a Legtöbb eukarióta sejtek mitokondriumok, amelyek olyan ATP a termékek a citromsav-ciklus, zsírsav-oxidáció, illetve aminosav oxidáció. A belső mitokondriális membránon a NADH és a FADH2 elektronjai áthaladnak az elektron-szállítási láncon az oxigénig, ami vízbe csökken. Az elektron transzportlánc elektrondonorok és akceptorok enzimes sorozatát tartalmazza. Minden elektron donor átadja az elektronokat egy elektronegatívabb akceptornak, amely viszont ezeket az elektronokat egy másik akceptornak adományozza, egy olyan folyamat, amely addig folytatja a sorozatot, amíg az elektronok oxigénbe nem kerülnek, a lánc legelektronegatívabb és terminális elektron akceptora. Az elektronok donor és akceptor közötti áthaladása energiát bocsát ki, amelyet protongradiens létrehozására használnak a mitokondriális membránon keresztül azáltal, hogy “pumpálják” a protonokat az intermembrán térbe, termodinamikai állapotot eredményezve, amely képes dolgozni. Ezt az egész folyamatot oxidatív foszforilációnak nevezik, mivel az ADP-t az elektron transzportlánc redox reakciói által létrehozott elektrokémiai gradiens alkalmazásával ATP-re foszforilálják.
mitokondriális redox-hordozókszerkesztés
az elektronok elektronátvitel útján nyert energiát a mitokondriális mátrixból az intermembrán térbe történő protonok pumpálására használják, elektrokémiai protongradienst (ΔpH) hozva létre a belső mitokondriális membránon. Ez a protongradiens nagyrészt, de nem kizárólagosan felelős a mitokondriális membránpotenciálért (ΔΨM). Lehetővé teszi az ATP szintáz számára, hogy a H+ enzimen keresztül visszaáramoljon a Mátrixba, hogy ATP-t generáljon adenozin-difoszfátból (ADP) és szervetlen foszfátból. Komplex I (NADH koenzim Q reduktáz; jelölt I) elfogadja elektronok a Krebs ciklus elektron hordozó nikotinamid adenin dinukleotid (NADH), és átadja őket koenzim Q (ubiquinone; jelölt Q), amely szintén kap elektronokat komplex II (szukcinát dehidrogenáz; jelölt II). A Q átadja az elektronokat a III. komplexnek (citokróm bc1 komplex; jelölt III), amely átadja őket a citokróm c-nek (cyt c). A Cyt C átadja az elektronokat a IV. komplexnek (citokróm C-oxidáz; IV), amely az elektronokat és a hidrogénionokat használja a molekuláris oxigén vízbe történő csökkentésére.
négy membránhoz kötött komplexet azonosítottak a mitokondriumokban. Mindegyik egy rendkívül összetett transzmembrán szerkezet, amely be van ágyazva a belső membránba. Ezek közül három protonpumpák. A szerkezeteket lipidoldható elektronhordozók és vízben oldódó elektronhordozók elektromosan összekapcsolják. 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. Az I. komplex az egyik fő hely, ahol az oxigén korai elektronszivárgása következik be, így a szuperoxid előállításának egyik fő helyszíne.
az elektronok útja a következő:
NADH nad + – ra oxidálódik, a Flavin mononukleotid fmnh2-re redukálásával egy kételektron lépésben. Az FMNH2-t ezután két egyelektron lépésben oxidáljuk egy félikvinon közbenső útján. Minden elektron így az FMNH2-ből Fe-s klaszterbe, az Fe-s klaszterből az ubiquinone-Ba (Q) kerül. Az első elektron átvitele a Q szabadgyök (szemikinon) formáját eredményezi, a második elektron átvitele pedig csökkenti a szemikinon formáját az ubiquinol formába, QH2-be. E folyamat során négy protont helyeznek át a mitokondriális mátrixból az intermembrán térbe. Ahogy az elektronok folyamatosan oxidálódnak és csökkennek az egész komplexben, egy elektronáram keletkezik a komplex 180 Angstrom szélessége mentén a membránon belül. Ez az áram négy proton aktív szállítását hatalmazza fel az intermembrán térre két elektrononként NADH-ból.
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., zsírsavak és glicerin-3-foszfát) szintén Q-Ba (FAD-on keresztül) irányítják az elektronokat. A komplex II egy párhuzamos elektronátviteli út az 1. komplexhez, de az 1. komplextől eltérően ezen az úton nem szállítanak protonokat az intermembrán térbe. Ezért a komplex II-n keresztüli út kevesebb energiát járul hozzá a teljes elektronszállítási láncfolyamathoz.
komplex Iiiedit
komplex III (citokróm bc1 komplex vagy CoQH2-citokróm C reduktáz; EC 1.10.2.2) esetén a Q-ciklus a protonok aszimmetrikus felszívódásával/felszabadulásával járul hozzá a proton gradienshez. Két elektront távolítanak el a QH2-ből a QO helyén, majd egymás után két citokróm C molekulára, egy vízben oldódó elektronhordozóra, amely az intermembrán térben helyezkedik el. A két másik elektron egymás után áthalad a fehérjén a Qi helyre, ahol az ubiquinon kinon része kinolra csökken. A proton gradienst egy kinol ( 2 H 2 + e − {\displaystyle {\ce {2h+2e -}}}}}) oxidáció alkotja a Qo helyén, hogy egy kinont képezzen ( 2 H 2 + e − {\displaystyle {\ce {2h+2e -}}}}) a Qi helyén. (Összesen négy protont transzlokálnak: két proton csökkenti a kinont kinolra, és két proton szabadul fel két ubiquinol molekulából.)
OH 2 + 2 {\displaystyle {\ce {QH2 + 2}}} citokróm c {\displaystyle {\text{ citokróm }}c} ( Fe III.) + 2 H {\displaystyle {\ce {(Fe^{III}) + 2 H}}} a + {\displaystyle _{\text{a}}^{+}} ⟶ Q + 2 {\displaystyle {\ce – {- > Q + 2}}} citokróm c {\displaystyle {\text{ citokróm }}c} ( Fe II.) + 4 H {\displaystyle {\ce {(Fe^{II}) + 4 H}}} ki + {\displaystyle _{\text{el}}^{+}}
Ha elektron transzfer csökken (a magas membrán potenciál vagy légzési-gátlók, mint antimycin A), Komplex III. szivároghat az elektronok, hogy a molekuláris oxigén, ami szuperoxid képződés.
ezt a komplexet gátolja a dimercaprol (Brit Antilewizit, BAL), a Naptokinon és az Antimicin.
komplex IVEdit
a IV.komplexben (citokróm C oxidáz; EC 1.9.3.1), más néven citokróm AA3, négy elektront távolítanak el a citokróm c négy molekulájából, és molekuláris oxigénre (O2) továbbítják, két vízmolekulát termelnek. A komplex összehangolt rézionokat és több hemacsoportot tartalmaz. Ugyanakkor nyolc protont távolítanak el a mitokondriális mátrixból (bár csak négy transzlokálódik a membránon), hozzájárulva a proton gradienshez. A protonpumpálás pontos részleteit a IV. komplexben még vizsgálják. A cianid a 4. komplex inhibitora.
oxidatív foszforilációszerkesztés
az ATP-szintáz ábrázolása, az oxidatív foszforiláció helye az ATP előállításához.
a kémiai összekapcsolási hipotézis, amelyet Peter D. kémiai Nobel-díjas javasolt. Mitchell, az elektronátviteli láncot és az oxidatív foszforilációt protongradiens köti össze a belső mitokondriális membránon keresztül. A mitokondriális mátrixból származó protonok effluxja elektrokémiai gradienst (proton gradiens) hoz létre. Ezt a gradienst a FOF1 ATP szintáz komplex használja az ATP oxidatív foszforiláció útján történő előállításához. Az ATP szintetázt néha az elektronszállítási lánc V komplexeként írják le. Az ATP szintáz FO komponense ioncsatornaként működik,amely protonáramot biztosít a mitokondriális mátrixba. A, b és c alegységekből áll. A mitokondriumok inter-membrán térben lévő protonok először egy alegység csatornán keresztül lépnek be az ATP-szintáz komplexbe. Ezután a protonok a c alegységekbe kerülnek. A C alegységek száma meghatározza, hogy hány protonra lesz szükség ahhoz, hogy a FO egy teljes forradalmat váltson ki. Például az emberekben 8 c alegység van, így 8 protonra van szükség. A C alegységek után a protonok végül belépnek a mátrixba egy alegység csatornával, amely a mitokondriális mátrixba nyílik. Ez a reflux felszabadítja az elektronhordozók oxidált formáinak (nad+ és Q) előállítása során keletkező szabad energiát. A szabad energiát az ATP szintézis vezetésére használják, amelyet a komplex F1 összetevője katalizál.
Az oxidatív foszforilációval való kapcsolódás kulcsfontosságú lépés az ATP termelésében. Bizonyos esetekben azonban a két folyamat leválasztása biológiailag hasznos lehet. A barna zsírszövet belső mitokondriális membránjában jelen lévő termogenin—leválasztó fehérje a protonok alternatív áramlását biztosítja a belső mitokondriális mátrixba. A tiroxin szintén természetes leválasztó. Ez az alternatív áramlás termogenezist eredményez, nem pedig ATP termelést.
fordított elektron áramlásszerkesztés
fordított elektron áramlás, az elektronok átvitele az elektron transzport láncon keresztül a fordított redox reakciókon keresztül. Általában jelentős mennyiségű energiát igényel, ez az elektron donorok oxidált formájának csökkentését eredményezheti. Például, nad+ csökkenthető NADH komplex I. számos tényező, amelyek kimutatták, hogy indukálja a fordított elektron áramlását. Ennek megerősítésére azonban több munkát kell végezni. Az egyik ilyen példa az ATP-termelés ATP-szintáz általi blokkolása, ami protonok felhalmozódását eredményezi, ezért magasabb protonmotívum-erő, ami fordított elektronáramot indukál.