Oxidatieve Fosforylering

(Celademhaling)

Bij de ademhaling of respiratie stroomt er lucht via de neus of mondholte tot in de longblaasjes. In deze longblaasjes gebeurt de gasuitwisseling, waarbij zuurstof (O₂) vanuit de lucht wordt opgenomen in het bloed en koolstofdioxide (CO₂) en water (H₂O) vanuit het bloed worden afgegeven aan de lucht. Het bloed vervoert de opgenomen zuurstof naar al onze cellen en neemt de afvalstof CO₂ mee naar de longblaasjes.
De omzetting van zuurstof in CO₂ en water gebeurt in onze cellen, waarin de chemische ademhaling plaatsvindt. De cellen hebben zuurstof nodig om uit brandstoffen (suikers en vetzuren uit het voedsel) de nodige energie vrij te maken. Hierbij komt koolstofdioxide en water vrij als afval. Organen die het meest van de celademhaling afhankelijk zijn, zijn het hart en ons zenuwstelsel. De celademhaling wordt in de biochemie ook wel oxidatieve fosforylering genoemd.

Wat gebeurt er in de Oxidatieve Fosforylering
Mitochondriën
Protonenpomp I: NADH-Q reductase
Protonenpomp II: Cytochrome reductase
Protonenpomp III: Cytochrome oxidase
Proton transport door ATP synthase lijdt tot het vrijkomen van ATP

Oxidatieve fosforylering is een proces waarbij het energiedragend molecuul ATP wordt gevormd. ATP wordt gevormd door de overdracht van elektronen van de moleculen NADH of FADH₂ naar zuurstof (O₂) door een serie van elektronen dragers. NADH en FADH₂ zijn energie rijke moleculen die zijn gevormd in de glycolyse, vetzuur oxidatie en citroenzuurcyclus. Ze zijn energierijk omdat ze twee elektronen met een hoge potentiaal bezitten. Als deze elektronen aan moleculaire zuurstof (O₂) worden gegeven komt er een grote hoeveelheid energie vrij die kan worden gebruikt om ATP te maken.
Het concept van de oxidatieve fosforilering is simpel maar het mechanisme is ingewikkeld. De stroom van elektronen van NADH of FADH₂ naar O₂ worden uitgevoerd door eiwit complexen in het binnen membraam van de mitochondriën. Dit lijdt tot het pompen van protonen uit de mitochondriële matrix. Een protonkracht wordt gecreëerd die bestaat uit een transmembraam elektrische potentiaal (en een pH gradiënt). ATP wordt gesynthetiseerd wanneer protonen terug naar de mitochondriële matrix worden getransporteerd door een enzym complex. De oxidatie (van NADH en FADH₂) en fosforylering (vorming van ATP) zijn gekoppeld door een protonen gradiënt over het binnen membraam van de mitochondriën.
De essentie van de oxidatieve fosforylatie is dat een elektronenstroom wordt omgezet in een protonen potentiaal die vervolgens wordt omgezet in een gefosforyleerde potentaal.
De eerste fase wordt uitgevoerd door drie protonenpompen die door elektronen worden aangedreven, namelijk: NAD-Q reductase, cytochrome reductase en cytochrome oxidase. De tweede fase wordt uitgevoerd door ATP synthase, een ATP synthetiserend complex dat door een stroom van protonen (terug de mitochondriële matrix in) wordt aangedreven. De protonen gradiënt is een vrij te gebruiken energiebron in biologische systemen.

Terug naar de top van dit document

Mitochondriën zijn ovaalvormige organellen van ongeveer 2 µm lengte en een diameter van 0,5 µm. De mitochondriën bevatten enzymen voor de celademhaling, de citroenzuurcyclus en de vetzuur oxidatie. De mitochondriën bevatten twee membranen een buitenmembraan en een omvangrijk, zeer gevouwen binnenmembraan. Er zijn dus twee compartimenten in de mitochondriën: de binnenmembraan ruimte (tussen buiten en binnen membraan) en de matrix (welke door het binnenmembraan omgeven wordt).

De oxidatieve fosforylering vind plaats in de binnenmembraan ruimte. De citroenzuurcyclus en vetzuur afbraak vinden plaats in de matrix. Het buitenmembraan van de mitochondriën is behoorlijk doorlaatbaar voor de meeste kleine moleculen en ionen omdat het veel zogenaamde porins bevat. Porins zijn transmembraan eiwitten met grote poriën. Het binnenmembraan is ondoorlaatbaar voor de meeste ionen en polaire moleculen. Een grote familie van transporteerders transporteren metabolieten zoals ATP en citroenzuur over het binnenmembraan. De twee zijde van het binnenmembraan worden meestal aangeduid als de matrix zijde en de cytosol zijde (dit omdat het buitenmembraan zo doorlaatbaar is).

Terug naar de top van dit document

De ademhalingsketen bestaat uit drie protonenpompen gekoppeld door twee mobiele elektronen dragers. Elektronen worden van NADH naar O₂ getransporteerd door drie grote eiwit complexen genaamd NAD-Q reductase, cytochrome reductase en cytochrome oxidase. Dit lijdt tot het transport van protonen over het binnenmembraan van het mitochondriën.
Elektronen beginnen de ademhalingsketen bij NADH-Q reductase (ook NADH dehydrogenase of Complex I genoemd), een groot enzym (880.000 D) dat bestaat uit minstens 34 eiwit ketens. De eerste stap is het binden van NADH en het verplaatsen van twee elektronen naar de hulp stof (coënzym) van dit enzym (flavin mononucleotide; FMN) waardoor de gereduceerde vorm hiervan (FMNH₂) wordt gevormd.
NADH + H⁺ + FMN FMNH₂ + NAD⁺
De elektronen worden dan van FMNH₂ naar een serie van ijzer-zwavel clusters (afgekort Fe-S) overgegeven. Dit is de tweede hulp stof van NADH-Q reductase. De ijzer atomen in deze Fe-S complexen gaan van Fe²⁺ (gereduceerd) naar Fe³⁺ (geoxideerd) en weer terug.
Elektronen in de ijzer-zwavel cluster van NADH-Q reductase worden daarna doorgegeven naar coenzym Q, ook bekend als ubiquinone (afgekort: Q). Q is een quinone derivaat met een lange hydrofobe isoprenoide staart. Het hydrofobe karakter van de Q zorgt ervoor dat dit molecuul in het binnenmembraan van de mitochondriën kan blijven. Ubiquinone wordt gereduceerd tot ubiquinol (QH₂) door de opname van 2 elektronen.
Het doorgeven van de twee elektronen van NADH naar QH₂ door het enzym NADH-Q reductase zorgt ervoor dat er vier protonen (H⁺) van de mitochondriële matrix naar de cytosolaire kant van het mitochondriële binnenmembraan worden getransporteerd. Het exacte mechanisme voor het omzetten van het elektronen potentiaal naar het protonen potentiaal is niet bekend. Waarschijnlijk zorgen de elektronen overdracht voor conformatie veranderingen in het enzym NADH-Q reductase wat voor het pompen van de protonen zorgt.
Ubiquinol (QH₂) is ook het beginpunt voor elektronen afkomstig van FADH₂. FADH₂ word gevormd in de citroenzuurcyclus in de oxidatie van succinate naar fumarate door succinate dehydrogenase. Dit enzym is onderdeel van succinate-Q reductase complex (complex II). De elektronen worden doorgegeven naar Fe-S clusters en dan naar Q. De FADH₂ moleculen afkomstig van glycerol fosfaat dehydrogenase en acryl CoA dehydrogenase geven in een vergelijkbare vorm de elektronen aan Q door hieruit de gereduceerde vorm QH₂ te vormen. De enzym complexen die de elektronen van FADH₂ naar Q doorgeven zijn in tegenstelling tot NADH-Q reductase, geen protonen pompen. En hierdoor wordt er minder energie (ATP) gehaald uit FADH₂ dan uit NADH.

Terug naar de top van dit document

De tweede van de drie elektronen pompen in de ademhalingsketen is cytochrome reductase (andere namen zijn: ubiquinol-cytochrome c reductase, cytchrome, cytochrome bc1 complex of complex III). Elektronen gaan van ubiquinol naar Cytochrome C door cytochrome reductase. Een cytochrome is een elektron verplaatsend eiwit dat een heme (ijzer) groep bevat. Het ijzer atoom wisselt van gereduceerd ijzer (+2) naar geoxideerd ijzer (+3) tijdens de elektronen transport. De functie van cytochrome reductase is het katalyseren van het transport van een elektron van QH₂ naar cytochrome c. De verplaatsing van het elektronen paar door dit complex zorgt voor het transport van 2 protonen naar de cytosolaire kant van het binnenmembraan van het mitochondriën.

Terug naar de top van dit document

Cytochrome oxidase, de laatste van de drie elektronenpompen, katalyseert de verplaatsing van de elektronen van (ferro)cytochrome c (de gereduceerde vorm) naar moleculaire zuurstof (O₂).

4 Cyt c (+2) + 4 H⁺ + O₂ 4 Cyt c (+3) + 2 H₂O

Vier elektronen worden verplaatst naar O₂ door het compleet te reduceren naar H₂O en ook vier protonen worden van de matrix naar de cytosolaire kant van de mitochondreele binnenmembraan getransporteerd.
Cytochrome oxidase is een complex van 10 subeenheden. Het complex bevat 2 heme A groepen en 2 koper ionen.

Terug naar de top van dit document

ATP synthase katalyseert de vorming van ATP uit ADP en fosfaat.
ADP^3- + Pi^2- + H⁺ ATP^4- + H₂O

ATP en ADP verplaatsen zich niet vrij over het binnenmembraan van de mitochondriën. Een specifieke transporteur, ATP-ADP translocase (andere naam is adenine nucleotide carrier), zorgt ervoor dat deze geladen moleculen over dit membraan kunnen kruisen. ADP gaat alleen de mitochondriële matrix in als ATP eruit gaat en andersom. De reactie die wordt gekatalyseerd door het translocase is:
ADP_c^3- + ATP_m^4- ADP_m^3- + ATP_c^4-
Het subscript "c" geeft de cytosolaire zijde aan en de "m" geeft de matrix zijde aan. ATP wordt 30 keer sneller uit de matrix getransporteerd dan ADP, wat leidt tot een hoger fosfaat potentiaal (meer ATP dan ADP) buiten de matrix dan in de matrix. Door het transport van ATP (lading -4) uit de mitochondriële matrix en daarmee tegelijkertijd de import van een ADP (lading 3-) in de matrix verliest de matrixzijde van het binnenmembraan een negatieve lading. Het transport van een ATP uit de mitochondriële matrix kost hiermee één energie rijk potentieel proton.

Terug naar de top van dit document



Bronnen
[1]. Stryer, Lubert;- Biochemistry - fourth edition; New York: W.H. Freeman and Company (1995). ISBN 0-7167-2009-4