Atmungskettenanimation

Zelle und Mitochondrium

Die Energiefreisetzung aus den Nährstoffen erfolgt in lebenden Zellen im Cytoplasma und in den Mitochondrien. Links ist eine Tier-, rechts eine Pflanzenzelle dargestellt.

Atmung im Überblick

Die Zellatmung erfolgt in drei Komplexen: Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette.

In der Glykolyse wird jedes Glucosemolekül in zwei Moleküle Pyruvat gespalten. Diese durchqueren die Doppelmembran der Mitochondrien und gelangen in die Matrix.

Im Citratzyklus wird Pyruvat zu Kohlenstoffdioxid abgebaut.
Bei dieser Spaltung werden Elektronen und Protonen in Form von Wasserstoff aus der Glycolyse auf die Coenzyme NAD (Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid) und FAD (Flavin-Adenin-Dinucleotid) übertragen. Es entstehen NADH und ${\text{FADH}}_{\text{2}}$. Durch Substratkettenphosphorylierung entsteht ein geringer Teil ATP. Bei dieser Art der ATP-Bildung überträgt ein Enzym eine Phosphatgruppe von einem Substrat auf das ADP. Der größte Teil des ATP entsteht in der Atmungskette durch oxidative Phosphorylierung. Die Coenzyme NADH und ${\text{FADH}}_{\text{2}}$ übertragen ihre Elektronen und Protonen an die Enzymkomplexe der Elektronentransportkette. Die dabei frei werdende Energie wird in eine Form gebracht, die zum Antrieb der oxidativen Phosphorylierung und damit zur ATP-Gewinnung geeignet ist.

Redox-Cosubstrate als Elektronenübertragungssystem

Sehr vereinfacht kann man sich den Elektronentransport folgendermaßen vorstellen. Die 4 Komplexe und das Cytochrom C enthalten Eisen-Ionen als Redox-Cosubstrate. Sie dienen als Elektronenübertragungssysteme, indem sie vom oxidierten ${\text{Fe}}^{\text{3+}}$ in den reduzierten ${\text{Fe}}^{\text{2+}}$ Zustand wechseln und umgekehrt.

Elektronentransport ausgehend vom NADH

Der Elektronentransport vom NADH beginnt am Enzymkomplex I. Die Elektronen bringen das Eisenion ${\text{Fe}}^{\text{3+}}$ in die reduzierte Form ${\text{Fe}}^{\text{2+}}$. Gleichzeitig gelangen Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum und es entsteht wieder NAD. Das Ubichinon übernimmt die Elektronen vom Komplex I und überträgt sie zum Komplex III.
Im Komplex I fällt das ${\text{Fe}}^{\text{2+}}\text{- Ion}$ in die oxidierte Form ${\text{Fe}}^{\text{3+}}$ zurück. Im Komplex III entsteht durch
Elektronenaufnahme aus ${\text{Fe}}^{\text{3+}}$ das ${\text{Fe}}^{\text{2+}}$. Gleichzeitig wird das Eisenion ${\text{Fe}}^{\text{2+}}$ im Komplex III durch Elektronenabgabe an das Cytochrom C wieder oxidiert und Cytochrom C reduziert.
Schließlich nehmen ${\text{Fe}}^{\text{4+}}\text{- Ionen}$ im Komplex IV Elektronen auf und werden zu ${\text{Fe}}^{\text{3+}}$ reduziert. Dieser Komplex überträgt die Elektronen auf Sauerstoff. Die entstandenen Sauerstoffionen reagieren mit Protonen zu Wasser. Der Transport der Elektronen findet statt, weil der jeweils nächste Nachbarkomplex eine größere Elektronennegativität hat als der vorhergehende. Am Ende steht der äußerst elektronegative Sauerstoff.

Elektronentransport ausgehend vom NADH und ${\text{FADH}}_{\text{2}}$, Aufbau eines Protonengradienten

Während die Enzymkomplexe die Elektronen aus dem NADH und ${\text{FADH}}_{\text{2}}$ aufnehmen und wieder abgeben, pumpen sie Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum. Die aus der Glucose stammende Energie wird also hier für den Aufbau eines Protonengradienten genutzt. Im Intermembranraum entsteht eine höhere ${\text{H}}^{\text{+}}\text{-Konzentration}$ als in der Matrix. Es bildet sich ein Membranpotenzial und ein pH-Gradient heraus.