Atmungskette

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 12. November 2016
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Als Atmungskette wird eine Kaskade von Elektronenübertragungsschritten (Redoxreaktionen) im Stoffwechsel der Zellen fast aller Lebewesen bezeichnet. Am Ende der Atmungskette, die in den Mitochondrien abläuft, den Kraftwerken der Zellen, entsteht ATP (Adenosintriphosphat) und Wasser (H2O). Das ATP beinhaltet die konservierte und über kurze Strecken transportfähige Energie, die aus der Atmungskette stammt und für endotherme, also Energie benötigende, Stoffwechselprozesse zur Verfügung steht.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Atmungskette?

Die Atmungskette als Teil der Zellatmung beinhaltet eine Kette von hintereinander erfolgenden Redoxreaktionen, also Elektronen abgebenden und Elektronen aufnehmenden Reaktionen, die durch Enzyme katalytisch gesteuert werden. Der insgesamt stark exotherm verlaufende Prozess, der der Verbrennung von Wasserstoff zu Wasser (Knallgasreaktion) entspricht, würde die Zellen ansonsten thermisch zerstören oder sie gar zur Explosion bringen.

Die Atmungskette vollzieht sich in der inneren Membran der Mitochondrien in vier aufeinander folgenden Redoxkomplexen: Die jeweils auf die nächste Stufe übertragenen Elektronen geben jeweils einen Teil ihrer Energie ab. Gleichzeitig baut sich, durch die in den Raum zwischen innerer und äußerer Membran (Intermembranraum) der Mitochondrien abgegebenen Protonen (H+), ein Protonengradient auf. Die Protonen versuchen, vom Gebiet der hohen Konzentration in das Gebiet niedriger Konzentration – in diesem Fall die innere Membran – zu wandern.

Das funktioniert nur in Verbindung mit dem Enzym ATP-Synthase, einem Tunnelprotein. Während der Passage durch das Tunnelprotein geben die Protonen Energie ab, die im Zuge einer oxidativen Phosphorylierung von ADP (Adenosindiphosphat) und anorganischem Phosphat in ATP umgebaut wird. Das ATP dient als omnipotenter Energieträger für nahezu alle energie-verbrauchenden Stoffwechselvorgänge im Körper. Bei Nutzung der Energie in Stoffwechselprozessen wird es unter exothermer Abspaltung einer Phosphatgruppe wieder zu ADP rückgebaut.

Funktion & Aufgabe

Die Atmungskette hat die Aufgabe und Funktion, in Verbindung mit dem ebenfalls in den Mitochondrien ablaufenden Citratzyklus, dem Körper verwertbare Energie in ausreichendem Maß zur Verfügung zu stellen. Letztlich münden Abbauprozesse von Nahrungsbestandteilen der Stoffgruppen Kohlenhydrate, Fette und Proteine im letzten Teil der Abbauprozesse in die Atmungskette, in der die, in den Nahrungsbestandteilen enthaltene, Energie dem Körper in Form von energetisch nutzbarem ATP zur Verfügung gestellt wird.

Der Hauptnutzen für den menschlichen Stoffwechsel besteht darin, dass die chemische Energie, die in den Nahrungsbestandteilen enthalten ist, nicht ausschließlich und unkontrolliert in Wärmeenergie umgewandelt wird, sondern dass sie in Form von ATP gespeichert wird. Das ATP erlaubt es dem Körper, die gespeicherte Energie zeitlich und räumlich versetzt nach Bedarf zu nutzen. Fast alle Energie verbrauchenden Stoffwechselvorgänge sind auf ATP als Energielieferanten angewiesen.

Am Ende der Atmungskette, die in den Mitochondrien abläuft, den Kraftwerken der Zellen, entsteht ATP und Wasser.

Die Atmungskette umfasst vier sogenannte Komplexe (I, II, III, IV) und zusätzlich als letzten Schritt die Phosphorylierung des ADP zu ATP, die von einigen Autoren auch als Komplex V bezeichnet wird. In den beiden Elektronenübertragungsketten I und II spielen Enzymkomplexe im Zusammenhang mit Ubichinon, NAD/NADH (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid) und FAD (Flavin-Adenin-Dinukleotid) eine wichtige Rolle. Auch die Vorgänge bei den Komplexen III und IV laufen unter Beteiligung von Ubichinol bzw. dem oxidierten Ubichinon und Cytochrom-c-Oxidase ab, das zu Cytochrom c oxidiert. Gleichzeitig wird Sauerstoff unter Anlagerung von 2 H+-Ionen zu Wassser (H2O) reduziert.

Die Atmungskette kann als eine Art offener Kreislauf betrachtet werden, bei dem sich die beteiligten enzymatischen Katalysatoren laufend regenerieren und wieder neu in den Stoffkreislauf eingreifen. Das stellt sich für den Körperstoffwechsel als besonders energieeffizient dar und als besonders effizient hinsichtlich des Umgangs mit Ressourcen, aufgrund des perfekten Recyclings der beteiligten Biokatalysatoren (Enzyme).

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Krankheiten & Beschwerden

Die Atmungskette beinhaltet eine Kaskade von Elektronenübertragungen, an der viele Stoffe und vor allem komplexe enzymatische Prozesse in einer Art biokatalytischer Vorgänge beteiligt sind. Ist einer dieser Vorgänge gestört, kann die Atmungskette selbst gestört oder im Extremfall gänzlich zum Erliegen kommt.

Grundsätzlich können auch eine Reihe genetischer Defekte im Chromosomensatz vorkommen oder sowie genetische Defekte ausschließlich in der separaten mitochondrialen DNA. Falls ein mitochondrialer Gendefekt vorliegt, kann dieser ausschließlich von der Mutter stammen, weil sich die separate mitochondriale DNA des Mannes ausschließlich im Schwanz der Spermien befindet, der aber vor dem Eindringen des Spermiums in das Ei abgestoßen und ausgeschieden wird.

Über genetisch bedingte Störungen im Ablauf der Atmungskette hinaus sind auch erworbene Störungen möglich, die z. B. durch natürliche oder künstliche Hemmstoffe der Atmungskette verursacht werden. Es sind eine Reihe von Substanzen bekannt, die die Atmungskette an einer definierten Stelle hemmen, so dass die Atmungskette völlig unterbrochen wird oder nur unzureichend funktioniert. Andere Substanzen wirken als sogenannte Entkoppler (Protonophore), die die Oxidationsschritte deutlich schneller ablaufen lassen und zu einem erhöhten Sauerstoffbedarf führen. Auch hier gibt es natürliche und künstliche Entkoppler.

Als Hemmstoffe wirken z. B. einige Antibiotika und Fungizide, die z. T. an den Komplexen I, II oder III angreifen. Das Antibiotikum Oligomycin greift direkt hemmend in den Prozess der ATP-Synthase ein, so dass sich eine verminderte ATP-Synthese mit vermindertem Sauerstoffverbrauch einstellt. Als natürlicher Entkoppler wirkt auch das braune Fettgewebe, das in der Lage ist, ohne Umweg über ATP die Energie direkt in Wärme umzuwandeln. Funktionsstörungen in der Atmungskette machen sich in der Regel durch verminderte Leistungen bemerkbar sowie durch häufige oder ständige Müdigkeit und Abgeschlagenheit.

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