ATP-Synthese in Mitochondrien

Zusammenfassung

Im Citratzyklus und bei der Fettsäureoxidation entstehen NADH und enzymgebundenes FADH₂, die in einer stark exergonischen Reaktion Sauerstoff zu Wasser reduzieren können:

NADH + H⁺ + ½ O₂ → NAD⁺ + H₂O

FADH₂ + ½ O₂ → FAD + H₂O

Die enzymkatalysierte Übertragung der Elektronen von NADH und FADH₂ auf O₂ verläuft über die mehrstufige, in der inneren Mitochondrienmembran ablaufende Atmungskette. In der damit gekoppelten oxidativen Phosphorylierung wird die bei diesen Redoxreaktionen frei werdende Energie (∆G^0’= -219 kJ/mol) für die Synthese von ATP aus ADP und P_i genutzt. Die freiwerdende Energie entspricht derjenigen der Knallgasreaktion, die sehr rasch und daher mit Knall abläuft!

H₂ + ½ O₂ → H₂O  ∆G^0’= -242 kJ/mol

Eine Reihe hintereinander geschalteter Elektronenüberträger (Flavoproteine, FeS-Zentren, Ubichinon und Cytochrome transferiert die Elektronen von NADH oder FADH₂ auf O₂. Mit der dabei freigesetzten Energie werden H⁺-Ionen aus der Matrix in den Intermembranalraum der Mitochondrien gepumpt: Die H⁺-Konzentration außerhalb der inneren Membran wird höher als in der Matrix. Das Zurückfließen von H⁺ in Richtung des Konzentrationsgefälles ist gekoppelt mit der Synthese von ATP durch die ATP-Synthase der inneren Mitochondrienmembran (chemiosmotischer Mechanismus der oxidativen Phosphorylierung: 3 mol ATP/ mol NADH): Mitochondrien, die Kraftwerke der Zelle! Gewisse Giftstoffe, z.B. Cyanid, blockieren den Elektronentransport und damit die ATP-Synthese.