Hoofdstuk 5: oxidatieve fosforylering
1. Overzicht van de oxidatieve fosforylering.
Energierijke elektronenparen in NADH en FADH2 worden afgegeven aan zuurstof, en zo ontstaat ATP.
Dit gebeurt in het binnenste mitochondriale membraan. er is een tienvoudig verschil in
protonenconcentratie. pH matrix – pH intermembranaire ruimte = 1. Hierdoor gebeuren:
1) Redoxreacties die elektronen van NADH en FADH2 naar O2 brengen (sterke oxidator). Er
komt NAD+, FAD en H2O vrij. Zo zal protonengradiënt opgebouwd worden.
2) De opgeslagen energie in de gradiënt zal via een mitochondriaal ATP-synthase van H+
omgezet worden in ATP.
De snelheid van de oxidatie en de fosforyleringssnelheid zijn op elkaar afgestemd (respiratoire
koppeling). Dit kan geregeld worden door ontkoppelingseiwitten (UCP’s). ATP wordt van matrix naar
intermembranaire ruimte gepompt en ADP de andere richting. De drijvende kracht van dit transport
wordt gegeven door de protonengradiënt. Goede uitwisseling ATP en ADP met cytosplasma door
porievormende eiwitten in buitenste mitochondriale membraan.
→ chemio-osmotische gradient van Peter Mitchell
2. Energetica van redoxreacties
We kijken naar hoeveel energie er theoretisch kan vrijkomen als we 1 elektronenpaar overdragen
van NADH naar O2. NAD+ heeft een negatieve Eo’ waarde. Die van zuurstof is veel groter (hoe groter,
hoe liever je elektronen opneemt). Dus we krijgen delta Eo’ = 1.14 V Als we dan verder berekenen
zien we dat er 220 kJ/mol vrijkomt. Dit is de standaard vrije energieverandering tijdens de redox. Dit
is dus een sterke exergonische reactie. En 7x hoger dan de reactie van ATP-synthese.
→ NADH is dus een heel sterke reductor. Ze hebben een lagere elektronegativiteit dan zuurstof, dus
overdracht naar zuurstof levert energie op. NADH heeft 3 geconjugeerde dubbele bindingen, de
elektronen zitten in een pi-orbitaal. Het heeft dus veel mogelijkheden in zijn geoxideerde vorm (meer
dan in zijn gereduceerde vorm). Dit is vergelijkbaar met FADH2.
3. Overzicht van de elektronentransportketen
Productie van verschillende moleculen ATP is mogelijk uit NADH. Er zijn 3 complexen in de
ademhalingsketen (van NADH).
• De redoxgroepen liggen op de juiste afstand van elkaar → watervalletjes.
• De elektronenaffiniteit vd chemische dragers vd elektronentransportketen zijn gerangschikt
met een toenemende elektronegativiteit naar stroomafwaarts toe (stijgende Eo’.
• De energie die vrijkomt in deze weg wordt gebruikt om protonen naar de intermembranaire
ruimte te pompen, om een gradiënt (10x zo veel) op te bouwen.
Tussen de eiwitcomplexen hebben we cytochroom c en coenzym Q (beweeglijke elektronendragers)
4. Eiwitcomplexen van de elektronentransportketen
Complex I: NADH dehydrogenase (ubiquinon)
- Ontvangt NADH elektronen → NAD+ gevormd
- Geeft elektronenpaar door aan ubiquinon (coenzym Q)
- FMN en Fe-S-complexen zitten als prosthetische groepen aan de subeenheden van het
complex covalent vast.
- Ruimtelijk geplaatst dat elektronen springen van drager naar drager. De drijfkracht voor die
sprongen is de toename in Eo’.
- Samen met de redoxreactie zullen er 4 protonen naar de intermembranaire ruimte gepompt
worden.
, Complex III: (ubiquinol-cytochroom c reductase)
- Het elektronenpaar wordt gesplitst (cytochromen kunnen maar 1 elektron opnemen).
- Beide elektronen gaan via cytochroom b en c1 en Rieske-eiwit (Fe-S-kristal) naar cytochroom
c, dat vrij kan bewegen in de intermembranaire ruimte.
- Tegelijk met redoxreactie zullen er 2 protonen gepompt worden + 2 chemische rpotonen van
Q gaan ook naar de intermembranaire ruimte
Complex IV: cytochroom c oxidase
- De gereduceerde cytochroom c moleculen gaan naar dit complex
- Heeft Cu-heemgroepen (cytochroom a en a3)
- Zal 2 protonen naar de intermembranaire ruimte pompen.
2e bron elektronen: Er is ook een complex II: succinaatdehydrogenasecomplex waar FADH2 zijn
elektronen aan geeft. En CoQ is hier ook de elektronenacceptor van.
3e bron elektronen: glycerolfosfaat-shuttle sluit hier op aan zodat elektronen van NADH uit de
glycolyse gebruikt kunnen worden (geen protonenpompen bij deze).
- Zuurstof krijgt 4 elektronen en 4 (chemische) protonen van complex Iv. Deze komen van 4
afzonderlijke moleculen cytochroom c. samen vormen deze complexen een superstructuur.
- Cardiolipine: belang in mitochondriaal membraan. kortere diffusieafstand oor elektronen
van NADH naar zuurstof en een zeer lage permeabiliteit voor protonen, dus zal kunnen
bijdragen bij de pH-gradient.
- De energie is uit te drukken in pmf (proton motivve force). Deze bestaat ui de optelsom van
de elektrische en een chemio-osmotische component. pmf = Ψ– ( RT/F × ΔpH)
- Cytochroom c speelt ook een rol in apoptose. Als het uit het binnenste membraan gaat, kan
het apoptose induceren (door een porie).
5. Mitochondriale ATP-synthase
Mitochondriale ATP-synthase zorgt voor de laatste stap: doelgericht kleine pakketjes van het
elektrochemische potentiaal over de binnenste membraan brengen. Dit zorgt voor aanmaak van ATP
uit ADP en P. Ook wel complex V genoemd. Het complex bestaat uit:
1) F0 protonenkanaal (transmembranair)
2) F1 ATP-synthese
Deze zijn aan elkaar verbonden. Ze hebben subeenheden die zorgen voor een draaibeweging telkens
als er een H+ door komt. Deze draaibeweging zal uiteindelijk ADP+P omzetten in ATP. Er zijn 3
transities (O, L en T), en telkens als een volledige cirkel is gemaakt (10 H+) komt er 3 ATP vrij.
Per NADH komt er dus 3 ATP, per FADH (6 protonen) 2 ATP.
1. Overzicht van de oxidatieve fosforylering.
Energierijke elektronenparen in NADH en FADH2 worden afgegeven aan zuurstof, en zo ontstaat ATP.
Dit gebeurt in het binnenste mitochondriale membraan. er is een tienvoudig verschil in
protonenconcentratie. pH matrix – pH intermembranaire ruimte = 1. Hierdoor gebeuren:
1) Redoxreacties die elektronen van NADH en FADH2 naar O2 brengen (sterke oxidator). Er
komt NAD+, FAD en H2O vrij. Zo zal protonengradiënt opgebouwd worden.
2) De opgeslagen energie in de gradiënt zal via een mitochondriaal ATP-synthase van H+
omgezet worden in ATP.
De snelheid van de oxidatie en de fosforyleringssnelheid zijn op elkaar afgestemd (respiratoire
koppeling). Dit kan geregeld worden door ontkoppelingseiwitten (UCP’s). ATP wordt van matrix naar
intermembranaire ruimte gepompt en ADP de andere richting. De drijvende kracht van dit transport
wordt gegeven door de protonengradiënt. Goede uitwisseling ATP en ADP met cytosplasma door
porievormende eiwitten in buitenste mitochondriale membraan.
→ chemio-osmotische gradient van Peter Mitchell
2. Energetica van redoxreacties
We kijken naar hoeveel energie er theoretisch kan vrijkomen als we 1 elektronenpaar overdragen
van NADH naar O2. NAD+ heeft een negatieve Eo’ waarde. Die van zuurstof is veel groter (hoe groter,
hoe liever je elektronen opneemt). Dus we krijgen delta Eo’ = 1.14 V Als we dan verder berekenen
zien we dat er 220 kJ/mol vrijkomt. Dit is de standaard vrije energieverandering tijdens de redox. Dit
is dus een sterke exergonische reactie. En 7x hoger dan de reactie van ATP-synthese.
→ NADH is dus een heel sterke reductor. Ze hebben een lagere elektronegativiteit dan zuurstof, dus
overdracht naar zuurstof levert energie op. NADH heeft 3 geconjugeerde dubbele bindingen, de
elektronen zitten in een pi-orbitaal. Het heeft dus veel mogelijkheden in zijn geoxideerde vorm (meer
dan in zijn gereduceerde vorm). Dit is vergelijkbaar met FADH2.
3. Overzicht van de elektronentransportketen
Productie van verschillende moleculen ATP is mogelijk uit NADH. Er zijn 3 complexen in de
ademhalingsketen (van NADH).
• De redoxgroepen liggen op de juiste afstand van elkaar → watervalletjes.
• De elektronenaffiniteit vd chemische dragers vd elektronentransportketen zijn gerangschikt
met een toenemende elektronegativiteit naar stroomafwaarts toe (stijgende Eo’.
• De energie die vrijkomt in deze weg wordt gebruikt om protonen naar de intermembranaire
ruimte te pompen, om een gradiënt (10x zo veel) op te bouwen.
Tussen de eiwitcomplexen hebben we cytochroom c en coenzym Q (beweeglijke elektronendragers)
4. Eiwitcomplexen van de elektronentransportketen
Complex I: NADH dehydrogenase (ubiquinon)
- Ontvangt NADH elektronen → NAD+ gevormd
- Geeft elektronenpaar door aan ubiquinon (coenzym Q)
- FMN en Fe-S-complexen zitten als prosthetische groepen aan de subeenheden van het
complex covalent vast.
- Ruimtelijk geplaatst dat elektronen springen van drager naar drager. De drijfkracht voor die
sprongen is de toename in Eo’.
- Samen met de redoxreactie zullen er 4 protonen naar de intermembranaire ruimte gepompt
worden.
, Complex III: (ubiquinol-cytochroom c reductase)
- Het elektronenpaar wordt gesplitst (cytochromen kunnen maar 1 elektron opnemen).
- Beide elektronen gaan via cytochroom b en c1 en Rieske-eiwit (Fe-S-kristal) naar cytochroom
c, dat vrij kan bewegen in de intermembranaire ruimte.
- Tegelijk met redoxreactie zullen er 2 protonen gepompt worden + 2 chemische rpotonen van
Q gaan ook naar de intermembranaire ruimte
Complex IV: cytochroom c oxidase
- De gereduceerde cytochroom c moleculen gaan naar dit complex
- Heeft Cu-heemgroepen (cytochroom a en a3)
- Zal 2 protonen naar de intermembranaire ruimte pompen.
2e bron elektronen: Er is ook een complex II: succinaatdehydrogenasecomplex waar FADH2 zijn
elektronen aan geeft. En CoQ is hier ook de elektronenacceptor van.
3e bron elektronen: glycerolfosfaat-shuttle sluit hier op aan zodat elektronen van NADH uit de
glycolyse gebruikt kunnen worden (geen protonenpompen bij deze).
- Zuurstof krijgt 4 elektronen en 4 (chemische) protonen van complex Iv. Deze komen van 4
afzonderlijke moleculen cytochroom c. samen vormen deze complexen een superstructuur.
- Cardiolipine: belang in mitochondriaal membraan. kortere diffusieafstand oor elektronen
van NADH naar zuurstof en een zeer lage permeabiliteit voor protonen, dus zal kunnen
bijdragen bij de pH-gradient.
- De energie is uit te drukken in pmf (proton motivve force). Deze bestaat ui de optelsom van
de elektrische en een chemio-osmotische component. pmf = Ψ– ( RT/F × ΔpH)
- Cytochroom c speelt ook een rol in apoptose. Als het uit het binnenste membraan gaat, kan
het apoptose induceren (door een porie).
5. Mitochondriale ATP-synthase
Mitochondriale ATP-synthase zorgt voor de laatste stap: doelgericht kleine pakketjes van het
elektrochemische potentiaal over de binnenste membraan brengen. Dit zorgt voor aanmaak van ATP
uit ADP en P. Ook wel complex V genoemd. Het complex bestaat uit:
1) F0 protonenkanaal (transmembranair)
2) F1 ATP-synthese
Deze zijn aan elkaar verbonden. Ze hebben subeenheden die zorgen voor een draaibeweging telkens
als er een H+ door komt. Deze draaibeweging zal uiteindelijk ADP+P omzetten in ATP. Er zijn 3
transities (O, L en T), en telkens als een volledige cirkel is gemaakt (10 H+) komt er 3 ATP vrij.
Per NADH komt er dus 3 ATP, per FADH (6 protonen) 2 ATP.
