Da die Wasserbildung stark exotherm (Energie wird freigesetzt) ist, wird sie im menschlichen Organismus in mehreren stufenartigen Teilreaktionen verwirklicht, da der menschliche Körper dies sonst nicht überleben würde.
Dieser wasserfallähnliche Elektronentransport geschieht über mehrere Redoxsysteme von Proteinkomplexen (Enzyme), die somit als Oxidoreduktasen wirken.
So wird die Energie langsam freigesetzt und diese zum Teil in Form von Wärme abgegeben und der Rest zur ATP/ADP-Gewinnung (Adenosintri- und Adenosindiphosphat) und zur Bildung von anorganischem Phosphat verwendet.
Die Konzentration an ADP und anorganischem Phosphat in den Zellen kontrolliert die Geschwindigkeit der Atmungskette, woraus sich ergibt, dass die Geschwindigkeit und Atmung im Ruhezustand eher gering ist.
Steigt nun die Arbeitsleistung, erhöht sich die Ablaufgeschwindigkeit der Atmungskette und damit auch die Atmung. Außerdem spielt bei der Schnelligkeit auch die Umsatzkapazität der beteiligten Enzyme eine Rolle.
Ablauf der Atmungskette
In der vorhergehenden Verstoffwechselung erfolgte die Wasserstoffübertragung auf das Coenzym NAD+ (Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid), welches daher als NADH/H+ vorliegt.
Nun erfolgt ein Übergang des Wasserstoffs auf ein Flavoprotein mit dem Coenzym FMN (Flavin-Mononukleotid) unter ATP-Bildung. Das entstandene FMNH2 gibt das H2 anschließend an das Ubichinon, auch Coenzym Q (CoQ) genannt weiter. Genauso geschieht es mit dem FADH2 der vorhergehenden Abbauprozesse. Diese Reaktionen stellen 2-Elektronenübergänge dar, alle folgenden 1-Elektronenübergänge.
In der nächsten Stufe der Reaktion werden zwei Elektronen mittels der Ubichinon- Cytochrom-c-Oxidoreduktase auf Cytochrome übertragen.
Cytochrome sind elektronenübertragende Proteine mit fest gebundenen Häm- Molekülen (Komplexe mit Eisen-Ionen). Dies erfolgt über das im Cytochrom enthaltene dreifach positiv geladene Eisen (Fe3+) durch Aufnahme eines Elektrons, wodurch es zu zweifach positiv geladenem Eisen (Fe2+) reduziert wird und dabei ein Proton (H+) vom CoQ-H2 (Ubihydrochinon) abspaltet. Der Prozess läuft zweimal ab und liefert Energie, die teilweise zur ATP-Synthese aus ADP verwendet wird. Die so gebildeten zwei Cytochrom-Fe2+ geben ihre Elektronen nun an das Enzym Cytochromoxidase weiter, welche sie dann auf den eingeatmeten Sauerstoff überträgt. Danach liegt das Cytochrom-Fe3+wieder regeneriert vor und der Sauerstoff ist zweifach negativ geladen.
Im letzten Abschnitt kann so die Wasserbildung ablaufen.
Das eben gebildete Sauerstoffanion (O2-) reagiert jetzt mit zwei Protonen (Wasserstoffkationen) unter ATP-Entstehung zu Wasser und die Atmungskette ist abgeschlossen.
Die insgesamt drei ablaufenden ATP-Synthesen werden auch als oxidative Phosphorylierung oder Atmungskettenphosphorylierung bezeichnet.
Pro Molekül NADH/H+ werden drei ATP und pro FADH2 zwei ATP gebildet. Dies stellt den von allen Stoffwechselprozessen größten Energiegewinn für die Zellen dar.
In dem komplexen Ablauf der Atmungskette spielen neben einer Reihe von Enzymen auch elektrochemische Gradienten (Energie, die bestimmt in welcher Form ein Ion die Membran passiert) eine wichtige Rolle.
Die Effektivität dieses Prozesses kann nur über eine räumliche Nähe der Enzyme und die Mitwirkung durch Membranen (Zellwände) erreicht werden. Daher sind die Enzyme in die innere Membran der Mitochondrien integriert und ragen in die Umgebung hinein. Nur so ist unserem Körper diese effiziente Art der Energiegewinnung möglich.
Quellen
Schlieper, Cornelia A. „Grundfragen der Ernährung“ 18.Auflage Dr. Felix Büchner- Verlag Handwerk und Technik GmbH Kiel 2005
Becker, Hans, Reichling, Jürgen „Grundlagen der Pharmazeutischen Biologie“ 4., völlig neu bearbeitete Auflage Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH Stuttgart 1999