Die Atmungskette

Die reduzierten Coenzyme aus Glykolyse und Citratzyklus geben ihre Elektronen an eine Kette von Überträgern in der Mitochondrienmembran ab.

• Ort: Innere Mitochondrienmembran; ihre Einfaltungen (Cristae) vergrößern die Fläche.
• Bauteile: Vier Proteinkomplexe I bis IV, fest in der Membran verankert.
• Bewegliche Überträger: Ubichinon wandert innerhalb der Membran, Cytochrom c an ihrer Außenseite im Intermembranraum.
• Einspeisung: NADH + H⁺ gibt zwei Elektronen an Komplex I ab, FADH₂ an Komplex II. NAD⁺ und FAD kehren in Glykolyse und Citratzyklus zurück.
• Weitergabe: Komplex I bzw. II → Ubichinon → Komplex III → Cytochrom c → Komplex IV. Jeder Überträger wird reduziert und gleich wieder oxidiert.
• Richtung: Jeder Akzeptor zieht Elektronen stärker an als sein Vorgänger: Die Elektronenaffinität steigt entlang der Kette.
• Endakzeptor: Sauerstoff übernimmt an Komplex IV die Elektronen und bindet Protonen aus der Matrix — es entsteht Wasser.

Die Elektronen fallen nicht auf einmal zum Sauerstoff hinab, sondern Stufe für Stufe.

• Energetisches Modell: Die Kette wird als Treppe (Wasserfall) gezeichnet: oben energiereiches NADH, unten Sauerstoff und Wasser.
• Jede Stufe: Bei jedem Übertragungsschritt wird ein Teil der Energie frei.
• Protonenpumpen: Die Komplexe I, III und IV nutzen diese Energie, um Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum zu pumpen.
• Weg von FADH₂: Einstieg über Komplex II, der nicht pumpt; Komplex I wird übersprungen — es werden weniger Protonen gepumpt.
• Stufen statt Explosion: Wasserstoff und Sauerstoff reagieren direkt als Knallgasreaktion: Die ganze Energie wird schlagartig als Wärme frei. Die Kette portioniert sie so, dass die Zelle sie nutzen kann.

• Redoxpotenzial: \(E^{\circ\prime}\) gibt an, wie stark ein Redoxpaar Elektronen anzieht. Elektronen fließen vom negativeren zum positiveren Potenzial.
• Anfang und Ende: \(E^{\circ\prime}(\mathrm{NAD^+/NADH}) = -0{,}32\,\mathrm{V}\), \(E^{\circ\prime}(\mathrm{O_2/H_2O}) = +0{,}82\,\mathrm{V}\) — Differenz \(\Delta E^{\circ\prime} = 1{,}14\,\mathrm{V}\).

• Leistung des Modells: Die Treppe zeigt die Reihenfolge der Überträger, die Richtung des Elektronenflusses und wie viel Energie insgesamt und je Stufe frei wird.
• Grenze: Struktur: Protonenpumpen, Membran und die räumliche Anordnung der Komplexe kommen im Modell nicht vor.
• Grenze: Zeit: Wie schnell Elektronen fließen, zeigt das Modell nicht.
• Grenze: Standardwerte: \(E^{\circ\prime}\) gilt für Standardbedingungen (pH 7, 1 mol/L); in der Zelle weichen Konzentrationen ab.
• Grenze: Stufenhöhe: Das Wort „Treppe“ suggeriert gleich große Stufen — tatsächlich sind sie sehr unterschiedlich hoch.

Ziehe das Elektronenpaar 2 e⁻ die Treppe hinab — oder wähle es mit Tab und gehe mit → Schritt für Schritt weiter. ▶ lässt es von allein fließen. Oben im Balken wählst du, ob die Elektronen von NADH oder von FADH₂ kommen.

Halte fest: Die Elektronen geben ihre Energie in Stufen ab. Nur die Komplexe I, III und IV nutzen ihre Stufe zum Protonenpumpen — Elektronen von FADH₂ steigen tiefer ein und pumpen deshalb weniger Protonen. Die Stufenhöhen sind gerundete Modellwerte.