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Chemie für Mediziner: Redox-Reaktionen

Exkurs: Die Atmungskette

Die Atmungskette bildet den Abschluss der biochemischen Energiegewinnung. In diesem Prozess werden die bei der Glycolyse und dem Citrat-Cyclus reduzierten Coenzyme NADH und FADH21) wieder oxidiert. Als Oxidationsmittel dient letztlich Sauerstoff. Die Energie wird als ATP, also in einer biochemisch verwertbaren Form gewonnen.

Abb.1
Redox-Prinzip der Atmungskette

Aus einem mol Glucose entstehen 36-38 mol ATP. 2 mol ATP werden bei der Glycolyse gewonnen, 2 mol im Citrat-Cyclus. Die übrigen 32/34 mol entstehen erst in der Atmungskette.

Die Oxidation erfolgt in der Atmungskette über eine Kaskade verschiedener Redox-Systeme. Es sind insgesamt vier Enzymkomplexe für die Oxidation und ein Komplex für die ATP-Synthese an diesem Prozess beteiligt. Die gesamte Atmungskette läuft an der inneren Mitochondrien-Membran ab.

Abb.2
Die Redox-Atmungskette

Als Redoxsysteme dienen im einzelnen Schwermetallkomplexe, insbesondere Eisen-Porphyrin-Komplexe (Cytochrome) und Kupfer-Komplexe, sowie heterocyclische aromatische Systeme (z.B. FMN) und Chinone (Ubichinon). Die einzelnen Redoxsysteme besitzen Potentiale, die zwischen dem von NADH (-0,32 V) und dem von Sauerstoff (+0,82 V) liegen. (Die Potentiale sind hier auf pH 7 bezogen!) Während einiger Redox-Teilschritte werden Protonen aus dem Inneren des Mitochondriums in den Intermembranraum zwischen innerer und äußerer Mitochondrien-Membran transportiert. Dieser Protonengradient wird schließlich zur ATP-Synthese ausgenutzt.

Tab.1
Energie-Bilanz: Potenzialdifferenz: Δ E = 1,14 V
theoretische Energieausbeute: ΔG = - z F Δ E ΔG = - 220,0 kJmol-1
Energieinhalt von 1 mol ATP(ATP → ADP + P) ΔG = - 30,5 kJmol-1
aus 1 mol NADH entstehen 3 mol ATP: ΔG = 3 ( - 30,5 kJmol-1 ) ΔG = - 91,5 kJmol-1
Gesamt-Energieausbeute: - 91,5 kJmol-1 / - 220,0 kJmol-1 = 41,6%
1)FADH2: reduziertes Flavin-Adenin-Dinucleotid
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