Hoofdstuk 18, oxidatieve fosforilering
Inleiding
ATP behoeften, een man van 70 kg heeft maar liefst 8400 kJ (2000 kcal) nodig voor één dag aan
activiteit. Hiervoor is 83 kg ATP nodig. De mens bezit echter maar 250 gram ATP op een gegeven
moment. Dit wordt gecompenseerd door de recycling van ADP terug tot ATP. Deze recycling vindt
met name middels oxidatieve fosforilatie plaats.
Oxidatie-reductie reacties, de oxidatie-reductie reacties in de oxidatieve fosforilering zorgen voor
een elektron flow van NADH en FADH2 naar O2.
Elektronentransportketen/Respiratory chain, de elektron flow vindt plaats door 4 grote eiwit
complexen die in het binnenmembraan van de mitochondriën bevestigd zitten.
NADH oxidatie, hieronder is de reactie te zien waarbij NADH zijn elektronen afgeeft aan O2. Deze
reactie is exergoon en de energie wordt door 3 complexen van de transportketen gebruikt om
protonen over het membraan uit de matrix te pompen.
Proton-motive force, de energie van bovenstaande reactie wordt als het ware omgezet in een
ongelijke verdeling van protonen. Dit genereert een pH gradiënt en een transmembraan elektrisch
potentiaal wat een proton-motive force creëert. ATP wordt vervolgens gesynthetiseerd wanneer
protonen terug de matrix in stromen door een enzym complex:
De oxidatie van brandstoffen en fosforilatie van ADP zijn dus aan elkaar
gekoppeld middels een proton gradiënt over het binnenste
mitochondriale membraan.
(Cellular) respiration, de generatie van high-transfer-potential
elektronen door de citroenzuur (CZ) cyclus, hun verplaatsing door de
elektronentransportketen (ETK) en de synthese van ATP wordt de (cellular) respiration genoemd.
E-module
AK lecture, er is een video te vinden op Youtube over ‘Introduction to oxidative phosphorylation’.
Vragen, zie hieronder 2 vragen uit de e-module.
18.1 Eukaryote oxidatieve fosforilering vindt plaats in mitochondriën
Mitochondriën, de CZ cyclus die hoge-energie elektronen genereert, vindt plaats in de
mitochondriale matrix. De energie van deze elektronen wordt uiteindelijk gebruikt voor ATP synthese
en het is dan ook logisch dat oxidatieve fosforilering ook in de mitochondriën plaatsvindt.
Mitochondriën zijn ongeveer zo groot als bacteriën (lengte: 2 𝜇m, diameter: 0,5 𝜇m).
,Membraansystemen, mitochondriën hebben 2 membranen:
- Binnenmembraan, is opgevouwen tot een serie aan interne richels,
genaamd cristae. Dit levert een heel groot oppervlak op. De mens
bevat in totaal maar liefst zo’n 14.000 m2 aan binnenmembraan wat
gelijk staat aan 3 voetbalvelden. In dit membraan vindt de oxidatieve
fosforilering plaats en door het grote oppervlak is veel activiteit
mogelijk. Het binnenmembraan is impermeabel voor bijna alle ionen
en polaire moleculen. Een grote transporter familie shuttles
metabolieten, zoals ATP, pyruvaat en citraat over het
binnenmembraan. De twee zijden van het membraan worden matrix side en cytoplasmic side
genoemd. Soms worden ze weleens N en P zijde genoemd, omdat het membraanpotentiaal
negatief is aan de matrix zijde en positief aan de cytoplasmatische zijde.
- Buitenmembraan, dit membraan is i.t.t. het binnenmembraan permeabel voor kleine
moleculen en ionen doordat het mitochondriaal porine bevat.
Mitochondriaal porine, is een porie-vormend eiwit dat ook wel bekend staat als VDAC, voor voltage-
dependent anion channel. Het speelt een rol in de gereguleerde flux van metabolieten – normaal
gesproken anionic soorten, zoals fosfaat, chloride en adenine nucleotiden – over het
buitenmembraan.
Compartimenten, door de twee membranen bestaan mitochondriën uit 2 compartimenten:
- Intermembraan ruimte, wordt omgeven door het binnen- en buitenmembraan.
- Matrix, wordt enkel omringd door het binnenmembraan. Hier vinden de meeste CZ cyclus
reacties en vetzuur oxidatie plaats.
Prokaryoten, bij prokaryoten zitten de elektron-gedreven proton pomp en het ATP synthetiserend
complex in het cytoplasma membraan (het binnenste van 2 membranen). Het buitenmembraan van
bacteriën, is net als die van mitochondriën, permeabel voor de meeste kleine metabolieten door de
aanwezigheid van porines.
Semi-autonoom, mitochondriën zijn semi-autonome organellen die in endosymbiotische relatie
leven met de host cell. Ze bezitten eigen DNA wat codeert voor een variëteit aan verschillende
eiwitten en RNAs’s. Desondanks bevatten mitochondriën ook veel eiwitten die door kern DNA
gecodeerd worden. Cellen die mitochondriën bevatten zijn van deze organellen afhankelijk voor
oxidatieve fosforilering en op hun beurt zijn mitochondriën afhankelijk van de cel voor hun bestaan.
Mitochondriaal DNA, nieuw bewijs stelt voor dat mitochondriaal DNA van sommige organismen
lineair is, toch wordt het meestal circulair gevisualiseerd. De genomen van de mitochondriën
verschillen erg in grootte tussen verschillende soorten. Het menselijke mitochondriale genoom
codeert voor 13 respiratory-chain eiwitten, grote en kleine ribosomale RNAs en genoeg tRNAs om
alle codonen te transleren.
Endosymbiose, er wordt gedacht dat een endosymbiose gebeurtenis ervoor heeft gezorgd dat de
symbiotische reactie tussen mitochondriën en host cel is ontstaan. Hierbij is een vrij-levend
organisme, dat aan oxidatieve fosforilering deed, opgenomen door een andere cel. Het dubbele
membraan, circulair DNA (met uitzonderingen) en de mitochondriaal specifieke transcriptie-
translatie machinerie ondersteunen deze gedachte.
“Original’ mitochondrion, door de enorme hoeveelheid sequentie data van mitochondriën en
bacteriën kan er gespeculeerd worden over de herkomst van de originele mitochondrion. Het meest
mitochondria-achtige bacteriële genoom is die van Rickettsia prowazekii (veroorzaakt tyfus).
Sequentie data stelt voor dat alle bestaande mitochondriën afkomstig zijn van de voorouder van R.
prowazekii als resultaat van een enkele endosymbiose gebeurtenis.
Reclinomonas americana, het bewijs dat mitochondriën het resultaat zijn van een enkele
endosymbiose gebeurtenis is te vinden in het meest bacterie-achtige mitochondriale genoom van de
protozoan (oerdier) R. americana. De genen die voor eiwitten coderen omvatten alle eiwitcoderende
genen die ook in de andere gesequencede mitochondriale genomen te vinden zijn. Daarnaast
codeert dit genoom minder dan 2% van de eiwit-coderende genen van E. coli. In andere woorden,
een kleine fractie van bacteriële genen (2%) is in alle mitochondriën aanwezig. Hoe kan het dat alle
, mitochondriën dezelfde 2% van het bacteriële genoom bevatten? Endosymbiose heeft maar één keer
plaatsgevonden en alle bestaande mitochondriën zijn afstammelingen van die ene voorouder. Het
zou wel heel onwaarschijnlijk zijn dat mitochondriale genomen die afkomstig zijn van meerdere
endosymbiose gebeurtenissen allemaal onafhankelijk tot dezelfde set genen reduceren die in R.
americane aangetroffen wordt.
E-module
Vragen, zie hieronder een paar vragen uit de e-module:
18.2 Oxidatieve fosforilering is afhankelijk van elektron
transfer
Oxidatie-reductie, bij de oxidatieve fosforilering worden NADH
en FADH2 gebruikt om zuurstof te oxideren tot water. Deze exergone reductie wordt bereikt door
een aantal elektron transfer reacties die plaatsvinden in een reeks membraan eiwit (ETK).
Elektron-transfer potentiaal, bij oxidatieve fosforilering wordt het elektron-transfer potentiaal van
NADH en FADH2 omgezet in phosphoryl-transfer potentiaal van ATP. Phosphoryl-transfer potentiaal
wordt gekwantificeerd door ∆𝐺 0′ en overeenkomende uiting van elektron-transfer potentiaal is 𝐸 0′ .
Reductie potentiaal (𝑬𝟎′ ), wordt ook wel redox potentiaal of oxidatie-reductie potentiaal genoemd.
Redox koppel, de geoxideerde vorm van X en de gereduceerde vorm X-
vormen samen een redox koppel, X:X-. Het redox potentiaal van dit koppel
kan bepaald worden door de electromotive force te meten die gegeneerd
wordt in een sample half-cell die verbonden is aan een standard reference
half-cell. Dit apparaat is in de afbeelding weergegeven en bestaat dus uit 2
half-cellen:
- Sample half-cell, bestaat uit een elektrode die ondergedompeld is in
een oplossing van 1 M oxidant (X) en 1 M reductant (X-).
- Standard reference half-cell, bestaat uit een elektrode die
ondergedompeld is in een 1 M H+ oplossing die in evenwicht is met
H2 gas bij 1 atmosfeer (1 atm) aan druk.
