Atmungskette auf Meditricks.de

Atmungskette

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  • Die Stoffwechselstadt hat wohl das einzigartigste Energiesystem überhaupt, ein ingenieurtechnisch unübertroffenes Meisterwerk und wahrer Alleskönner! Erbaut von ziemlich verrückten Ingenieuren,  produziert diese gigantische Maschinerie der Atmungsketten-Windmühle in katastrophalen Zeiten (Katabolismus) Energie in Form von phosphorgrünen Dreizack-Blitzen (ATP).

    Die Windmühle selbst wird vom verrückten Synthase-Hasen betrieben (ATP-Synthase), der die Energie von positiven Protonen-Bällchen nutzt. Die Protonen müssen aber zunächst durch Pumpen in den richtigen Zwischengang getrieben werden, der zur Mühle führt. Das bedeutet große Anstrengung für die ebenso verrückte Mitarbeiter-Crew, die in den 4 Energietürmen schuftet (Komplex I-IV). Sie reichen in einer Kette Wasserstoff- und Elektronen-Helferlein weiter um die Protonen durch die Pumpen zu schleusen (Elektronentransport entlang Spannungsreihe). Ihre Helfer wiederum sehen auch eher ungewöhnlich aus – es tummeln sich Nadeln (NAD+), Fäden (FAD+), Kühe (Koenzym Q), Kryo-Chrom-Chamäleons (Cytochrom C) und sogar angetrunkene Chinesen (Ubichinol) auf den Plattformen… was die Arbeitssicherheitsbehörde wohl dazu sagen würde ?!

    ClearErkundungsbild
    Atmungskette: kataboler >> anaboler Stoffwechselweg
    Katastrophaler Sturm, Windmühle, entfernter blauer Horizont
    Die Atmungskette ist vornehmlich ein kataboler Stoffwechselweg, d.h. verschiedene Stoffe werden zur Energiegewinnung abgebaut (katastrophaler Sturm, Windmühle). Der Katabolismus und damit die Atmungskette wird bei Energiemangel hochreguliert. Wichtig: Die Atmungskette hat auch anabole Anteile (entfernter blauer Horizont)
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    Schlüsselassoziation
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    Energ. 1: Katabole STW-Wege → FADH2, NADH+ H+ → Elektroneneinspeisung in Atmungskette
    Reduzierte Nadel + reduzierte Fadenspule m. H2-Helferlein
    1. Schritt Energieproduktion: Einbringen von Elektronen von NADH + H+ (reduzierte Nadel + H2-Helferlein) und FADH2 (reduzierte Fadenspule + H2-Helferlein) in die Atmungskette. Diese stammen aus multiplen katabolen Stoffwechselvorgängen wie bspw. der Beta-Oxidation, Glykolyse und Pyruvat-DH-Reaktion.
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    Quintessence
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    Energ. 2: Elektronen-Transport-Kette = Elektronenwanderung entlang 4 Proteinkomplexen m. Ko-Enzymen → Redoxreaktionen
    4 große Pumptürme m. Hängebrücken
    2. Schritt Energieproduktion: Die eingebrachten Elektronen wandern entlang einer Kette von 4 riesigen Protein-Komplexen mit ihren Ko-Enzymen (4 Türme). Dies geschieht durch eine Reihe an Redoxreaktionen. Man spricht auch von der Elektronen-Transport-Kette. Die Namen der beteiligten Enzym-Komplexe bestehen aus drei Teilen: 1. Teil: Molekül, von dem die H-Atome bzw. Elektronen stammen 2. Teil: Molekül, auf die sie übertragen werden 3. Teil: Enzymfunktion
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    Quintessence
    4
    Alle Proteine in innerer (+ z.T. äußerer) Mitochondrienmembran gebunden
    Türme in Zäunen verankert
    Die Proteine der Atmungskette sind alle in der inneren (vorderer Zaun) und zum Teil auch in der äußeren Mitochondrium-Membran zu finden. Das ist bemerkenswert, weil viele Enzyme des Stoffwechsels, zum Beispiel der Glykolyse oder des Zitratzyklus ,nicht membrangebunden sind.
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    Basiswissen
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    Energ. 2: Elektronen folgen Spannungsreihe = Redoxpotentiale: NADH + H+, FADH2 → O2
    Unter Spannung stehender Hängebrückenweg läuft abwärts von I → IV
    2. Schritt Energieproduktion: Die Elektronen folgen dabei einer sog. Spannungsreihe. Eine Spannungsreihe entsteht dadurch, dass Moleküle mit unterschiedlichem Redoxpotential, also mit einer unterschiedlichen “Elektronen-Anziehungskraft”, nebeneinander aufgereiht sind. NADH + H+ bzw. FADH2 haben das geringste Redoxpotential (-0,4 V), also die geringste Elektronen-Anziehungskraft und O2 hat das höchste positive Redoxpotential (+0,8 V), also die höchste Elektronen-Anziehungskraft. Ergo wandern die Elektronen von NADH und FADH2 zu O2.
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    Quintessence
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    Energ. 3: Elektronenwanderung → Energiefreisetzung → Protonenpumpen in Intermembranraum
    Protonenansaugung → Pumpe in Zwischenzaunbereich
    3. Schritt Energieproduktion: Diese “Elektronenwanderung” setzt Energie frei, welche von den Enzymkomplexen verwendet wird, um Protonen “gegen ihren Willen” in den Intermembranraum der Mitochondrien zu pumpen (pumpen = aktiver = energieaufwendiger Transport).
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    Quintessence
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    Energ. 3: Protonenüberschuss im Intermembranraum → Membranpotential steigt → Antrieb ATP-Synthase
    Fröhliche, jubelnde Protonen im Zwischenzaunbereich
    3. Schritt Energieproduktion: Im Intermembranraum des Mitochondriums ist ein Protonenüberschuss = H+ Ionen zu sehen, der ein Membranpotential = Potentialdifferenz zum Matrixraum kreiert. Dieser ist die treibende Kraft für die ATP-Synthase (Im Zwischenzaunraum platzen die Protonen fast vor Freude - kein Wunder bei so viel hoher Spannung unter nur positiven Ladungen).
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    Quintessence
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    Energ. 4: Wichtigste ATP-Quelle = Energieträger
    Riesiger grüner Blitz
    4. Schritt Energieproduktion: Die Atmungskette ist die wichtigste Quelle von Adenosin-Tri-Phosphat = ATP, einem der wichtigsten Energieträger unseres Körpers.
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    Quintessence
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    Energ. 4: Basis der Atmungskette = Knallgasreaktion in einzelnen Schritten → ATP
    "KNALL" im IV. Turm, Wassertropfen am Turm
    4. Schritt Energieproduktion: Formal gesehen, wird ATP im letzten Schritt in einer Knallgas-Reaktion gewonnen, d.h. bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Jedoch würde dieser stark exogene Prozess Zellen zerstören. Daher findet er in einigen Schritten der Atmungskette statt. Beim vierten Komplex ist die Knall-Gas-Reaktion komplett.
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    Expertenwissen
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    Rkt: 2 Funktionen pro Komplex: Elektronentransport via Redoxreakt. + Protonenpumpen in Intermembranraum
    2 Stockwerke/ Turm: Oben roter Ochse, unten Pumpe
    Reaktionen: Grob vereinfachend kann man sagen, dass die Komplexe der Elektronentransportkette 2 Funktionen haben. 1.Funktion: Elektronnentransport = Redoxreaktionen (engl. 'red' rot, roter Ochse) wodurch 2. Protonen in den Intermembranraum gepumpt werden (Pumpen, außer bei Turm II).
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    Basiswissen
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    Rkt.: Riesiger Komplex I
    Größter, erster Turm
    Reaktionen: Der Enzymkomplex I ist ein wahrer Riese: er bringt 940 kDa auf die Waage und ist auf jeden Fall einer der Schwergewichte unter den Proteinkomplexen. Gemäß seiner Funktion heißt er auch NADH-Ubichinon-Reduktase.
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    Basiswissen
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    Rkt I - Redox: Kataboler STW → Frei lösliches NADH + H+ → Übertragung H+, e- an FMN → FMNH2 + NAD+
    Reduzierte Nadel m. Helferlein: "Ich hab die Lösung!"
    Redoxreaktion Komplex I: NADH + H+ ist ein lösliches Ko-Enzym und kann daher zum Komplex I diffundieren (Reduzierte Nadel m. Helferlein: " Ich hab die Lösung!"). Es kommt von katabolen Stoffwechselvorgängen wie der Beta-Oxidation. NADH + H+ gibt in der Redoxreaktion seine Elektronen in “Begleitung” seiner Protonen an FMN ab. NADH + H+ wird dabei zu NAD+ oxidiert (Nadeln: 1 Haar auf dem Kopf + 1 “frei flottierendes Haar” = NADH + H+).
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    Basiswissen
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    Rkt I - Redox: NADH + H+ überträgt H+, e- auf FMN → FMNH2
    Nadel übergibt Helferlein an gelben Block → blasser, kleiner Block m. Helferlein
    Redoxreaktion Komplex I: Die Elektronen in Begleitung von den Protonen werden von NADH + H+ auf FMN = Flavin-Mono-Nukleotid übertragen, woraus FMNH2 entsteht (Die Nadel gibt ihr H2-Helferlein = Elektronen an einen gelben von lat. 'flavus', gelb einzelnen Block = Mononukleotid, worauf dieser blass = reduziert wird).
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    Basiswissen
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    Rkt I - Redox: Elektronenübertragung auf Co-Enzym Q = Ubichinon → Reduktion zu Ubichinol
    Gelber Block übergibt Helferlein an Kuh m. 2 Chinesen
    Redoxreaktion Komplex I: Die Elektronen werden von FMNH2 (gelber, blasser Block m. Helferlein) auf das Co-Enzym Q (Kuh) aka Ubichinon übertragen (U-bi-chinon = 2 Chinesen). Ko-Enzyme sind Ko-Faktoren, also eine Nicht-Protein-Komponente, die neben dem Protein-Anteil für eine biochemische Reaktion unerlässlich sind. Ubichinon wird zu Ubichinol reduziert. Nota bene: Eigentlich fließen die Elektronen danach noch an Eisen-Schwefel-Komplexen entlang.
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    Basiswissen
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    Rkt I - Pumpe: 4 H+ aus Mitochondrienmatrix → Intermembranärer Zwischenraum
    Pumpe saugt 4 glückliche Protonen an
    Komplex I hat eine integrierte Protonenpumpe: Bei dieser Reaktion werden 4 Protonen aus dem mitochondrialen Matrixraum in den Intermembranären Zwischenraum gepumpt.
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    Quintessence
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    Rkt II - Redox: Succinat → Fumarat
    Zitronenhelm-Arbeiter klauen Such-Spinat sein Helferlein, der bleibt m. rauchendem Rad zurück
    Redoxreaktion Komplex II: Succinat (Such-Spinat) wird via Dehydrogenase zu Fumarat oxidiert (franz. fumer = rauchen, Rad für phon. -rat.). Die dabei frei werdenden Elektronen werden weitergeleitet an FAD+ (Dehydrogenator übergibt Helferlein an Faden). Komplex II ist übrigens gleichzeitig auch Teil des Citratzyklus (Zitronenhelm-Arbeiter). Gemäß Funktion heißt Komplex II auch Succinat-Fumarat-Dehydrogenase.
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    Basiswissen
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    Rkt II - Redox: Reduktion Co-Enzym FAD+ → FADH2
    Faden bekommt Helferlein → blasser, kleinerer Faden
    Redoxreaktion Komplex II: Die Elektronen von Succinat wandern an FAD+ weiter (Faden). Dabei wird das Ko-Enzym FAD+ zu FADH2 reduziert.
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    Basiswissen
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    Rkt II - Redox: Elektronenübertragung von FADH2 auf Ubichinon → Ubichinol
    Blasser Faden übergibt Helferlein an Kuh m. 2 Chinesen
    Redoxreaktion Komplex II: Die Elektronen werden in Begleitung von Protonen von FADH2 weiter auf Ubichinon bzw. Ko-Faktor Q übertragen. So wird FADH2 erneut oxidiert und Ubichon zu Ubichinol reduziert.
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    Quintessence
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    Rkt III - Redox: Ubichinol von II wird in Komplex III eingespeist
    Kleine, blasse Kuh + 2 alkoholisierte Chinesen
    Redoxreaktion Komplex III: Das reduzierte Ubichinol = reduziertes Ko-Enzym Q (blasse, kleinere Kuh mit 2 alko-hol-isierten Chinesen) aus Komplex II wird in Komplex III eingespeist.
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    Basiswissen
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    Rkt III - Redox: Ubichinol überträgt NUR Elektronen an 2 Cytochrom-C-Moleküle
    2 alkoholisierte Chinesen überreichen 2 Elektronen an 2 Kryo-Chrom-Chamäleons
    Redoxreaktion Komplex III: Die Elektronen des Ubichinols (2 alkoholisierte Chinesen m. 2 roten, kleinen, negativ dreinblickenden Kugel-Elektronen) werden - OHNE BEGLEITUNG VON PROTONEN - auf 2 Cytochrom-c-Moleküle übertragen (2 Kryo-Chrom-Chamäleons). Daher auch der Name für Komplex III: Ubichinol-Cytochrom-C-Reduktase.
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    Basiswissen
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    Rkt III - Pumpe: 4 H+ aus Mitochondrienmatrix → Intermembranärer Zwischenraum
    4 Protonen werden eingepumpt
    Die integrierte Protonen-Pumpe von Komplex III pumpt 4 Protonen in den Intermembran-Raum.
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    Basiswissen
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    Rkt IV - Redox: Cytochrom C m. Elektronen wandert von III → IV
    2 Kryo-Chrom-Chamäleons wandern zu Turm 4
    Redoxreaktion Komplex IV: Cytochrom C wandert mit den Elektronen von Komplex III zu Komplex IV. Es ist NICHT, wie oft in Physikumsfragen suggeriert, an den Komplex IV, syn. Cytochrom-Oxidase, gebunden.
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    Basiswissen
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    Rkt IV - Redox: Elektronenübertragung auf O2 = höchstes Redoxpotential
    Saures Wesen "atmet" 2 Elektronen der Kryo-Chrom-Chamäleons ein
    Redoxreaktion Komplex IV: Die Elektronen von Cytochrom C werden auf Sauerstoff übertragen (Saures Stoff-Wesen). Zur Erinnerung: O2 hat das höchste Redoxpotential in dieser Reaktionsreihe, d.h. die Elektronen wandern zu O2 (Wesen übt starken Sog auf e- aus). Dieser biochemische Schritt ist - wenn man so will - der Grund warum wir atmen.
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    Quintessence
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    Rkt IV - Redox: 2 Cytochrom C Moleküle übertragen e- auf halbes O2 = Oxidation Cytochrom, Reduktion O2
    Stoffwesen saugt e- an, Kryo-Chrom-Chamäleons bekommen Ochsenhörner
    Redoxreaktion Komplex IV: Die Elektronen werden von den 2 Cytochrom-C-Molekülen auf ein halbes O2 übertragen. Cytochrom C wird oxidiert, O2 wird reduziert (Chamäleons bekommen Ochsenhörner).
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    Basiswissen
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    Rkt IV - Pumpe: 2 H+ aus Mitochondrienmatrix → Intermembranärer Zwischenraum
    2 Protonen werden angepumpt
    Auch der Komplex IV hat eine integrierte Protonenpumpe und pumpt 2 H+ in den Intermembranären Zwischenraum.
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    Basiswissen
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    Rkt V: ATP-Synthase produziert ATP
    Chemisch synthetisierender Hase betreibt Strom-Windmühle
    Reaktion in Komplex V: Die ATP-Synthase (chemisch synthetisierender Hase), welche NICHT Teil der Elektronentransportkette ist und auch keine Redoxreaktionen beinhaltet, nutzt das entstandene Membranpotential um ATP zu produzieren.
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    Quintessence
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    Rkt V: ATP-Synthase hat 2 Untereinheiten - F0 in Membran, F1 in Matrix
    Turm im Zaun, Windrad oben
    In der ATP-Synthase wird schließlich ATP/Energie erzeugt (Kraftwerksturbine). Sie besteht aus zwei Teilen, dem F0- und dem F1-Teil. Der F1-Teil ist in der Matrix, der F0-Teil in der Membran (Zaun). Der Komplex 5 ist als Windrad dargestellt, weil der Proteinkomplex tatsächlich so ähnlich aussieht wie ein Windrad.
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    Expertenwissen
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    Rkt V: F1 hat 5 Untereinheiten
    Windrad m. 5 Schaufeln
    Der F1-Teil der ATP-Synthase hat 5 unterschiedliche Untereinheiten. Wichtig: Diese UE kommen zum Teil mehrfach vor!
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    Expertenwissen
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    Rkt V: Protonenüberschuss intermembranär → Membranpotential → Protonenmotorische Kraft
    Gedrängte Protonen aus Zwischenzaunbereich wollen zurück
    Der Protonenüberschuss im Intermembranraum erzeugt ein Membranpotential = mehr positive Ladungen und niedriger pH-Wert durch die vielen H+-Ionen. Die Protonen “drängen” also wieder in den Matrixinnenraum. Mit dieser protonenmotorischen Kraft wird Energie erzeugt.
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    Basiswissen
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    Rkt V: Oxidative Phosphorylierung = ADP + Pi → ATP
    Windradarme m. 2-zackigen Blitzen + Kugeln → Mittig ein großer, 3-zackiger Blitz
    Aus ADP (2-Zack Blitz) und anorganischem Phosphor =Pi (leuchtende Kugeln) entsteht ATP (großer 3-Zack Blitz). Man spricht auch von der oxidativen Phosphorylierung - Vgl. dazu die Substratkettenphosphorylierung der Glykolyse.
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    Quintessence
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    Energiebilanz: 3 Protonen / ATP benötigt
    3 Protonen schießen aus Kanal → 3-Zack-Blitz
    Pro synthetisiertem ATP werden ca. 3 Protonen benötigt.
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    Expertenwissen
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    Energiebilanz: 1 NADH + H+ → 10 Protonen gepumpt → 2,5 ATP
    Oxidierte, fröhliche Nadel m. 2,5 Dreizack-Blitzen
    NADH + H+ steigt bereits bei Komplex I ein und gibt dort seine Elektronen und Protonen ab. Dadurch und durch das Weiterwandern entlang der Elektronentransportkette können insgesamt 10 Protonen gepumpet werden. D.h. pro oxidiertem NADH + H+ (fröhliche Nadel) fließen 10 Protonen in den Intermembranraum und es entstehen ca. 2,5 ATP (2,5 Blitze).
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    Expertenwissen
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    Energiebilanz: 1 FADH2 → 6 Protonen gepumpt → 1,5 ATP
    Fröhlicher Faden m. 1,5 Dreizack-Blitzen
    Pro oxidiertem FADH2 fließen ca. 6 Protonen in den Intermembranraum und es entstehen ca. 1,5 ATP-Moleküle. Zur Erinnerung: FADH2 steigt erst in Komplex II ein, d.h. die Elektronen/Protonen können nur für die Pumpen in Komplex III und IV genutzt werden.
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    Expertenwissen
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