De meeste eukaryotische cellen hebben mitochondriën, die ATP produceren uit producten van de citroenzuurcyclus, vetzuuroxidatie en aminozuuroxidatie. Bij het binnenste mitochondriale membraan, gaan de elektronen van NADH en FADH2 door de elektronentransportketen aan zuurstof, die aan water wordt verminderd. De elektronentransportketen bestaat uit een enzymatische reeks elektrondonors en-acceptoren. Elke elektrondonor zal elektronen doorgeven aan een meer elektronegatieve acceptor, die op zijn beurt deze elektronen doneert aan een andere acceptor, een proces dat langs de reeks blijft totdat elektronen worden doorgegeven aan zuurstof, de meest elektronegatieve en terminale elektronenacceptor in de keten. De Passage van elektronen tussen donor en acceptor geeft energie vrij, die wordt gebruikt om een protongradiënt over het mitochondrial membraan te produceren door protonen in de intermembrane ruimte te “pompen”, producerend een thermodynamische staat die het potentieel heeft om werk te doen. Dit gehele proces wordt genoemd oxidatieve phosphorylation aangezien ADP aan ATP door de elektrochemische gradiënt te gebruiken wordt phosphorylated die door de redoxreacties van de keten van het elektronentransport wordt gevestigd.
mitochondriale redoxcarriersedit
energie verkregen door de overdracht van elektronen langs de elektronentransportketen wordt gebruikt om protonen uit de mitochondriale matrix in de intermembrane ruimte te pompen, waardoor een elektrochemische protongradiënt (ΔpH) over het binnenste mitochondriale membraan ontstaat. Deze Proton gradiënt is grotendeels maar niet exclusief verantwoordelijk voor de mitochondriale membraanpotentiaal (ΔΨM). Het staat ATP synthase toe om de stroom van H+ door het enzym terug in de matrijs te gebruiken om ATP van adenosinedifosfaat (ADP) en anorganisch fosfaat te produceren. Complex I (NADH coenzyme Q reductase; geëtiketteerd I) keurt elektronen van de drager van het Krebs-cycluselektronen nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) goed, en gaat hen over aan coenzyme Q (ubiquinone; geëtiketteerd Q), die ook elektronen van complexe II (succinate dehydrogenase; geëtiketteerd II) ontvangt. Q Geeft elektronen door aan complex III (cytochroom BC1 complex; gelabeld III), die ze doorgeeft aan cytochroom c (cyt c). Cyt C geeft elektronen door aan complexe IV (cytochroom c-oxidase; geëtiketteerd IV), die de elektronen en waterstofionen gebruikt om moleculaire zuurstof aan water te verminderen.
Vier membraangebonden complexen zijn geïdentificeerd in mitochondriën. Elk is een uiterst complexe transmembraanstructuur die is ingebed in het binnenste membraan. Drie daarvan zijn protonpompen. De structuren zijn elektrisch verbonden door vetoplosbare elektronendragers en in water oplosbare elektronendragers. 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. Complex I is een van de belangrijkste plaatsen waar voortijdige elektronenlekkage naar zuurstof plaatsvindt en is dus een van de belangrijkste plaatsen waar superoxide wordt geproduceerd.
de route van elektronen is als volgt:
NADH wordt geoxideerd tot NAD+, door Flavinmononucleotide in één twee-elektron stap te reduceren tot FMNH2. FMNH2 wordt dan geoxideerd in twee één-elektron stappen, door een semiquinone tussenpersoon. Elk elektron gaat dus van de fmnh2 naar een Fe-s cluster, van de Fe – s cluster naar ubiquinon (Q). De overdracht van het eerste elektron resulteert in de vrije-radicale (semiquinon) vorm van Q, en de overdracht van het tweede elektron reduceert de semiquinonvorm tot de ubiquinolvorm, QH2. Tijdens dit proces, worden vier protonen getransloceerd van de mitochondrial matrix aan de intermembrane ruimte. Aangezien de elektronen onophoudelijk geoxideerd en door het complex verminderd worden wordt een elektronenstroom geproduceerd langs de 180 Angstrom breedte van het complex binnen het membraan. Deze stroom zorgt voor het actieve transport van vier protonen naar de intermembraanruimte per twee elektronen uit NADH.
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., vetzuren en glycerol 3-fosfaat) leiden ook elektronen in Q (via FAD). Complex II is een parallelle weg van het elektronentransport aan complex 1, maar in tegenstelling tot complex 1, worden geen protonen naar de intermembrane ruimte in deze weg getransporteerd. Daarom draagt de weg door complex II minder energie bij aan het totale proces van de elektronentransportketen.
Complex IIIEdit
in complex III (cytochroom BC1 complex of CoQH2-cytochroom C reductase; EC 1.10.2.2) draagt de Q-cyclus bij tot de protongradiënt door een asymmetrische absorptie/afgifte van protonen. Twee elektronen worden verwijderd uit QH2 bij de qo-plaats en opeenvolgend overgebracht naar twee molecules van cytochroom c, een in water oplosbare elektronendrager die binnen de intermembrane ruimte wordt gevestigd. De twee andere elektronen gaan sequentieel over het eiwit naar de Qi-site waar het chinondeel van ubiquinon wordt gereduceerd tot quinol. Een protongradiënt wordt gevormd door één quinol ( 2 h 2 + e − {\displaystyle {\ce {2h+2e-}}} ) oxidaties op de qo − site om één quinon ( 2 h 2 + e – {\displaystyle {\ce {2h+2e -}}}) op de Qi-site te vormen. (In totaal worden vier protonen getransloceerd: twee protonen reduceren quinone tot quinol en twee protonen komen vrij uit twee ubiquinolmoleculen.)
QH 2 + 2 {\displaystyle {\ce {QH2 + 2}}} cytochroom c {\displaystyle {\text{ cytochroom }}c} ( Fe III ) + 2 H {\displaystyle {\ce {(Fe^{III}) + 2 H}}} in + {\displaystyle _{\text{in}}^{+}} ⟶ Q + 2 {\displaystyle {\ce {-> Q + 2}}} cytochroom c {\displaystyle {\text{ cytochroom }}c} ( Fe II ) + 4 H {\displaystyle {\ce {(Fe^{II}) + 4 H}}} out + {\displaystyle _{\text{uit}}^{+}}
Wanneer electron transfer is verminderd (door een hoge membraan potentiaal of ademhalings-remmers, zoals antimycin A), Complex III kunnen lekken, worden elektronen van de moleculaire zuurstof, wat resulteert in superoxide vorming.
Dit complex wordt geremd door dimercaprol (British Antilewisite, BAL), Napthochinon en Antimycine.
Complex IVEdit
in complex IV (cytochroom c oxidase; EC 1.9.3.1), soms cytochroom AA3 genoemd, worden vier elektronen uit vier moleculen cytochroom c verwijderd en overgebracht naar moleculaire zuurstof (O2), waarbij twee moleculen water worden geproduceerd. Het complex bevat gecoördineerde koperionen en verschillende heemgroepen. Tegelijkertijd worden acht protonen uit de mitochondriale matrix verwijderd (hoewel er slechts vier over het membraan worden getransloceerd), wat bijdraagt aan de protongradiënt. De exacte details van Proton pompen in complex IV zijn nog in studie. Cyanide is remmers van complex 4.
koppeling met oxidatieve fosforyleringsdit
weergave van ATP synthase, de plaats waar oxidatieve fosforylering ATP genereert.
The chemiosmotic coupling hypothesis, proposed by Nobel Prize in Chemistry winner Peter D. Mitchell, de keten van het elektronentransport en oxidatieve phosphorylation worden gekoppeld door een protongradiënt over het binnenmembraan van mitochondrial. De efflux van protonen uit de mitochondrial matrix creëert een elektrochemische gradiënt (Proton gradiënt). Deze gradiënt wordt gebruikt door het fof1 ATP synthase complex om ATP via oxidatieve phosphorylation te maken. ATP synthase wordt soms beschreven als Complex V van de elektronentransportketen. De FO-component van ATP synthase werkt als een ionenkanaal dat zorgt voor een proton flux terug in de mitochondriale matrix. Het bestaat uit de subeenheden a, b en c. Protonen in de inter-membraneuze ruimte van mitochondria gaan eerst het ATP synthase complex via een subeenheid kanaal. Dan gaan protonen naar de C subeenheden. Het aantal C-subeenheden bepaalt hoeveel protonen het nodig heeft om de FO Een volledige revolutie te laten draaien. Bijvoorbeeld, in mensen, zijn er 8 subeenheden van c, dus zijn 8 protonen vereist. Na subeenheden van c, gaan protonen uiteindelijk matrix in gebruikend een subunitkanaal dat in de mitochondrial matrijs opent. Deze terugvloeiing geeft vrije energie vrij die tijdens de generatie van de geoxideerde vormen van de elektronendragers (NAD+ en Q) wordt geproduceerd. De vrije energie wordt gebruikt om ATP-synthese aan te drijven, gekatalyseerd door de F1-component van het complex.koppeling met oxidatieve fosforylering is een belangrijke stap voor ATP-productie. In specifieke gevallen kan het ontkoppelen van de twee processen echter biologisch nuttig zijn. Het ontkoppelende eiwit, thermogenine-aanwezig in het binnenste mitochondriale membraan van bruin vetweefsel-voorziet in een alternatieve stroom van protonen terug naar de binnenste mitochondriale matrix. Thyroxine is ook een natuurlijke uncoupler. Deze alternatieve stroom resulteert in thermogenese in plaats van ATP productie.
Reverse electron flowEdit
Reverse electron flow is de overdracht van elektronen door de elektronentransportketen via de redoxreacties. Meestal vereist een aanzienlijke hoeveelheid energie te worden gebruikt, dit kan resulteren in het verminderen van de geoxideerde vorm van elektronendonors. Bijvoorbeeld, kan NAD+ tot NADH door complexe I. worden verminderd. er zijn verscheidene factoren waarvan is aangetoond dat zij omgekeerde elektronenstroom veroorzaken. Er moet echter nog meer worden gedaan om dit te bevestigen. Een voorbeeld hiervan is de blokkering van ATP-productie door ATP-synthase, wat resulteert in een opbouw van protonen en dus een hogere Proton-stuwkracht, die omgekeerde elektronenstroom induceert.