Atmungskette: Energiebilanz, Hemmung und Entkopplung

Protonen- und ATP-Ausbeute der Atmungskette

Pro NADH + H⁺, das am Komplex I in die Atmungskette eintritt, werden im Verlauf der Atmungskette 10 H⁺ in den Intermembranraum befördert. Da FADH₂ den Komplex I umgeht, kann es den Transport von maximal 6 H⁺ antreiben. Pro NADH + H⁺ werden 2,5 ATP synthetisiert, pro FADH₂ sind es 1,5 ATP.

ATP-Ausbeute bei vollständiger Oxidation von Glucose

Die vollständige Oxidation der Glucose über Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Citratzyklus und Atmungskette erfolgt nach folgender Gleichung:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Die in der Glykolyse, der oxidativen Decarboxylierung und dem Citratzyklus frei werdende Energie wird zu einem geringen Teil in ATP bzw. GTP konserviert (Ausbeute: 2 ATP und 2 GTP), der überwiegende Teil dagegen in den Reduktionsäquivalenten NADH und FADH₂ (Ausbeute: 10 NADH und 2 FADH₂). Die Reduktionsäquivalente ergeben in der oxidativen Phosphorylierung 28 ATP. In der Summe sind es pro Glucosemolekül 32 ATP (beim Transport von NADH aus der Glykolyse über den Malat-Aspartat-Shuttle).

Hemmung der oxidativen Phosphorylierung

Die oxidative Phosphorylierung kann durch unterschiedliche Substanzen auf unterschiedlichen Ebenen gehemmt werden.

• Inhibition der Elektronentransportkette: z.B. durch Amytal, Rotenon, Antimycin A, HCN (Blausäure; CN^– = Cyanid), CO (Kohlenmonoxid), H₂S (Schwefelwasserstoff), N₃^– (Azid)

• Inhibition der ATP-Synthase (Komplex V): z.B. durch Oligomycin

• Entkopplung von Elektronentransport und ATP-Synthese: z.B. durch toxische Entkoppler wie 2,4-Dinitrophenol (DNP), Carbonylcyanid-3-chlorphenylhydrazon (CCCP)

• Inhibition des ATP-Exports: z.B. durch Atractylosid

Physiologische Entkopplung der oxidativen Phosphorylierung

Das Protein Thermogenin ist in der inneren Mitochondrienmembran von Zellen des braunen Fettgewebes lokalisiert und ein physiologischer Entkoppler der oxidativen Phosphorylierung. Thermogenin bildet in der Membran einen Kanal, durch den Protonen entlang ihres elektrochemischen Gradienten aus dem Intermembranraum in die Matrix strömen können. Die Protonen fließen also nicht durch die ATP-Synthase und dienen daher auch nicht der ATP-Synthese. Stattdessen wird die im elektrochemischen Gradienten gespeicherte Energie als Wärme frei. Man spricht auch von einer zitterfreien Thermogenese.

Regulation der oxidativen Phosphorylierung

Ein sehr wichtiger Faktor, der die Geschwindigkeit der oxidativen Phosphorylierung bestimmt, ist der ATP-Bedarf bzw. der ADP-Spiegel. Im aktiven Muskel (bei hohem ATP-Bedarf) steigt auch die Geschwindigkeit der ADP-Phosphorylierung. Diese Regulation der oxidativen Phosphorylierung durch den ADP-Spiegel bezeichnet man als Atmungskontrolle.