17.5: Phosphorylierungsmechanismen zur ATP-Erzeugung

Oxidative Phosphorylierung

Oxidative Phosphorylierung ist die Erzeugung von ATP unter Verwendung von Energie, die aus dem Transfer von Elektronen in einem Elektronentransportsystem stammt und durch Chemiosmose erfolgt.

Um die oxidative Phosphorylierung zu verstehen, ist es wichtig, zunächst das Wasserstoffatom und den Prozess der Oxidation und Reduktion zu betrachten. Ein Wasserstoffatom enthält nur ein Proton (H+) und ein Elektron (e-). Daher sind der Begriff Proton und der Begriff Wasserstoffion (H+) austauschbar. Denken Sie auch daran, dass Elektronen gespeicherte Energie oder potenzielle Energie haben, die bereit ist, Arbeit zu leisten, und wenn ein Atom oder Molekül dieses Elektron verliert (oxidiert wird), wird diese Energie freigesetzt und kann Zellarbeit leisten.

Oxidations-Reduktions-Reaktionen sind gekoppelte chemische Reaktionen, bei denen ein Atom oder Molekül ein oder mehrere Elektronen verliert (Oxidation ), während ein anderes Atom oder Molekül diese Elektronen gewinnt (Reduktion ). Die Verbindung, die Elektronen verliert, wird oxidiert; die Verbindung, die diese Elektronen gewinnt, wird reduziert. In kovalenten Verbindungen ist es jedoch in der Regel einfacher, ein ganzes Wasserstoffatom (H) zu verlieren – ein Proton und ein Elektron – als nur ein Elektron. Eine Oxidationsreaktion, bei der sowohl ein Proton als auch ein Elektron verloren geht, wird Dehydrierung genannt. Eine Reduktionsreaktion, bei der sowohl ein Proton als auch ein Elektron gewonnen wird, nennt man Hydrierung.

Zellen verwenden bestimmte Moleküle, um die Elektronen zu transportieren, die bei der Oxidation einer Energiequelle entfernt werden. Diese Moleküle werden als Elektronenträger bezeichnet und werden während des Elektronen- und Protonentransfers abwechselnd oxidiert und reduziert. Dazu gehören drei frei diffundierbare Coenzyme, bekannt als NAD+, FAD und NADP+. Die reduzierten Formen dieser Coenzyme (NADH, FADH2 und NADPH) haben reduzierende Kraft, weil ihre Bindungen eine Form von nutzbarer Energie enthalten.

• NAD+ , oder Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid, ist ein Coenzym, das oft in Verbindung mit einem Enzym namens Dehydrogenase arbeitet. Das Enzym entfernt zwei Wasserstoffatome (2H+ und 2e-) aus seinem Substrat. Beide Elektronen, aber nur ein Proton, werden vom NAD+ aufgenommen, um seine reduzierte Form, NADH, plus H+ zu erzeugen. NADH wird verwendet, um die Protonenmotivkraft zu erzeugen (siehe unten), die die ATP-Synthese antreiben kann.
• FAD , oder Flavin-Adenin-Dinukleotid, ist ein Coenzym, das auch mit einem Enzym namens Dehydrogenase zusammenarbeitet. Das Enzym entfernt zwei Wasserstoffatome (2H+ und 2e-) aus seinem Substrat. Beide Elektronen und beide Protonen werden vom FAD aufgenommen, um seine reduzierte Form, FADH2, zu erzeugen. FADH2 wird verwendet, um die Protonenmotivationskraft zu erzeugen (siehe unten), die die ATP-Synthese antreiben kann.
• NADP+, oder Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat, ist ein Coenzym, das die Dehydrogenase verwendet, um zwei Wasserstoffatome (2H+ und 2e-) aus seinem Substrat zu entfernen. Beide Elektronen, aber nur ein Proton, werden vom NADP+ aufgenommen, um seine reduzierte Form, NADPH, plus H+ zu erzeugen. NADPH wird nicht für die ATP-Synthese verwendet, aber seine Elektronen liefern die Energie für bestimmte Biosynthesereaktionen, wie z. B. für die Photosynthese.

Während des Prozesses der aeroben Atmung, der im nächsten Abschnitt besprochen wird, sind gekoppelte Oxidations-Reduktions-Reaktionen und Elektronenträger oft Teil einer so genannten Elektronentransportkette , einer Reihe von Elektronenträgern, die schließlich Elektronen von NADH und FADH2 auf Sauerstoff übertragen. Die diffusionsfähigen Elektronenträger NADH und FADH2 transportieren Wasserstoffatome (Protonen und Elektronen) von Substraten in exergonischen katabolen Pfaden wie der Glykolyse und dem Zitronensäurezyklus zu anderen Elektronenträgern, die in Membranen eingebettet sind. Zu diesen membranassoziierten Elektronenträgern gehören Flavoproteine, Eisen-Schwefel-Proteine, Chinone und Cytochrome. Der letzte Elektronenträger in der Elektronentransportkette überträgt die Elektronen an den terminalen Elektronenakzeptor, den Sauerstoff.

Die chemiosmotische Theorie erklärt die Funktionsweise von Elektronentransportketten. Nach dieser Theorie wird beim Transfer von Elektronen in einem Elektronentransportsystem durch eine Reihe von Oxidations-Reduktionsreaktionen Energie freigesetzt (Abbildung \(\PageIndex{1}\)). Diese Energie ermöglicht es bestimmten Trägern in der Kette, Wasserstoffionen (H+ oder Protonen) über eine Membran zu transportieren.

Abhängig vom Zelltyp befindet sich die Elektronentransportkette in der Zytoplasmamembran, der inneren Membran der Mitochondrien und der inneren Membran der Chloroplasten.

• In prokaryotischen Zellen werden die Protonen aus dem Zytoplasma des Bakteriums über die Zytoplasmamembran in den periplasmatischen Raum transportiert, der sich zwischen der Zytoplasmamembran und der Zellwand befindet.
• In eukaryotischen Zellen werden Protonen von der Matrix der Mitochondrien über die innere Mitochondrienmembran in den Intermembranraum transportiert, der sich zwischen der inneren und äußeren Mitochondrienmembran befindet.
• In Pflanzenzellen und den Zellen von Algen werden Protonen vom Stroma des Chloroplasten über die Thylakoidmembran in den Innenraum des Thylakoids transportiert.

Wenn sich die Wasserstoffionen auf einer Seite einer Membran ansammeln, erzeugt die Wasserstoffionenkonzentration einen elektrochemischen Gradienten oder eine Potentialdifferenz (Spannung) über die Membran. (Die Flüssigkeit auf der Seite der Membran, auf der sich die Protonen ansammeln, erhält eine positive Ladung; die Flüssigkeit auf der gegenüberliegenden Seite der Membran bleibt mit einer negativen Ladung zurück.) Der erregte Zustand der Membran als Ergebnis dieser Ladungstrennung wird als Protonenmotivkraft oder PMF bezeichnet.

Diese Protonen-Motivationskraft liefert die Energie, die Enzyme namens ATP-Synthasen (Abbildung \(\PageIndex{5}\)), die sich ebenfalls in den oben erwähnten Membranen befinden, zur Katalyse der Synthese von ATP aus ADP und Phosphat benötigen. Diese Erzeugung von ATP erfolgt, wenn die Protonen die Membran durch die ATP-Synthase-Komplexe durchqueren und entweder in das bakterielle Zytoplasma (Abbildung \(\PageIndex{5}\)), die Matrix der Mitochondrien oder das Stroma der Chloroplasten zurückkehren. Wenn sich die Protonen den Konzentrationsgradienten durch die ATP-Synthase hinunterbewegen, bewirkt die freigesetzte Energie, dass sich der Rotor und der Stab der ATP-Synthase drehen. Die mechanische Energie aus dieser Rotation wird in chemische Energie umgewandelt, indem Phosphat an ADP angehängt wird, um ATP zu bilden.

Die Protonen-Motivationskraft wird auch genutzt, um beim aktiven Transport Substanzen durch Membranen zu transportieren und um bakterielle Geißeln zu drehen.

Am Ende der Elektronentransportkette bei der aeroben Atmung überträgt der letzte Elektronenträger in der Membran 2 Elektronen auf ein halbes Sauerstoffmolekül (ein Sauerstoffatom), das sich gleichzeitig mit 2 Protonen aus dem umgebenden Medium zu Wasser als Endprodukt verbindet (Abbildung \(\PageIndex{3}\)). Die an der Photosynthese beteiligten Elektronentransportketten übertragen schließlich 2 Elektronen auf NADP+, das sich gleichzeitig mit 2 Protonen aus dem umgebenden Medium zu NADPH verbindet.