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2025-07-23T22:05:32Z

Korrektur der Ubichinonoxidation

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Der '''Q-Zyklus''' (von engl. '''Q'''uinone bzw. der Abkürzung '''Q''' von Ubichinon) bezeichnet in der [[Biochemie]] meist eine Folge von [[Redoxreaktion]]en unter der Beteiligung von [[Ubichinon]] (Q) bzw. [[Ubichinol|Ubihydrochinon]] (QH2) und [[Cytochrom c]] am [[Komplex III]] der [[Atmungskette]]. Ein ähnlicher Zyklus findet mit [[Plastochinon]] (PQ) am [[Cytochrom-b6f-Komplex|Cytochrom-''b''6''f''-Komplex]] in Pflanzen, [[Algen]] und [[Cyanobakterien]] statt.<ref name="Baniulis:2008">Baniulis ''et al'' (2008): ''Structure-function of the cytochrome b6f complex''. In: Photochem Photobiol '''84''' (6) S. 1349–1358, PMID 19067956</ref> Dieser erfüllt für das [[Pendant]] der Atmungskette, die [[Photosynthese]], dieselbe Funktion wie Komplex III.

== Funktion ==
[[Bild:Komplex III.png|mini|300px|Schematische Darstellung des Q-Zyklus am Komplex III der Atmungskette.]]

Ubichinon dient in der Atmungskette als beweglicher Elektronenüberträger zwischen [[Komplex I]] bzw. [[Komplex II]] und [[Komplex III]] in der inneren Membran von [[Mitochondrium|Mitochondrien]]. Das Ubichinon wird vom Komplex I/II unter Aufnahme von zwei [[Elektron]]en und zwei [[Proton (Chemie)|Protonen]] zu Ubihydrochinon reduziert. Das Ubihydrochinon kann nun in der Membran zu Komplex III diffundieren, um seine beiden aufgenommenen Elektronen weiterzugeben. Ubihydrochinon bindet hierzu an die als Qo bezeichnete Bindestelle im Komplex III, die dem Zwischenraum zwischen innerer und äußerer Membran zugewandt ist (IM). Als Elektronenakzeptor in der Membran dient Cytochrom c, vermittelt durch das ein [[Eisen-Schwefel-Cluster|Eisen-Schwefel-Zentrum]] enthaltende [[Rieske-Protein]] und [[Cytochrom c1|Cytochrom c1]], die Bestandteile von Komplex III sind.

Cytochrom c kann allerdings nur ein Elektron aufnehmen, daher wird zunächst QH2 nur zum [[Radikal (Chemie)|freien Radikal]] [[Ubisemichinon]] (QH•) oxidiert. Dieses ist aber instabil und gibt das zweite Elektron sofort über die Proteine Cytochrom bL und Cytochrom bH des Komplexes an ein weiteres Ubichinon ab, das an der matrixseitigen (M) ''inneren'' Bindestelle Qi gebunden ist und nun seinerseits zu einem Radikal Ubisemichinon (QH•) reduziert wird. Das noch an der Qo-Stelle gebundene Ubihydrochinon gibt nun seine Protonen an den Intermembranraum ab und liegt wieder in seiner oxidierten Form vor. Es diffundiert von der Qo-Stelle ab und geht in den ''Ubichinonpool'' ein.<ref name="stowe">David F. Stowe und Amadou K. S. Camara: Mitochondrial Reactive Oxygen Species Production in Excitable Cells: Modulators of Mitochondrial and Cell Function (Review). ''[[Antioxidants & Redox Signaling]]'', Volume 11, Number 6, 2009, S. 1381–84. PMID 19187004</ref>

In einem zweiten Schritt bindet nun ein weiteres Ubihydrochinon an die Qo-Stelle und wird analog zum vorherigen Ubihydrochinon oxidiert, wobei wieder ein Elektron an Cytochrom c weitergegeben wird und zwei Protonen in den Intermembranraum transferiert werden. Das Ubisemichinon an der Qi-Stelle wird hierbei unter Bindung zweier Protonen aus der Matrix zu Ubihydrochinon reduziert und durch oxidiertes Ubichinon ersetzt, während es selbst nun an die Qo-Stelle binden kann.<ref name="stowe" />

Bei diesem zyklischen Prozess werden also in der Summe zwei Elektronen zwischen Ubihydrochinon und Cytochrom c weitergegeben und dabei zwei Protonen aus der Matrix entnommen und vier Protonen in den Intermembranraum abgegeben. Dadurch wird ein [[Chemiosmotische Kopplung|chemiosmotisches Membranpotenzial]] zwischen der Matrix und dem Intermembranraum im Mitochondrium aufgebaut.<ref name="stowe" />

== Entstehen des Radikals Superoxid ==
Wird der Fluss des zweiten Elektrons zur Qi-Stelle blockiert, experimentell etwa durch [[Antimycin A]], so bleibt QH• länger an der Qo-Stelle. Es findet [[Autooxidation]] statt, das freigesetzte Elektron wird durch ein Sauerstoffmolekül aufgenommen und so das freie Radikal [[Superoxid]] (O2•−) gebildet. Dies legt nahe, dass an Komplex III mehr Superoxid in den Membranzwischenraum abgegeben wird, was für [[Mitoplast]]en ohne äußere Membran bestätigt wurde. Jedoch können auch matrixseitig [[reaktive Sauerstoffspezies]] gebildet werden, besonders bei geringem Elektronentransfer in das Qo-Zentrum. Die relativen Produktionsraten und Bedingungen unter physiologischen Verhältnissen sind ungeklärt.<ref name="stowe" />

== Geschichte ==
[[Datei:Q-cycle cytochrome b6f.png|mini|hochkant=1.8|Die beiden Hälften des Q-Zyklus der Photosynthese]]
Früher nahm man an, dass die Elektronen von den membrangebundenen Enzymkomplexen der Atmungskette und den zwischengeschalteten beweglichen Elektronenüberträgern (Ubichinon und Cytochrom c) kaskadenartig an den Sauerstoff weitergeleitet würden. Dieses Bild eines geradlinigen Elektronenflusses begann sich Mitte der sechziger Jahre zu wandeln, als der spätere Nobelpreisträger [[Peter D. Mitchell]], zunächst aufgrund rechnerischer Überlegungen, zur Überzeugung gelangte, dass vom Ubichinon nur eines statt der ursprünglich angenommenen zwei gebundenen Elektronen weitergegeben wird.

Diese Theorie wurde untermauert, als die Gruppe um Hans Reichenbach (GBF Braunschweig) in den siebziger Jahren den Hemmstoff [[Myxothiazol]] aus dem [[Myxobacteria|Myxobakterium]] ''Myxococcus fulvus'' isolierten. Damit gelang es Gebhard von Jagow (Universität München), die Atmungskette exakt dort zu blockieren, wo die Elektronen vom Ubichinon weiter in Richtung Sauerstoff fließen; der zweite Weg konnte mit dem [[Antibiotikum]] Antimycin A abgeriegelt werden.

Die Atmungskette verzweigt sich also am Ubichinon, wobei ein Teil der Energie des linear weitergereichten Elektrons ausreicht, um das zweite Elektron in das Ubichinon-Reservoir „zurückzustrudeln“. Der Energiefluss entspricht also nicht einem „Wasserfall“, sondern es sind „Staustufen“ eingeschaltet, die eine höhere [[Exergie|Energieausbeute]] ermöglichen.

Dieser „Elektronenwirbel“ am Ubichinon ist keine Spezialität der Säugermitochondrien: auch in den [[Chloroplast]]en der grünen Pflanzen (s. o.) und der Atmungskette der Bakterien teilt sich der Elektronenfluss. Dieser ökonomische Umgang mit Energie hat sich also schon früh in der Evolution durchgesetzt.

== Literatur ==
* Osyczka, A. ''et al.'' (2005): ''Fixing the Q cycle.'' In: ''[[Trends Biochem Sci]].'' Bd. 30, S. 176–182. PMID 15817393 {{DOI|10.1016/0022-5193(76)90124-7}}

== Siehe auch ==
* [[Atmungskette]]
* [[chemiosmotische Kopplung]]

== Belege ==
<references/>

[[Kategorie:Biochemische Reaktion]]
[[Kategorie:Stoffwechselweg]]

Q-Zyklus - Versionsgeschichte

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