K14 Energy Conversion: Mitochondria
Die ATP-Gewinnung findet durch die Membran von speziellen Zellorganellen (Mitochondria und Plastiden, vor allem Chloroplasten) statt. Sie beruht auf einer chemiosmotischen Kupplung mit zwei Schritten:
1. Angeregte Elektronen (aus Nahrung oder Sonnenlicht) passieren durch eine Serie in der Membran eingebetteten electron carriers. Dabei rlieren sie Energie, mit welcher ein electrochemical proton gradient gebildet wird.
2. Die Protonen fliessen ¨downhill¨ zurück durch das Protein ATP Synthase, welches seinem Namen dann Ehre macht.
Mitochondrion: Wechselt häu seine Form und bewegt sich im Cytosol. Ab und zu fusioniert es mit seinesgleichen. Es besteht aus zwei rschiedenen Membranen und zwei rschiedenen Innenräume (Abb. 1). Die outer membrane enthält eine Vielzahl des transmembranen Transportproteins Porin, welches auch sehr grosse Moleküle durchlässt. Der intermembrane space ist deswegen chemisch äquivalent im Bezug auf die enthaltenen kleinen Moleküle. Die inner mambrane ist stark spezialisiert: es besteht aus dem Phospholipid Cardiolipin, welches vier Fettsäuren aufweist (führt zu geringerer Durchlässigkeit für Ionen). Die inner membrane ist gefaltet und bildet dadurch cristae. Sie beinhaltet Proteine mit drei Funktionen:
1. Proteine, welche die Oxidationen in der electron transport chain ausführen
2. ATP Synthase, generiert ATP aus ADP und Pi in der Matrix
3. Transportproteine, welche die Meoliten in und aus der Matrix führen
Fettsäuren und Pyruvat gelangen in die Matrix, wo sie zu acetyl CoA konrtiert werden und dann weiter über den Zitronensäure-Cyclus zu CO2 und angeregten Elektronen (in NADH gespeichert) rarbeitet werden (Abb. 2). Aus den Ausgangssubstanzen O2, NADH, ADP, Pi und mit Hilfe der electron transport chain und des Protonengradienten wird mit der Oxidatin Phosphorylierung ATP generiert. Der chemi-osmotsche Gradient treibt aber nicht nur die ATP Synthase an, sondern hilft auch beim Transport von Ionen oder geladenen Molekülen, wie ATP, ADP oder Pi. Die ATP Synthase kann auch rückwärts laufen, indem sie unter ATP Hydrolyse einen Protongradienten aufbaut.
Electron-transport Chain: Die Oxidation von NADH durch O2 gibt ungefähr 220 kJ mol-l frei, dass heisst 110 kJ mol-l pro übertragenem Elektron (im Vergleich: Die ATP Synthese benötigt 30 kJ mol-l). Elektronenträger in der Zelle sind Cytochrome (besitzen eine Häm-Gruppe, dessen Eisenatom bei der Elektronenaufnahme von der Oxidationsstufe Fe3 zu Fe2 wechselt) oder Eisen-Schwefel-Proteine (besitzen zwei oder vier Eisenatome, die an gleich viele Schwefelatome und Cystein-Seitenketten gebunden sind) und die hydrophoben, membrangebundenen Moleküle Quinone (Q) (z.B. Ubiquinon (Abb. 3)oder Coenzym Q, nehmen binden der Reduktion auch ein Proton). Die electron-transport chain besteht aus drei grossen resperatory enzyme complexes (Abb. 4), welche alle als Protonenpumpen agieren:
1. Der NADH Dehydrogenase Komplex oder Komplex 1 (besteht aus etwa 40 Polypeptidketten) nimmt Elektronen von NADH auf und gibt sie durch Flavin und mindestens sieben Fe-S-Zentren an Ubiquinon weiter. Dieses bringt die Elektronen zu
2. Cytochrom b-c1 Komplex (besteht aus 11 Polypeptidketten und ist ein Dimer) weiter. Jedes Monomer enthält drei Häm-Gruppen, die an Cytochrome und Fe-S-Proteine gebunden sind. Die Elektronen werden an Cytochrom c übertragen und von diesem transportiert zu
3. Cytochrom Oxidase Komplex (ebenfalls ein Dimer aus je 13 Polypeptidketten). Er enthält zwei Cytochrome und zwei Kupferatome. Viermal ein Elektron wird vom ersten Kupferatom aus dem Cytochrom c aufgenommen und an die erste Häm-Gruppe weitergegeben, wo die Elektronen gesammelt werden, um dann einmalig alle vier Elektronen auf das O2, welches an das zweite Cu-Atom und die zweite Häm-Gruppe bindet, zu übertragen. Es entstehen zwei Wassermoleküle, vier Protonen werden dabei von der Matrix in den intermembranen Raum gepumpt (Gesamtrlust an acht Protonen in der Matrix).
Sogenannte uncoupling agents, z.B. 2,4-Dinitrophenol, entkuppeln den Elektonentransport und die ATP Synthese. Das wird z.B. in Brown Fat Zellen ausgenützt, welche anstatt ATP Wärme erzeugen.
Gensysteme: Mitochondria und Plastide besitzen ihre eigene DNA. Das kommt daher, dass diese Organellen früher Bakterien waren, welche von Ahnenzellen aufgenommen wurden. Die Proteine in den Plastiden haben zwei Ursprünge: entweder waren sie in der Plastid-DNA codiert, oder dann in der DNA im Nucleus und wurden via Cytosol zum Plastid transportiert. Das kann daher kommen, dass im Laufe der Zeit DNA aus den Plastiden zum Nucleus gewandert ist. Die Umkehrung, dass Plastidproteine ins Cytosol exportiert werden, tritt nicht ein. Wie schon gesagt, fusionieren Mitochondria miteinander und trennen sich wieder (Fission) (Abb. 5). Damit beide der getrennten Mitochondria DNA besitzen, kann es vorkommen, dass sich in einem Mitochondrion mehrere DNA befinden. Die Replikation kann immer auftreten und ist nicht an den Zellcyclus gebunden. Die Mitochondrion-DNA ist in Nucleoiden, welche in der Matrix an die inner membrane befestigt ist, zusammengefasst.
Die menschliche Mitochondrion-DNA weist folgende Sonderheiten auf: Die DNA besteht praktisch nur aus codierbaren Sequenzen und es hat sehr wenig Platz für regulierende Sequenzen. Ebenfalls werden nur 22 tRNA benötigt, da die Codon-Anticodon-Wechselwirkung in der ¨wobble¨-Position sehr locker gehandhabt wird. Die wirrste Sonderheit ist aber, dass vier von 64 Codons eine andere Bedeutung haben.
Mitochondrion-DNA wird nach einem nicht-Mendelschen Mechanismus rerbt: Wenn zwei haploide Zellen mit rschiedenen DNA (im Nucleus und im Mitochondrion) rschmelzen, bildet sich eine diploide Zelle mit Nucleus und Mitochondrion, welche beide Sätze enthalten. Bei anschliessender Mitose wird im Gegensatz zur Zell-DNA die Mitochondrion-DNA wieder aufgeteilt, so dass die Tochterzellen nur einen Satz dieser DNA besitzen. Dieser Prozess wird Mitotische Segregation genannt. Bei Menschen wird die Mitochondrion-DNA von der Mutter rerbt (wegen dem Grössenunterschied von Eizelle und Sperma kommen auf 2000 mütterlichen Mitochondria nur etwa ein bis zwei Väterliche). Wenn die Mutter jedoch einen grossen Teil Mitochondria mit mutierter DNA besitzt, wird das Kind aufgrund der mitotischen Segregation in gewissen Geweben eine Ansammlung dieser defekten Mitochondria aufweisen. Söhne und Töchter können von diesen Erbkrankheiten gleich betroffen sein, doch nur Töchter können diese weiterrerben.
Zellen mit Mitochondria, welchen die DNA fehlt, sogenannte Petite Mutants, können dennoch ATP synthetisieren, da der Nucleus die erforderlichen Proteine zur Verfügung stellt. Ebenfalls codiert der Nucleus Proteine, die für gewebespezifische Aufgaben der Plastide benötigt werden. Viele Proteine, die im Cytosol synthetisiert wurden, werden für den Ablauf in den Mitochondria gebraucht (Abb. 6). Die Mitochondria importieren auch ihre Phospholipide.
Die Evolution der electon-transport chains: Die ersten Zellen gewannen ihre Energie aus Gärung von organischen Molekülen. Die Abfallprodukte (meist Carbonsäuren) wurden ausgeschieden. Dadurch wurde der pH-Wert der Umgebung erniedrigt, und um die Konzentration der zurückfliessenden Protonen gering zu halten, wurden H -Pumpen gebildet, welche die Energie aus der ATP Hydrolyse nahmen (Stage 1). Um ATP zu sparen, wurde das Redox-Potential der Abfallprodukte gebraucht, um die H -Pumpen zu betätigen (Stage 2). Als die Zelle dadurch mehr Energie bekam, als zur Betreibung der Pumpe nötig wäre, war sie nicht unglücklich und nutzte diesen Vorteil (Stage 3) (Abb. 7). Eine weitere Veränderung der Umwelt musste bewältigt werden: die organischen Moleküle rsiegten, und dank der Entwicklung der Photosynthese konnte man CO2 als Carbonquelle nutzen. Zuerst wurde noch H2S als Oxidationsmittel benutzt, die Cyanobakterien nutzten später H2O, was zu einer drastischen Umweltränderung führte: dank den geringen Anforderungen konnten sich diese Organismen schnell rbreiten und O2 füllte die Atmosphäre. Als genug organische Moleküle hergestellt waren, brauchte man nicht mehr nur die Photosynthese als Energiegewinnung, sondern auch die Respiration.
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