumarat-Hydratase (Fumarase, EC 4.2.1.2) 

In der letzten Reaktion wird Malat durch die MalatDehydrogenase (EC 1.1.1.37) zu Oxalacetat oxidiert, wobei nochmals NADred gewonnen wird.

Die unterschiedlichen Farben illustrieren, dass die in der ersten Umdrehung des Zyklus als CO2 abgespaltenen C-Atomen aus Oxalacetat und nicht aus Acetyl-CoA abstammen

"Auffüllen" von zwischenmetaboliten des Citratzyklus
-> Der Citratzyklus ist nicht nur der gemeinsame, abschliessende Oxidationsweg für alle Nahrungsstoffe, sondern liefert auch Vorstufen für verschiedene Biosynthesen. Daher ist der Citratzyklus in aeroben Organismen ein amphiboler Stoffwechselweg

Wichtigste Beispiele:
- Carboxylierung von Pyruvat zu Oxalacetat durch die Pyruvat-Carboxylase
- Durch das Malatenzym getriebene Anaplerose im Citratzyklus

Kontrollstellen sind diejenigen Reaktionen, deren Gleichgewicht stark auf der Produktseite liegt
-> Oxidationsreaktionen von Isocitrat zu α-Ketoglutarat und von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA

Wichtigster Kontrollpunkt:
irreversible Eintritt in den Citratzyklus, bei dem AcetylCoA aus Pyruvat entsteht

Citrat wirkt als Rückkopplungshemmstoff auf die Glykolyse, denn ein hohes Angebot an Citrat hemmt die Phosphofructokinase

Der Pyruvat-Dehydrogenasekomplex (siehe Abschnitt 6.2) ist das Schrittmacherenzym für den Citratzyklus. Der Enzymkomplex entscheidet über das Schicksal von Pyruvat, weil die Reaktion Pyruvat → Acetyl-CoA irreversibel ist

die verschiedenen, aktivierenden und hemmenden Effekte auf den Pyruvat-Dehydrogenasekomplex. Unmittelbar wird der Enzymkomplex durch die Phosphorylierung einiger Serin-Reste im Enzym 1 (auf der Oberfläche des Komplexes) inaktiviert. Die Phosphorylierung wird durch allosterische Hemmung resp. Aktivierung von phosphorylierenden Kinasen beeinflusst. Wird die Kinase aktiviert, so entsteht mehr inaktiver Dehydrogenasekomplex und damit weniger Acetyl-CoA: der Citratzyklus wird langsamer. Dieser Effekt tritt ein, wenn die Verhältnisse NADred/NADox und ATP/ADP hoch sind, also bei einer hohen Energieladung. Umgekehrt hemmen viel CoA und eine niedrige Energieladung die Kinase, was die Phosphorylierung hemmt, so dass der Citratzyklus beschleunigt abläuft. Der phosphorylierte Komplex wird durch Phosphatasen dephosphoryliert und reaktiviert. Die Phosphatasen ihrerseits werden durch verschiedene Hormone (z.B. Insulin) aktiviert. Die Hormonwirkung erfolgt über Ca2+ als zweiten Messenger.
-> Sehr wichtig ist die Kontrolle durch Phosphorylierung (Inaktivierung) und Dephosphorylierung (Aktivierung). 

ein System von gekoppelten Elektronenüberträger in der inneren Mitochondrienmembran:
- NADred und FADred werden durch Übertragung der Elektronen auf andere Verbindungen rückoxidiert und stehen für erneute Elektronenaufnahme zur Verfügung.
- Mehr als zehn Redoxzentren, die in vier Enzymkomplexen integriert sind, treten in nacheinander folgenden Redoxreaktionen ein, sodass die Elektronen letztlich auf Sauerstoff übertragen werden; es entsteht H2O.
- Bei der Elektronenübertragung werden Protonen aus der mitochondrialen Matrix in den mitochondrialen Zwischenmembranraum transportiert. Über die mitochondriale Innenmembran entsteht ein Protonengradient. In diesem elektrochemischen Gradienten ist freie Enthalpie konserviert, die die Treibkraft für die Synthese von ATP aus ADP und Pa durch die oxidative Phosphorylierung ist

Bild: Die freie Enthalpie aus der Oxidation von NADred wird von den Komplexen I, III und IV der Elektronentransportkette genutzt, um H+ aus der Matrix in den Zwischenmembranraum zu exportieren; es entsteht ein pH-Gradient und ein Potenzialgradient (ΔΨ; elektrochemisches Gradient) über der inneren Mitochondrienmembran. Protonen kehren entlang des Konzentrationsgradienten in die Matrix zurück und treiben dabei die Synthese von ATP aus ADP und Pi an (roter Pfeil).

Mitochondrien sind meistens ellipsenförmige Zellorganellen und haben Ausdehnungen von 0.5 × 1 µm.

Typische eukaryotische Zellen enthalten 1000-2000 Mitochondrien, die bis zu 40 % des cytoplasmatischen Volumens einnehmen können

Mitochondrien sind Zellorganellen mit zwei Membranen. Die äussere Membran markiert die Grenze zum Cytosol. Sie ist für Stoffe mit einem Molekulargewicht bis zu ca. 5'000 D durchlässig. Dafür verantwortlich ist das Mitochondrienprotein Porin.
Die innere Membran ist nur für sehr kleine ungeladene Moleküle wie CO2, O2 und H2O durchlässig.

Der Transport von ADP und ATP wird durch den ADP/ATP-Translokator (AdeninnukleotidTranslokase) gewährleistet. Das Protein ist ein membranständiges Dimer und hat nur eine Bindungsstelle, die sowohl ADP wie auch ATP binden kann. Das Protein nimmt zwei Konformationen ein: In der einen zeigt die Bindungsstelle zur Matrix, in der anderen nach aussen, zum Intermembranraum. Der elektrogene Antiport (ATP nach aussen, ADP in die Matrix) wird von dem Ladungsunterschied angetrieben: Das Ersetzen von ATP (Nettoladung -4) mit ADP (Nettoladung -3) in der Matrix bedeutet „Nettoabfluss“ einer negativen Ladung

Bei pH 7 liegt Phosphat als HPO4^2- und H2PO4 ^- vor. Die Phosphat-Translokase (Phosphat-Carrier) importiert H2PO4- in
die Matrix. Es gibt allerdings keinen Fluss von Ladungen, weil ein H+ symportiert wird

Die Elektronen des cytoplasmatischen NADH gelangen durch Shuttlesysteme in die Mitochondrien
-> durch zwei ausgeklügelte Mechanismen; die sogenannten Shuttles:
  ->Der Glycerin-3-Phosphat-Shuttle liefert für 1 NADred aus dem Cytosol 1 FADred im Mitochondrium
  ->Der Malat-Aspartat-Shuttle liefert für 1 NADred aus dem Cytosol 1 NADred im Mitochondrium 
  =>Je nachdem, ob das NADred über den einen oder den anderen Weg ins Mitochdonrium gelangt, entstehen für jedes NADred aus dem Cytosol unterschiedliche Mengen ATP in der oxidativen Phosphorylierung. (Mehr Energie wird aus dem durch den Malat-Aspartat-Shuttle importierte NADred)

∆G'° = +30.5 kJ mol-1

1 mol NADred -> etwa 2.5 mol ATP
1 mol FADred -> etwa 1.5 mol ATP

Sie sind neben NAD die wichtigsten Elektronen-Carrier

Flavinadenindinukleotid (FAD) und Flavinmononukleotid (FMN) sind immer an einem Protein gebunden. Sie übertragen 2 Elektronen.

Ulbicinone übertragen (wie Flavine) 2 Elektronen

Die Ubichinone werden nach Anzahl der Isopren-Einheiten (n) in dieser Seitenkette als Ubichinon-1, Ubichinon-2, usw. klassifiziert (abgekürzt Q-1, Q-2, usw.)

Die Chinone kommen sowohl proteingebunden als auch frei vor. In der freien Form sind diese hydrophoben Moleküle in der Lipiddoppelschicht der inneren Mitochondrienmembran frei beweglich.
existieren in einem Gleichgewicht zwischen dem vollständig reduzierten Zustand, vollständig oxidiertem Zustand und einer Zwischenform, in der sie nur ein Elektron tragen

Eisen-Schwefel-Cluster enthalten in der Regel 2 Fe und 2 S Atome (links) oder 4 Fe und 4 S Atome (rechts). Die Fe-Atome sind meistens durch weitere S-Atome von Cysteinseitenketten, gelegentlich auch durch die Imidazolseitenkette von Histidin ligandiert. Die Elektronenübertragung erfolgt über die Fe-Atome. Das Elektronensystem ist delokalisiert. Fe-S Cluster übertragen ein Elektron (2+ <-> 3+)

-> prosthetische Gruppen von Cytochromen

Verbindungen, in welchen vier unterschiedlich substituierten Pyrrolringe über Methinbrücken (-CH=) verbunden sind und in der Mitte über ihre 4 Stickstoffatome ein Eisenion koordinieren.

unterscheidet man Hämklassen bzw. Cytochromklassen a, b und c. Zusätzlich werden die Cytochrome in Subklassen unterteilt, deren Definition von den unterschiedlichen spektroskopischer Eigenschaften herrührt (Die Subklassen der Cytochrome werden mit Zahlen angegeben, z.B. Cytochrom b560. Diese Zahlen beziehen sich auf die Wellenlänge, bei der sich das Maximum der α-Bande im UV Spektrum des reduzierten Cytochrom (Fe2+) befindet)

Cytochrome sind Ein-Elektron-Überträger (Fe2+↔ Fe3+)

Die Komplexe I, III und IV vermitteln den Elektronentransfer von NADred auf O2. Komplex II vermittelt den Quereinstieg der Elektronen von FADred. Komplex II ist identisch mit der Succinat-Dehydrogenase des Citratzyklus, die ein Elektronenpaar aus der Reaktion Succinat → Fumarat (Citratzyklus) übernimmt

Elektronentransport Komplex I → Komplex III → Komplex IV.  
Elektronentransport Komplex II → Komplex III → Komplex IV.

Komplex I ist ein riesiger Membrankomplex (ca. 850 kD). Die genaue 3D-Strukur ist nicht bekannt. Ein Molekülteil ragt in die Matrix hinein. Das restliche Molekül liegt in der Lipiddoppelschicht 

Die Elektronen treten vom NADred aus der Matrix über den Matrixteil des Enzyms ein und gelangen auf ein FMNox, das zu FMNred reduziert wird. Danach sind mehrere FeS-Cluster an der Elektronenübertragung beteiligt; schliesslich wird ein CoQ zu CoQH2 reduziert
-> Die aus dem Elektronentransfer von NADred auf Ubichinon gewonnene Energie „pumpt“ 4 H+ aus der Matrix in den Zwischenmembranraum

NADred + H+ + CoQ + 4H+ (Matrix) --> NADox + CoQH2 + 4H+ (Zwischenmembranraum);  ∆G°' ca. -70 kJ mol-1

CoQH2 verlässt den Komplex I und diffundiert durch die Lipiddoppelschicht zum Komplex III

Zusammenfassend=(Die von NADred stammenden Elektronen werden über FMN und 6-9 [Fe-S]-Cluster auf CoQ übertragen. Die freie Enthalpie der Redoxreaktionen wird für das „Pumpen“ von 4 H+ pro Elektronenpaar aus der Matrix in den Zwischenmembranraum genutzt)

Komplex I und Komplex IV sind „Protonen-Pumpen“ 
Komplex II verlagert keine Protonen (ΔG zu klein)
Im Komplex III werden Protonen zwar auch in den Zwischenmembranraum gefördert, allerdings nach einem anderen Mechanismus

Der genaue Mechanismus der Protonentranslokation in den Komplexen I und IV ist noch nicht in molekularen Einzelheiten bekannt; Verläuft aber vermutlich ungefähr wie folgt:
Im oxidierten Zustand binden Protonen auf der Matrixseite der Membran an AS-Seitenketten (vermutlich Glu) (Abb. 4-15). Reduktion bewirkt eine Konformationsänderung, die protonierte Gruppen auf der cytosolischen Seite der Membran zugänglich macht und gleichzeitig ihren pKa-Wert senkt (Minderung der Affinität für H+). Dadurch dissoziieren die Protonen in den Intermembranraum. Die Reoxidation stellt die ursprüngliche Konformation her, sodass Protonen erneut auf der Matrixseite gebunden werden.

die Succinat-Dehydrogenase entspricht funktionell dem Komplex II 
-> Ausser dem Protein mit dieser enzymatischen Aktivität (Succinat-Dehydrogenase) sind drei weitere kleine Untereinheiten im Komplex II enthalten

FADH2 + Q --> QH2 + FAD   ∆G'° ~ klein

-> Elektronen mit relativ hohen Redoxpotential können über Komplex II die Elektronentransportkette eintreten, unabhängig vom Komplex I, z. B. aus der -Oxidation von Fettsäuren

Komplex III (auch als Cytochrom bc1-Komplex oder Cytochrom c-Reduktase bekannt) vermittelt den Elektronentransfer zwischen reduziertem Ubichinon und oxidiertem Cytochrom c. Im Endeffekt werden zwei Elektronen aus QH2 auf je ein Cytochrom c übertragen:

QH2 + 2 Cyt c(Fe3+) + 2 H+ (Matrix) --> Q + 2 Cyt c(Fe2+) + 4 H+ (Zwischenmebranraum)    ∆G'° ca. -37 kJ mol-1

Komplex III besteht aus 2 identischen Monomeren mit jeweils 11 Untereinheiten und enthält 2 Cytochrome vom b-Typ, ein Cytochrom vom c-Typ, ein Rieske-Zentrum sowie zwei Bindestellen für Ubichinon (CoQ)

Beim Komplex III wechselt der Elektronentransfer von der 2e--Übertragung auf 1e-Übertragung, weil das bewegliche Cytochrom c nur ein Elektron aufnehmen kann. Gesamt werden vom Komplex III vier H+ aus der Matrix in den Zwischenmembranraum transferiert. Im Unterschied zu den Komplexen I und IV werden diese Protonen nicht „gepumpt“ sondern als Resultat einer gerichteten chemischen Reaktion in den Zwischenmembranraum abgegeben

Das ganze geschieht in Komplex III

Das Ubichinon wird vom Komplex I/II unter Aufnahme von zweiElektronen und zwei Protonen zu Ubihydrochinon reduziert. Das Ubihydrochinon kann nun in der Membran zu Komplex III diffundieren um seine beiden aufgenommenen Elektronen weiterzugeben. Ubihydrochinon bindet hierzu an die als Qobezeichnete Bindestelle im Komplex III, die dem Zwischenraum zwischen innerer und äußerer Membran zugewandt ist (IM). Als Elektronenakzeptor in der Membran dient Cytochrom c, vermittelt durch das ein Eisen-Schwefel-Zentrum enthaltende Rieske-Proteinund Cytochrom c1, die Bestandteile von Komplex III sind.

Cytochrom c kann allerdings nur ein Elektron aufnehmen, daher wird zunächst QH2 nur zum freien Radikal Ubisemichinon (QH•) oxidiert. Dieses ist aber instabil und gibt das zweite Elektron sofort über die Proteine Cytochrom bL und Cytochrom bH des Komplexes an ein weiteres Ubichinon ab, das an der inneren, matrixseitigen (M) Bindestelle Qi gebunden ist. Dieses wird zum RadikalUbisemichinon (QH•) reduziert. Das an der Qo-Stelle entstandene Ubihydrochinon gibt nun seine Protonen an den Intermembranraum ab und liegt wieder in seiner oxidierten Form vor. Es diffundiert von der Qo-Stelle ab und geht in den Ubichinonpool ein. [2]

In einem zweiten Schritt bindet nun ein weiteres Ubihydrochinon an die Qo-Stelle und wird analog zu Ubichinon oxidiert, wobei wieder ein Elektron an Cytochrom c weitergegeben wird und zwei Protonen in den Intermembranraum transferiert werden. Das Ubisemichinon an der Qi-Stelle wird hierbei unter Bindung zweier Protonen aus der Matrix zu Hydrochinon reduziert, wird durch oxidiertes Chinon ersetzt und kann nun selbst an die Qo-Stelle binden.[2]

Bei diesem zyklischen Prozess werden also in der Summe zwei Elektronen zwischen Ubihydrochinon und Cytochrom c weitergegeben und dabei zwei Protonen aus der Matrix entnommen und vier Protonen in den Intermembranraum abgegeben. Dadurch wird ein chemiosmotisches Membranpotenzial zwischen der Matrix und dem Intermembranraum im Mitochondrium aufgebaut.[2]

Cytochrom c ist ein bewegliches, kleines Elektronentransportprotein mit einer alten Evolutionsgeschichte.

Cytochrom c vermittelt den Elektronetransfer zwischen Komplex III und Komplex IV. Die komplementären basischen (blau) und sauren (rot) Oberflächenbereiche auf Cytochrom c bzw. auf den beiden Komplexen passen zusammen und ermöglichen die spezifische Elektronenübertragung von Cytochrom c1 im Komplex III auf Cytochrom c, und von Cytochrom c auf das CuA-Dimer im Komplex IV. 

4 Cyt c(Fe2+) + 8 H+ (Matrix) + O2 --> 4 Cyt c (Fe3+) + 2 H2O + 4 H+ (Zwischenmembranraum)    ∆G'° ca. -112 kJ mol-1
-> verbraucht Sauerstoff!

Komplex IV aus Säugetieren ist ein Dimer (200 kD) und besteht aus dreizehn Untereinheiten; zehn von diesen sind Transmembranproteine

Die vier Redoxzentren sind: Häm a, Häm a3, ein CuA-CuA Zentrum und ein CuB Kupferion, welches eng mit Häm a3 assoziiert ist (CuB-Häm a3-Zentrum).

Der Weg der Elektronen folgt dem ansteigenden Redoxpotential:
Cyt c(Fe2+) → CuA-CuA → Häm a → CuB-Häm a3 → O2