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Atmungskette

Die Atmungskette ist der letzte Schritt des in den Mitochondrien stattfindenden Glukoseabbaus und schließt sich an die Glykolyse und den Citratzyklus an. Die während des Citratzyklus entstandenen Coenzyme NADH 2+ und FADH 2 übertragen ihren Wasserstoff an Sauerstoff und bilden somit Wasser – eine Knallgasreaktion mitten in der Zelle - würde diese Reaktion nicht auf viele harmlose Schritte aufgespalten ablaufen – die Atmungskette. Als Endprodukt entsteht ATP, welches dem Organismus als Energie zur Verfügung steht.
Die Enzyme der Atmungskette sind bei Prokaryoten in der Cytoplasmamembran, bei Eukaryoten in der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert. Sie bilden eine Reihe/Kette von Redoxsystemen, durch die Elektronen stufenweise in Richtung positiveres Potenzial transportiert werden. Integrale Membranproteine pumpen an drei Stellen der Reaktionskette Protonen durch die Membran, da diese nicht ohne Weiteres die Biomembranen passieren können. Es gibt drei verschiedene Transportarten für Elektronen in der Atmungskette: die ausschließliche Elektronenübertragung ( Fe 3+ zu Fe 2+ ), die Übertragung eines Wasserstoffatoms ( H +   +   e - ) oder die Übertragung eines Hydridions ( H - ).

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Atmungskette (Elektronentransport)

In der Atmungskette werden die Elektronen von den in Glykolyse und Citratcyclus reduzierten Coenzymen über eine Kette von Elektronen-Carriern (-transportern) schrittweise auf Sauerstoff übertragen.
In die innere Mitochondrienmembran sind vier unterschiedliche Enzymkomplexe eingelagert, durch deren Zusammenwirken der Elektronentransport zustande kommt. Da die Membran zu vielen Cristae (blattförmige Einstülpungen) gefaltet ist, haben viele tausende Kopien dieses Quartetts Platz.

Die mitochondriale Atmungskette besteht aus einer Reihe von Proteinkomplexen. Diese wirken als Oxireduktasen und werden als Komplexe I-IV bezeichnet. Sie enthalten Reaktionszentren mit Flavinen, Eisenschwefelkomplexen und Eisenprophyrinen (Cytochrome). Neben diesen dienen die Redoxhilfssubstrate Cytochrom und Ubichinon als Sammelbecken für Elektronen bzw. Wasserstoff. Zwischen den Proteinkomplexen finden Elektronenübergänge statt, die dabei freiwerdende Energie wird sofort zur Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung des Protonengradienten umgesetzt.

Die aus dem Citratzyklus stammenden Coenzyme NADH und FADH 2 geben Elektronen ab, die Protonen sammeln sich im Intermembranraum.
Über die Komplexe I (NADH-Q-Oxidoreductase), III (Hydrochinon-Cytochrom c-Oxidoreductase) und IV ( Cytochrom c-O 2 -Oxidoreductase ) werden Protonen über die Membran gepumpt. Der hier nicht aufgeführte Komplex II ist direkt an einer Reaktion des Citratcyclus beteiligt und schleust seine Elektronen von dort über enzymgebundenes FAD in die Atmungskette ein, übernimmt in der Atmungskette also keine Protonentransportfunktion.

Die Mehrzahl der Elektronentransportenzyme enthalten Eisenionen, die bei Elektronenaufnahme reduziert ( Fe 3+   +   e - → Fe 2+ ) und bei Elektronenabgabe ( Fe 2+   →   e -   +   Fe 3+ ) oxidiert werden. Da die Enzyme eine unterschiedliche Elektronegativität besitzen, werden die Elektronen von Enzym zu Enzym weitergegeben. Das nächstfolgende Enzym hat eine höhere Elektronegativität als das vorhergegangene. Es nimmt deshalb die Elektronen auf.

Vom letzten Enzym der Kette werden die Elektronen auf Sauerstoffatome übergeben, die dann mit Protonen zu Wasser reagieren.
Bei diesem Transport entsteht Energie. Sie kann direkt zur ATP-Synthese genutzt werden, weiterhin werden ständig Protonen in den Intermembranraum gepumpt, um einen Konzentrationsausgleich zu verhindern. Dazu wird kein ATP verbraucht, es würde sonst ausschließlich für diesen Zweck synthetisiert werden und die Atmungskette an sich überflüssig machen. Grüne Bakterien und Pflanzen setzen für diesen Protonentransport Sonnenenergie ein, Bakterien, Pilze und Tiere gewinnen die Energie über chemische Reaktionen.

  • Bau der Mitochondrienmembranen

Die durch die Atmungskette freiwerdende Energie fällt zu etwa 60% als Wärme an, während maximal 40% gebunden als ATP und in dieser Form als für den Zellstoffwechsel weiter verwertbare Energie auftreten. Die Ausbeute von ATP wird häufig durch den sog. P/O-Quotienten charakterisiert, der angibt, wie viel mol ATP pro Grammatom Sauerstoff-Verbrauch gebildet werden.

Winterschlafende Tiere zeigen bei insgesamt stark verminderter Atmung einen relativ niedrigen P/O-Quotienten, wodurch eine Verschiebung zugunsten einer höheren Wärmeproduktion auf Kosten von ATP-Synthese erreicht wird.

Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Atmungskette." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/chemie-abitur/artikel/atmungskette (Abgerufen: 23. May 2025, 08:15 UTC)

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