Zellatmung

Struktur eines Mitochondriums

Mitochondrien, oft als die Kraftwerke der Zelle bezeichnet, sind essenzielle Zellorganellen, die in fast allen eukaryotischen Zellen vorkommen. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) durch den Prozess der Zellatmung zu produzieren. Um diese Funktion effizient zu erfüllen, weisen Mitochondrien eine komplexe Struktur auf, die in verschiedene Bereiche unterteilt ist.

Äußere Membran: Die äußere Membran des Mitochondriums umhüllt das gesamte Organell und fungiert als Schutzbarriere. Sie ist relativ durchlässig und enthält Poren, sogenannte Porine, die den Transport kleiner Moleküle und Ionen ermöglichen. Diese Membran ist der erste Punkt des Stoffaustauschs zwischen dem Zytoplasma und dem Inneren des Mitochondriums.
Intermembranraum: Zwischen der äußeren und der inneren Membran befindet sich der Intermembranraum. Dieser Raum spielt eine entscheidende Rolle im Prozess der Zellatmung, insbesondere während der Elektronentransportkette, da hier ein Protonengradient aufgebaut wird, der für die ATP-Synthese notwendig ist.

Abb. 1: Schematischer Aufbau eines Mitochondriums
• Innere Membran: Die innere Membran ist stark gefaltet und bildet Strukturen, die als Cristae bezeichnet werden. Diese Faltung vergrößert die Oberfläche erheblich und bietet Platz für die zahlreichen Proteinkomplexe, die an der Elektronentransportkette und der ATP-Synthase beteiligt sind. Die innere Membran ist wesentlich weniger durchlässig als die äußere und reguliert streng den Transport von Ionen und Molekülen.
• Matrix: Die Matrix ist der Raum innerhalb der inneren Membran und enthält eine Vielzahl von Enzymen, die für den Citratzyklus notwendig sind, ein weiterer zentraler Teil der Zellatmung. Zusätzlich befinden sich in der Matrix mitochondriale DNA (mtDNA), Ribosomen und verschiedene andere Moleküle, die für die Proteinsynthese und die Funktion des Mitochondriums erforderlich sind.

Glykolyse

Die Glykolyse ist ein zentraler Stoffwechselweg im Zellstoffwechsel und bildet den ersten Abschnitt der Zellatmung. Sie findet im Zytoplasma der Zelle statt und dient der Umwandlung von Glukose in Pyruvat. Dieser Prozess verläuft in mehreren Schritten und führt zur Gewinnung von Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) und NADH (Nikotinamidadenindinukleotid). Die Glykolyse besteht aus zehn aufeinanderfolgenden enzymatisch katalysierten Reaktionen, die in zwei Phasen unterteilt werden können: die Vorbereitungsphase und die Ertragsphase.

• Ertragsphase
  6. Oxidation und Phosphorylierung: Glycerinaldehyd-3-phosphat wird durch das Enzym Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase unter Bildung von NADH und durch Anlagerung eines Phosphatrestes zu 1,3-Bisphosphoglycerat oxidiert.
  7. ATP-Gewinnung: 1,3-Bisphosphoglycerat wird durch das Enzym Phosphoglyceratkinase zu 3-Phosphoglycerat umgewandelt, wobei ein Molekül ATP entsteht.
  8. Umwandlung: 3-Phosphoglycerat wird durch das Enzym Phosphoglyceratmutase zu 2-Phosphoglycerat umgewandelt.
  9. Dehydratisierung: 2-Phosphoglycerat wird durch das Enzym Enolase zu Phosphoenolpyruvat (PEP) dehydratisiert.
  10. Zweite ATP-Gewinnung: Phosphoenolpyruvat wird durch das Enzym Pyruvatkinase zu Pyruvat umgewandelt, wobei ein weiteres Molekül ATP entsteht.

Pyruvatoxidation

Die Pyruvatoxidation, auch oxidative Decarboxylierung genannt, ist ein zentraler Prozess im Zellstoffwechsel und stellt eine Verbindung zwischen der Glykolyse und dem Citratzyklus dar. Dieser Prozess findet in den Mitochondrien eukaryotischer Zellen statt und wandelt Pyruvat, das Endprodukt der Glykolyse, in Acetyl-CoA um. Diese Umwandlung ist entscheidend für die weitere Energiegewinnung durch den Citratzyklus und die Atmungskette. Die Pyruvatoxidation wird von einem großen Enzymkomplex, dem Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex (PDH), katalysiert. Dieser Komplex besteht aus mehreren Enzymen und Cofaktoren und führt die Reaktion in mehreren Schritten durch:

Transport in die Mitochondrien: Pyruvat, das im Zytoplasma durch die Glykolyse entsteht, wird aktiv durch die innere Mitochondrienmembran in die Mitochondrienmatrix transportiert. Dieser Transport erfolgt durch einen spezifischen Pyruvat-Transporter.
Decarboxylierung: Im ersten Schritt wird Pyruvat durch das Enzym Pyruvat-Dehydrogenase (E1) decarboxyliert, wobei ein Kohlenstoffatom in Form von CO₂ abgespalten wird. Dabei entsteht ein Hydroxyethyl-Rest, der an das Coenzym Thiaminpyrophosphat (TPP) gebunden ist.
Oxidation: Der Hydroxyethyl-Rest wird durch die Pyruvat-Dehydrogenase oxidiert, wobei NAD⁺ zu NADH reduziert wird. Dieser Schritt wird von der Dihydrolipoyl-Transacetylase (E2) katalysiert, und der Hydroxyethyl-Rest wird auf das Liponamid übertragen, ein weiteres Coenzym.

Abb. 3: Schematischer Ablauf der Pyruvatoxidation
1. Übertragung des Acetylrests: Der oxidierte Hydroxyethyl-Rest wird als Acetylgruppe auf Coenzym A (CoA) übertragen, wobei Acetyl-CoA entsteht. Dieser Schritt wird ebenfalls von der Dihydrolipoyl-Transacetylase (E2) katalysiert.
2. Regeneration des Enzyms: Die Dihydrolipoyl-Dehydrogenase (E3) regeneriert das Liponamid, indem es die reduzierten Sulfhydrylgruppen oxidiert. Dabei wird FAD zu FADH₂ reduziert, das dann seine Elektronen auf NAD⁺ überträgt, wodurch NADH entsteht.

Die Pyruvatoxidation hat mehrere wichtige Funktionen im Zellstoffwechsel:

• Produktion von Acetyl-CoA: Acetyl-CoA ist ein zentrales Molekül im Energiestoffwechsel, das in den Citratzyklus eingespeist wird, um weiter zu oxidieren und Energie in Form von GTP (bzw. ATP), NADH und FADH₂ zu erzeugen.
• Bereitstellung von NADH: NADH, das während der Pyruvatoxidation gebildet wird, trägt Elektronen zur Elektronentransportkette bei, wo es zur Synthese von ATP verwendet wird.
• Verbindung zwischen Glykolyse und Citratzyklus: Durch die Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA verbindet die Pyruvatoxidation die Glykolyse, die im Zytoplasma stattfindet, mit dem Citratzyklus, der in den Mitochondrien abläuft.

Citratzyklus

Der Citratzyklus, auch Krebs-Zyklus oder Tricarbonsäurezyklus genannt, ist ein zentraler Bestandteil des Energiestoffwechsels in eukaryotischen Zellen. Er findet in den Mitochondrien statt und dient der vollständigen Oxidation von Acetyl-CoA zu Kohlenstoffdioxid (CO₂), wobei Energie in Form von NADH, FADH₂ und GTP (bzw. ATP) gewonnen wird. Diese Energieäquivalente werden anschließend in der Atmungskette zur ATP-Synthese verwendet. Der Citratzyklus besteht aus einer Abfolge von acht chemischen Reaktionen, die zyklisch ablaufen.

Kondensation von Acetyl-CoA und Oxalacetat: Acetyl-CoA, das aus der Pyruvatoxidation stammt, kondensiert mit Oxalacetat zu Citrat. Diese Reaktion wird durch das Enzym Citrat-Synthase katalysiert.
Isomerisierung von Citrat zu Isocitrat: Citrat wird durch das Enzym Aconitase zunächst zu cis-Aconitat und anschließend zu Isocitrat isomerisiert.
Oxidative Decarboxylierung von Isocitrat: Isocitrat wird durch das Enzym Isocitrat-Dehydrogenase oxidiert und decarboxyliert, wobei -Ketoglutarat, NADH und CO₂ entstehen.
Oxidative Decarboxylierung von -Ketoglutarat: -Ketoglutarat wird durch den -Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex oxidiert und decarboxyliert, wobei Succinyl-CoA, NADH und CO₂ entstehen.

Abb. 4: Schematischer Ablauf des Citratzyklus
1. Umwandlung von Succinyl-CoA zu Succinat: Succinyl-CoA wird durch das Enzym Succinyl-CoA-Synthetase in Succinat umgewandelt, wobei GTP (bzw. ATP) gebildet wird.
2. Oxidation von Succinat zu Fumarat: Succinat wird durch das Enzym Succinat-Dehydrogenase zu Fumarat oxidiert, wobei FAD zu FADH₂ reduziert wird.
3. Hydratisierung von Fumarat zu Malat: Fumarat wird durch das Enzym Fumarase zu Malat hydratisiert.
4. Oxidation von Malat zu Oxalacetat: Malat wird durch das Enzym Malat-Dehydrogenase zu Oxalacetat oxidiert, wobei NAD⁺ zu NADH reduziert wird.

Durch den Citratzyklus werden pro Umdrehung drei NADH, ein FADH₂ und ein GTP (bzw. ATP) gebildet. Diese Energieäquivalente spielen eine entscheidende Rolle in der Atmungskette, wo sie ihre Elektronen an die Elektronentransportkette abgeben. Die dabei freigesetzte Energie wird genutzt, um einen Protonengradienten über die innere Mitochondrienmembran aufzubauen, der schließlich die ATP-Synthase antreibt und zur Produktion von ATP führt. Der Citratzyklus ist nicht nur für die Energieproduktion wichtig, sondern auch für die Bereitstellung von Zwischenprodukten, die in verschiedenen biosynthetischen Prozessen verwendet werden. Dazu gehören die Synthese von Aminosäuren, Nukleotiden und Fettsäuren. Die Regulation des Citratzyklus erfolgt hauptsächlich durch die Verfügbarkeit der Substrate (Acetyl-CoA und Oxalacetat) sowie durch Feedback-Hemmung durch die Produkte NADH und ATP. Hohe Konzentrationen dieser Moleküle signalisieren einen ausreichenden Energiezustand der Zelle und hemmen somit die Aktivität der Schlüsselenzyme des Zyklus.

Atmungskette

Die Atmungskette, auch Elektronentransportkette genannt, ist der letzte Schritt der Zellatmung in eukaryotischen Zellen, der in der inneren Mitochondrienmembran stattfindet und für die oxidative Phosphorylierung verantwortlich ist. Dabei wird die Energie aus Elektronentransportprozessen zur Synthese von ATP genutzt. Die Atmungskette besteht aus mehreren Protein-Komplexen und mobilen Elektronencarriern, die Elektronen von NADH und FADH₂ auf Sauerstoff übertragen, wodurch Wasser entsteht und ein Protonengradient aufgebaut wird.

• Komplex I: NADH wird zu NAD+ oxidiert, und die Elektronen werden auf Ubichinon (Coenzym Q) übertragen, wobei Protonen in den Intermembranraum gepumpt werden.
• Komplex II: FADH₂ gibt seine Elektronen an Ubichinon ab, pumpt aber keine Protonen.
• Komplex III: Überträgt Elektronen von Ubichinon auf Cytochrom c, wobei weitere Protonen gepumpt werden.
• Komplex IV: Überträgt Elektronen von Cytochrom c auf Sauerstoff, wobei Wasser entsteht und Protonen gepumpt werden. Der Protonengradient erzeugt eine Protonenmotorische Kraft, die durch die ATP-Synthase zur ATP-Produktion genutzt wird. Die ATP-Synthase lässt Protonen zurück in die Matrix fließen, und die frei werdende Energie wird verwendet, um ADP und Phosphat zu ATP zu verbinden.

Die Atmungskette ist der effizienteste Weg der Energiegewinnung in Zellen und liefert den Großteil des benötigten ATP. Ihre Aktivität wird durch die Verfügbarkeit von Substraten (NADH, FADH₂, O₂) und den Energiebedarf der Zelle reguliert. Ein hoher ATP/ADP-Quotient hemmt, ein niedriger stimuliert die Atmungskette, um die ATP-Produktion an die Bedürfnisse der Zelle anzupassen.