PBC Basics: Atmungskette

0:41 So, der Alltagsstress lässt euch mal wieder nicht aus euren Fängen. Ihr merkt, wie eure Atmung viel zu schnell ist. Deswegen würde ich euch bitten, euch jetzt einfach ganz ruhig irgendwo hinzusetzen, tief einzuatmen und auszuatmen.

0:57 Und jetzt lasst die Atmungskette in euer Gehirn hineingeatmet werden.

1:16 Der Pokel. So liebe Freunde, es ist endlich soweit. Heute findet unser langer Weg der Glucose ein Finale. Die Mitochondrien können endlich ihren zweiten Namen Kraftwerke der Zelle alle Ehre erweisen. Es kommt endlich zum Hauptmechanismus. Und wie ihr gerade schon gehört habt von meinem Gegenüber, einem meiner beiden gegenüber von Fabian, der euch so ganz schön das Intro ins Hirn gehustet habt.

1:46 Heute wird geatmet. Zudem ist Tim da heute. Hi. Und von mir auch nochmal übrigens. Im Hintergrund dürfen wir nochmal unseren neuesten Teammitglied begrüßen, die einen sehr, sehr großen Teil des Skripts heute geschrieben hat. Lilissa, hallo und herzlich willkommen. Wir haben einen Zubachs bekommen, wir sind stets wachsend.

2:09 Und wenn auch ihr bei uns mitmachen möchtet, kleine Werbeeinlage, dann schreibt uns gerne in eine Mail oder auf Insta an der Vorklinik Podcast.

2:18 Bevor wir nochmal starten, wir haben ja schon einiges an Stoffwechsel hinter uns, möchten wir nochmal kurz zusammenfassen, was haben wir eigentlich schon so gemacht in den letzten drei Folgen? Ganz kurze Werbung.

2:34 Wir haben in diesem Semester einen richtig coolen Werbepartner, Meditrix, und den wollen wir euch jetzt einmal vorstellen.

2:41 Einige von euch fragen uns manchmal auf Insta, ob wir irgendwie so Lernstrategien oder Lerntipps haben. Keine Ahnung, warum wir dafür die Autorität haben. Aber es ist ja schon so im Medizinstudium, es gibt so Sachen, die versteht man einmal und dann kann man die. Und dann gibt es so diese vielen Fakten, die man wirklich relativ stumpf auswendig lernen muss.

3:02 Und das hilft einfach nichts, die müssen einfach rein. In der Vorklinik erinnere ich mich an die Hirnnerven, die Anatomie oder sonstiges. Manche Sachen muss man sich einfach auswendig merken. Und da ist der Game Changer schlechthin tatsächlich Meditrix. Meditricks, das sind quasi Eselsbrücken als Bilder.

3:18 Ihr findet bei Meditrix ganz viele verschiedene Szenen, die jeweils die Themen, die für euch relevant sind, zusammenfassen. Und da gibt es so viele Details, die dann wiederum für die Fakten stehen, die ihr können müsst. Und diese Szenen sind tatsächlich so bunt und wild und lustig, dass ihr gar nicht anders könnt, als sie euch nachhaltig zu merken.

3:36 Ja, und das macht dann einfach viel mehr Spaß. Ich glaube, das kann man sich auch schlecht vorstellen, wenn wir jetzt so drüber reden. Deshalb schaut euch mal die Demo auf meditrix.de an. Ihr könnt euch nicht vorstellen, was euch da erwartet. Ja, genau. Und das lohnt sich auf jeden Fall, da mal reinzuschauen, ob das was für euch ist.

3:54 Vielleicht hat eure Uni auch eine Campuslizenz für Meditrix. Und falls nicht, haben wir was für euch.

4:00 Nämlich einen Code SitusIversus15. Damit bekommt ihr 15% Rabatt auf jedes neu abgeschlossene Abonnement bei Meditrix. Genau, einen höheren Rabatt werdet ihr nicht finden. Genau, also Situsinversus 15 bei meditrix.de.

4:14 Viel Spaß.

4:22 Das war's schon.

4:24 Genau. Wir haben ja über die Glykolyse und den Zitratzyklus geredet und was wir dabei gemacht haben, war ja vor allem dieser reduktionsäquivalente Gewinn, nämlich NaDHH ⁇ und das FADH2. Und wir zählen nochmal ganz kurz zusammen pro Molekülglucose. Wir haben jetzt in der Glykolyse ja zerlegt in Pyruvat, da haben wir 2 NADHH ⁇ bekommen.

4:48 Bei der Pyruvat-Dehydrogenase Reaktion haben wir wieder zwei NADHH ⁇ bekommen. Im Zitratzyklus haben wir wieder Pro Molekül Glucose, durchlaufen wir den ja zweimal. 6 NADHH Plus und 2 FADH2 bekommen. Die Glykolyse liefert außerdem 2 ATP, der Zitratzyklus liefert außerdem 2 GTP und die meisten kommen wahrscheinlich jetzt schon kaum noch mit beim Zählen, das müsst ihr aber auch nicht.

5:13 Was wichtig ist, ist, wir haben jetzt noch nicht besonders viel ATP bzw. GTP bekommen, genau genommen 4. Wow. Das ist jetzt nicht so der Welt. Das meiste ATP kommt nämlich aus der Atmungskette. Nämlich ungefähr sind das 2,5 ATP pro NADHH Plus und 1,5 ATP pro FADH2. Und wie das Ganze passiert, wollen wir uns im Folgenden anschauen.

5:40 Übrigens, auch die Beta-Oxidation, in der Fettsäulen abgebaut werden, auch die liefert pro Acetyl-QoA-Baustein an der Fettsäure ein NADHH ⁇ und ein FADH2.

5:54 Richtig. Und jetzt möchten wir uns quasi angucken, wie läuft das Ganze ab. Das erste Problem ist, wie ihr euch vielleicht erinnert, ist die Glykolyse ein Stoffwechselweg des Cytosols. Und die Atmungskette, schon mal als kleiner Teaser, ist auch so ein Mitochondriending, haben wir ja schon gesagt. Und jetzt ist die Frage, wie kriegen wir die Reduktionsequivalente der Glykolyse ins Mitochondrium?

6:15 Das Mitochondrium ist also an der Stelle der zentrale Player, ist ein ganz wichtiges Zellorganell. Und deswegen wollen wir uns kurz nochmal vergegenwärtigen, wie dieses Mitochondrium aufgebaut ist. An der Stelle auch nochmal der Hinweis bzw. Verweis auf unsere Zellhistofolge Nummer 2 zur Histologie der Zelle.

6:33 Da werden die auch nochmal beschrieben, diese Mitochondrien. Wichtig bei den Mitochondrien ist, dass sie eine äußere und eine innere Zellmembran haben und dazwischen diesen Raum, den nennt man Intermembranraum, weil da zwischen diesen zwei Membranen liegt. Die äußere Membran, die ist relativ undicht.

6:51 Ihr könnt euch so ein bisschen löchrig vorstellen. Da kommt vieles durch, weil da gibt es eben sogenannte Porine. Wie so kleine Poren, durch die das hindurch kommen kann, was da rein muss. Und dann gibt es eben noch die innere Membran. Die ist sehr dicht, da wird alles gut abgedichtet im Mitochondrium.

7:07 Und dafür brauchen wir sogenannte Carrier, die also entweder durch einen passiven oder durch einen aktiven Transport einen Stoff von dem Intermembranraum ganz bis ins Innere des Mitochondriums bringen. So. Und in der Mitte, was ist jetzt innerhalb von der inneren Membran des Mitochondriums, da ist die Mitochondrienmatrix drin.

7:28 Und dort findet eben auch der Zitratzyklus und die Beta-Oxidation statt. So. Und die Atmungskette, wie ist die jetzt aufgebaut? Okay, die Kette weist schon mal darauf hin, dass da mehrere, mehrere Glieder quasi beteiligt sind. Und das sind vier Komplexe. Die sind von 1 bis 4 durchnummeriert. Und ganz am Ende haben wir eigentlich fast den wichtigsten Teil, das ist die ATP-Syntase.

7:50 Und an der kann jetzt ATP generiert werden. Diese vier Komplexe plus die ATP-Syntase befinden sich allesamt an der inneren Mitochondrien-Membran. Unsere sogenannten Reduktionsequivalente, die wir brauchen, um die Elektronen überhaupt da reinzubekommen und aus denen dann Energie, also ATP, herzustellen, die kommen aus dem Zitratzyklus und der Beta-Oxidation.

8:14 Diese Reduktionsequivalente aus den zwei Stoffwechselwegen können da direkt hinkommen. Warum? Weil sie ja direkt in der Mitochondrienmatrix stattfinden. Die Reduktionsequivalente aus der Glykolyse, die sind ja im Zytosol, die kommen da also nicht so leicht hin. Und wie die da jetzt hinkommen, dafür brauchen die ein Space Shuttle, über das Tim jetzt noch sprechen wird.

8:36 Genau, also irgendwie müssen wir diese Reduktionsequivalente, wir machen es jetzt mal am Beispiel vom NADH, aus der Glykolyse, die im Zytosol stattfindet, ins Mitochondrium bekommen. Die äußere Membran ist, wie gesagt, leicht passierbar, da kommen die einfach durch. Dann haben wir aber noch die innere Mitochondrium-Membran und die ist wie gesagt dichter.

10:08 Und deshalb gibt es da den sogenannten Malat-Aspartat-Shuttle. Die Elektronen von NADH werden erstmal vorübergehend, also wir befinden uns jetzt im Zytrosol und da werden die Elektronen vom NADH vorübergehend auf Oxalacetat übertragen. Und dadurch entsteht Malat. Malat kennt ihr übrigens aus dem Citratzyklus.

10:31 Malat kann jetzt über einen Malat-Alpha-Ketogluterat-Antiporte. Also Malat geht rein, Alpha-Ketogluterat geht raus. Über diesen Antiporte kann Malat über die innere Mitochondrienmembran in die Mitochondrien-Matrix gelangen. Und dort ist es eigentlich ganz easy, dort werden einfach die Elektronen vom Malat wieder auf NAD Plus übertragen, sodass NADH entsteht, was wir in die Zelle reinbringen wollten, und außerdem wieder Oxalacetat.

11:00 Dieses Oxalacetat muss jetzt aber auch irgendwie wieder aus der Matrix ins Cytosol zurück. Und dafür gibt es nochmal einen Umweg. Oxalacetat bekommt nämlich von Glutamat eine Aminokuppel. Dadurch entsteht Aspetat und Alpha-Ketogluterat. Aspetat und Alpha-Ketogluterat können dann beide über Transporter ins Cytosol zurück.

11:23 Dort läuft diese ganze Reaktion dann umgekehrt ab, sodass wieder Oxalacetat zur Verfügung steht.

11:32 Super, also wir haben unsere Reduktionsäquivalente in der Matrix. Jetzt aus allen drei Stoffwechselwegen, wo welche anfallen. Das heißt, jetzt kann es endlich abgehen.

11:43 Genau, diese vier Komplexe haben wir ja gerade schon angeteasert und die wollen wir euch jetzt einmal kurz im Überblick vorstellen. Die sitzen in der inneren Mitochondrienmembran, wie bereits gesagt, und jeder von diesen Komplexen hat jetzt bestimmte prosthetische Gruppen. Die sind dazu da, um die Elektronen, die da ankommen, weiterzugeben.

12:02 So, als Zusatzfunktion haben jetzt manche dieser vier Komplexe auch noch die Eigenschaft, dass sie Protonen aus der Matrix, also dem Inneren des Mitochondriums, in diesen Intermembranraum zwischen den zwei Membranen, der äußeren und der Inneren, pumpen können. Und da ist jeweils angegeben, wie viele Protonen pro Reduktionsequivalent, was da aus irgendeinem Stoffwechselweg hinkommt und zwei Elektronen mitbringt, gepumpt werden können.

12:28 So, jetzt machen wir es ganz konkret. Gucken wir uns mal den Komplex 1 an. Der Komplex 1 ist gleichbedeutend mit dem Enzym NADH-Dehydrogenase. Das ist ein großer Proteinkomplex, der also die gesamte innere Mitochondrienmembran durchquert. So, was bringt der jetzt an prosthetischer Gruppe oder Coenzymen mit?

12:49 Der hat einen FMN, das steht für Flavinmononukleotid. Das könnt ihr euch also euch so merken, das Komplex 1, 1 Mononukleotid hängt da dran an diesem Enzym. Man macht es zu einem Holoenzym. Die nächste prosthetische Gruppe ist dann ein Eisenschwefelcluster. Auch dazu da, um die Elektronen weiterzugeben.

13:15 Und Obichinon, das hängt auch noch an dem Enzym dran.

13:19 Obichinon werden wir später auch nochmal genauer besprechen, wozu das da ist.

13:23 Genau. Und der Komplex 1, der kann tatsächlich vier Protonen in den Intermembran raus, also aus der Matrix raus in den Intermembranraum pumpen.

13:34 Dann kommen wir zu Komplex 2. Komplex 2 ist die Suxinatdehydrogenase, die kennt ihr aus dem Citratzyklus. Und diese Suxinatdehydrogenase sitzt eben auch in der inneren Mitochondrienmembran. Und über die sind Citratzyklus und Atmungskette direkt gekoppelt. Sie ist deutlich kleiner als Komplex 1 und kann deshalb auch keine Protonen pumpen.

13:59 Prosthetische Gruppen bzw. Kohlenzyme hier sind FAD, also Flavinadenin-Dinukleotid. Kann man sich gut merken, weil Dinokleotid bei Komplex 2 vorkommt und das Mononukleotid ja bei Komplex 1. Außerdem ist auch hier Eis und Schwefelcluster. Obichinon spielt auch hier eine Rolle, wie genau, darauf gehen wir später ein.

14:19 Und es gibt an Komplex 2, das ist ein bisschen Spezialwissen, auch Helm B560-Zentren. Ist wohl aber eher irrelevant für den Elektronentransport und ich muss sagen, das habe ich auch noch nie in der Prüfung gesehen.

14:32 Also ein kleiner Flex, so ein Detailflex muss schon immer auch noch sein. Ein bisschen Detail tiefer mitnehmen. Okay, weiter geht's mit Komplex 3. Komplex 3 ist die sogenannte Zytochrom-C-Reduktase. Auch da finden wir wieder so ein Eisenschwefelcluster. Da merken wir schon, es wiederholt sich immer wieder, kann also sehr gut diese zwei Elektronen aufnehmen und weitergeben.

14:55 Und dann finden wir dort auch noch Zytochrom B und C1. Woher kommt das jetzt genau? Das liegt daran, dass auch in dem Komplex 3 oder was heißt auch, dass dort das Helm B und C-Zentren sind da vorhanden. Und im Komplex 3, durch den Komplex 3 können vier Protonen gepumpt werden. Also zwei werden gepumpt und zwei kommen eigentlich vom Ubichinon, was gerade auch schon genannt wurde, aber auch da sagen wir, das werden wir später wieder erwähnen.

15:28 Also zum Komplex 3, merkt euch, zwei Protonen werden wirklich gepumpt und zwei kommen davon woanders her hin.

15:37 Und dann haben wir noch Komplex 4, die Zytochrom-C-Oxidase, die hat ein Häma und Kupferzentren. Und der Komplex 4 kann pro Reduktionsequivalent, also pro 2 Elektronen, zwei Protonen pumpen. Und wenn ihr jetzt ein bisschen verwirrt seid von dem ganzen Zeug, was wir gerade gesagt haben, wenn ihr es euch einfach merken wollt, Komplex 1 bis 3 haben Eisen Schwefelcluster, Komplex 4 hat stattdessen Kupferzentrin und Komplex 1 hat Flavinmononukleotid, Komplex 2 Flavinadenin-Dinukleotid und manche haben dann noch so ein bisschen Härme.

16:14 Genau, also es ist tatsächlich alles.

16:16 Oder so kann man es euch das auch, glaube ich, leichter merken. Eigentlich ziemlich gut, ja. Ich würde euch empfehlen, weil das alles relativ trocken ist, aber dass ihr irgendwie für euch so im Kopf eine Struktur findet, wie ihr vielleicht auch Persönlichkeiten aus diesen Komplexen machen könnt. Oder irgendwie das für euch so verbildlichen könnt, dass ihr eine irgendeine Art von Bild im Kopf habt, mit dem ihr diese einzelnen Komplexe verknüpft und wie ihr euch merken könnt, was die alles für unterschiedliche Eigenschaften haben.

16:42 Und dann eben die Gemeinsamkeiten auch erkennt, die von Tim gerade schon angesprochen haben.

16:52 Das stimmt auf jeden Fall. Es ist alles jetzt ein bisschen viel mit diesen ganzen Zentren, bla bla. Was das Wichtigste ist, ist, dass wir uns jetzt den Weg der Elektronen anschauen sollen, die noch in unseren Reduktionsequivalenten schlummern. Das bedeutet, das FADH2 und das NADH ⁇ H plus enthalten jeweils zwei Elektronen, die sie jetzt wieder abgeben sollen.

17:13 Und die zwei Elektronen steigen in unsere Elektronenachterbahn, wie wir uns das vorstellen, die Atmungskette ein.

17:21 Genau. Die Eintrittspforte für die Elektronen sind jetzt unsere Komplexe 1 und 2. Die Eintrittspforte für unsere Reduktionsequivalente aus den Stoffwechselwegen. Dabei merkt ihr euch am besten, Komplex 1 ist nur zuständig für NADH2 als Reduktionsequivalent und Komplex 2 nur für FADH2. Da gibt es wirklich eine strikte Trennung, also dass es unterschiedliche Eingänge für diese beiden Reduktionsäquivalente gibt.

17:47 So, was geht jetzt beim Komplex 1 eigentlich genau ab? Wenn da das NADH2, also NADH plus H plus, hinkommt, dieses Reduktionsequivalent gibt zwei Protonen und zwei Elektronen an das Flavinmononukleotid in dem Komplex 1 ab. Von diesem FMN werden die Elektronen auf das Eisenschwefelcluster übertragen und dann an das Ubichinon.

18:16 Dadurch, dass die Elektronen ja jetzt zu dem Ubichinon hinzugefügt werden, dieses also reduziert wird, wird aus Ubichinon Ubichinol. So, und jetzt kommen wir zu einem ganz wichtigen Prinzip, das ihr verstehen müsst an der Stelle, dass immer, wenn zwei Elektronen übertragen werden, auch zwei Protonen aus diesen Reduktionsequivalenten quasi mit übertragen werden.

18:44 Und deswegen ist es auch beim Ubichinon so, und das wird übrigens immer mit Q abgekürzt, dass hier zwei Protonen vom NADH plus H plus auf dieses Ubichinon übertragen werden, zusammen mit den Elektronen. Und das ist auch der Grund dafür, wieso Ubichinol auch QH2 genannt wird. Also das Q für Ubichinon und dann H2 für die zwei Protonen, die da auch noch angegliedert sind, kann man sagen, an das Ubichinon.

19:12 So. Und die beginnen jetzt eine ziemlich wilde Fahrt entlang der inneren Mitochondrien, also beziehungsweise die Elektronen machen ja eine ziemlich wilde Fahrt und dabei durch die kinetische Energie, kann man sagen, geben sie viel Energie ab, die genutzt wird, um vier Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum zu pumpen.

19:32 Das heißt, im Ergebnis sind am Komplex 1 vier Protonen gepumpt worden in den Intermembranraum und Ubichinol ist entstanden, was zwei Elektronen trägt. Und da sind wir jetzt wieder bei der Analogie der Achterbahn, dass hier zwei Elektronen quasi aufgesprungen sind und sitzen jetzt in so einem Wagen drin und fahren über den Weg der Atmungskette.

19:54 So, beim zweiten Eingang, bei Komplex 2 ist es so, dass zwei Elektronen und Protonen von FADH2 auf Ubichinon übertragen werden. Das passiert wieder über kleinere Zwischenschritte. Bei Komplex 2 werden aber keine Protonen gepumpt. Das ist ein bisschen schade, werdet ihr nachher auch genauer verstehen, warum das so ist.

20:14 Weil eigentlich wollen wir, dass möglichst viele Protonen in den Intermembranraum gepumpt werden können. Weil wir da besonders viel Energie rausziehen können. Durch einen hohen Protongradienten. Und bei Komplex 2 ist das Ergebnis einfach nur, dass ein Obichinol entstanden ist, was zwei Elektronen trägt.

20:34 So, und jetzt haben wir quasi diese zwei Eingänge. Entweder bekommen wir aus Komplex 1 oder aus Komplex 2 dieses Obichinol, was eben die zwei Elektronen mitträgt, quasi wie so ein Wagen, eine Achterbahn. Und dieser Wagen fährt jetzt weiter zu Komplex 3 der Atmungskette. Wie gesagt, Komplex 1, Komplex 2 sind separat und führen aber beide zu Komplex 3.

21:00 Das Obichinol bringt dort sein Elektronenpaar mit und hier müssen die Elektronen quasi den Wagen wechseln. Die springen sozusagen vom Obichinol auf Cytochrom C. Das Zytrochrom C kann aber nur jeweils ein Elektron transportieren, deshalb werden pro Obichinol zwei Cytrochrom C mit jeweils einem Elektron beladen.

21:21 Und diese Elektronenübertragung erfolgt im sogenannten Q-Zyklus. Dieser Zyklus ist ein bisschen kompliziert zu erklären, ohne ein Schaubild. Wenn euch etwas interessiert, könnt ihr euch das nochmal anschauen. Letztendlich besteht diese Elektronenübertragung eben aus zwei Halbzyklen. Pro Obichinol, was ja zwei Elektronen mitbringt, werden also zwei Zytokrom-C beladen.

21:45 Und außerdem pumpt Komplex 3 netterweise auch noch vier Protonen. Und davon kommen zwei einfach vom Obichinol, das hat ja welche mitgebracht. Und die gehen dann letztendlich einfach in den Intermembranraum. Und zwei weitere werden aus der Matrix tatsächlich in den Intermembranraum gepumpt. Aber insgesamt rechnen wir mal mit vier gepumpten Protonen.

22:08 Und wir haben ja das Zytrochrom C beladen. Und an Komplex 4 kommen die Elektronen jetzt eben schön einzeln mit diesem Zytrochrom C an. Hier wird das Zytrochrom C oxidiert. Kann also diese Elektronen abgeben. Und das läuft mit Sauerstoff ab. Zugleich wird der Sauerstoff, wenn was oxidiert wird, muss ja immer was reduziert werden.

22:31 Der Sauerstoff wird also zu H2O, also Wasser, reduziert. Weil hier Sauerstoff benötigt wird, heißt der ganze Prozess Atmungskette und hier ist also endlich die Zellatmung vollendet. Glucose und Sauerstoff reagieren da ja zu Wasser und CO2. Das CO2 wurde ja schon im Zitratzyklus abgegeben und davor wurde ja die Glucose komplett zerhackt.

22:55 Und jetzt haben wir endlich die Reaktion von Sauerstoff zu Wasser. Gleichzeitig pumpt Komplex 4 auch noch zwei Protonen pro Reduktionsäquivalent.

23:06 So, warum haben wir jetzt die ganze Zeit Protonen darum gepumpt? Ich meine, das war jetzt ja schon ein bisschen so der Hauptprozess der letzten 20 Minuten. Und deswegen würden wir jetzt gern wissen, warum machen wir das? Also, grundsätzlich bauen wir auf jeden Fall einen Gradient auf. Das kann man nicht leugnen.

23:23 Also dadurch, dass wir so viele Protonen verschieben, haben wir jetzt ein Gradient zwischen Intermembranraum und quasi Matrix. Die Protonen können über einen Kanal aus dem Intermembranraum in die Matrix zurückfließen. Dieser Kanal ist aber jetzt nicht einfach nur ein normaler Kanal, sondern der ist ein Teil von der ATP-Syntase.

23:44 Und die Synthese von ATP wird jetzt angetrieben durch diesen Protonengradienten. Und jetzt natürlich die Frage, Das klingt erstmal sehr einfach, ist es halt eben leider nicht. Dieses Ding ist unfassbar fancy. Und deswegen müssen wir das jetzt mal nochmal Schritt für Schritt auseinanderbauen.

24:00 An dieser ATP-Syntase findet nämlich ein Prozess statt, den man oxidative Phosphorylierung nennt. Und das ist wirklich jetzt eigentlich das Herz der ATP-Gewinnung und damit der ganzen Energiegewinnung, kann man sagen, im Körper, auf molekularer Ebene. Jetzt müssen wir als erstes eben verstehen, wie ist dieses fancy Ding überhaupt aufgebaut.

24:19 Zunächst mal haben wir da eine FO-Untereinheit. Und warum wird das jetzt, warum heißt es überhaupt so? Das liegt daran, dass Oligomycin, die ATP-Syntase, durch Bindung an genau diese Untereinheit hemmt. Deswegen heißt die FO-Untereinheit. Die ist ringförmig aufgebaut und bildet einen Protonenkanal, durch die jetzt die rausgepumpten Protonen wieder in die Mitochondrienmatrix hineinströmen können.

24:46 Und die F0-Untereinheit FO-Untereinheit ist in der inneren Mitochondrienmembran verankert. Die zweite wichtige Untereinheit ist die F1-Untereinheit. Die ist zunächst mal ringförmig, können wir sagen, und sitzt auf der Matrix-Seite der FO-Untereinheit. Ist der also dort angelagert. So, und die F1-Untereinheit besteht jetzt aus drei aktiven Zentren.

25:13 Und jedes dieser drei aktiven Zentren ist nochmal aus einer Alpha- und einer Beta-Untereinheit aufgebaut. Und diese insgesamt sechs Untereinheiten dann bilden jetzt einen Ring. Und der ist wichtig für die ATP-Synthese, weil diese erfolgt an der Beta-Untereinheit dieses Rings. In diesem Ring steckt jetzt nochmal die Gamma-Untereinheit.

25:40 Und die ATP-Synthese erfolgt in der Drehung von der Gamma-Untereinheit in diesem Ring. Und dadurch wird, und die Gamma-Untereinheit wird von der FO-Untereinheit angetrieben.

26:00 Genau. Da kommen wir jetzt auch nochmal ein bisschen genauer drauf. Wir machen das Ganze jetzt nochmal langsamer. Das war jetzt, glaube ich, ein bisschen viel. Also die ATP-Synthese ist ja letztendlich einfach die Bildung aus ADP und P entsteht ATP. Also irgendwie müssen wir dieses Phosphat da rankriegen.

26:18 Nennt man auch Substratkettenphosphorylierung. Und für jeden Schritt muss die Beta-Untereinheit von diesem F1 in einer anderen Konformation vorliegen. Das heißt, die ändert sich immer so ein bisschen und sorgt damit dafür, dass dort ATP gebildet wird. Und diese Konformationsänderung, das ist das, was durch die Rotation von dieser Gamma-Untereinheit, die wie ein Stiel in diesem Ring aus Alpha- und Beta-Untereinheiten steckt.

26:49 Diese Rotation treibt die Konformationsänderung von den Beta-Untereinheiten an. Und die Rotation kommt wiederum deshalb zustande, weil Protonen aus dem Intermembranraum in die Matrix durch die FO-Untereinheit zurückfließen. Die Beta-Untereinheit hat drei unterschiedliche Konformationsmöglichkeiten. Die L-Konformation, das steht für Loose, also locker quasi, in der liegen ADP und Phosphat an die Beta-Untereinheit, einfach gebunden vor.

27:20 Als nächstes folgt die Tight-Konformation oder auch die T-Konformation. Da werden ADP und P so stark zusammengebracht, dass ATP gebildet wird. Es bleibt noch fest gebunden, bis die Beta-Untereinheit in die dritte Konformation die O oder Open-Konformation eben übergeht und ATP abgibt. Und dann können eben ADP und Phosphat erneut binden.

27:50 Wie läuft das Ganze jetzt genau? Also eigentlich haben wir es schon halbwegs erklärt. F1 hat drei Beta-Untereinheiten, die eben Teil dieses Rings sind. Jeder liegt in einer anderen Konformation vor. Also einer in der L-Konformation, einer in der T und einer in der O-Konformation. Protonen fließen dank des Gradienten durch den Kanal, der von der FO-Untereinheit gebildet wird.

28:12 Dadurch rotiert sich jetzt die Gamma-Untereinheit von F1 um 120 Grad. Die Beta-Untereinheiten und so, also dieser Ring, der bleibt einfach stabil. Und die Gamma-Untereinheit dreht sich da drin wie ein Stiel. Oh, das hat sich gereimt. Die Konformationsänderung aller drei Beta-Untereinheiten erfolgt eben durch diese Rotation der Gamma-Untereinheit zum jeweils nächsten Zustand.

28:35 Also von loose zu tight, von tight zu open und so weiter. Und dabei wird pro Rotation ATP aus der Beta-Untereinheit freigesetzt, die von der Tight in die Open-Konformation wechselt. So.

28:50 Okay, es geht ja trotzdem alles darum, dass wir ATP bilden wollen. Und jetzt ist natürlich die Frage, wie viel kommt da eigentlich bei rum? Also wie viel ATP entsteht in diesem ganzen Prozess eigentlich? Und diese Rotation, wie Tim das gerade schon erklärt hat, ist ja jetzt immer aufgeteilt in drei Drittel, jeweils zu 120 Grad rotiert diese Gamma-Untereinheit in dem Ring aus Alpha- und Beta-Einheiten herum.

29:14 Und dabei, bei jeder 120 Grad-Rotation, wird jetzt ein Molekül ATP freigesetzt. Und pro Molekül ATP brauchen wir drei bis vier Protonen. Wie viel bekommen wir aus unseren Reduktionsequivalenten? Also bei der Oxidation von einem NADH plus H plus werden insgesamt 10 Protonen in den Intermembranraum gepumpt.

29:38 Das bedeutet oder daraus folgt jetzt, dass die Gamma-Untereinheit sich 2,5 Mal drehen kann und es entstehen dabei auch genauso viele, nämlich 2,5 Moleküle ATP. Genauer 2,7, wenn man es genau ausrechnen will. Für die Schwitzer unter euch. Aber ich glaube, so fürs Merken ist erstmal gut, pro ein Molekül NADH plus H plus 2,5 mal ATP.

30:09 Und wie sieht es jetzt aus bei unserem FADH2, was über unsere Komplex 2-Eintrittspforte in die Atmungskette eingetreten ist? Da werden am Ende in der Gesamtbilanz sechs Protonen gepumpt durch unsere ganzen Komplexe. Und daraus folgt, dass sich die Gamma-Unteinheit nur 1,5 mal drehen kann. Folglich werden auch 1,5 oder vielleicht ein bisschen mehr Moleküle ATP gebildet.

30:38 Und jetzt haben wir unser ATP gebildet und die allerletzte Frage, die uns noch interessiert an der Stelle ist, wie kommt jetzt das ATP aus der Mitochondrienmatrix wieder raus ins Cytosol, um da die ganzen Stoffwechselprozesse anzutreiben und der Zelle als Energiewährung zu dienen. Das passiert über einen Antiporter in der inneren Mitochondrienmembran, weil die ja so dicht ist, also da brauchen wir irgendeine Art von Transporter und das ist die ATP, ADP-Translocase.

31:07 Und mit dieser wird jetzt ATP aus der Zelle, beziehungsweise nicht aus der Zelle, aus der Mini-Zelle, also aus dem Mitochondrium, beziehungsweise der Mitochondrienmatrix über die innere Mitochondrienmembran herübergepumpt, im Austausch gegen ATP, was vom Intermembranraum ADP? ATP, genau. Genau. ADP, also quasi die energielose Form, die wird in die Mitochondrienmatrix hineintransportiert.

31:37 So, und dieses ATP kommt eben aus dem Zytosol, der liegt ja massig vor, einfach aus verbrauchtem ATP. So, und jetzt haben wir ATP frei in der Zelle und da haben wir es jetzt als Energieträger für zum Beispiel Muskeln, das Gehirn und für alles andere.

32:00 Liebe Freunde der Vorklinik, bevor es losgeht, brauchen wir noch ganz kurz eure Hilfe. Wir sind nominiert beim Deutschen Podcast-Preis in der Kategorie Beste Information. Diese Kategorie wird über ein Publikumsvoting entschieden und wir brauchen eure Stimme. Hierbei würdet ihr uns unfassbar helfen, wenn ihr kurz auf den Link in der Folgebeschreibung klickt und uns eure Stimme gibt.

32:21 Dauert nur 5 Sekunden. Ihr seid die allerbesten. Viel Spaß bei der Folge. Genau. So und jetzt kommt wieder The Justice, der Justus, euer allseits beliebter BWL-Student des Vertrauens und fragt euch, ja warum macht man den ganzen Scheiß jetzt und was ist denn die Bilanz von eurem Stock? Die Glykolyse haben wir jetzt in unserem Beispiel einmal durchlaufen.

32:48 Bedeutet, wir haben gestartet mit einem Glucosemolekül, Gustav oder Guthron oder wie auch immer man es nennen will, und somit den Citratzyklus zweimal durchlaufen. Man erinnere sich, weil einmal Glucose wird zu zwei Pyruvat. Und jetzt ist die Frage, was haben wir jetzt eigentlich gekriegt?

33:06 Wir rechnen jetzt mal gemeinsam.

33:09 Mathe!

33:09 Also wir sehen erstmal, wie viel NADHH Plus haben wir gebildet. Und alles ist übrigens jetzt pro Molekül Glucose. In der Glykolyse zwei NADHH plus, dann zwei von der Pyruvat-Dhydrogenase, 6 aus dem Citratzyklus. Haben wir schon mal 10. FADH2 haben wir zwei im Zitratzyklus gebildet. ATP oder GTP haben wir zwei aus der Glykolyse und zwei aus dem Citratzyklus.

33:37 Das heißt, wenn wir das jetzt zusammenrechnen, 10 NADH plus bilden wir uns ja ungefähr 25 ATP. 2 FADH2 geben uns ungefähr 3 ATP, weil pro FADH2 ja 1,5 gebildet werden. 2 ATP plus 2 GTP bilden uns in der Bilanz 4 ATP. Und wenn wir das jetzt alles zusammenrechnen, kommen wir auf 32 ATP pro Molekülglucose, falls wir aerob arbeiten.

34:06 Weil wir erinnern uns, bei der anaeroben Glykolyse ist ja die Ausbeute nicht so gut. Da würden wir nur 2 ATP bekommen statt 32.

34:15 Ja, da weiß ich, was ich machen würde, wenn ich eine Zelle wäre, ne? Das ist tatsächlich auch wichtig, dass ihr euch das vergegenwärtigt und damit auch ein bisschen rechnen könnt, weil damit in Klausuren auch manchmal gefragt wird oder im Physikum, dass da mal eine MC-Frage dazu kommt, wie viel ATP aus so und so viel Glucose entsteht.

34:32 Aber auch dieser Stoffwechselweg kann nicht existieren ohne Regulatio. Oh. Deswegen, was kann man machen, Chef?

34:41 Okay, Regulation. Die wichtigsten Regulatoren für unsere ATP-Syntase sind ADP und Phosphat. Endlich mal was Einfaches. So, endlich mal was Einfaches, weil die sind ja auch die direkten Substrate für diesen Prozess. So, wir können jetzt einfach sagen, wenn kein ADP und oder kein Phosphat vorliegen, dann wird auch kein ATP gebildet.

35:04 Tatsache. Das liegt einfach daran, dass dann schon genug ATP in der Zelle vorhanden ist. Das heißt, genug ATP ist da, genug Energie ist in der Zelle. Wir brauchen kein neues ATP mehr. Ausnahmsweise mal ganz einfach. Und diesen Prozess, den nennt man Atmungskontrolle. Da vergegenwärtigt euch einfach die Verhältnisse von ATP, also einem energiereichen Zustand zu ADP.

35:29 Genau, logischerweise muss man auch noch erwähnen, Sauerstoff ist auch noch wichtig. Also wenn ich aufhöre zu schnaufen, gibt es da keine Atmungskette mehr. Ist ja aber, ist ja aber, also wirklich, das ist mal logisch und das ist einfach und Halleluja.

35:38 Genauso wie Reduktionsequivalente, wenn wir die nicht haben, dann kann sie ja auch nicht ablaufen, weil wir brauchen ja die Elektronen.

35:43 So, also, natürlich könnte man jetzt sagen, unsere Mitochondrien sind nur Kraftwerke der Zelle, aber natürlich steckt hinter vielen Dingen auch noch viel mehr. Also die können auch noch mehr als nur blank Energie erzeugen.

35:58 Wir haben nämlich noch einen Special-Prozess, den wir euch mitgebracht haben, die sogenannte Wärmeentkopplung. Da gehen wir jetzt mal an den Anfang des Lebens. Bei Neugeborenen, wenn die geboren werden, kommen ja aus dem schönen, warmen Mutterleib in die Kälte. Und dieser Kälteschock führt dazu, dass der Sympathikus aktiviert wird.

36:17 Dann werden vermehrt Katecholamine, sowas wie Adrenalin ja, wird dann freigesetzt. Und so Neugeborene, die haben ganz viel braunes Fettgewebe, nennt man das. Und dort wird dann durch diese sympathische Aktivität eine gesteigerte Lipolyse bewirkt. Also das Fett wird abgebaut und außerdem wird ein Protein transkribiert, nämlich das Thermogenin.

36:44 Und dieses allgemein die Lipolyse, ja, da kriegen wir halt mehr Beta-Oxidation, die uns ja auch reduktionsäquivalente liefert. Was das Thermogenin macht, ist, es entkoppelt quasi Atmungskette und ATP-Syntase, sodass dann die Protonen, statt für die ATP-Synthese verwendet zu werden, einfach passiv durch die Membran vom Intermembranraum in die Matrix zurücklaufen.

37:09 Und statt in ATP wird die Energie, die dieses Elektronen, äh, dieses Protonengefälle mit sich bringt, die wird einfach in Wärme umgewandelt.

37:17 Über Reibung, ne?

37:19 Doch größtenteils. Ich glaube ja, also wäre sinnvoll. Auf jeden Fall bedeutet das, dass Babys quasi zitterfrei, ohne sich zu bewegen oder sowas, Wärme erzeugen können, einfach aus dem braunen Fettgewebe.

37:34 Das ist aber auch gefährlich, weil wenn die da liegen und denen ist kalt, dann merkt man das gar nicht, weil die zittern nicht.

37:40 Und wenn ein Kind zittern, dann ist aber letzte Uschi hier. Also da ist aber. Uiuiui. Man reicht aber eine Wärmflasche, aber nicht.

37:48 So, und es gibt ja einige Menschen, die sagen, sozusagen, Biochemie hätte nichts mit dem Leben zu tun. Aber um euch davon jetzt wegzubringen, beziehungsweise euch vom Gegenteil zu überzeugen, haben wir euch eine Gästin, eine Klinikprofine mitgebracht, nämlich die Lissa, die wir euch jetzt vorstellen können.

38:13 Und die wird euch jetzt ein paar Clinic-Facts, die auch genau mit diesem Prozess der Atmungskette zu tun haben, vermitteln.

38:27 Genau, und zwar haben wir einmal die Cyanidvergiftung auch unter Blausäureintoxikation bekannt. Und zwar ist nämlich so, wenn man zum Beispiel über Nahrung, zum Beispiel in Bittermann, ist es viel enthalten, oder einfach über die Luft diese Blausäure in den Körper aufnimmt, dann kann das Salz von der Blausäure Cyanid in die Zellen rein, in die Mitrochontchen und dort an den Komplex 4 binden, und zwar an das Hematom dort, wo ja eigentlich unser Sauerstoff dran binden soll, damit eben ATP produziert werden kann.

38:56 Aber dieses Cyanid hat eben eine viel höhere Affinität zu dem Hem und deswegen kann das Sauerstoffatom nicht mehr binden und man erstickt sozusagen dann wirklich von innen. Und das wird dann eben halt zum Tod. Genau, als nächstes haben wir dann das Dinitrophenol. Das ist tatsächlich auch sehr bekannt, weil das früher als Schlankheitsmittel verwendet worden ist.

39:16 Und zwar ist es eben so, ja, das hört sich eigentlich erstmal ganz nett an, weil das Dinitrophenol, das nutzt sozusagen den Mechanismus aus, den wir eben auch vorher schon besprochen haben, von Säuglingen im braunen Fettgewebe. Und zwar ist das auch ein Enkoppler-Protein. Und das schnappt sich sozusagen die Protonen oder Proton-Kardienten von der ATP-Synthese vorherweg und nimmt die Protonen und schleust sie dann direkt in die inneren Mitroontienmembran, sodass dann eben die Energie zur Wärme freigesetzt wird, anstatt eben in die Umsetzung von ATP genutzt zu werden.

39:50 Das heißt, man kann eigentlich also essen, essen, essen und das wird alles als Zitze freigegeben, was sich ja erstmal ziemlich cool anhört. Aber es bringt natürlich gravierende Nebeneffekte mit sich. Und zwar ist es natürlich so, dass wir ATP brauchen. Wir können es nicht einfach stoppen. Die Produktion davon ist natürlich nicht gut.

40:05 Wir brauchen unser ATP, sehr dringend im Körper. Und außerdem führt das eben zu Hyperthermie, also es ist total, man wird schwitzig-kitzig und es wird ein Warm und es ist sehr schlecht regulierbar. Und deswegen kann es eben bei viel Einnahme auch zum Tod führen, weshalb es auch einfach nicht mehr erlaubt ist als Krankheitsmittel.

40:24 Ja, tatsächlich wird es nämlich illegalerweise immer noch heutzutage teilweise verwendet.

40:30 Okay.

40:31 Genau. Und als letztes können wir noch auf die Ruhrs zu sprechen kommen, also die reaktiven Sauerstoffspezien. Und zwar wissen wir ja, die Atmungskette ist eine oxidative Phosphorillierung. Das heißt, es werden Elektronen auf das Sauerstoffatom betragen. Da kann aber halt auch mal was schief gehen, irgendwie zu viel Elektron, zu wenig Elektronenübertragung.

40:50 Das führt da dazu, dass eben radikale Sauerstoffspezichen eben stehen, geladene Teilchen, die einfach super reaktiv im Körper sind in der Zelle und dadurch eben zum Beispiel auch DNA beschädigen können, was wir natürlich nicht wollen. Genau, und der Körper hat da eigentlich auch schon so vor, also Wirkmechanismen dagegen.

41:10 Und zwar zum Beispiel die Superdisoxidmutase oder Katalasen, Peroxidasen, die die einfach einfangen können. Aber wenn man jetzt zum Beispiel unter hundertprozentiger Sauerstoff einfuhr leben würde, so wäre das natürlich nicht gut, weil sich dann viel zu viele ansammeln würden.

41:27 Das kommt aber alles noch bei Blut. Haben wir schon bei Blut. Ha! Danke die Stimme aus dem Optim. Das ist eine Top-Suflöse. Genau, also man merkt auch wieder hier Biochemie sehr, sehr relevant, auch fürs spätere Leben. Zumindest finde ich es halt einfach, ich glaube auch, dass man durchs Leben kommt, ohne Biochemie zu können in der Medizin, aber es macht das Leben einfach cooler, wenn man weiß, warum und wieso.

41:49 Also mir gefällt es sehr, dass wir das auch jetzt hier nochmal schön aufarbeiten.

41:53 Aber jede WG, die das Biochemie-Post dann nicht nach dem Physikum abhängt, ist schon so ein bisschen weird, oder?

41:59 Okay, Take-Home Messages, was haben wir heute gelernt? Atmungskette besteht aus vier Komplexen, die römisch durchnummeriert sind. Die ATP-Syntase ist dann an oder in der inneren Mitochondrienmembran als Komplex 5 in Anführungsstrichen mit eingebettet. NADH aus der Glykolyse im Cytosol kommt mittels des Malat-Aspartat-Shuttles ins Mitochondrium.

42:23 Die Komplexe 1, 2 und 3 besitzen Eisen Schwefelcluster. Der Komplex 1 und 2 sind jeweils Eintrittsforten der Atmungskette für FADH2 bei Komplex 2 und NADH plus H plus bei Komplex 1. Und von dort läuft es dann oder sammelt sich es dann übers Ubi-Cinion in Komplex 3 und daher dann auf Komplex 4 mit Cytokrom C und Komplex 5 gehört dann aber nicht mehr zu unserer Achterbahn.

42:57 So gepumpt werden pro Reduktionsequivalent in Komplex 1 vier Protonen. Komplex 2 pumpt nischt. Pumpt Komplex 3 pumpt dann wieder 4 und Komplex 4 pumpt dann nur 2. Pro Molekülglucose entstehen nach Justusbilanz bei Europaglykolyse insgesamt 32 ATP. So, und jetzt haben wir es endlich geschafft, diese Kack-Glucose abzubauen, Entschuldigung.

43:25 Wenn ihr auch froh seid, dass die Glucose endlich weg ist, dann schreibt uns mal einen Daumen hoch auf der Vorklinik-Podcast Lull auf Instagram. Dort gibt es NC-Fragen, dort gibt es Merksprüche, Bilder von uns, von unseren Sexgöttern hier vor den Mikrofonen. Und um Feedback sind wir natürlich auch immer sehr, sehr dankbar, weil nur dadurch können wir besser werden und euch noch mit mehr witzigen Fakten und Merksprüchen versorgen.

43:55 Somit das Wort zum Sonntag.

43:56 Bewertet uns auch gerne auf Spotify und Apple Podcasts ist immer dabei.

44:00 Wort zum Sonntag, gute Nacht. Gute Nacht und bleibt entspannt bei der Atmungskette. Und immer schön ruhig atmen. Ja, genau. Tschüss. Ciao, ciao.

44:26 Für die Inhalte in diesem Podcast übernehmen wir keine Gewäre. Der Podcast kann den Besuch von Vorlesungen nicht ersetzen. Wir empfehlen das Studium von einstiegiger Fachliteratur über den Inhalt des Podcasts hinaus.

44:35 Für Risiken und Nebenwirkungen fragen Sie an Arzt und Apotheker.