Oxidatieve fosforylatie

De oxidatieve fosforylatie (oxfos) staat (samen met de citroenzuurcyclus) in het centrum van de stofwisseling van alle organismen die zuurstof gebruiken. De oxfos speelt zich af in het mitochondrion.

Volgens de chemiosmotische theorie werkt de oxfos volgens de volgende principes:

• energierijke elektronen uit de citroenzuurcyclus geven hun energie af in een serie redoxreacties, waarbij uiteindelijk zuurstof wordt gereduceerd tot water.
• Deze energie wordt gebruikt om een protonengradiënt te creëren.
• Deze protonengradiënt drijft de synthese van ATP aan. ATP levert energie voor zeer veel enzymatische en cellulaire processen.

De fotofosforylatie, onderdeel van de fotosynthese bij planten, is de nauw verwante tegenhanger van de oxfos. Bij de fotofosforylatie wordt met behulp van licht ATP gesynthetiseerd aan de hand van de oxidatie van water tot zuurstof.

De oxfos verloopt via een aantal elektronendragers en 5 grote eiwitcomplexen. Deze complexen bevinden zich in de binnenmembraan van het mitochondrion. De complexen en de belangrijkste elektronendragers worden hieronder besproken.

[bewerk] Elektronendragers en Complexen

• NADH

NADH (nicotinamide adenine dinucleotide) wordt onder andere in de glycolyse en de citroenzuurcyclus gevormd uit NAD+. NADH bevat twee zeer energierijke elektronen en transporteert deze naar complex I. Daarbij wordt het NADH weer omgezet tot NAD+.

• Complex I

Complex I wordt ook wel NADH dehydrogenase genoemd. Het heeft een massa van 850 kiloDalton (kDa) en bestaat uit 42 subunits. Complex I is de belangrijkste toegangspoort van de oxfos. Complex I katalyseert 2 stoffen tegelijk.

• • De overdracht van protonen en elektronen van NADH naar ubiquinon: NADH + H+ + Q --> NAD+ + QH2. Het QH2 dat zo gevormd is, heet ubiquinol. Dit ubiquinol diffundeert door de binnenmembraan naar complex III.
  • Het transport van vier protonen van de matrix naar de cristae in het mitochondrion. Dit draagt dus bij aan de vorming van de protonengradiënt. De energie voor dit transport wordt geleverd door de energierijke elektronen van NADH.

• Complex II

Complex II wordt ook wel succinaat dehydrogenase genoemd. Het heeft een massa van 140 kDa en bestaat uit 5 subunits.

Complex II is het enige membraangebonden eiwit dat deel uit maakt van de citroenzuurcyclus en een tweede toegangspoort tot de oxfos. Het katalyseert de stap waarbij succinaat wordt geoxideerd naar fumaraat. Daarbij worden twee protonen en twee energierijke elektronen overgedragen naar FAD, zodat FADH2 ontstaat. Via de ijzer-zwavelcentra in complex II worden de elektronen van FADH2 overgedragen aan ubiquinon. Ook hierbij wordt ubiquinol gevormd, dat diffundeert naar complex III

• Andere toegangspoorten

Naast complex I en II zijn er nog twee andere toegangspoorten tot de oxfos. Ten eerste glycerol 3-fosfaat dehydrogenase, een enzym uit de glycolyse. Dit enzym is vergelijkbaar met complex II. Het oxideert glycerol 3-fosfaat naar dihydroxyaceton fosfaat en daarbij worden twee protonen en twee energierijke elektronen overgedragen naar FAD, zodat FADH2 ontstaat. Ten tweede acyl-CoA dehydrogenase uit de beta-oxidatie van vetzuren. Ook dit enzym werkt via FAD. Via twee andere enzymen worden de elektronen, die door deze toegangspoort binnenkomen, overgedragen aan ubiquinon.

• Coenzym Q

Coenzym Q, ook wel ubiquinon of kortweg Q genoemd, speelt een centrale rol in de oxfos. Alle toegangspoorten tot de oxfos komen uit op Q. In gereduceerde vorm heet het ubiquinol of QH2.

• Complex III

Complex III wordt ook wel het cytochroom bc1-complex of ubiquinon:cytochroom c oxidoreductase genoemd. Het heeft een massa van 250 kDa en bestaat uit 11 subunits.

In complex III doorloopt ubiquinol de zogenaamde Q-cyclus. Daarbij worden twee keer twee protonen getransporteerd van de matrix naar de cristae; en twee keer wordt cytochroom c1 gereduceerd. Het gereduceerde cytochroom c1 beweegt dan met zijn elektronen naar complex IV.

• Complex IV

Complex IV wordt ook wel cytochroom oxidase genoemd. Het heeft een massa van 160 kDa en bestaat uit 13 subunits. De vier elektronen van de vier benodigde moleculen van cytochroom c1 worden via een aantal koper- en heem-groepen in het complex overgedragen aan de zuurstof. Met deze vier elektronen en vier protonen wordt de zuurstof gereduceerd tot water. Tijdens deze reactie worden vier andere protonen gepompt van de matrix naar de cristae.

• Complex V

Complex V is een F-type ATPase en wordt uitgebreid besproken in het artikel ATPases.

[bewerk] Voorwaarden

Er zijn twee principiële voorwaarden voor de oxidatieve fosforylering. De eerste is dat het mitochondriale membraan intact moet zijn, zodat protonen alleen terug in de mitochondriale matrix kunnen komen door middel van ATP-synthase. De tweede is dat er een hoge concentratie van protonen tot stand moet komen aan de buitenkant van het binnenste membraan.

[bewerk] Bijzonderheden

Bij de oxidatieve fosforylering kunnen verschillende hoogreactieve, vergankelijke derivaten van zuurstof ontstaan. Dit zijn waterstofperoxide, superoxide en radicale hydroxyl. Een unieke functie van het cytochroom c oxidase, complex IV, is zijn mogelijkheid om controle te houden over de gevormde reactieve zuurstofsoorten als het zuurstof tot water reduceert.

[bewerk] Problemen

Er zijn een aantal dingen die mis kunnen gaan bij de oxidatieve fosforylering. Dit kan erg ernstige gevolgen hebben, omdat organismen zo afhankelijk zijn van dit proces voor hun energieproductie.

Er zijn een aantal toxische stoffen die invloed hebben op de oxidatieve fosforylering. Dit heeft niet alleen gevolgen voor de oxidatieve fosforylering zelf, maar voor de hele keten van de aerobe dissimilatie. Als één onderdeel van de keten misgaat, kan de rest ook niet meer doorgaan. Bijvoorbeeld, voeg oligomycine toe. Het resultaat hiervan is dat de H+-pompen geen protonen door kunnen laten omdat de concentratie te hoog voor ze wordt om nog protonen door te kunnen pompen. NADH en FADH2 zijn dan niet geoxideerd en de citroenzuurcyclus houdt op met werken omdat er geen NAD+ en FAD moleculen zijn om gereduceerd te worden.

• Cyanide onderbreekt de elektronentransportketen in het binnenste membraan van het mitochondrium omdat het sterker dan zuurstof aan de Fe3+ (ijzer ion) in cytochroom a3 bindt, waardoor voorkomen wordt dat dit cytochroom elektronen met zuurstof combineert.
• Oligomycine zorgt ervoor dat het ATP-synthase eiwit geen ATP meer kan maken van de protonen.
• CCCP(m-chloro-carbonylcyanide-phenylhydrazine) vernietigt de protonenconcentratie door te zorgen dat de protonen uit het membraan kunnen vloeien. Zonder de concentratie kan de ATP-synthase niet functioneren en houdt er dus mee op.
• Een schoonmaakmiddel of een andere substantie die cellulaire membranen vernietigt door hun fosfolipide dubbellaag (celmembraan) af te breken zal het membraan dat gebruikt wordt bij de oxidatieve fosforylering afbreken en voorkomt zo een protonenconcentratie.
• Rotenon voorkomt de overdracht van elektronen van Fe-S centra in Complex I naar ubiquinon. De elektronen die Complex 1 binnenkomen zijn afkomstig van NADH. Zij zorgen voor het grootste deel van het verminderde potentiaal naar de elektronentransportketen.
• Antimycine-A voorkomt de overdracht van elektronen van Complex III naar Complex IV.
• Koolstofmonoxide en azide binden zich onomkeerbaar aan Complex IV. Hierdoor kan het eiwit niet functioneren, wat chemische verstikking veroorzaakt.

Dit zijn nog maar een aantal van de toxische stoffen, er zijn er nog veel meer die een grote invloed hebben op het proces van de oxidatieve fosforylering.

Men denkt dat defecten in de subunits van Complex I de oorzaak kunnen zijn van verschillende mitochondriale ziekten, zoals het Leigh syndroom en de ziekte van Parkinson. In beschadigde mitochondriën, permeabel voor protonen, is de ATP-synthase werkzaam in omgekeerde volgorde, dus als ATPase. ATPase is een erg goede manier om ATP te ontbinden in ADP en Pi.