Krebs-Zyklus & Atmungskette: Energie der Zelle

Krebs-Zyklus (Citratzyklus)

Der von Hans Adolf Krebs entdeckte Zyklus, auch bekannt als Citratzyklus, ist eine Reihe von Redoxreaktionen. Er findet in der mitochondrialen Matrix eukaryotischer Zellen statt und besteht aus einer Abfolge von Reaktionen, die Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) vollständig zu CO₂ oxidieren.

Die Coenzyme NAD⁺ und FAD nehmen dabei Elektronen auf und werden zu NADH und FADH₂ reduziert. Diese Elektronen werden anschließend an die Elektronentransportkette abgegeben, wodurch NAD⁺ und FAD regeneriert werden und der Zyklus fortgesetzt werden kann.

Phasen des Krebs-Zyklus

1. Acetyl-CoA (C2) bindet an Oxalacetat (C4) und bildet Citrat (C6).
2. Isomerisierung: Citrat wird zu Isocitrat umgewandelt.
3. Oxidation und Decarboxylierung: Isocitrat wird zu α-Ketoglutarat (C5) oxidiert. Dabei wird NAD⁺ zu NADH reduziert und CO₂ freigesetzt.
4. Oxidative Decarboxylierung: α-Ketoglutarat wird zu Succinyl-CoA (C4) umgewandelt. Erneut wird NAD⁺ zu NADH reduziert und CO₂ freigesetzt.
5. Substratkettenphosphorylierung: Die energiereiche Bindung in Succinyl-CoA wird gespalten, Coenzym A wird freigesetzt und es entsteht Succinat (C4). Die freigesetzte Energie wird zur Bildung von GTP (Guanosintriphosphat) aus GDP (oder ATP aus ADP) genutzt.
6. Oxidation: Succinat wird zu Fumarat (C4) oxidiert, wobei FAD zu FADH₂ reduziert wird.
7. Hydratisierung: Wasser lagert sich an die Doppelbindung von Fumarat an, es entsteht Malat (C4).
8. Oxidation: Malat wird zu Oxalacetat (C4) oxidiert, wobei NAD⁺ zu NADH reduziert wird. Das Oxalacetat steht für einen neuen Zyklus bereit.

Funktionen des Krebs-Zyklus

• Vollständige Oxidation von Acetyl-CoA zu 2 CO₂.
• Gewinnung von Reduktionsäquivalenten (3 NADH und 1 FADH₂ pro Acetyl-CoA).
• Bildung von GTP (oder ATP) durch Substratkettenphosphorylierung.
• Bereitstellung von metabolischen Vorstufen für die Synthese anderer organischer Moleküle.

Bilanz des Krebs-Zyklus (pro Molekül Acetyl-CoA)

Acetyl-CoA + 3 NAD⁺ + FAD + GDP + Pi + 2 H₂O → 2 CO₂ + 3 NADH + 3 H⁺ + FADH₂ + GTP + CoA-SH

Die Atmungskette (Elektronentransportkette)

Die Atmungskette befindet sich in der inneren Mitochondrienmembran und besteht aus einer Kette von Enzymkomplexen und mobilen Elektronenüberträgern (Coenzymen). Diese Moleküle werden abwechselnd oxidiert und reduziert, indem sie Elektronen von den im Krebs-Zyklus und anderen Stoffwechselwegen (wie der Glykolyse) produzierten reduzierten Coenzymen (NADH und FADH₂) aufnehmen und schrittweise an den finalen Akzeptor Sauerstoff weitergeben.

Das während der Glykolyse im Zytoplasma gebildete NADH kann die innere Mitochondrienmembran nicht direkt passieren. Um seine Elektronen dennoch in die Atmungskette einzuspeisen, gibt es spezielle Shuttle-Systeme:

• Glycerin-3-Phosphat-Shuttle: Überträgt Elektronen auf FAD in der Mitochondrienmembran (resultiert in FADH₂ in der Kette).
• Malat-Aspartat-Shuttle: Überträgt Elektronen auf NAD⁺ in der mitochondrialen Matrix (resultiert in NADH in der Kette).

Die Komponenten der Elektronentransportkette sind in fünf Hauptkomplexen organisiert:

1. Komplex I (NADH-Dehydrogenase): Überträgt Elektronen von NADH über FMN und Eisen-Schwefel-Zentren auf Ubichinon (Coenzym Q). Pumpt Protonen.
2. Komplex II (Succinat-Dehydrogenase): Überträgt Elektronen von Succinat (über FADH₂) auf Ubichinon. Dieser Komplex ist auch Teil des Krebs-Zyklus und pumpt keine Protonen.
3. Komplex III (Cytochrom-c-Reduktase): Nimmt Elektronen von reduziertem Ubichinon (Ubichinol) auf und überträgt sie auf Cytochrom c. Pumpt Protonen.
4. Komplex IV (Cytochrom-c-Oxidase): Überträgt Elektronen von Cytochrom c auf den finalen Elektronenakzeptor, molekularen Sauerstoff (O₂), der dabei zu Wasser (H₂O) reduziert wird. Pumpt Protonen.
5. Komplex V (ATP-Synthase): Nutzt den Protonengradienten, der durch die Komplexe I, III und IV aufgebaut wird, um ATP aus ADP und Pi zu synthetisieren. Fungiert als Protonenkanal vom Intermembranraum zurück in die Matrix.

Oxidative Phosphorylierung

Die oxidative Phosphorylierung ist der Hauptprozess zur ATP-Gewinnung in aeroben Zellen. Sie koppelt den Elektronentransport in der Atmungskette an die Synthese von ATP. Die bei den Redoxreaktionen der Atmungskette freigesetzte Energie wird genutzt, um Protonen (H⁺) aus der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum zu pumpen.

Der Mechanismus, der den Elektronentransport mit der ATP-Bildung koppelt, wird durch die chemiosmotische Theorie erklärt.

Durch das Pumpen von Protonen entsteht ein elektrochemischer Gradient (Protonenmotorische Kraft) über die innere Mitochondrienmembran:

• Die Matrix wird negativ geladen und alkalischer (höherer pH-Wert, ca. 8).
• Der Intermembranraum wird positiv geladen und saurer (niedrigerer pH-Wert, ca. 7).

Dieser Protonengradient stellt gespeicherte Energie dar. Protonen können nur durch spezifische Kanäle, wie die ATP-Synthase (Komplex V), entlang ihres Konzentrationsgefälles zurück in die Matrix fließen. Die ATP-Synthase nutzt die Energie dieses Protonenflusses, um die Synthese von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat (Pi) anzutreiben.

Pro Elektronenpaar, das von NADH stammt und die gesamte Kette durchläuft, werden Netto etwa 2,5 Moleküle ATP synthetisiert. Pro Elektronenpaar von FADH₂ (das bei Komplex II einsteigt) werden Netto etwa 1,5 Moleküle ATP synthetisiert.