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Was ist die Atmungskette?

Definition

Die Atmungskette ist ein Prozess zur Energiegewinnung in unseren Körperzellen. Sie schließt sich an den Citratzyklus an und ist der letzte Schritt des Abbaus von Zucker, Fetten und Eiweißen. Lokalisiert ist die Atmungskette in der inneren Membran der Mitochondrien. In der Atmungskette werden zwischenzeitlich gebildete Reduktionsäquivalente (NADH+H+ und FADH2) wieder oxidiert (Elektronen werden abgegeben), wodurch ein Protonengradient aufgebaut werden kann. Dieser wird schließlich dazu genutzt, den universalen Energieträger ATP (Adenosintriphosphat) zu bilden. Damit die Atmungskette vollständig ablaufen kann, wird zudem Sauerstoff gebraucht.

Ablauf der Atmungskette

Die Atmungskette ist eingegliedert in die innere Mitochondrienmembran und besteht aus insgesamt fünf Enzymkomplexen. Sie schließt sich an den Citratzyklus an, in dem die Reduktionsäquivalente NADH+H+ und FADH2 gebildet werden. Diese Reduktionsäquivalente speichern zwischenzeitlich Energie und werden in der Atmungskette wieder oxidiert. Dieser Prozess findet an den ersten beiden Enzymkomplexen der Atmungskette statt.

Komplex 1: NADH+H+ gelangt an den ersten Komplex (NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase) und gibt zwei Elektronen ab. Gleichzeitig werden 4 Protonen vom Matrixraum in den Intermembranraum gepumpt.
Komplex 2: FADH2 gibt seine zwei Elektronen am zweiten Enzymkomplex (Succinat-Ubichinon-Oxidoreduktase) ab, wobei aber keine Protonen in den Intermembranraum gelangen.
Komplex 3: Die abgegeben Elektronen werden an den dritten Enzymkomplex (Ubichinon-Cytochrom-c-Oxidoreduktase) weitergeleitet, wo nochmals 2 Protonen vom Matrixraum in den Intermembranraum gepumpt werden.
Komplex 4: Letztendlich gelangen die Elektronen zum vierten Komplex (Cytochrom-c-Oxidase). Hier werden die Elektronen auf Sauerstoff (O2) übertragen, sodass mit noch zwei zusätzlichen Protonen Wasser (H2O) entsteht. Dabei gelangen wieder 2 Protonen in den Intermembranraum.

Insgesamt wurden nun acht Protonen vom Matrixraum in den Intermembranraum gepumpt. Grundvoraussetzung für die Elektronentransportkette ist die steigende Elektronegativität der Enzymkomplex. Das bedeutet, dass die Fähigkeit der Enzymkomplexe negative Elektronen anzuziehen, immer stärker wird.
Neben dem ersten Endprodukt Wasser wurde durch die Atmungskette ein Protonengradient im Intermembranraum aufgebaut. In diesem ist Energie gespeichert, welche genutzt wird, um ATP (Adenosintriphosphat) aufzubauen. Dies ist die Aufgabe des fünften und letzten Enzymkomplexes (ATP-Synthase).

Komplex 5: Der fünfte Komplex durchspannt die Mitochondrienmembran wie einen Tunnel. Durch diesen fließen, angetrieben durch den Konzentrationsunterschied, die Protonen wieder in den Matrixraum. So entsteht aus ADP (Adenosindiphosphat) und anorganischem Phosphat ATP, welches dem gesamten Organismus zur Verfügung steht.

Was macht die Protonenpumpe?

Die Protonenpumpe ist der fünfte und letzte Enzymkomplex der Atmungskette. Durch diesen fließen die Protonen aus dem Intermembranraum in den Matrixraum zurück. Dies wird nur durch den zuvor hergestellten Konzentrationsunterschied zwischen den beiden Reaktionsräumen ermöglicht. Die in dem Protonengradienten gespeicherte Energie wird dazu genutzt, um aus Phosphat und ADP letztendlich ATP (Adenosintriphosphat) zu synthetisieren.
ATP ist der universelle Energieträger unseres Körpers und ist für eine Vielzahl von Reaktionen unerlässlich. Da es an der Protonenpumpe generiert wird, wird diese auch als ATP-Synthase bezeichnet.

Bilanz der Atmungskette

Das entscheidende Endprodukt der Atmungskette ist das ATP (Adenintriphosphat), welches ein universeller Energieträger des Körpers ist. ATP wird mit Hilfe eines Protonengradienten, welcher während der Atmungskette entsteht, synthetisiert. Dabei sind NADH+H+  und FADH2 unterschiedlich effizient. NADH+H+  wird an der Atmungskette am ersten Enzymkomplex zurück zu NAD+ oxidiert und pumpt dabei insgesamt 10 Protonen in den Intermembranraum. Bei der Oxidation von FADH2  ist die Ausbeute geringer, denn es werden nur 6 Protonen in den Intermembranraum transportiert. Dies liegt daran, dass FADH2 am zweiten Enzymkomplex in die Atmungskette eingeschleust wird und so den ersten Komplex umgeht. Um ein ATP zu synthetisieren, müssen 4 Protonen durch den fünften Komplex fließen.
Folglich werden pro NADH+H+ 2,5 ATP (10/4=2,5)und pro FADH2 1,5 ATP (6/4=1,5) hergestellt.
Bei dem Abbau eines Zuckermoleküls über die Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette können so maximal 32 ATP generiert werden, welche dem Organismus zur Verfügung stehen.

Welche Rolle spielen die Mitochondrien?

Mitochondrien sind Zellorganellen, die in tierischen und pflanzlichen Organismen vorkommen. In den Mitochondrien finden verschiedene Energieprozesse ab, unter anderem auch die Atmungskette. Da die Atmungskette der entscheidende Prozess zur Energiegewinnung ist, werden Mitochondrien auch die "Kraftwerke der Zelle" genannt. Sie haben eine doppelte Membran, sodass insgesamt zwei abgetrennte Reaktionsräume entstehen. Innen befindet sich der Matrixraum und zwischen den beiden Membranen der Intermembranraum. Diese zwei Räume sind fundamental für den Ablauf der Atmungskette. Nur auf diese Weise kann ein Protonengradient aufgebaut werden, welcher wichtig für die ATP-Synthese ist.

Lesen Sie in diesem Artikel mehr zum Thema: Aufbau der Mitochondrien

Was macht Cyanid in der Atmungskette?

Cyanide sind gefährliche Giftstoffe, zu denen unter anderen auch Verbindungen der Blausäure gezählt werden. Sie sind in der Lage die Atmungskette zum Erliegen zu bringen.
Konkret bindet das Cyanid an das Eisen des vierten Komplexes der Atmungskette. Folglich können die Elektronen nicht mehr auf molekularen Sauerstoff übertragen werden. Die gesamte Atmungskette kann dadurch nicht mehr ablaufen.
Die Folge ist ein Mangel an dem Energieträger ATP (Adenosintriphosphat) und es kommt zu einem sogenannten "inneren Ersticken". Die Symptome wie Erbrechen, Bewusstlosigkeit und Krämpfe treten sehr schnell nach der Cyanidvergiftung ein und führen unbehandelt zu einem schnellen Versterben.  

Was ist ein Atmungskettendefekt?

Ein Atmungskettendefekt ist eine seltene Stoffwechselerkrankung, die sich oft schon im Kindesalter manifestiert. Ursächlich sind Veränderungen in der Erbinformation (DNA). Die Mitochondrien sind in ihrer Funktion eingeschränkt und die Atmungskette funktioniert nicht einwandfrei. Bemerkbar macht sich dies besonders an Organen, die viel Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) verbrauchen.
Ein typisches Symptom sind folglich beispielsweise Muskelschmerzen oder auch Muskelschwäche.
Eine Therapie dieser Erkrankung gestaltet sich schwierig, da es sich um eine erbliche Krankheit handelt. Es sollte auf eine ausreichende Energiezufuhr (z.B. durch Traubenzucker) geachtet werden. Ansonsten ist eine rein symptomatische Behandlung angebracht.  

Weitere Informationen

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Qualitätssicherung durch: Dr. Nicolas Gumpert      |     Letzte Änderung: 17.12.2018
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