Die Atmungskette

Aktiver Transport

Zum Verständnis der Atmungskette sollte man sich noch einmal klar machen, wie eigentlich der aktive Transport funktioniert. Beim aktiven Transport werden Stoffe gegen ein bestehendes Konzentrationsgefälle "bergauf" transportiert. Das kostet Energie, die normalerweise durch die Spaltung von ATP in ADP und P_i erzeugt wird.

Was passiert nun, wenn ein aktiver Transportvorgang umgekehrt wird? Wenn also Stoffe in Richtung des Konzentrationsgefälles transportiert werden?

Dann wird nicht nur kein ATP benötigt, da es sich ja um einen passiven Transport handelt, sondern es kann sogar ATP erzeugt werden, aus ADP/P_i. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die Teilchen, wenn sie bergab diffundieren, durch ein bestimmtes Membranprotein strömen, eine sogenannte ATP-Synthase (manchmal auch ATP-Synthetase oder einfach ATPase genannt).

Ein Analogbeispiel: Wenn man Wasser den Berg hinauf transportieren will, braucht man eine Pumpe, die durch Windkraft, Dampf oder Strom angetrieben wird. Strömt Wasser dagegen einen Berg herab, kann man damit ein Mühlrad oder einen Stromgenerator betreiben, also Energie "erzeugen".

Natürlich ist aus dem Physik-Unterricht klar, dass niemals Energie "erzeugt" werden kann. Die Fachleute sprechen hier von Energiewandlung. Mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt oder umgekehrt.

Bei einem passiven Transport kann ATP aus ADP/P_ierzeugt werden, wenn Teilchen mit dem Konzentrationsgefälle durch eine ATP-Synthase diffundieren.

Im Grunde wissen wir also jetzt, wie ATP in den Mitochondrien erzeugt wird: Es müssen irgendwelche Teilchen durch eine ATP-Synthase diffundieren, und während dieses passiven Vorgangs wird ATP aus ADP/P_i erzeugt.

Diese Diffusion findet tatsächlich statt, und zwar an der inneren Mitochondrien-Membran. Im Innern des Mitochondriums befinden sich wenige Protonen, und im Außenraum des Mitochondriums, also auf der anderen Seite dieser Membran, herrscht eine hohe Protonenkonzentration. Wenn die Protonen nun durch bestimmte Membranproteine in Richtung des Protonengefälles in das Mitochondrium hineindiffundieren, wird für jeweils drei Protonen ein Molekül ATP erzeugt.

Im Wesentlichen besteht ein Mitochondrium aus einer äußeren Membran und einer stark gefalteten inneren Membran. Dazwischen befindet sich der Zwischenmembranraum. Die innere Membran umschließt die Matrix, diese Matrix besteht aus Cytoplasma und enthält eine ringförmige DNA und Ribosomen (ähnlich wie bei Prokaryoten).

In der Ausschnittvergrößerung (2.) sehen wir eine Ausstülpung der inneren Membran. Die roten Gebilde sind die ATP-Synthasen.

Die Ausschnittvergrößerung (3.) zeigt, wie Teilchen in Richtung des Konzentrationsgefälles durch eine ATP-Synthase diffundieren. Bei diesem exothermen Prozess wird ATP erzeugt.

Bei der Atmungskette diffundieren Teilchen aus dem Zwischenmembranraum durch ATP-Synthasen in die Matrix des Mitochondriums hinein und erzeugen bei diesem passiven Vorgang ATP.

Sie fragen sich jetzt sicherlich schon, was sind das denn für Teilchen, die durch ihre Diffusion ATP erzeugen? Die Antwort auf diese Frage liefert ein Experiment, das in der folgenden Abbildung schematisch dargestellt ist:

Was hat man hier gemacht? Im Prinzip hat man ein Mitochondrium mit Universalindikator getränkt. Dieser Universalindikator hat bei neutralen pH-Werten eine grüne Farbe, bei leicht sauren pH-Werten ist er dagegen orange bis rot gefärbt.

Wie man leicht sehen kann, ist der Zwischenmembranraum leicht sauer (pH = 6,9), während die Mitochondrien-Matrix leicht basisch ist (pH = 7,8). Welche Teilchen sind für diesen deutlichen Unterschied verantwortlich? Das sollten Sie aus dem Chemie-Unterricht wissen: Protonen.

Säuren sind bekanntlich Protonendonatoren, geben also Protonen H⁺ ab. Wenn ein Universalindikator rot wird, wird dies durch die vielen Protonen in der Säure verursacht.

Bei der Atmungskette diffundieren jeweils drei Protonen aus dem Zwischenmembranraum durch eine ATP-Synthase in die Mitochondrien-Matrix hinein, dabei wird je 1 ATP-Molekül erzeugt.

Irgendwann sind aber so viele Protonen in das Mitochondrium hineindiffundiert, dass sich ein Konzentrationsausgleich eingestellt hat; es findet dann keine Netto-Diffusion mehr statt. Dann kann auch kein ATP mehr erzeugt werden.

Das ist jetzt aber nicht gut für die Zelle. Wie die Zelle dieses Problem löst, werden Sie auf der nächsten Seite erfahren...