Oxidatieve fosforylering
Oxidatieve fosforylering is de productie van ATP met behulp van energie afkomstig van de overdracht van elektronen in een elektronentransportsysteem en vindt plaats door chemiosmose.
Om oxidatieve fosforylering te begrijpen, is het belangrijk om eerst het waterstofatoom en het proces van oxidatie en reductie te bekijken. Een waterstofatoom bevat slechts één proton (H+) en één elektron (e-). Daarom zijn de term proton en de term waterstofion (H+) uitwisselbaar. Denk er ook aan dat elektronen opgeslagen energie hebben, of potentiële energie, klaar om werk te verrichten en wanneer een atoom of molecuul dat elektron verliest (geoxideerd wordt) komt die energie vrij en is in staat om celarbeid te verrichten.
Oxidatie-reductie reacties zijn gekoppelde chemische reacties waarbij een atoom of molecuul een of meer elektronen verliest (oxidatie ) terwijl een ander atoom of molecuul die elektronen wint (reductie ). De verbinding die elektronen verliest, wordt geoxideerd; de verbinding die elektronen wint, wordt gereduceerd. In covalente verbindingen is het echter meestal gemakkelijker om een heel waterstofatoom (H) – een proton en een elektron – te verliezen dan alleen een elektron. Een oxidatiereactie waarbij zowel een proton als een elektron verloren gaan, wordt dehydrogenering genoemd. Een reductiereactie waarbij zowel een proton als een elektron worden gewonnen, wordt hydrogenering genoemd.
Cellen gebruiken specifieke moleculen om de elektronen te dragen die bij de oxidatie van een energiebron worden verwijderd. Deze moleculen worden elektronendragers genoemd en zij worden afwisselend geoxideerd en gereduceerd tijdens de overdracht van elektronen en protonen. Hiertoe behoren drie vrij verspreidbare co-enzymen die bekend staan als NAD+, FAD, en NADP+. De gereduceerde vormen van deze co-enzymen (NADH, FADH2, en NADPH) hebben reductiekracht omdat hun bindingen een vorm van bruikbare energie bevatten.
- NAD+ , of nicotinamide adenine dinucleotide, is een co-enzym dat vaak samenwerkt met een enzym dat dehydrogenase wordt genoemd. Het enzym verwijdert twee waterstofatomen (2H+ en 2e-) uit zijn substraat. Beide elektronen maar slechts één proton worden door NAD+ geaccepteerd om zijn gereduceerde vorm, NADH, plus H+ te produceren. NADH wordt gebruikt om proton-motorkracht op te wekken (hieronder besproken) die de synthese van ATP kan aandrijven.
- FAD , of flavin adenine dinucleotide, is een co-enzym dat ook werkt in combinatie met een enzym dat dehydrogenase wordt genoemd. Het enzym verwijdert twee waterstofatomen (2H+ en 2e-) uit zijn substraat. Beide elektronen en beide protonen worden door het FAD aanvaard om zijn gereduceerde vorm, FADH2, te produceren. FADH2 wordt gebruikt om proton-motorkracht op te wekken (hieronder besproken) die de synthese van ATP kan aandrijven.
- NADP+, of nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat, is een co-enzym dat dehydrogenase gebruikt om twee waterstofatomen (2H+ en 2e-) uit zijn substraat te verwijderen. Beide elektronen maar slechts één proton worden door NADP+ aanvaard om zijn gereduceerde vorm, NADPH, plus H+ te produceren. NADPH wordt niet gebruikt voor ATP-synthese, maar zijn elektronen leveren de energie voor bepaalde biosynthesereacties, zoals die welke betrokken zijn bij de fotosynthese.
Tijdens het proces van aërobe ademhaling, dat in de volgende sectie wordt besproken, maken gekoppelde oxidatie-reductiereacties en elektronendragers vaak deel uit van wat een elektronentransportketen wordt genoemd , een reeks elektronendragers die uiteindelijk elektronen van NADH en FADH2 overbrengt naar zuurstof. De diffusibele elektronendragers NADH en FADH2 vervoeren waterstofatomen (protonen en elektronen) van substraten in exergonische katabole routes zoals glycolyse en de citroenzuurcyclus naar andere elektronendragers die zijn ingebed in membranen. Tot deze membraan-geassocieerde elektronendragers behoren flavoproteïnen, ijzer-zwavelproteïnen, chinonen en cytochromen. De laatste elektronendrager in de elektronentransportketen draagt de elektronen over aan de uiteindelijke elektronenacceptor, zuurstof.
De chemiosmotische theorie verklaart de werking van elektronentransportketens. Volgens deze theorie komt bij de overdracht van elektronen door een elektronentransportsysteem via een reeks oxidatiereductiereacties energie vrij (Figuur 1). Met deze energie kunnen bepaalde dragers in de keten waterstofionen (H+ of protonen) over een membraan transporteren.
Afhankelijk van het type cel kan de elektronentransportketen worden gevonden in het cytoplasmamembraan, het binnenmembraan van mitochondriën, en het binnenmembraan van chloroplasten.
- In prokaryote cellen worden de protonen van het cytoplasma van de bacterie over het cytoplasmamembraan getransporteerd naar de periplasmatische ruimte die zich tussen het cytoplasmamembraan en de celwand bevindt.
- In eukaryote cellen worden protonen vanuit de matrix van de mitochondriën over het binnenste mitochondriale membraan naar de intermembraanruimte tussen het binnenste en het buitenste mitochondriale membraan getransporteerd.
- In plantencellen en algencellen worden protonen vanuit het stroma van de chloroplast over het thylakoïdemembraan naar de binnenruimte van de thylakoïde getransporteerd.
Als de waterstofionen zich aan één kant van een membraan ophopen, ontstaat er door de concentratie van waterstofionen een elektrochemische gradiënt of potentiaalverschil (spanning) over het membraan. (De vloeistof aan de kant van het membraan waar de protonen zich ophopen, krijgt een positieve lading; de vloeistof aan de andere kant van het membraan blijft achter met een negatieve lading). De energetische toestand van het membraan als gevolg van deze ladingsscheiding wordt proton motive force of PMF genoemd.
Deze proton motive force levert de energie die nodig is voor enzymen die ATP synthases worden genoemd (figuur) en die zich ook in de hierboven genoemde membranen bevinden, om de synthese van ATP uit ADP en fosfaat te katalyseren. Deze generatie van ATP vindt plaats wanneer de protonen het membraan passeren via de ATP synthase complexen en opnieuw binnenkomen in ofwel het bacteriële cytoplasma (figuur), de matrix van de mitochondriën, of het stroma van de chloroplasten. Terwijl de protonen langs de concentratiegradiënt door de ATP synthase stromen, zorgt de vrijgekomen energie ervoor dat de rotor en de staaf van de ATP synthase gaan draaien. De mechanische energie van deze rotatie wordt omgezet in chemische energie doordat fosfaat wordt toegevoegd aan ADP om ATP te vormen.
Proton-motorkracht wordt ook gebruikt om stoffen over membranen te transporteren tijdens actief transport en om bacteriële flagellen te laten draaien.
Aan het eind van de elektronentransportketen die betrokken is bij aërobe ademhaling, draagt de laatste elektronendrager in het membraan 2 elektronen over aan een half zuurstofmolecuul (een zuurstofatoom) dat zich tegelijkertijd verbindt met 2 protonen uit het omringende medium om water als eindproduct te produceren (figuur \PageIndex{3}). De elektronentransportketens die betrokken zijn bij de fotosynthese dragen uiteindelijk 2 elektronen over aan NADP+ dat zich tegelijkertijd verbindt met 2 protonen uit het omringende medium om NADPH te produceren.