useimmissa eukaryoottisoluissa on mitokondrioita, jotka tuottavat ATP: tä sitruunahappokierron, rasvahappojen hapettumisen ja aminohappojen hapettumisen tuotteista. Sisemmässä mitokondriokalvossa NADH: n ja FADH2: n elektronit kulkevat elektroninsiirtoketjun läpi hapelle, joka pelkistyy vedeksi. Elektroninsiirtoketjuun kuuluu entsymaattinen sarja elektronien luovuttajia ja vastaanottajia. Jokainen elektroninluovuttaja siirtää elektroneja elektronegatiivisemmalle vastaanottajalle, joka puolestaan luovuttaa nämä elektronit toiselle vastaanottajalle, prosessi, joka jatkuu sarjaa alaspäin, kunnes elektronit siirtyvät hapelle, joka on ketjun elektronegatiivisin ja terminaalisin elektronien vastaanottaja. Elektronien kulku luovuttajan ja vastaanottajan välillä vapauttaa energiaa, jonka avulla saadaan aikaan protonigradientti mitokondrion kalvon poikki ”pumppaamalla” protoneja intermembraanitilaan, jolloin syntyy termodynaaminen tila, jolla on potentiaalia tehdä työtä. Tätä koko prosessia kutsutaan oksidatiiviseksi fosforylaatioksi, koska ADP fosforyloidaan ATP: ksi elektroninsiirtoketjun redox-reaktioilla muodostetun sähkökemiallisen gradientin avulla.

mitokondrion redox carriersEdit

elektronien siirrosta elektroninsiirtoketjua pitkin saatava energia käytetään pumppaamaan protoneja mitokondriomatriista intermembraanitilaan, jolloin syntyy sähkökemiallinen protonigradientti (ΔpH) sisemmän mitokondriokalvon poikki. Tämä protonigradientti on suurelta osin, mutta ei yksinomaan vastuussa mitokondrioiden kalvopotentiaalista (ΔΨM). Sen avulla ATP-syntaasi voi käyttää h+: n virtausta entsyymin läpi takaisin matriisiin tuottaakseen ATP: tä adenosiinidifosfaatista (ADP) ja epäorgaanisesta fosfaatista. Kompleksi I (NADH-koentsyymi Q-reduktaasi; merkitty I) vastaanottaa elektroneja Krebs-syklin elektronikantajalta nikotiiniamidiadeniinidinukleotidilta (NADH) ja siirtää ne koentsyymi Q: lle (ubikinoni; merkitty Q), joka myös vastaanottaa elektroneja kompleksilta II (sukkinaattidehydrogenaasi; merkitty II). Q siirtää elektronit kompleksille III (sytokromi bc1-kompleksi; merkitty III), joka siirtää ne sytokromi c: lle (cyt c). Cyt C siirtää elektroneja kompleksille IV (sytokromi C-oksidaasi; merkitty IV), joka käyttää elektroneja ja vetyioneja pelkistämään molekulaarista happea vedeksi.

mitokondrioista on tunnistettu neljä kalvoihin sitoutunutta kompleksia. Jokainen on erittäin monimutkainen transmembrane rakenne, joka on upotettu sisäkalvon. Kolme niistä on protonipumppuja. Rakenteita yhdistävät sähköisesti lipidiliukoiset elektroninkantajat ja vesiliukoiset elektroninkantajat. The overall electron transport chain:

NADH+H+ → Complex I → Q Complex II Succinate → Complex III → cytochrome c → Complex IV → H2O Complex II Succinate 

Complex IEdit

In complex I (NADH ubiquinone oxireductase, Type I NADH dehydrogenase, or mitochondrial complex I; EC 1.6.5.3), two electrons are removed from NADH and transferred to a lipid-soluble carrier, ubiquinone (Q). The reduced product, ubiquinol (QH2), freely diffuses within the membrane, and Complex I translocates four protons (H+) across the membrane, thus producing a proton gradient. Kompleksi I on yksi tärkeimmistä paikoista, joissa tapahtuu ennenaikaista elektronivuotoa hapelle, ollen näin yksi tärkeimmistä superoksidin tuotantopaikoista.

elektronien reitti on seuraava:

NADH hapettuu nad+: ksi pelkistämällä Flaviinimononukleotidin fmnh2: ksi yhdessä kahden elektronin vaiheessa. Tämän jälkeen FMNH2 hapetetaan kahdessa yhden elektronin vaiheessa semikinoniväliaineen kautta. Jokainen elektroni siis siirtyy FMNH2: sta Fe-s-klusteriin, Fe-s-klusterista ubikinoniin (Q). Ensimmäisen elektronin siirto johtaa Q: n vapaaseen radikaaliin (semikinoni) muotoon ja toisen elektronin siirto pelkistää semikinonimuodon ubikinolimuodoksi, QH2: ksi. Tämän prosessin aikana neljä protonia translokoituu mitokondrion matriisista intermembraaniavaruuteen. Elektronien jatkuvasti hapettuessa ja pelkistyessä koko kompleksin alueella syntyy elektronivirtaa pitkin kalvon sisällä olevan kompleksin 180 Angstromin leveyttä. Tämä Virta saa aikaan neljän protonin aktiivisen kuljetuksen intermembraaniavaruuteen kahta elektronia kohti NADH: sta.

Complex IIEdit

In complex II (succinate dehydrogenase or succinate-CoQ reductase; EC 1.3.5.1) additional electrons are delivered into the quinone pool (Q) originating from succinate and transferred (via flavin adenine dinucleotide (FAD)) to Q. Complex II consists of four protein subunits: succinate dehydrogenase, (SDHA); succinate dehydrogenase iron-sulfur subunit, mitochondrial, (SDHB); succinate dehydrogenase complex subunit C, (SDHC) and succinate dehydrogenase complex, subunit D, (SDHD). Other electron donors (e.g., rasvahapot ja glyseroli 3-fosfaatti) myös ohjaavat elektroneja Q: ksi (fad: n kautta). Kompleksi II on rinnakkainen elektroninsiirtoreitti kompleksiin 1, mutta toisin kuin kompleksi 1, tällä reitillä ei kuljeteta protoneja intermembraaniavaruuteen. Siksi kompleksin II läpi kulkeva reitti edistää vähemmän energiaa elektroninsiirtoketjun kokonaisprosessiin.

kompleksi IIIEdit

kompleksissa III (sytokromi bc1-kompleksi tai CoQH2-sytokromi C-reduktaasi; EC 1.10.2.2) Q-sykli edistää protonigradienttia protonien epäsymmetrisellä absorptiolla / vapautumisella. Kaksi elektronia poistetaan QH2: sta QO-kohdassa ja siirretään peräkkäin kahteen sytokromi c: n molekyyliin, vesiliukoiseen elektronikantajaan, joka sijaitsee intermembraaniavaruudessa. Kaksi muuta elektronia siirtyvät peräkkäin proteiinin yli Qi-kohtaan, jossa ubikinonin kinoniosa pelkistyy kinoliksi. Protonigradientti muodostuu qo − kohdassa yhdestä kinolista ( 2 H 2 + e – {\displaystyle {\ce {2h+2e−}}}), jolloin Qi-kohdassa muodostuu yksi kinoni ( 2 H 2 + e – {\displaystyle {\ce {2h+2e -}}}). (Yhteensä neljä protonia translokoituu: kaksi protonia pelkistää kinonin kinoliksi ja kahdesta ubikinolimolekyylistä vapautuu kaksi protonia.)

QH 2 + 2 {\displaystyle {\ce {QH2 + 2}}} sytokromi C {\displaystyle {\text{ cytochrome }}C} ( Fe III ) + 2 H {\displaystyle {\ce {(Fe^{III}) + 2 H}}} in + {\displaystyle _{\text{in}}^{+}} ⟶ Q + 2 {\displaystyle {\ce {-> q + 2}}} sytokromi C {\displaystyle {\text{ cytochrome }}C} ( Fe II ) + 4 h {\displaystyle {\ce {(Fe^{II}) + 4 h}}} Out + {\displaystyle _{\text{out}}^{+}}

kun elektroninsiirto vähenee (suuri kalvopotentiaali tai hengityksen estäjät, kuten antimysiini a), kompleksi III voi vuotaa elektroneja molekyyleille happi, jolloin superoksidin muodostuminen.

tätä kompleksia estävät dimerkaproli (Brittiläinen Antilewisiitti, BAL), Naptokinoni ja Antimysiini.

kompleksi IVEdit

kompleksissa IV (sytokromi C-oksidaasi; EC 1.9.3.1), jota joskus kutsutaan sytokromi AA3: ksi, neljästä sytokromi C-molekyylistä poistetaan neljä elektronia ja siirretään molekyylihapelle (O2), jolloin muodostuu kaksi vesimolekyyliä. Kompleksi sisältää koordinoituneita kupari-ioneja ja useita hemiryhmiä. Samalla mitokondriomatriisista poistuu kahdeksan protonia (tosin vain neljä translokoituu kalvon poikki), mikä vaikuttaa protonigradienttiin. Complex IV: n protonipumppauksen tarkat yksityiskohdat ovat vielä tutkimuksen alla. Syanidi on kompleksin 4 inhibiittori.

liitos oksidatiivisen fosforylaation kanssa

kemian nobelisti Peter D. Mitchellin mukaan elektroninsiirtoketju ja oksidatiivinen fosforylaatio yhdistyvät protonigradientin avulla sisemmän mitokondriokalvon poikki. Protonien poistuminen mitokondriomatriisista luo sähkökemiallisen gradientin (protonigradientti). Tätä gradienttia FOF1 – ATP-syntaasikompleksi käyttää ATP: n valmistamiseen oksidatiivisen fosforylaation avulla. ATP-syntaasi kuvataan joskus Elektroninsiirtoketjun kompleksina V: nä. ATP-syntaasin fo-komponentti toimii ionikanavana, joka tarjoaa protonivuon takaisin mitokondriomatriisiin. Se koostuu A -, b-ja c-alayksiköistä. Mitokondrioiden välisessä membraanitilassa olevat protonit saapuvat ensin ATP-syntaasikompleksiin alayksikkökanavan kautta. Tämän jälkeen protonit siirtyvät c-alayksiköihin. Sillä olevien C-alayksiköiden määrä määrittää, kuinka monta protonia se tarvitsee tehdäkseen FO-käännöksen yhden täyden kierroksen. Esimerkiksi ihmisillä on 8 c-alayksikköä, joten tarvitaan 8 protonia. C-alayksiköiden jälkeen protonit tulevat lopulta matriisiin käyttäen alayksikkökanavaa, joka avautuu mitokondriaaliseen matriisiin. Tämä refluksi vapauttaa vapaata energiaa, joka syntyy elektroninkantajien (NAD+ ja Q) hapettuneiden muotojen syntyessä. Vapaata energiaa käytetään ATP-synteesin ajamiseen kompleksin F1-komponentin katalysoimana.
liittyminen oksidatiiviseen fosforylaatioon on keskeinen vaihe ATP: n tuotannossa. Erityistapauksissa näiden kahden prosessin irrottaminen voi kuitenkin olla biologisesti hyödyllistä. Irtoava proteiini, termogeniini-joka on ruskean rasvakudoksen sisemmässä mitokondriokalvossa-mahdollistaa protonien vaihtoehtoisen virtauksen takaisin sisempään mitokondriomatriisiin. Tyroksiini on myös luonnollinen uncoupler. Tämä vaihtoehtoinen virtaus johtaa lämmöntuotanto sijaan ATP tuotantoa.

Käänteiselektronivirtaus

Käänteiselektronivirtaus on elektronien siirto elektroninsiirtoketjun läpi käänteisissä redox-reaktioissa. Yleensä tarvitaan merkittävä määrä energiaa käytettäväksi, tämä voi johtaa pelkistää hapettunut muoto elektronin luovuttajien. Esimerkiksi NAD+ voidaan pelkistää NADH: ksi kompleksilla I. on useita tekijöitä, joiden on osoitettu indusoivan käänteiselektronivirtausta. Tämän vahvistamiseksi on kuitenkin tehtävä enemmän työtä. Yksi tällainen esimerkki on ATP-syntaasin aiheuttama ATP: n tuotannon tukkeutuminen, jolloin muodostuu protoneja ja siten suurempi protonimotiivinen voima, joka indusoi käänteiselektronivirtauksen.