Free Press

Chemiosmose, Proton Motive Force, and Oxidative Phosphorylation

Bij elke overdracht van een elektron door de ETS verliest het elektron energie, maar bij sommige overdrachten wordt de energie als potentiële energie opgeslagen door deze te gebruiken om waterstofionen (H+) over een membraan te pompen. In prokaryote cellen wordt H+ naar de buitenkant van het cytoplasmamembraan gepompt (bij gramnegatieve en grampositieve bacteriën de periplasmische ruimte genoemd), en in eukaryote cellen wordt het vanuit de mitochondriale matrix over het binnenste mitochondriale membraan naar de intermembraanruimte gepompt. Er is een ongelijke verdeling van H+ over het membraan, waardoor een elektrochemische gradiënt ontstaat, omdat H+-ionen positief geladen zijn (elektrisch) en er een hogere concentratie (chemisch) is aan één kant van het membraan. Deze elektrochemische gradiënt die wordt gevormd door de ophoping van H+ (ook proton genoemd) aan de ene kant van het membraan in vergelijking met de andere kant, wordt de protonmotiverende kracht (PMF) genoemd. Omdat de betrokken ionen H+ zijn, wordt ook een pH-gradiënt tot stand gebracht, waarbij de kant van het membraan met de hogere concentratie H+ zuurder is. Naast het gebruik van de PMF om ATP te maken, zoals besproken in dit hoofdstuk, kan de PMF ook worden gebruikt om andere energetisch ongunstige processen aan te drijven, waaronder transport van voedingsstoffen en rotatie van de flagellen voor motiliteit.

De potentiële energie van deze elektrochemische gradiënt, opgewekt door de ETS, zorgt ervoor dat de H+ over een membraan diffundeert (het plasmamembraan in prokaryotische cellen en het binnenmembraan in mitochondria in eukaryotische cellen). Deze stroom van waterstofionen over het membraan, chemiosmose genoemd, moet via een kanaal in het membraan verlopen via een membraangebonden enzymcomplex dat ATP-synthase wordt genoemd (Figuur 1). De neiging om op deze manier te bewegen is te vergelijken met water dat zich aan één kant van een dam ophoopt en zich door de dam verplaatst wanneer deze wordt geopend. ATP synthase (als een combinatie van de inlaat en de generator van een hydro-elektrische dam) is een complex eiwit dat werkt als een kleine generator, draaiend door de kracht van de H+ die door het enzym diffunderen, langs hun elektrochemische gradiënt van waar er veel wederzijds afstotende H+ zijn naar waar er minder H+ zijn. In prokaryote cellen stroomt H+ van de buitenkant van het cytoplasmamembraan naar het cytoplasma, terwijl in eukaryote mitochondriën H+ stroomt van de intermembraanruimte naar de mitochondriale matrix. Het draaien van de onderdelen van deze moleculaire machine regenereert ATP uit ADP en anorganisch fosfaat (Pi) door oxidatieve fosforylering, een tweede mechanisme voor het maken van ATP dat de potentiële energie oogst die is opgeslagen in een elektrochemische gradiënt.

Het aantal ATP-moleculen dat wordt gegenereerd uit het katabolisme van glucose varieert. Zo varieert het aantal waterstofionen dat de complexen van het elektronentransportsysteem door het membraan kunnen pompen tussen verschillende soorten organismen. Bij aërobe ademhaling in mitochondriën genereert de passage van elektronen van één molecuul NADH genoeg proton-bewegingskracht om drie ATP-moleculen te maken door oxidatieve fosforylering, terwijl de passage van elektronen van één molecuul FADH2 genoeg proton-bewegingskracht genereert om slechts twee ATP-moleculen te maken. De 10 NADH-moleculen die tijdens de glycolyse, de overgangsreactie en de Krebs-cyclus per glucose worden gemaakt, leveren dus genoeg energie om 30 ATP-moleculen te maken, terwijl de twee FADH2-moleculen die tijdens deze processen per glucose worden gemaakt, genoeg energie leveren om vier ATP-moleculen te maken. In totaal is de theoretische maximale opbrengst aan ATP die tijdens de volledige aërobe ademhaling van glucose wordt gemaakt 38 moleculen, waarvan er vier worden gemaakt door substraatfosforylering en 34 door oxidatieve fosforylering (figuur 1). In werkelijkheid is de totale ATP opbrengst meestal minder, variërend van één tot 34 ATP moleculen, afhankelijk van of de cel aërobe of anaërobe ademhaling gebruikt; in eukaryote cellen wordt wat energie verbruikt om tussenproducten van het cytoplasma naar de mitochondriën te transporteren, wat de ATP opbrengst beïnvloedt.

Figuur (Pagina-index{2}) geeft een overzicht van de theoretische maximale ATP-opbrengsten van verschillende processen tijdens de volledige aërobe ademhaling van één glucosemolecuul.