Die Elektronentransportkette (ETC) ist ein zentraler Bestandteil der Zellatmung und ein essenzieller Prozess in der Energiegewinnung lebender Zellen. Sie spielt sich in den Mitochondrien eukaryotischer Zellen und an der Plasmamembran prokaryotischer Zellen ab. Ihr Hauptzweck ist die Erzeugung eines Protonengradienten über eine Membran, der anschließend zur Synthese von Adenosintriphosphat (ATP), dem universellen Energieträger der Zelle, genutzt wird. Dieser Prozess wird als oxidative Phosphorylierung bezeichnet.

Die Elektronentransportkette besteht aus einer Reihe von Protein- und Nicht-Protein-Komplexen, die in der inneren Mitochondrienmembran eingebettet sind. Diese Komplexe, die auch als Redox-Komponenten bezeichnet werden, nehmen Elektronen aus energiereichen Molekülen wie NADH (Nikotinamidadenindinukleotid) und FADH₂ (Flavinadenindinukleotid) auf und leiten sie durch die Kette weiter. Dabei wird die Energie der Elektronen schrittweise genutzt, um Protonen (H⁺) von der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum zu pumpen. Dies erzeugt einen elektrochemischen Protonengradienten, der als Protonenmotorische Kraft (PMF) bezeichnet wird.

Die Elektronentransportkette ist in vier Hauptkomplexe unterteilt:

Komplex I (NADH-Dehydrogenase):
Dieser Komplex nimmt Elektronen von NADH auf und überträgt sie auf Ubichinon (Coenzym Q). Dabei werden Protonen in den Intermembranraum gepumpt.

Komplex II (Succinat-Dehydrogenase):
Hier werden Elektronen aus FADH₂ auf Ubichinon übertragen. Im Gegensatz zu Komplex I pumpt Komplex II keine Protonen, trägt jedoch zur Elektronenversorgung der Kette bei.

Komplex III (Cytochrom-c-Reduktase):
Dieser Komplex überträgt Elektronen von Ubichinol (der reduzierten Form von Ubichinon) auf Cytochrom c, ein kleines lösliches Protein. Auch hier wird Energie genutzt, um Protonen in den Intermembranraum zu pumpen.

Komplex IV (Cytochrom-c-Oxidase):
In diesem letzten Schritt der Kette werden die Elektronen auf molekularen Sauerstoff übertragen, der mit Protonen zu Wasser reagiert. Dies ist der finale Elektronenakzeptor im Prozess, und auch hier werden Protonen in den Intermembranraum gepumpt.

Der durch die Elektronentransportkette erzeugte Protonengradient wird schließlich von der ATP-Synthase genutzt, einem Enzym, das Protonen zurück in die mitochondriale Matrix fließen lässt. Dieser Rückfluss treibt die Synthese von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat an, ein Prozess, der als chemiosmotische Kopplung bezeichnet wird. Pro Molekül Glukose, das während der Glykolyse und des Zitronensäurezyklus abgebaut wird, liefert die Elektronentransportkette den Großteil der etwa 30–32 ATP-Moleküle, die in der Zellatmung gebildet werden.

Die Elektronentransportkette ist nicht nur ein zentraler Mechanismus der Energiegewinnung, sondern auch anfällig für Störungen, die schwerwiegende Auswirkungen haben können. Inhibitoren wie Cyanid oder Kohlenmonoxid blockieren Komplex IV und verhindern die Elektronenübertragung auf Sauerstoff, was die ATP-Synthese stoppt und Zellen absterben lässt. Auch Mutationen in den Genen, die für die Proteine der Elektronentransportkette kodieren, können Krankheiten wie Mitochondriopathien verursachen.

Zusätzlich spielt die Elektronentransportkette eine Rolle bei der Entstehung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), die als Nebenprodukt der Elektronenübertragung entstehen. In kleinen Mengen sind diese Moleküle wichtige Signalmoleküle, in hohen Konzentrationen können sie jedoch oxidativen Stress verursachen und Zellen schädigen.

Insgesamt ist die Elektronentransportkette ein hochkomplexer und essenzieller Prozess, der die Grundlage für die Energieversorgung aerober Organismen bildet. Ihre präzise Regulation und Funktion sind entscheidend für die Aufrechterhaltung des Zellstoffwechsels und des Lebens selbst.