Die aerobe oxidative Phosphorylierung ist die zweite Stufe der Zellatmung und wird in den Mitochondrien, insbesondere der inneren mitochondrialen Membran, durchgeführt. Die Mitochondrien sind Organellen, die die «Kraftwerke» einer Zelle sind und ihr die meiste Energie zur Verfügung stellen, die sie für ihre Lebenstätigkeit benötigt.
Innerhalb der Mitochondrien gibt es zwei Hauptstrukturen, die für die aerobe oxidative Phosphorylierung notwendig sind: die inneren und äußeren mitochondrialen Membranen. Die innere Membran enthält Enzyme, die chemische Reaktionen der aeroben Atmung durchführen und die zweite Phase ermöglichen.
Der aktuelle Prozess der aeroben oxidativen Phosphorylierung findet innerhalb der inneren mitochondrialen Membran statt und umfasst mehrere wichtige Schritte. Einer der Schlüsselschritte ist der Prozess der Elektronenübertragung, der über eine Elektronentransportkette in der inneren Membran des Mitochondriums erfolgt. Dieser Prozess erzeugt das Potential eines Protons durch die Membran, was anschließend zur Synthese von ATP führt.
Ort der zweiten Phase der Zellatmung: aerobe oxidative Phosphorylierung
Die Mitochondrien enthalten zwei Hauptmembranen - die äußere und die innere. Die innere Membran enthält eine Reihe von Proteinkomplexen, die für die aerobe oxidative Phosphorylierung von entscheidender Bedeutung sind.
Die zweite Phase der Zellatmung beginnt mit einem Krebszyklus oder einem Carbonsäurezyklus. In diesem Zyklus werden Acetyl-CoA-Moleküle oxidiert und in Form von NADN und FADN2 in Kohlendioxid, Wasser und Energie zerlegt.
Die erhaltenen NADN und FADN2 werden zum nächsten Schritt der aeroben oxidativen Phosphorylierung - der elektronischen Transportkette - übertragen. Dieser Prozess findet innerhalb der inneren Membran der Mitochondrien statt und beinhaltet die Übertragung von Elektronen von NADN und FADN2 an verschiedene Proteinkomplexe.
Am Ende der elektronischen Transportkette sammeln sich Elektronen an und bilden einen elektrochemischen Gradienten, der die Synthese von Adenosintriphosphat (ATP), dem wichtigsten Energiemolekül der Zelle, fördert. Der Prozess der ATP-Synthese wird als Phosphorylierung bezeichnet und ist der letzte Schritt der aeroben oxidativen Phosphorylierung.
Somit befindet sich der Ort der zweiten Phase der Zellatmung - aerobe oxidative Phosphorylierung - in den Mitochondrien der Zellen, wo der Krebszyklus, die elektronische Transportkette und die ATP-Synthese stattfinden.
Aerobe oxidative Phosphorylierung
Der wichtigste Endprozess bei der aeroben oxidativen Phosphorylierung ist die oxidative Phosphorylierung, wenn die ATP–Synthese stattfindet - die Hauptenergiequelle für die Zelle. Dieser Prozess wird durch eine Elektronentransportkette durchgeführt, die sich auf der inneren mitochondrialen Membran befindet.
Bei der oxidativen Phosphorylierung wird die durch die Oxidation von Glukosemolekülen zu CO2 und H2O freigesetzte Energie verwendet, um ADP (Adenosindiphosphat) in ATP (Adenosintriphosphat) umzuwandeln. ATP ist der primäre Energiespeicher in einer Zelle und wird benötigt, um alle zellulären Prozesse auszuführen.
Elektronen, die durch die Oxidation von Glukose freigesetzt werden, werden von Molekül zu Molekül in der Elektronentransportkette übertragen. Als Ergebnis dieses Prozesses wird die Elektronenenergie verwendet, um einen Protonengradienten durch die mitochondriale Membran zu erzeugen. Dann werden die Protonen durch das Enzym ATP-Synthase in die mitochondriale Matrix zurückgeführt und ATP wird dadurch synthetisiert.
Die aerobe oxidative Phosphorylierung ist im Vergleich zur Glykolyse eine effizientere Methode zur Energiegewinnung. Es ist der Hauptweg des Energiestoffwechsels im aeroben Körper.
Der Prozess
Die aerobe oxidative Phosphorylierung, die mit der Glykolyse beginnt, umfasst mehrere aufeinanderfolgende Phasen: Pyruvat-Oxidation, einen Krebszyklus und einen elektronischen Transportkreis. Diese Prozesse werden innerhalb der Mitochondrien durchgeführt, in denen sich die Enzyme befinden, die für die Implementierung jeder Phase benötigt werden.
In der ersten Phase wird das durch Glykolyse gebildete Pyruvat zu Acetyl-CoA oxidiert, wobei energiereiche Moleküle von NADN und FADN2 gebildet werden. Acetyl-CoA tritt dann in den Krebs-Zyklus ein, in dem eine allmähliche Oxidation und Freisetzung von Energie sowie die Bildung von energiereicherem ATP stattfindet.
Im letzten Schritt findet ein elektronischer Transport statt, bei dem die Moleküle NADN und FADN2 Elektronen auf verschiedene Enzyme übertragen, wobei jedes nachfolgende Enzym die oxidativen Reaktionen auf eine zunehmende Weise verstärkt. Am Ende werden Elektronen an Sauerstoff übertragen, was zur Bildung von Wasser führt und eine große Menge an Energie freisetzt, die für die ATP-Synthese benötigt wird.
Daher ist die aerobe oxidative Phosphorylierung ein wichtiger Mechanismus zur Energiegewinnung in Organismen und trägt zu ihrer normalen Funktion bei.
Aktivierung von Acyl-CoA
Acyl-Coa-Synthetase ist ein Schlüsselenzym, das am Aktivierungsprozess von Acyl-CoA beteiligt ist. Es katalysiert eine Reaktion, bei der Acyl-CoA mit einem ATP-Durchfluss an das Coenzym-A-Molekül gebunden wird. Dadurch entsteht aktiviertes Acyl-CoA, das zur weiteren oxidativen Phosphorylierung bereit ist.
Die aktivierte Acyl-CoA gelangt dann in die nächste Phase der Zellatmung - den Krebs-Zyklus, in dem sie oxidiert und Energie produziert. Die Aktivierung von Acyl-CoA ist ein wichtiger Schritt, da es den Zellen ermöglicht, Fettsäuren als Energiequelle zu verwenden und den maximalen Nutzen aus den Glukosemolekülen zu ziehen, wenn sie oxidiert werden.
Krebs-Zyklus
Der Krebs-Zyklus umfasst eine Abfolge von Reaktionen, die zur Oxidation von Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) führen, die durch Glykolyse und Beta-Oxidation von Fettsäuren erzeugt wird. Die Oxidation von Acetyl-CoA im Krebszyklus führt zur Bildung von hochenergetischen Molekülen wie NADN und FADN2.
Während des Krebszyklus tritt die folgende Abfolge von Reaktionen auf:
- Acetyl-CoA verbindet sich mit Oxalacetat und bildet Citrat.
- Das Citrat durchläuft eine Reihe von Transformationen, durch die es zu Oxalacetat zurückkehrt und dabei zwei Kohlendioxidmoleküle und zwei NADN-Moleküle freigesetzt werden.
- Während der Reaktionen wird ein einzelnes Molekül von GTF (Guanyltriphosphorsäure) gebildet, das wiederum in ATP (Adenosintriphosphorsäure) umgewandelt wird.
Der Krebs-Zyklus ist ein wichtiger Schritt in der zweiten Phase der Zellatmung und dient zur weiteren Absorption der durch die Glykolyse und Beta-Oxidation von Fettsäuren erzeugten Energie sowie der Bildung von NADN und FADN2 zur weiteren Verwendung in der oxidativen Phosphorylierung.
Bildung von Acetyl-CoA
Es wird im Krebs-Zyklus gebildet, der die zweite Stufe der Zellatmung ist und in den Mitochondrien der Zelle auftritt.
Im Krebszyklus wird Acetyl-CoA durch Oxidation von Pyr gebildet
Elektronischer Transport
Zu Beginn der Phase werden Elektronen an das Enzym übertragen dehydrogenase Succinat-Dehydrogenase mit Vitamin B2, Flavin. Als nächstes werden Elektronen durch eine Reihe von Proteinkomplexen transportiert, die als komplex I, Komplex II, Komplex III und Komplex IV.
Beim elektronischen Transport werden Elektronen durch diese Komplexe transportiert, Protonen werden an sie angeschlossen, die dann im Intermembranraum der Mitochondrien transportiert werden. Dann erreichen die Elektronen komplex IV wo Wasserstoff oxidiert wird und Wasser bildet.
Der Prozess des elektronischen Transports in den Mitochondrien sorgt für die Freisetzung großer Mengen an Energie, die dann zur Synthese von ATP-Molekülen, der Hauptenergiequelle für zelluläre Prozesse, verwendet wird.
Elektronentransfer
Die Hauptteilnehmer beim Elektronentransport sind die Transportketten, die sich innerhalb der Mitochondrien befinden. Dazu gehören verschiedene Enzyme und Proteine, die Elektronen von einer Komponente zur anderen übertragen und die Energietransfer ermöglichen.
Die Haupttransporter von Elektronen in der aeroben oxidativen Phosphorylierung umfassen:
| Überträger | Funktion |
|---|---|
| Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD+) | Nimmt Elektronen auf und wird in NADH umgewandelt |
| Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) | Nimmt Elektronen auf und wird in FADH2 umgewandelt |
| Zytochrome | Übertragung von Elektronen von einer Komponente zur anderen in einer Transportkette |
| Quinonmoleküle (CoQ10, CoQ) | Übertragung von Elektronen von Cytochromen zur oxidativen Phosphorylierung |
Der Elektronentransfer erfolgt entlang des Energiegradienten, der durch den Konzentrationsunterschied der Protonen durch die innere Membran der Mitochondrien entsteht. Dieser Gradienten wird von Enzymen wie ATP-Synthase zur Synthese von ATP verwendet.
Somit ist der Elektronentransfer der Hauptmechanismus, der die Erzeugung von Energie in Form von ATP während der aeroben Zellatmung ermöglicht.
