mini|450px|Skica oksidacijske fosforilacije unutar mitohondrija. Oksidacijska fosforilacija je metabolički put koji koristi energiju oslobođenu oksidacijom hranjivih tvari za sintezu adenozin trifosfata (ATP). Gotovo svi aerobni organizmi koriste oksidacijsku fosforilaciju za proizvodnju energije, zato što je to najučinkovitiji metabolički put za proizvodnju visokoenergetskih molekula kao što je ATP. Alternativni metabolički putovi kao fermentacija ili glikoliza daleko su manje efikasni.
Tijekom oksidacijske fosforilacije, elektroni se prenose od molekula koje služe kao elektron donori na molekule elektron akceptore kao kisik u nizu redoks reakcija. Redoks reakcije oslobađaju energiju koja se koristi za sintezu ATP-a. Redoks reakcije se kod eukariota odvijaju na unutarnjoj membrani mitohondrija dok se kod prokariota odvijaju na unutarnjim staničnim membranama. Oksidacijska fosforilacija se mora uvijek odvijati na membranama jer se nastali gradijent protona između dva stanična prostora koristi kao pokretačka sila za sintezu ATP-a.
Prvi dio oksidacijske fosforilacije čini niz povezanih enzima koji nose naziv "lanac prijenosa elektrona". U eukariota taj je lanac sastavljen od pet proteinskih sustava, dok se kod prokariota može naći mnoštvo različitih enzima u raznim kombinacijama.
Energijom oslobođenom od elektrona, koji prolaze kroz navedeni enzimski sklop, dolazi do prijenosa protona kroz unutarnju mitohondrijsku membranu u procesu poznatom kao "kemiosmoza". Stvoreni gradijent protona (pH gradijent) daje potencijalnu energiju cijelom procesu koji će je postupno oslobađati protokom kroz enzim ATP sintazu. ATP sintaza koristi energiju stvorenu protokom protona niz međumembranski gradijent kako bi stvorila ATP reakcijom fosforilacije adenozin difosfata (ADP). To je drugi dio metaboličkog puta. Dio ATP sintaze funkcionira kao rotacijski mehanički motor pokretan protonskim gradijentom.
Oksidacijska je fosforilacija jedan od najbitnijih dijelova metabolizma, ali ona nužno oslobađa reaktivne metabolite kisika kao superoksid (O2−) ili vodikov peroksid (H2O2) koji s lakoćom generiraju slobodne radikale. Slobodni radikali mogu teško oštetiti stanične strukture, izazvati bolesti i tijesno su povezani s procesom starenja.
Prijenos energije kod oksidacijske fosforilacije
Kod oksidacijske fosforilacije postoji sprega između dva sustava kemijskih reakcija. Reakcija koja oslobađa energiju koristi se za napajanje kemijske reakcije koje zahtijeva energiju. Jedna reakcija ne može postojati bez druge. Protok elektrona iz elektron donora kao NADH na elektron akceptore kao kisik koji se zbiva u lancu prijenosa elektrona je egzoergonska reakcija (oslobađa energiju). Sinteza ATP-a koja je endoergonska reakcija (zahtjeva energiju) dobiva je od prvog niza reakcija. Oba su sustava umetnuta u strukturu unutarnje mitohondrijske membrane. Energija oslobođena kroz lanac prijenosa elektrona koristi se za stvaranje protonskog (H+) gradijenta između dviju strana membrane u sklopu procesa kemiosmoze. Povratni protok protona niz membranski gradijent daje energiju ATP sintazi za proizvodnju ATP-a.
Količina oslobođene energije oksidacijskom fosforilacijom vrlo je velika u odnosu na druge metaboličke putove koji stvaraju energiju. Degradacijom jedne molekule glukoze kod glikolize proizvedu se samo 2 molekule ATP-a. Ista molekula glukoze daje 10 molekula NADH i 2 molekule sukcinata tokom Krebsovog ciklusa, a koje za vrijeme oksidacijske fosforilacije daju 30 do 36 molekula ATP-a. Svaki ciklus beta oksidacije masnih kiselina daje oko 14 molekula ATP-a. U stvarnosti, proizvodnja ATP-a uvijek je nešto niža od teoretskih maksimalnih vrijednosti jer se se manja količina protona gubi spontanim prolazom kroz mitohondrijsku membranu niz gradijent.
Molekule prijenosnici protona i elektrona mini|250px|lijevo|Redukcija koenzima Q iz ubikinona (Q) u reducirani oblik ubikinol (QH2). Lanac prijenosa elektrona prenosi elektrone prebacujući ih od elektron donora na elektron akceptore dok se protoni prebacuju kroz mitohondrijsku membranu. U oba slučaja prijenos vrše molekule koje mogu biti slobodne u otopini ili vezane za enzime. U međumembranskom prostoru mitohondrija elektrone prenosi bjelančevina citokrom c koja je hidrofilna (topljiva u vodi). Citokrom c prenosi samo elektrone prenesenih putem redukcija i oksidacija atoma željeza unutar hem grupe koja se nalazi u građi same bjelančevine kao prostetska skupina. Kod bakterija se citokrom c nalazi u periplazmatskom prostoru.
U kontekstu unutarnje mitohondrijske membrane nalazi se koenzim Q10 (Q) ili ubikinon. Ova je molekula iz skupine benzokinona vrlo lipofilna (topiva u mastima) i može prenositi protone i elektrone putem redoks reakcija. Njena joj lipofilna priroda omogućuje da se slobodno kreće unutar same membrane. Prihvaćenjem dva elektrona i dva protona za vrijeme Krebsovog ciklusa ubikinon (Q) prelazi u reducirani oblik ubikinol (QH2) dok se oksidacijom za vrijeme oksidacijske fosforilacije vraća u prvobitno stanje (Q). Budući da se enzimi koji reduciraju ubikinon nalaze na jednoj strani membrane, a enzimi koji oksidiraju ubikinol na drugoj, ova molekula zapravo ima ulogu povezivanja dviju reakcija i transporta protona kroz samu membranu. Kod bakterija prijenos se vrši putem metakinona i ubikinona.
U sklopu samih enzima nalazimo različite molekule koje prenose elektrone: flavini, molekularni sustavi željezo-sumpor i citokromi. Sustavi željezo-sumpor su najčešći i ima ih više vrsta. Najjednostavnija vrsta u lancu prijenosa elektrona je sklop dva atoma željeza s dva atoma sumpora koji nosi naziv [2Fe–2S] sklop (cluster). Slični sklop naziva [4Fe–4S] prostorno je složen u obliku kocke i sadrži četiri atoma željeza u paru s četiri atoma sumpora koji su dio molekule cisteina. Navedeni kofaktori koji sadrže ione metala ulaze i izlaze iz redoks reakcija bez vezanja i oslobađanja protona, oni jednostavno generiraju stalni protok elektrona iz jednog enzimskog sustava na drugi. Elektroni se tako kreću putem kvantnog fenomena "#tunel efekta" koji je vrlo brz na udaljenostima manjim od 1.4×10−9 m.
Lanac prijenosa elektrona kod eukariota
Nekoliko bitnih metaboličkih putova, kao glikoliza, Krebsov ciklus i beta oksidacija proizvode reducirani kofaktor NADH koji sadrži elektrone visokog potencijala oslobađanja. NADH je stoga u stanju osloboditi veliku količinu energije za vrijeme oksidacije. Stanica ne oslobađa odjednom svu energiju prisutnu u NADH, već se elektroni postupno oslobađaju iz reduciranog kofaktora i polako prelaze na kisik kao oksidativno sredstvo putem enizma koji čine lanac prijenosa elektrona. Enzimi prenositelji elektrona tako oslobađaju energiju vrlo postupno, povećavajući učinkovitost cijelog procesa. Taj sustav enzima nosi naziv "lanac prijenosa elektrona" i nalazi se u sklopu unutarnje mitohondrijske membrane. Pojedini enzimi navedenoga enzimskog lanca numerirani su rimskim brojevima od kompleksa I do kompleksa IV.
Kod eukariota, enzimi koriste energiju oslobođenu kod oksidacije NADH kroz sustav prijenosa elektrona za prijenos protona (H+) kroz unutarnju mitohondrijsku membranu. Nakupljanje veće količine protona u međumembranskom prostoru stvara elektrokemijski gradijent kroz samu membranu. Energiju pohranjenu u gradijentu protona koristi enzim ATP sintetaza kako bi kontinuirano proizvodila ATP.
+ Enzimi lanca prijenosa elektrona i njihovi supstrati kod eukariota.EnzimRedoks par Standardni elektrodni potencijal (Volti) NADH dehidrogenaza NAD+ / NADH −0,32Medical CHEMISTRY Compendium. By Anders Overgaard Pedersen and Henning Nielsen. Aarhus University. 2008 sukcinat dehidrogenaza flavin mononukleotid (FMN) ili FAD / FMNH2 ili FADH2 −0,20 koenzim Q - citokrom c reduktaza ili citokrom bc1 sustav koenzim Q10oksidiran / koenzim Q10reduciran +0,06 citokrom bc1 sustav citokrom boksidiran / citokrom breduciran +0,12 citokrom c oksidaza ili kompleks IV citokrom coksidiran / citokrom creduciran +0,22 kompleks IV citokrom aoksidiran / citokrom areduciran +0,29 kompleks IV O2 / HO− +0,82<font size=1> Uvjeti: pH = 7
NADH-koenzim Q oksidoreduktaza ((kompleks I) 350px|mini|desno|Kompleks I ili NADH dehidrogenaza ili NADH-Q oksidoreduktaza. Kratice su objašnjene u tekstu. Na ovoj i svim skicama niže, matriks mitohondrija je dolje, a međumembranski prostor je gore.
NADH-koenzim Q oksidoreduktaza ili NADH dehidrogenaza (kompleks I) je prvi enzim lanca prijenosa elektrona. Radi se o vrlo velikom enzimu, molekularne mase od 1000 kilodaltona (KDa) koji se sastoji od 46 podjedinica. Detaljna struktura je prvenstveno poznata iz kristalografskih studija bakterijske NADH dehidrogenaze;Efremov R.G., Baradaran R., & Sazanov L.A., (2010) The arcdhitecture of respiratory complex I, Nature 465, 441-445 oblikom podsjeća na obrnuto slovo "L", gdje se jedan od krakova nalazi u kontekstu unutarnje mitohondrijske membrane, dok drugi krak strši prema matriksu mitohondrija. Geni koji dekodiraju pojedine podjedinice kompleksa I nalaze se i u staničnoj jezgri i u mitohondrijskom genomu, što je prilično uobičajeno za mitohondrijske enzime.
Reakcija koju katalizira kompleks I sastoji se od redukcije koenzima Q10 (ubikinona) od strane NADH, prijenosom dva elektrona. Koenzim Q10 ili ubikinon je označen u jednadžbi niže kao Q:
Početak kemijske reakcije i cijelog lanca prijenosa elektrona je vezanje jedne molekule NADH za kompleks I i donacija dva elektrona i jednog protona kofaktoru flavin mononukleotidu (FMN), koji predstavlja prvu prostetičku grupu samog enzimskog kompleksa. FMN prelazi u reducirani oblik FMNH2 primanjem dva elektrona i jednog protona od NADH, dok drugi proton prima direktno iz matriksa. Elektroni su potom prebačeni nizom Fe-S sklopova (clusters), koji predstavljaju drugu prostetičku grupu enzimskog kompleksa. Kompleks I sadrži obje vrste sklopova željezo-sumpor: [2Fe–2S] i [4Fe–4S].
Proces prijenosa elektrona je nepovratan, jer elektroni postupno gube potencijal za 360 mV što je ekvivalentno ΔG=-16.6 Kcal/mol. Oslobođena energija omogućava prebacivanje četiri protona (H+) iz matriksa u međumembranski prostor, promjenom konformacije samog kompleksa I. Elektroni se na kraju reakcije prebacuju iz Fe-S sklopova na molekulu ubikinona koja se nalazi unutar mitohondrijske membrane. Osim primanja elektrona, redukcija ubikinona (Q) predviđa prijenos dva protona iz matriksa na molekulu generirajući ubikinol (QH2), povećavajući tako gradijent protona između matriksa i međumembranskog prostora.
Sukcinat-Koenzim Q oksidoreduktaza (kompleks II) 250px|mini|desno|Kompleks II: Sukcinat - koenzim Q oksidoreduktaza.
Sukcinat-Koenzim Q oksidoreduktaza (Kompleks II) ili sukcinat dehidrogenaza predstavlja drugi ulaz u lanac prijenosa elektrona. Ovo je jedini enzim koji ulazi u sastav i Krebsovog ciklusa i oksidacijske fosforilacije. Struktura kompleksa II predviđa četiri proteinske podjedinice na koje su vezane različite prostetičke grupe: flavin adenin dinukleotid (FAD), Fe-S sklopovi i molekula hema koja nema ulogu prijenosa elektrona na koenzim Q, već se pretpostavlja da smanjuje koncentraciju potencijalno štetnih reaktivnih vrsta kisika.
Enzim katalizira oksidaciju sukcinata u fumarat i redukciju ubikinona u ubikinol. Ova reakcija oslobađa manje energije od oksidacije NADH, tako da kompleks II ne prebacuje direktno protone u međumembranski prostor.
Flavoprotein-Koenzim Q oksidoreduktaza
Flavoprotein-Koenzim Q oksidoreduktaza (ETF-Q oksidoreduktaza) ili Flavoprotein dehidrogenaza predstavlja treću ulaznu točku u lanac prijenosa elektrona. Ovaj enzim prima elektrone od flavoproteina i prebacuje ih na ubikinon (Q10) kako bi izvršio redukciju. ETF-Q oksidoreduktaza sadrži flavin kao prostetičku grupu i jedan [4Fe–4S] sklop. Za razliku od drugih enzima, ETF-Q oksidoreduktaza se ne nalazi u kontekstu mitohondrijske membrane, već je smješten na samoj površini membrane na strani mitohondrijskog matriksa.