Elektronentransportkette Definition

Die Elektronentransportkette ist ein Cluster von Proteinen, die Elektronen durch eine Membran in Mitochondrien übertragen, um einen Gradienten von Protonen zu bilden, der die Bildung von Adenosintriphosphat (ATP) antreibt. ATP wird von der Zelle als Energie für Stoffwechselprozesse für zelluläre Funktionen genutzt.

Wo findet die Elektronentransportkette statt?

Während des Prozesses entsteht ein Protonengradient, wenn die Protonen aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum der Zelle gepumpt werden, was auch dazu beiträgt, die ATP-Produktion voranzutreiben. Oft wird die Verwendung eines Protonengradienten als chemiosmotischer Mechanismus bezeichnet, der die ATP-Synthese antreibt, da er auf einer höheren Konzentration von Protonen beruht, um eine „Protonenantriebskraft“ zu erzeugen. Die Menge an erzeugtem ATP ist direkt proportional zur Anzahl der Protonen, die über die innere Mitochondrienmembran gepumpt werden.

Die Elektronentransportkette beinhaltet eine Reihe von Redoxreaktionen, die auf Proteinkomplexen beruhen, um Elektronen von einem Donormolekül zu einem Akzeptormolekül zu übertragen. Als Ergebnis dieser Reaktionen wird der Protonengradient erzeugt, wodurch mechanische Arbeit in chemische Energie umgewandelt werden kann, was die ATP-Synthese ermöglicht. Die Komplexe sind in die innere Mitochondrienmembran eingebettet, die in Eukaryoten als Cristae bezeichnet wird. Eingeschlossen von der inneren Mitochondrienmembran ist die Matrix, in der sich notwendige Enzyme wie Pyruvatdehydrogenase und Pyruvatcarboxylase befinden. Der Prozess kann auch in photosynthetischen Eukaryoten in der Thylakoidmembran von Chloroplasten und in Prokaryoten gefunden werden, jedoch mit Modifikationen.

Nebenprodukte aus anderen Kreisläufen und Prozessen, wie dem Zitronensäurezyklus, der Aminosäureoxidation und der Fettsäureoxidation, werden in der Elektronentransportkette verwendet. Wie in der gesamten Redoxreaktion zu sehen ist,

2 H+ + 2 e+ + ½ O2 → H2O + Energie

Energie wird in einer exothermen Reaktion freigesetzt, wenn Elektronen durch die Komplexe geleitet werden; Es entstehen drei ATP-Moleküle. Phosphat, das sich in der Matrix befindet, wird über den Protonengradienten importiert, der verwendet wird, um mehr ATP zu erzeugen. Der Prozess der Erzeugung von mehr ATP über die Phosphorylierung von ADP wird als oxidative Phosphorylierung bezeichnet, da die Energie der Sauerstoffwasserstoffanreicherung während der gesamten Elektronentransportkette verwendet wird. Das aus dieser Reaktion erzeugte ATP treibt die meisten zellulären Reaktionen an, die für das Leben notwendig sind.

Schritte der Elektronentransportkette

In der Elektronentransferkette bewegen sich Elektronen entlang einer Reihe von Proteinen, um eine Austreibungskraft zu erzeugen, um Wasserstoffionen oder Protonen über die Mitochondrienmembran zu bewegen. Die Elektronen beginnen ihre Reaktionen in Komplex I, weiter auf Komplex II, durchquert zu Komplex III und Cytochrom c über Coenzym Q, und dann schließlich zu Komplex IV. Die Komplexe selbst sind komplex strukturierte Proteine, die in die Phospholipidmembran eingebettet sind. Sie werden mit einem Metallion wie Eisen kombiniert, um den Protonenausstoß in den Intermembranraum sowie andere Funktionen zu unterstützen. Die Komplexe unterliegen auch Konformationsänderungen, um Öffnungen für die Transmembranbewegung von Protonen zu ermöglichen.

Diese vier Komplexe übertragen aktiv Elektronen von einem organischen Metaboliten wie Glucose. Wenn der Metabolit zerfällt, werden zwei Elektronen und ein Wasserstoffion freigesetzt und dann vom Coenzym NAD + zu NADH aufgenommen, wodurch ein Wasserstoffion in das Cytosol freigesetzt wird.

Das NADH hat jetzt zwei Elektronen, die sie an ein beweglicheres Molekül, Ubichinon (Q), im ersten Proteinkomplex (Komplex I) übergeben. Komplex I, auch bekannt als NADH-Dehydrogenase, pumpt vier Wasserstoffionen aus der Matrix in den Intermembranraum und stellt den Protonengradienten her. Im nächsten Protein, Komplex II oder Succinatdehydrogenase, einem anderen Elektronenträger und Coenzym, wird Succinat zu Fumarat oxidiert, wodurch FAD (Flavinadenindinukleotid) zu FADH2 reduziert wird. Das Transportmolekül FADH2 wird dann reoxidiert und spendet Elektronen an Q (wird zu QH2), während ein weiteres Wasserstoffion in das Cytosol freigesetzt wird. Komplex II trägt zwar nicht direkt zum Protonengradienten bei, dient aber als weitere Elektronenquelle.Komplex III oder Cytochrom-c-Reduktase ist der Ort, an dem der Q-Zyklus stattfindet. Es besteht eine Wechselwirkung zwischen Q und Cytochromen, bei denen es sich um Moleküle aus Eisen handelt, um den Elektronentransfer fortzusetzen. Während des Q-Zyklus spendet das zuvor produzierte Ubiquinol (QH2) Elektronen an ISP und Cytochrom b und wird zu Ubichinon. ISP und Cytochrom b sind Proteine, die sich in der Matrix befinden und dann das von Ubiquinol empfangene Elektron auf Cytochrom c1 übertragen. Cytochrom c1 überträgt es dann auf Cytochrom c, das die Elektronen zum letzten Komplex bewegt. (Hinweis: Im Gegensatz zu Ubichinon (Q) kann Cytochrom c jeweils nur ein Elektron tragen). Ubichinon wird dann wieder auf QH2 reduziert, wodurch der Zyklus neu gestartet wird. Dabei wird ein weiteres Wasserstoffion in das Cytosol freigesetzt, um den Protonengradienten weiter zu erzeugen.

Die Cytochrome erstrecken sich dann in Komplex IV oder Cytochrom-c-Oxidase. Elektronen werden einzeln aus Cytochrom c in den Komplex übertragen. Die Elektronen reagieren dann neben Wasserstoff und Sauerstoff in einer irreversiblen Reaktion zu Wasser. Dies ist der letzte Komplex, der vier Protonen über die Membran transloziert, um den Protonengradienten zu erzeugen, der am Ende ATP entwickelt.

Wenn sich der Protonengradient einstellt, erzeugt die F1F0-ATP-Synthase, manchmal auch als Komplex V bezeichnet, das ATP. Der Komplex besteht aus mehreren Untereinheiten, die an die in früheren Reaktionen freigesetzten Protonen binden. Wenn sich das Protein dreht, werden Protonen in die Mitochondrienmatrix zurückgebracht, so dass ADP an freies Phosphat binden kann, um ATP zu produzieren. Für jede volle Umdrehung des Proteins werden drei ATP produziert, die die Elektronentransportkette abschließen.

Quiz

1. Komplex IV, auch Cytochromoxidase genannt, führt welche Reaktion aus?
A. NADH + Q ↔ NAD+ + QH2
B. NADH ↔ NAD+ + 2H+ + 2e-
C. 2 H+ + 2 e+ + ½ O2 → H2O + Energie
D. 4 H+ + 4 e– + O2 → 2 H2O

2. Welche Komponente (n) wird / werden an den ersten Komplex in der Elektronentransportkette weitergegeben?
A. NADH + H+
B. FADH+
C. Q
D. Cytochrom c

3. Wo ist die höhere Konzentration von Protonen, während die Elektronentransportkette aktiviert ist?
A. Phospholipidschicht
B. Mitochondrienmatrix
C. Intermembranraum
D. Zellmembran