Boekenplank
Figuur
Mitochondriën, groen gekleurd, vormen een netwerk binnen een fibroblastcel (links). Mitochondriën oxideren koolstofbrandstoffen om cellulaire energie te vormen. Deze transformatie vereist elektronenoverdracht door verschillende grote eiwitcomplexen (boven), waarvan sommige pompen (meer…)
De NADH en FADH2 gevormd in de glycolyse, de vetzuuroxidatie en de citroenzuurcyclus zijn energierijke moleculen omdat elk een elektronenpaar bevat met een hoog overdrachtspotentiaal. Wanneer deze elektronen worden gebruikt om moleculaire zuurstof te reduceren tot water, komt een grote hoeveelheid vrije energie vrij, die kan worden gebruikt om ATP te genereren. Oxidatieve fosforylering is het proces waarbij ATP wordt gevormd als gevolg van de overdracht van elektronen van NADH of FADH2naar O2 door een reeks elektronendragers. Dit proces, dat plaatsvindt in mitochondriën, is de belangrijkste bron van ATP in aërobe organismen (figuur 18.1). Zo genereert de oxidatieve fosforylering 26 van de 30 ATP-moleculen die worden gevormd wanneer glucose volledig is geoxideerd tot CO2 en H2O.
Figuur 18.1
Elektronenmicrografie van een Mitochondrion.
Oxidatieve fosforylering is conceptueel eenvoudig en mechanistisch complex. Het ontrafelen van het mechanisme van oxidatieve fosforylering is inderdaad een van de meest uitdagende problemen van de biochemie geweest. De stroom van elektronen van NADH of FADH2 naar O2 door eiwitcomplexen in de binnenmembraan van de mitochondriën leidt tot het wegpompen van protonen uit de mitochondriale matrix. De resulterende ongelijke verdeling van protonen genereert een pH-gradiënt en een transmembraan elektrisch potentiaal dat een proton-motorkracht creëert. ATP wordt gesynthetiseerd wanneer protonen terugstromen naar de mitochondriale matrix via een enzymencomplex. De oxidatie van brandstoffen en de fosforylering van ADP worden dus gekoppeld door een protongradiënt langs het binnenste mitochondriale membraan (figuur 18.2).
Figuur 18.2
Essentie van oxidatieve fosforylering. Oxidatie en ATP-synthese zijn gekoppeld door transmembraanprotonfluxen.
Oxidatieve fosforylering is het hoogtepunt van een reeks energietransformaties die cellulaire ademhaling of gewoon ademhaling in hun geheel worden genoemd. Eerst worden koolstofbrandstoffen geoxideerd in de citroenzuurcyclus om elektronen te produceren met een hoog overdrachtspotentiaal. Vervolgens wordt deze elektron-motorkracht omgezet in een proton-motorkracht en tenslotte wordt de proton-motorkracht omgezet in fosforyl-overdrachtspotentiaal.De omzetting van elektron-motorkracht in proton-motorkracht wordt uitgevoerd door drie elektron-gedreven protonpompen-NADH-Q oxidoreductase, Q-cytochromec oxidoreductase, en cytochrome c oxidase. Deze grote transmembraancomplexen bevatten meerdere oxidatie-reductiecentra, waaronder chinonen, flavines, ijzer-zwavelclusters, hemen, en koperionen. De laatste fase van de oxidatieve fosforylering wordt uitgevoerd door ATP synthase, een ATP-synthetiserende assemblage die wordt aangedreven door de stroom van protonen terug in de theitochondriale matrix. Componenten van dit opmerkelijke enzym roteren als onderdeel van zijn katalytisch mechanisme. Oxidatieve fosforylering laat op levendige wijze zien dat protonenstromen een interconverteerbare valuta van vrije energie zijn in biologische systemen.
Respiratie-
Een ATP-genererend proces waarin een anorganische verbinding (zoals moleculair zuurstof) dient als de uiteindelijke elektronenacceptor. De elektronendonor kan zowel een organische als een anorganische verbinding zijn.