ELEKTRONENTRANSPORTKETTE: KOMPONENTEN, SEQUENZ, INHIBITOREN - BIOLOGIE - 2025

Die Elektronentransportkette besteht aus einer Reihe von Proteinmolekülen und Coenzymen innerhalb einer Membran. Wie der Name schon sagt, ist es für den Transport von Elektronen von den Coenzymen NADH oder FADH2 zum endgültigen Rezeptor O2 (molekularer Sauerstoff) verantwortlich.

Bei diesem Transportprozess ist die Energie, die freigesetzt wird, wenn die Elektronen über an Proteine ​​gebundene Redoxzentren von den Coenzymen auf den molekularen Sauerstoff übertragen werden, mit der Energieerzeugung (ATP) verbunden. Diese Energie wird dank des Protonengradienten erhalten, der in der inneren Mitochondrienmembran erzeugt wird.

Quelle: Benutzer: Rozzychan

Dieses Transportsystem besteht aus verschiedenen Komponenten, die in mindestens zwei Oxidationsstufen vorliegen. Jeder von ihnen wird während der Bewegung von Elektronen von NADH oder FADH2 zu O2 effektiv reduziert und reoxidiert.

Die Coenzyme NAD + und FAD werden infolge der Oxidation verschiedener Substrate in den Fettsäureoxidationswegen und im Zitronensäurezyklus reduziert. Diese Coenzyme werden anschließend in der elektronischen Transportkette oxidiert.

Das elektronische Transportsystem besteht also aus einer Folge von Oxidations-Reduktions-Reaktionen, die miteinander verbunden sind.

Kettenkomponenten

Je nach Art des Organismus können 3 bis 6 Komponenten beobachtet werden, die die Elektronentransportkette bilden. Der Prozess des Elektronentransports und die Synthese von ATP durch oxidative Phosphorylierung sind Prozesse, die in einer Membran ablaufen.

Bei prokaryotischen Zellen (aeroben Bakterien) treten diese Prozesse in Verbindung mit der Plasmamembran auf. In eukaryotischen Zellen kommt es in der Mitochondrienmembran vor, so dass sich die Komponenten des Elektronentransports im inneren Teil der Membran befinden.

Elektronen werden schrittweise durch vier Komplexe übertragen, aus denen die elektronische Transportkette besteht.

Jeder Komplex hat mehrere Proteinkomponenten, die mit Redoxprothesen assoziiert sind (Nicht-Aminosäurekomponenten konjugierter Proteine), wodurch sich ihre Reduktionspotentiale erhöhen können.

Darüber hinaus besteht dieses Transportsystem aus verschiedenen molekularen Spezies wie Flavoproteinen; Coenzym Q, auch Ubichinon genannt (CoQ oder UQ); verschiedene Cytochrome wie Cytochrom b, c, c1, a und a3; Proteine ​​mit Fe-S-Gruppen und an Cu gebundene Proteine. Diese Moleküle binden mit Ausnahme von Cytochrom c an die Membran.

Komplex I.

Der Komplex I, der als NADH-Coenzymchinonoxidoreduktase oder NADH-Dehydrogenase bezeichnet wird, besteht aus etwa 45 Polypeptidketten und enthält ein Flavinmononukleotid (FMN) -Molekül und acht bis neun Fe-S-Cluster. Wie der Name schon sagt, überträgt dieser Komplex ein Elektronenpaar vom Coenzym NADH auf CoQ.

Die Funktion des NADH-Dehydrogenase-Komplexes beginnt mit der Bindung von NADH an den Komplex auf der Matrixseite der inneren Mitochondrienmembran. Die Elektronen werden dann von NADH zum FMN transportiert. Anschließend gelangen die Elektronen mit Fe-S vom reduzierten Flavin (FMNH2) zu den Proteinen.

FMNH2 fungiert als eine Art Brücke zwischen NADH- und Fe-S-Proteinen, da letztere nur ein einziges Elektron übertragen können, während das Coenzym NADH zwei überträgt, so dass Flavine diese Übertragung eines einzelnen Elektrons dank durchführen zu seinem Redoxzustand von Semichinon.

Schließlich werden Elektronen von den Fe-S-Clustern auf das Coenzym Q übertragen, das ein mobiler Elektronenträger mit einem Isoprenoidschwanz ist, der es hydrophob macht und es ihm ermöglicht, das Zentrum der Mitochondrienmembran zu durchqueren.

Komplex II

Der Komplex II, besser bekannt als Succinatdehydrogenase, ist ein integrales Protein der inneren Mitochondrienmembran und ein Enzym, das in den Zitronensäurezyklus eingreift.

Dieser Komplex besteht aus zwei hydrophilen und zwei hydrophoben Untereinheiten mit Häm-b-Gruppen, die neben einem Flavoprotein und einem Protein mit Fe-S die Bindungsstelle für CoQ bilden.

Im Zitronensäurezyklus (Krebs- oder Tricarbonsäurezyklus) wird Succinat durch Succinatdehydrogenase in Fumarat umgewandelt, wodurch das Coenzym FAD zu FADH2 reduziert wird. Von diesem letzten Coenzym werden die Elektronen zu den Fe-S-Zentren übertragen, die sie wiederum zu CoQ übertragen.

Während der Reaktionen dieses Elektronentransfers ist das Standard-Redoxpotential sehr niedrig, wodurch verhindert wird, dass die zur Synthese von ATP benötigte freie Energie freigesetzt wird.

Dies bedeutet, dass Komplex II der einzige Komplex in der Elektronentransportkette ist, der keine Energie für die ATP-Synthese liefern kann. Dieser Komplex ist jedoch der Schlüssel in diesem Prozess, da er die Elektronen von FADH2 auf den Rest der Kette überträgt.

Komplex III

Komplex III, Cytochrom-bc1-Komplex oder CoQ-Cytochrom-c-Reduktase, überträgt Elektronen vom reduzierten Coenzym Q auf Cytochrom c. Diese Übertragung erfolgt über einen einzelnen Redoxweg, der als Q-Zyklus bekannt ist.

Dieser Komplex besteht aus einem Protein mit Fe-S und drei verschiedenen Cytochromen, bei denen das in der Hämgruppe befindliche Eisenatom zyklisch zwischen dem reduzierten (Fe2 +) und dem oxidierten (Fe3 +) Zustand variiert.

Cytochrome sind Elektronentransport-Hämoproteine, die Redoxaktivität besitzen. Sie sind in allen Organismen vorhanden, mit Ausnahme einiger obligater Anaerobier.

Diese Proteine ​​haben Hämgruppen, die zwischen zwei Oxidationsstufen (Fe2 + und Fe3 +) wechseln. Cytochrom c ist ein mobiler Elektronenträger, der schwach mit der inneren Membran der Mitochondrien assoziiert ist.

Die in diesem Komplex gefundenen Cytochrome sind die Cytochrome b, c und a, alle 3 sind redoxaktive Proteine ​​mit hae-Gruppen mit unterschiedlichen Eigenschaften, die ihre Oxidationsstufen zwischen Fe2 + und Fe3 + abwechseln.

Cytochrom c ist ein peripheres Membranprotein, das als Elektronen- "Shuttle" mit Cytochrom c1 und Komplex IV fungiert.

Komplex IV

Cytochrom c und O2 sind die endgültigen Rezeptoren für Elektronen, die aus der Oxidation von organischem Material stammen. Daher ist Komplex IV oder Cytochrom C-Oxidase das terminale Enzym im Elektronentransportprozess. Dies akzeptiert Elektronen von Cytochrom c und überträgt sie auf die O2-Reduktion.

Die Funktion des Komplexes besteht darin, Oxidationen eines Elektrons der vier aufeinanderfolgenden Moleküle von reduziertem Cytochrom c zu katalysieren, dh gleichzeitig vier Elektronen eines O2-Moleküls zu reduzieren und schließlich zwei H2O-Moleküle zu produzieren.

Elektronentransportsequenz

Elektronen werden dank Coenzym Q von Komplex I und II auf Komplex III übertragen und von dort über Cytochrom c auf Komplex IV übertragen. Wenn die Elektronen diese vier Komplexe passieren, erhöhen sie das Reduktionspotential und setzen Energie frei, die dann für die ATP-Synthese verwendet wird.

Insgesamt bewirkt die Übertragung eines Elektronenpaares die Translokation von 10 Protonen durch die Membran; vier in Komplex I und IV und zwei in Komplex III.

NADH-Dehydrogenase

Dieses Enzym katalysiert die Oxidation von Coenzym NADH durch Coenzym Q. Elektronen bewegen sich von NADH zu FMN, das an den hydrophilen Schwanz von Komplex I gebunden ist. Cluster von Fe-S-Transferelektronen nacheinander. Diese Fe-S-Gruppen reduzieren CoQ, das in die Membran eingebettet ist, zu Ubichinol (reduziertes CoQ).

Während der Übertragung von Elektronen auf CoQ werden wiederum vier Protonen durch die innere Membran in den Zwischenmembranraum übertragen. Der Mechanismus, durch den diese Protonen transloziert werden, umfasst Proteine, die sich im hydrophoben Schwanz von Komplex I befinden.

Der Elektronentransferprozess in diesem Schritt setzt freie Energie frei, insbesondere -16,6 kcal / mol.

CoQ-Cytochrom-C-Reduktase und Zyklus Q.

Coenzym Q wird durch Cytochrom c in einer durch dieses Coenzym katalysierten Reaktion oxidiert. Die Oxidation von Ubichinol (reduziertes CoQ) erfolgt an einer bestimmten Stelle des Komplexes (Qo oder Oxidationsstelle) in der Mitochondrienmembran, wobei zwei Elektronen übertragen werden, eines auf das Protein mit den Fe-S-Gruppen und das andere auf die Hämgruppen.

Im Q-Zyklus entsteht bei der Oxidation von CoQ Semichinon, bei dem Elektronen auf die Hämgruppen b1 und bh übertragen werden. Während dieses Elektronentransfers wird ein zweiter CoQ an der Qo-Stelle oxidiert, wodurch der Zyklus wiederholt wird.

Dieser Zyklus bewirkt die Übertragung von zwei Elektronen und damit die Translokation von vier Protonen in den Zwischenmembranraum unter Freisetzung von -10,64 kcal / Mol freier Energie.

Cytochrom-C-Oxidase

Dieses Enzym (Komplex IV) katalysiert die Oxidation von Cytochrom c (reduziert) durch O2, das der endgültige Elektronenakzeptor ist. Dieser Transfer erzeugt ein H2O-Molekül für jedes Elektronenpaar, das zusätzlich zur Translokation von Protonen durch die Membran übertragen wird.

Die Elektronen bewegen sich nacheinander vom reduzierten Cytochrom c zu einem Paar CuA-Ionen, gelangen dann zu einer Hämgruppe und erreichen schließlich das zweikernige Zentrum des Komplexes, der CuB-Ionen und Häm a3 enthält, wo der Transfer von vier Elektronen stattfindet bis zu Sauerstoff.

In Komplex IV übertragen die Elemente Elektronen nacheinander, so dass O2 allmählich reduziert wird, so dass die Freisetzung einiger toxischer Verbindungen wie Superoxid, Wasserstoffperoxid oder Hydroxylradikale nicht auftritt.

Die in dieser Stufe freigesetzte Energie entspricht -32 kcal / mol. Der während des Übertragungsprozesses erzeugte elektrochemische Gradient und die Energieänderungen (ΔE), die durch ein Elektronenpaar beim Durchgang durch die vier Komplexe verursacht werden, entsprechen in jeder Stufe der freien Energie, die für die Herstellung eines ATP-Moleküls erforderlich ist.

Succinatdehydrogenase

Wie bereits erwähnt, hat dieser Komplex die einzige, aber wichtige Funktion, die Elektronen von FADH2 aus dem Zitronensäurezyklus in die Elektronentransportkette einzuführen.

Dieses Enzym katalysiert die Oxidation des Coenzyms FADH2 durch das Coenzym Q (oxidiert). Während im Zitronensäurezyklus Succinat zu Fumarat oxidiert wird, werden zwei Elektronen und zwei Protonen auf das FAD übertragen. Anschließend überträgt FADH2 diese Elektronen über die Fe-S-Zentren des Komplexes auf CoQ.

Schließlich werden die Elektronen von CoQ gemäß den oben beschriebenen Schritten auf den Komplex III übertragen.

Die Komplexe der Kette sind unabhängig

Die vier Komplexe, aus denen die elektronische Transportkette besteht, sind unabhängig, dh sie befinden sich und arbeiten unabhängig voneinander in der inneren Mitochondrienmembran, und die Bewegung jedes einzelnen von ihnen in der Membran hängt nicht von den anderen Komplexen ab oder ist mit diesen verbunden.

Die Komplexe I und II bewegen sich in der Membran und übertragen ihre Elektronen auf CoQ, das ebenfalls in der Membran diffundiert, und übertragen sie auf den Komplex III, von wo aus die Elektronen zu Cytochrom c gelangen, das ebenfalls in der Membran beweglich ist und die Elektronen darin ablagert Komplex IV.

Inhibitoren der elektronischen Transportkette

Einige spezifische Inhibitoren wirken auf die elektronische Transportkette, die ihren Prozess stören. Rotenon ist ein häufig verwendetes Insektizid, das stöchiometrisch an Komplex I bindet und so die Reduktion von CoQ verhindert.

Einige Arzneimittel vom Barbiturat-Typ wie Piericidin und Amytal hemmen den Komplex I und stören den Elektronentransfer von den Fe-S-Gruppen zu CoQ.

In Komplex II wirken einige Verbindungen wie Thenoyltrifluoraceton und Malonat als kompetitive Inhibitoren mit Succinat und verhindern dessen Oxidation und damit die Übertragung von Elektronen auf das FAD.

Einige Antibiotika wie Myxothiazol und Stigmatellin binden an die Q-Bindungsstellen von CoQ und hemmen den Elektronentransfer vom Coenzym Q zu den Fe-S-Zentren von Proteinen.

Cyanid, Azid (N3-), Schwefelsäure und Kohlenmonoxid hemmen den Komplex IV. Diese Verbindungen binden an Hämgruppen und verhindern so den Elektronentransfer zum zweikernigen Zentrum des Komplexes oder zu Sauerstoff (O2).

Durch die Hemmung der Elektronentransportkette wird die Energieerzeugung durch oxidative Phosphorylierung gestoppt, was zu schweren Schäden und sogar zum Tod des Körpers führt.

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