19.10: Die Superkomplexe in der Crista-Membran

Die mitochondriale Cristae-Membran ist der primäre Ort für den Prozess der oxidativen Phosphorylierung (OXPHOS) zur Energieumwandlung, der durch die Atmungskomplexe I bis V vermittelt wird. Diese Komplexe wurden seit Jahrzehnten umfassend untersucht, und es wurde nachgewiesen, dass sie supramolekulare Strukturen bilden, die als respiratorische Superkomplexe (SC für supercomplexes) bezeichnet werden. Diese Komplexe höherer Ordnung können für die Aufrechterhaltung der biochemischen Struktur und die Verbesserung der physiologischen Aktivität der einzelnen Komplexe bei gleichzeitiger Steigerung der Elektronentransfereffizienz von entscheidender Bedeutung sein.

Arten von Superkomplexen der Atmungskette

Respiratorische Superkomplexe können in der Cristae-Membran mit einzelnen OXPHOS-Komplexen koexistieren. Unter den vielen verschiedenen Arten von Superkomplexen bilden diejenigen, die Komplex-I-Monomer, Komplex-III-Dimer und eine oder mehrere Einheiten von Komplex IV enthalten, den am häufigsten vorkommenden Superkomplex – SC I+III2+IV1-2. Dieser Superkomplex ist auch als "Respirasom" bekannt, da er in Gegenwart von Ubichinon und Cytochrom c eigenständig Atmung durchführen kann.

Darüber hinaus kann es Superkomplexe verschiedener anderer Zusammensetzungen und Stöchiometrien geben, deren Häufigkeit und Zusammensetzung je nach Stoffwechsel- und physiologischen Bedingungen zwischen Organismen und Geweben variieren können. Komplex I hat beispielsweise eine instabile Struktur und kann in einzelne Proteinuntereinheiten dissoziieren. Die Stabilität von Komplex I hängt von seiner Assoziation mit anderen Komplexen wie dem Komplex III-Dimer in SC I+III2 ab. Genetische Mutationen, die zum Verlust von Komplex III führen, gehen mit dem Verlust von Komplex I und den zugehörigen Superkomplexen einher.

Komplex III bildet auch eine stabile Assoziation mit einer oder mehreren Einheiten von Komplex IV im Superkomplex (III2+IV1-2). Solche einfacheren Superkomplexe kommen häufig in Organismen wie Saccharomyces cerevisiae vor, die keinen Komplex I exprimieren. Solche Organismen bestehen hauptsächlich aus SC III2+IV1 und III2+IV2 sowie Komplex II, der als einziger Eintrittspunkt für Elektronen in die Elektronentransportkette dient.

Die respiratorischen Superkomplexe können in noch größeren Komplexen organisiert sein, die Megakomplexe oder Atemstränge genannt werden. Menschliches respiratorisches SCI+III2+IV könnte ein kreisförmiges MCI2+III2+IV2 bilden. Die Funktion dieser Komplexe höherer Ordnung ist weiterhin Gegenstand der Forschung.

Die Elektronenkettenkomplexe sind entscheidende Komponenten, um Redoxreaktionen mit der ATP-Synthese zu koppeln.

Sie können auf der inneren Mitochondrienmembran als diskrete Einheiten mit beweglichen Elektronenträgern vorliegen, die die Elektronen zwischen zwei benachbarten Komplexen transportieren.

Alternativ fungiert ein Phospholipid namens Cardiolipin als molekularer Klebstoff, der verschiedene Kombinationen einzelner Komplexe zu Superkomplexen der Atmungskette oder sogar Megakomplexen organisiert.

In einem Superkomplex verringert sich der Abstand zwischen benachbarten Komplexen im Vergleich zu individuell angeordneten Komplexen.

Dies ermöglicht es mobilen Elektronenträgern, schnell von einem Komplex zum anderen in der superkomplexen Anordnung zu diffundieren, was ihren Elektronentransfer und ihre Protonenpumpeffizienz verbessert.

In Zellen mit hohem Energiebedarf kann ein respiratorischer Superkomplex so eine große protonengetriebene Kraft zur Hochregulierung der ATP-Produktion erzeugen.

Darüber hinaus spielen Superkomplexe auch eine Rolle bei der Regulierung der reaktiven Sauerstoffspezies (ROS).

Die toxischen Superoxidradikale entstehen, wenn reaktive Stellen, wie z. B. Eisen-Schwefel-Cluster, Sauerstoff ausgesetzt bleiben.

In einer superkomplexen Anordnung werden die reaktiven Stellen durch die Proteinumgebung isoliert und für Sauerstoff unzugänglich, wodurch eine übermäßige ROS-Bildung verhindert wird.