Pyruvat als letzter Elektronenakzeptor in der Elektronentransportkette

Vielleicht kommt später jemand anderes mit einer endgültigen Antwort, aber ich fand diese Frage faszinierend, also hier sind meine Gedanken:

Die Standard-Redoxpotentiale der mitochondrialen ETC-Träger sind:

NAD⁺/NADH              -0.32 V
complex I (Fe-S)       -0.27 V
complex II (cyt b₅₆₀)  -0.08 V
complex III ((cyt c₁)  +0.23 V
complex IV (cyt a₃)    +0.38 V
O₂/H₂O                 +0.82 V

Beachten Sie, dass der Elektronentransport von negativ nach positiv erfolgt.

Für Pyruvat/Lactat beträgt das Standard-Redoxpotential nun -0,19 V, sodass Pyruvat auf der Grundlage dieses Pyruvats theoretisch Elektronen von Komplex I aufnehmen könnte, jedoch nicht weiter unten in der Kette. Komplex I überträgt jedoch normalerweise Elektronen auf Coenzym Q innerhalb der Membran . Das Standard-Redoxpotential von CoQ beträgt +0,04 V, was bereits zu positiv ist, um anschließend Pyruvat an der Membranoberfläche reduzieren zu können. Es müsste also einen neuen Weg geben, Elektronen vom letzten FeS-Zentrum von Komplex I, das sich innerhalb der Membran befindet, auf Pyruvat zu übertragen. Pyruvat ist natürlich löslich und wird durch zytoplasmatische Glykolyse erzeugt, so dass dieser Transfer an der Membranoberfläche stattgefunden hätte, die dem Intermembranraum der Mitochondrien zugewandt ist.

Wenn sich ein solches Schema entwickelt hätte, wäre es möglich, ein gewisses Protonenpumpen durch die neue Version von Komplex I zu erreichen, was energetisch vorteilhaft wäre.

Eine weitere Komplikation ist – unter der Annahme, dass sich ein Komplex I mit Pyruvat als Elektronenakzeptor entwickelt hätte – wie würde die Zelle/das Mitochondrium den Elektronenfluss während der aeroben Atmung regulieren? Vermutlich müsste die Pyruvat-akzeptierende Version von Komplex I irgendwie inaktiv gehalten werden, bis sie benötigt wird.

Es ist eindeutig viel einfacher, eine lösliche Lactatdehydrogenase zu haben, um mit dem Pyruvat fertig zu werden und NAD&spplus; zu regenerieren.

Zusammenfassende Antwort

Bei der anaeroben Atmung ist die Änderung der freien Energie der Reoxidation von NADH durch Pyruvat geringer als erforderlich wäre, um ein ADP-Molekül zu ATP zu phosphorylieren. Der Zweck der Elektronentransportkette besteht darin, die viel größere Änderung der freien Energie bei der Oxidation von NADH durch molekularen Sauerstoff nutzbar zu machen. Pyruvat kann also weder „den Platz von O ₂ als letzter Elektronenakzeptor einnehmen“, noch hätte es einen Sinn, diese komplexe Maschinerie so zu modifizieren, dass sie von Pyruvat zur Regenerierung von NAD ⁺ verwendet werden könnte, wenn ein einziges zytoplasmatisches Enzym (Lactatdehydrogenase ) wird die Arbeit erledigen.

Detailliertere numerische Antwort

Diese Antwort stammt aus Abschnitt 18.2 von Berg et al. und umfasst Berechnungen von Änderungen der freien Energie aus den Redoxpotentialen der verschiedenen Halbreaktionen und ihrer Beziehung zur freien Energie der Hydrolyse von ATP. Es lohnt sich, es sorgfältig zu lesen, aber ich werde die wichtigsten Punkte zusammenfassen.

• Sowohl Pyruvat als auch Sauerstoff können NADH oxidieren, aber die damit einhergehende Änderung der Standard-Gibbs-freien Energie ist in den beiden Fällen sehr unterschiedlich. Das ist der springende Punkt.
• Das Standard-Redoxpotential für NADH → NAD ⁺ beträgt +0,32 V
• Das Standard-Redoxpotential für Pyruvat → Laktat beträgt –0,19 V
• Das Standard-Redoxpotential für O ₂ → H ₂ O beträgt +0,82

Kombinieren dieser Halbreaktions-Redoxpotentiale in den beiden Oxidationsreaktionen und anschließendes Umwandeln in die Standardänderung der freien Energie (ΔG˚ʹ):

• Oxidation von NADH durch Pyruvat: ΔG˚ʹ = –6,0 kcal/mol
• Oxidation von NADH durch Sauerstoff: ΔG˚ʹ = –52,6 kcal/mol

Aber ΔG˚ʹ für ADP → ATP = –7,5 kcal/mol

Es ist also ersichtlich, dass die Energetik der Oxidation von NADH durch Pyruvat nicht genug Energie liefert, um auch nur ein Molekül ATP zu synthetisieren, geschweige denn die ca. 3, die aus Sauerstoff gewonnen werden. Die Elektronentransportkette ist eine Vorrichtung zum Aufbrechen dieser letzteren Oxidationsreaktion in Stufen, so dass die Änderung der freien Energie zum Erzeugen des Protonengradienten verwendet werden kann, der zum Erzeugen von ATP verwendet wird. Es kann nur mit einem ausreichend starken Oxidationsmittel funktionieren.

Die Oxidation von NADH durch Pyruvat ist nützlich, aber nur, um NAD ⁺ zu regenerieren , damit die Glykolyse fortgesetzt werden kann und eine geringere Menge an ATP durch Phosphorylierung auf Substratebene erzeugt wird, die durch die Glyceraldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase-Reaktion ermöglicht wird. Für diese Oxidation wird nur ein einfaches Enzym, die Laktatdehydrogenase, benötigt. Es gibt sicherlich keinen Grund, das Pyruvat in die Mitochondrien zu transportieren (vorausgesetzt, es gibt sie – denken Sie an Erythrozyten), wobei dieser Prozess, obwohl er unvollständig verstanden wird, durchaus energetische Kosten haben kann.