Oxidative phosphorylation (oder OXPHOS kurzum) ist ein metabolischer Pfad, der durch die Oxydation von Nährstoffen veröffentlichte Energie verwendet, um Adenosin triphosphate (ATP) zu erzeugen. Obwohl die vielen Formen des Lebens auf der Erde eine Reihe von verschiedenen Nährstoffen verwenden, führen fast alle aerobic Organismen oxidative phosphorylation aus, um ATP, das Molekül zu erzeugen, das Energie dem Metabolismus liefert. Dieser Pfad ist wahrscheinlich so durchdringend, weil es eine hoch effiziente Weise ist, Energie, im Vergleich zu alternativen Gärungsprozessen wie anaerobic glycolysis zu veröffentlichen.

Während oxidative phosphorylation werden Elektronen von Elektronendonatoren bis Elektronenakzeptoren wie Sauerstoff in redox Reaktionen übertragen. Diese redox Reaktionen veröffentlichen Energie, die verwendet wird, um ATP zu bilden. In eukaryotes werden diese redox Reaktionen durch eine Reihe von Protein-Komplexen innerhalb von mitochondria ausgeführt, wohingegen, in prokaryotes, diese Proteine in den inneren Membranen der Zellen gelegen werden. Diese verbundenen Sätze von Proteinen werden Elektrontransportketten genannt. In eukaryotes werden fünf Hauptprotein-Komplexe beteiligt, wohingegen in prokaryotes viele verschiedene Enzyme, mit einer Vielfalt von Elektronendonatoren und Annehmern da sind.

Die Energie, die durch Elektronen veröffentlicht ist, die durch diese Elektrontransportkette fließen, wird verwendet, um Protone über die innere mitochondrial Membran in genanntem chemiosmosis eines Prozesses zu transportieren. Das erzeugt potenzielle Energie in der Form eines PH-Anstiegs und eines elektrischen Potenzials über diese Membran. Dieser Laden der Energie wird geklopft, indem es Protonen erlaubt wird, zurück über die Membran und unten diesen Anstieg, durch ein großes Enzym genannt ATP synthase zu fließen. Dieses Enzym verwendet diese Energie, ATP von Adenosin diphosphate (ADP) in einer phosphorylation Reaktion zu erzeugen. Diese Reaktion wird durch den Protonenfluss gesteuert, der die Folge eines Teils des Enzyms zwingt; der ATP synthase ist ein mechanischer Drehmotor.

Obwohl oxidative phosphorylation ein Lebensteil des Metabolismus ist, erzeugt er reaktive Sauerstoff-Arten wie Superoxyd- und Wasserstoffperoxid, die zu Fortpflanzung von freien Radikalen, zerstörenden Zellen und dem Beitragen zu Krankheit und, vielleicht, alternd (Altern) führen. Die Enzyme, die diesen metabolischen Pfad ausführen, sind auch das Ziel von vielen Rauschgiften und Giften, die ihre Tätigkeiten hemmen.

Die Übersicht der Energie wechselt durch chemiosmosis über

Oxidative phosphorylation arbeitet durch das Verwenden energieveröffentlichender chemischer Reaktionen, energieverlangende Reaktionen zu steuern: Wie man sagt, werden die zwei Sätze von Reaktionen verbunden. Das bedeutet, dass man ohne den anderen nicht vorkommen kann. Der Fluss von Elektronen durch die Elektrontransportkette, von Elektronendonatoren wie NADH zu Elektronenakzeptoren wie Sauerstoff, ist ein Exergonic-Prozess - es veröffentlicht Energie, wohingegen die Synthese von ATP ein Endergonic-Prozess ist, der einen Eingang der Energie verlangt. Sowohl die Elektrontransportkette als auch der ATP synthase werden in einer Membran eingebettet, und Energie wird von der Elektrontransportkette bis den ATP synthase durch Bewegungen von Protonen über diese Membran in genanntem chemiosmosis eines Prozesses übertragen. In der Praxis ist das einem einfachen elektrischen Stromkreis mit einem Strom von Protonen ähnlich, die aus der negativen N-Seite der Membran zur positiven P-Seite durch die protonenpumpenden Enzyme der Elektrontransportkette vertreiben werden. Diese Enzyme sind einer Batterie ähnlich, weil sie Arbeit durchführen, um Strom durch den Stromkreis zu steuern. Die Bewegung von Protonen schafft einen elektrochemischen Anstieg über die Membran, die häufig die Protonenmotiv-Kraft genannt wird. Es hat zwei Bestandteile: Ein Unterschied in der Protonenkonzentration (ein H + Anstieg, ΔpH) und ein Unterschied im elektrischen Potenzial, mit der N-Seite, die eine negative Anklage hat.

ATP synthase veröffentlicht diese versorgte Energie, indem er den Stromkreis vollendet wird und Protonen erlaubt wird, unten den elektrochemischen Anstieg zurück zur N-Seite der Membran zu überfluten. Diese kinetische Energie steuert die Folge des Teils der Enzym-Struktur und verbindet diese Bewegung zur Synthese von ATP.

Die zwei Bestandteile der Protonenmotiv-Kraft sind thermodynamisch gleichwertig: In mitochondria wird der größte Teil der Energie durch das Potenzial zur Verfügung gestellt; in alkaliphile Bakterien muss die elektrische Energie sogar einen entgegenwirkenden umgekehrten PH-Unterschied ersetzen. Umgekehrt funktionieren Chloroplasten hauptsächlich auf ΔpH. Jedoch verlangen sie auch ein kleines Membranenpotenzial für die Kinetik der ATP Synthese. Mindestens im Fall vom fusobacterium P. modestum es steuert die Gegenfolge von Subeinheiten a und c des F Motors von ATP synthase.

Der Betrag der Energie, die durch oxidative phosphorylation veröffentlicht ist, ist im Vergleich zum durch die anaerobic Gärung erzeugten Betrag hoch. Glycolysis erzeugt nur 2 ATP Moleküle, aber irgendwo zwischen 30 und 36 ATPs werden durch den oxidative phosphorylation der 10 NADH und 2 succinate gemachten Moleküle durch das Umwandeln eines Moleküls von Traubenzucker zum Kohlendioxyd und Wasser erzeugt, während jeder Zyklus der Beta-Oxydation einer Fettsäure ungefähr 14 ATPs nachgibt. Diese ATP-Erträge sind theoretische maximale Werte; in der Praxis lecken einige Protone über die Membran, den Ertrag von ATP senkend.

Elektron und Proton übertragen Moleküle

Die Elektrontransportkette trägt sowohl Protone als auch Elektronen, vorübergehende Elektronen von Spendern Annehmern und Transportieren-Protone über eine Membran. Diese Prozesse verwenden sowohl auflösbare als auch Protein-gebundene Übertragungsmoleküle. In mitochondria werden Elektronen innerhalb des Zwischenmembranenraums durch das wasserlösliche Elektronübertragungsprotein cytochrome c übertragen. Das trägt nur Elektronen, und diese werden durch die Verminderung und Oxydation eines Eisenatoms übertragen, das das Protein innerhalb einer heme Gruppe in seiner Struktur hält. Cytochrome c wird auch in einigen Bakterien gefunden, wo er innerhalb des periplasmic Raums gelegen wird.

Innerhalb der inneren mitochondrial Membran trägt das lipid-auflösbare Elektrontransportunternehmen coenzyme Q10 (Q) sowohl Elektronen als auch Protone durch einen redox Zyklus. Dieses kleine benzoquinone Molekül ist sehr hydrophob, so verbreitet es sich frei innerhalb der Membran. Wenn Q zwei Elektronen und zwei Protone akzeptiert, wird es reduziert auf die Ubiquinol-Form (QH); wenn QH zwei Elektronen und zwei Protone veröffentlicht, wird es oxidiert zurück für den ubiquinone (Q) Form. Infolgedessen, wenn zwei Enzyme eingeordnet werden, so dass Q auf einer Seite der Membran reduziert wird und QH auf dem anderen oxidiert hat, wird ubiquinone diese Reaktionen und Pendelprotone über die Membran verbinden. Einige Bakterienelektrontransportketten verwenden verschiedene Chinon wie menaquinone zusätzlich zu ubiquinone.

Innerhalb von Proteinen werden Elektronen zwischen flavin cofactors, Eisenschwefel-Trauben und cytochromes übertragen. Es gibt mehrere Typen der Eisenschwefel-Traube. Die einfachste in der Elektronübertragungskette gefundene Art besteht aus zwei durch zwei Atome des anorganischen Schwefels angeschlossenen Eisenatomen; diese werden [2Fe-2S] Trauben genannt. Die zweite Art, genannt [4Fe-4S], enthält einen Würfel von vier Eisenatomen und vier Schwefel-Atomen. Jedes Eisenatom in diesen Trauben wird durch eine zusätzliche Aminosäure gewöhnlich durch das Schwefel-Atom von cysteine koordiniert. Metallion cofactors erlebt redox Reaktionen, ohne Protone zu binden oder zu veröffentlichen, so in der Elektrontransportkette dienen sie allein, um Elektronen durch Proteine zu transportieren. Elektronen bewegen ziemlich lange Entfernungen durch Proteine durch das Hüpfen entlang Ketten dieser cofactors. Das kommt beim Quant-Tunnelbau vor, der über Entfernungen von weniger als 1.4 M schnell ist.

Elektron von Eukaryotic transportiert Ketten

Viele catabolic biochemische Prozesse, wie glycolysis, der saure Zitronenzyklus, und Beta-Oxydation, erzeugen den reduzierten coenzyme NADH. Dieser coenzyme enthält Elektronen, die ein hohes Übertragungspotenzial haben; mit anderen Worten werden sie einen großen Betrag der Energie auf die Oxydation veröffentlichen. Jedoch veröffentlicht die Zelle diese Energie plötzlich nicht, weil das eine unkontrollierbare Reaktion sein würde. Statt dessen werden die Elektronen von NADH entfernt und zu Sauerstoff durch eine Reihe von Enzymen dass jede Ausgabe ein kleiner Betrag der Energie passiert. Dieser Satz von Enzymen, aus Komplexen I bis IV bestehend, wird die Elektrontransportkette genannt und wird in der inneren Membran des mitochondrion gefunden. Succinate wird auch durch die Elektrontransportkette oxidiert, aber frisst in den Pfad an einem verschiedenen Punkt.

In eukaryotes verwenden die Enzyme in diesem Elektrontransportsystem die von der Oxydation von NADH veröffentlichte Energie, um Protone über die innere Membran des mitochondrion zu pumpen. Das veranlasst Protone, sich im Zwischenmembranenraum zu entwickeln, und erzeugt einen elektrochemischen Anstieg über die Membran. Die in diesem Potenzial versorgte Energie wird dann durch ATP synthase verwendet, um ATP zu erzeugen. Oxidative phosphorylation im eukaryotic mitochondrion ist das am besten verstandene Beispiel dieses Prozesses. Der mitochondrion ist in fast dem ganzen eukaryotes, mit Ausnahme von anaerobic protozoa wie Trichomonas vaginalis da, die stattdessen abnehmen, Protone zu Wasserstoff in einem Rest hat mitochondrion einen hydrogenosome genannt.

NADH-coenzyme Q oxidoreductase (Komplex I)

NADH-coenzyme Q oxidoreductase, auch bekannt als NADH dehydrogenase oder Komplex I, ist das erste Protein in der Elektrontransportkette. Komplex bin ich ein riesiges Enzym mit dem Säugetierkomplex ich, 46 Subeinheiten und eine molekulare Masse von ungefähr 1,000 kilodaltons (kDa) habend. Die Struktur ist im Detail nur von einer Bakterie bekannt; in den meisten Organismen ähnelt der Komplex einem Stiefel mit einem großen "Ball", der aus der Membran in den mitochondrion stößt. Die Gene, die die individuellen Proteine verschlüsseln, werden sowohl im Zellkern als auch im mitochondrial Genom enthalten, wie für viele Enzym-Gegenwart im mitochondrion der Fall ist.

Die Reaktion, die durch dieses Enzym katalysiert wird, ist die zwei Elektronverminderung durch NADH von coenzyme Q10 oder ubiquinone (vertreten als Q in der Gleichung unten), ein lipid-auflösbares Chinon, das in der mitochondrion Membran gefunden wird:

Der Anfang der Reaktion, und tatsächlich der kompletten Elektronkette, ist die Schwergängigkeit eines NADH Moleküls zum Komplex I und die Spende von zwei Elektronen. Die Elektronen gehen in Komplex I über eine prothetische Gruppe ein, die dem Komplex, flavin mononucleotide (FMN) beigefügt ist. Die Hinzufügung von Elektronen zu FMN wandelt es zu seiner reduzierten Form, FMNH um. Die Elektronen werden dann durch eine Reihe von Eisenschwefel-Trauben übertragen: Die zweite Art der prothetischen Gruppe präsentiert im Komplex. Es gibt sowohl [2Fe-2S] als auch [4Fe-4S] Eisenschwefel-Trauben im Komplex I.

Da die Elektronen diesen Komplex durchführen, werden vier Protone von der Matrix in den Zwischenmembranenraum gepumpt. Genau, wie das vorkommt, ist unklar, aber es scheint, Conformational-Änderungen im Komplex I einzuschließen, die das Protein veranlassen, Protone auf der N-Seite der Membran zu binden und sie auf der P-Seite der Membran zu veröffentlichen. Schließlich werden die Elektronen von der Kette von Eisenschwefel-Trauben zu einem ubiquinone Molekül in der Membran übertragen. Die Verminderung von ubiquinone trägt auch zur Generation eines Protonenanstiegs bei, weil zwei Protone von der Matrix aufgenommen werden, weil es auf ubiquinol (QH) reduziert wird.

Succinate-Q oxidoreductase (Komplex II)

Succinate-Q oxidoreductase, auch bekannt als Komplex II oder succinate dehydrogenase, ist ein zweiter Zugang-Punkt zur Elektrontransportkette. Es ist ungewöhnlich, weil es das einzige Enzym ist, das Teil sowohl des sauren Zitronenzyklus als auch der Elektrontransportkette ist. Komplex II besteht aus vier Protein-Subeinheiten und enthält bestimmtes Flavin-Adenin dinucleotide (FAD) cofactor, Eisenschwefel-Trauben und eine heme Gruppe, die an der Elektronübertragung auf coenzyme Q nicht teilnimmt, aber wird geglaubt, in der abnehmenden Produktion der reaktiven Sauerstoff-Arten wichtig zu sein. Es oxidiert succinate zu fumarate und reduziert ubiquinone. Da diese Reaktion weniger Energie veröffentlicht als die Oxydation von NADH, transportiert Komplex II Protone über die Membran nicht und trägt zum Protonenanstieg nicht bei.

In einem eukaryotes, wie der parasitische Wurm Ascaris suum, ein Enzym, das dem Komplex II, fumarate reductase (menaquinol:fumarate ähnlich

oxidoreductase oder QFR), funktioniert rückwärts, um ubiquinol zu oxidieren und fumarate zu reduzieren. Das erlaubt dem Wurm, in der anaerobic Umgebung des Dickdarms zu überleben, anaerobic oxidative phosphorylation mit fumarate als der Elektronenakzeptor ausführend. Eine andere unkonventionelle Funktion des Komplexes II wird im Sumpffieber Parasit Plasmodium falciparum gesehen. Hier ist die umgekehrte Handlung des Komplexes II als ein oxidase im Erneuern ubiquinol wichtig, den der Parasit in einer ungewöhnlichen Form der pyrimidine Biosynthese verwendet.

Elektronübertragung flavoprotein-Q oxidoreductase

Elektronübertragung flavoprotein-ubiquinone oxidoreductase (ETF-Q oxidoreductase), auch bekannt als Elektron, das dehydrogenase-flavoprotein überwechselt, ist ein dritter Zugang-Punkt zur Elektrontransportkette. Es ist ein Enzym, das Elektronen vom Elektronübertragen flavoprotein in der mitochondrial Matrix akzeptiert, und diese Elektronen verwendet, um ubiquinone zu reduzieren. Dieses Enzym enthält einen flavin und eine [4Fe-4S] Traube, aber, verschieden von den anderen Atmungskomplexen, haftet es der Oberfläche der Membran an und durchquert den lipid bilayer nicht.

In Säugetieren ist dieser metabolische Pfad in der Beta-Oxydation von Fettsäuren und dem Katabolismus von Aminosäuren und choline wichtig, weil es Elektronen von vielfachem Acetyl-CoA dehydrogenases akzeptiert. In Werken ETF-Q ist oxidoreductase auch in den metabolischen Antworten wichtig, die Überleben in verlängerten Perioden der Dunkelheit erlauben.

Q-cytochrome c oxidoreductase (Komplex III)

Q-cytochrome c oxidoreductase ist auch bekannt als cytochrome c reductase, cytochrome bc Komplex oder einfach Komplex III. In Säugetieren ist dieses Enzym ein dimer mit jedem Subeinheitskomplex, der 11 Protein-Subeinheiten, eine [2Fe-2S] Eisenschwefel-Traube und drei cytochromes enthält: ein cytochrome c und zwei b cytochromes. Ein cytochrome ist eine Art elektronübertragendes Protein, das mindestens eine heme Gruppe enthält. Die Eisenatome innerhalb des heme Gruppenstellvertreters des komplizierten III zwischen einem reduzierten Eisen-(+2) und oxidiert Eisen-(+3) Staat als die Elektronen werden durch das Protein übertragen.

Die Reaktion, die durch den Komplex III katalysiert ist, ist die Oxydation eines Moleküls von ubiquinol und der Verminderung von zwei Molekülen von cytochrome c, ein heme mit dem mitochondrion lose vereinigtes Protein. Verschieden von coenzyme Q, der zwei Elektronen, cytochrome trägt, trägt c nur ein Elektron.

Da nur ein der Elektronen vom QH Spender einem cytochrome c Annehmer auf einmal übertragen werden können, ist der Reaktionsmechanismus des Komplexes III mehr wohl durchdacht als diejenigen der anderen Atmungskomplexe, und kommt in zwei Schritten genannt den Q Zyklus vor. Im ersten Schritt bindet das Enzym drei Substrate, erstens, QH, der dann mit einem Elektron oxidiert wird, das zum zweiten Substrat, cytochrome c wird passiert. Die zwei von QH veröffentlichten Protone gehen in den Zwischenmembranenraum. Das dritte Substrat ist Q, der das zweite Elektron vom QH akzeptiert und auf Q reduziert wird, der der ubisemiquinone freie Radikale ist. Die ersten zwei Substrate werden veröffentlicht, aber dieses ubisemiquinone Zwischenglied bleibt bestimmt. Im zweiten Schritt wird ein zweites Molekül von QH gebunden und passiert wieder sein erstes Elektron zu einem cytochrome c Annehmer. Das zweite Elektron wird zum bestimmten ubisemiquinone passiert, es auf QH reduzierend, weil es zwei Protone von der mitochondrial Matrix gewinnt. Dieser QH wird dann vom Enzym veröffentlicht.

Als coenzyme wird Q auf ubiquinol auf der inneren Seite der Membran reduziert und zu ubiquinone auf dem anderen oxidiert, eine Nettoübertragung von Protonen über die Membran kommt vor, zum Protonenanstieg beitragend. Der ziemlich komplizierte Zweipunktmechanismus, bei dem das vorkommt, ist wichtig, weil er die Leistungsfähigkeit der Protonenübertragung vergrößert. Wenn, statt des Q Zyklus, ein Molekül von QH verwendet würde, um zwei Moleküle von cytochrome c direkt zu reduzieren, würde die Leistungsfähigkeit mit nur einem Proton halbiert, das pro cytochrome c übertragen ist, reduziert.

Cytochrome c oxidase (Komplex IV)

Cytochrome c oxidase, auch bekannt als Komplex IV, sind der Endprotein-Komplex in der Elektrontransportkette. Das Säugetierenzym hat eine äußerst komplizierte Struktur und enthält 13 Subeinheiten, zwei heme Gruppen, sowie vielfaches Metallion cofactors - in allen drei Atomen von Kupfer, einem von Magnesium und einem von Zink.

Dieses Enzym vermittelt die Endreaktion in der Elektrontransportkette und überträgt Elektronen Sauerstoff, während es Protone über die Membran pumpt. Der Endelektronenakzeptor-Sauerstoff, der auch den Endelektronenakzeptor genannt wird, wird auf Wasser in diesem Schritt reduziert. Sowohl das direkte Pumpen von Protonen als auch der Verbrauch von Matrixprotonen in der Verminderung von Sauerstoff tragen zum Protonenanstieg bei. Die Reaktion hat katalysiert ist die Oxydation von cytochrome c und der Verminderung von Sauerstoff:

Alternative reductases und oxidases

Viele eukaryotic Organismen haben Elektrontransportketten, die sich von den viel-studierten Säugetierenzymen unterscheiden, die oben beschrieben sind. Zum Beispiel haben Werke Alternative NADH oxidases, die NADH im cytosol aber nicht in der mitochondrial Matrix oxidieren, und diese Elektronen zur Ubiquinone-Lache passieren. Diese Enzyme transportieren Protone nicht, und reduzieren deshalb ubiquinone, ohne den elektrochemischen Anstieg über die innere Membran zu verändern.

Ein anderes Beispiel einer auseinander gehenden Elektrontransportkette ist die Alternative oxidase, der in Werken, sowie einigen Fungi, protists, und vielleicht einigen Tieren gefunden wird. Dieses Enzym überträgt Elektronen direkt von ubiquinol bis Sauerstoff.

Die Elektrontransportpfade, die durch diese alternativer NADH und ubiquinone oxidases erzeugt sind, haben tiefer ATP Erträge als der volle Pfad. Die durch einen verkürzten Pfad erzeugten Vorteile sind nicht völlig klar. Jedoch wird die Alternative oxidase als Antwort auf Betonungen wie kalte, reaktive Sauerstoff-Arten, und Infektion durch pathogens, sowie andere Faktoren erzeugt, die die volle Elektrontransportkette hemmen. Alternative Pfade könnten deshalb einen Widerstand von Organismen gegen Verletzung, durch das Reduzieren oxidative der Betonung erhöhen.

Organisation von Komplexen

Das ursprüngliche Modell dafür, wie die Atmungskettenkomplexe organisiert werden, war, dass sie sich frei und unabhängig in der mitochondrial Membran verbreiten. Jedoch weisen neue Daten darauf hin, dass die Komplexe höherwertige Strukturen genannt Superkomplexe oder "respirasomes" bilden könnten. In diesem Modell bestehen die verschiedenen Komplexe als organisierte Sätze von aufeinander wirkenden Enzymen. Diese Vereinigungen könnten erlauben, Substrate zwischen den verschiedenen Enzym-Komplexen zu leiten, die Rate und Leistungsfähigkeit der Elektronübertragung vergrößernd. Innerhalb solcher Säugetiersuperkomplexe würden einige Bestandteile in höheren Beträgen da sein als andere mit einigen Daten, die ein Verhältnis zwischen Komplexen I/II/III/IV und der ATP synthase ungefähr 1:1:3:7:4 andeuten. Jedoch wird die Debatte über diese superkomplizierte Hypothese nicht völlig aufgelöst, weil einige Daten nicht scheinen, mit diesem Modell auszurüsten.

Elektron von Prokaryotic transportiert Ketten

Im Gegensatz zur allgemeinen Ähnlichkeit in der Struktur und Funktion der Elektrontransportketten in eukaryotes besitzen Bakterien und archaea eine große Vielfalt von Elektronübertragungsenzymen. Diese verwenden einen ebenso breiten Satz von Chemikalien als Substrate. Genau wie eukaryotes, prokaryotic Elektrontransport verwendet die von der Oxydation eines Substrats veröffentlichte Energie, um Ionen über eine Membran zu pumpen und einen elektrochemischen Anstieg zu erzeugen. In den Bakterien, oxidative phosphorylation in Escherichia coli wird im grössten Teil des Details verstanden, während archaeal Systeme zurzeit schlecht verstanden werden.

Der Hauptunterschied zwischen eukaryotic und prokaryotic oxidative phosphorylation ist, dass Bakterien und archaea viele verschiedene Substanzen verwenden, um Elektronen zu schenken oder zu akzeptieren. Das erlaubt prokaryotes, unter einem großen Angebot an Umweltbedingungen zu wachsen. In E. coli, zum Beispiel, oxidative kann phosphorylation durch eine Vielzahl von Paaren von abnehmenden Agenten und Oxidieren-Agenten gesteuert werden, die unten verzeichnet werden. Das Mittelpunkt-Potenzial einer Chemikalie misst, wie viel Energie veröffentlicht wird, wenn es oxidiert oder mit abnehmenden Agenten reduziert wird, die negative Potenziale haben und Agenten positive Potenziale oxidieren.

So gezeigt oben E. kann coli mit abnehmenden Agenten wachsen wie formate, Wasserstoff, oder als Elektronendonatoren, und Nitrat, DMSO oder Sauerstoff als Annehmer Milch absondern. Je größer der Unterschied im Mittelpunkt-Potenzial zwischen einem Oxidieren und dem Reduzieren von Reagenz, desto mehr Energie veröffentlicht wird, wenn sie reagieren. Aus diesen Zusammensetzungen ist das succinate/fumarate Paar ungewöhnlich, weil sein Mittelpunkt-Potenzial Null nah ist. Succinate kann deshalb zu fumarate oxidiert werden, wenn ein starkes Oxidieren-Reagenz wie Sauerstoff verfügbar ist, oder fumarate auf succinate das Verwenden eines starken abnehmenden Agenten wie formate reduziert werden kann. Diese alternativen Reaktionen werden durch succinate dehydrogenase und fumarate reductase beziehungsweise katalysiert.

Einige prokaryotes verwenden redox Paare, die nur einen kleinen Unterschied im Mittelpunkt-Potenzial haben. Zum Beispiel, nitrifying Bakterien wie Nitrobacter oxidieren nitrite zum Nitrat, die Elektronen Sauerstoff schenkend. Der kleine Betrag der in dieser Reaktion veröffentlichten Energie ist genug, um Protone zu pumpen und ATP zu erzeugen, aber nicht genug NADH oder NADPH direkt für den Gebrauch in anabolism zu erzeugen. Dieses Problem wird behoben, indem es einen nitrite oxidoreductase verwendet wird, um genug Protonenmotiv-Kraft zu erzeugen, um einen Teil der Elektrontransportkette rückwärts zu führen, Komplex I veranlassend, NADH zu erzeugen.

Prokaryotes kontrollieren ihren Gebrauch dieser Elektronendonatoren und Annehmer durch das Verändern, welche Enzyme als Antwort auf Umweltbedingungen erzeugt werden. Diese Flexibilität ist möglich, weil verschiedener oxidases und reductases dieselbe Ubiquinone-Lache verwenden. Das erlaubt vielen Kombinationen von Enzymen, zusammen, verbunden durch das allgemeine ubiquinol Zwischenglied zu fungieren. Diese Atmungsketten haben deshalb ein Moduldesign mit leicht austauschbaren Sätzen von Enzym-Systemen.

Zusätzlich zu dieser metabolischen Ungleichheit, prokaryotes besitzen auch eine Reihe von isozymes - verschiedene Enzyme, die dieselbe Reaktion katalysieren. Zum Beispiel, in E. coli, gibt es zwei verschiedene Typen von ubiquinol oxidase das Verwenden von Sauerstoff als ein Elektronenakzeptor. Unter hoch aerobic Bedingungen verwendet die Zelle einen oxidase mit einer niedrigen Sympathie für Sauerstoff, der zwei Protone pro Elektron transportieren kann. Jedoch, wenn Niveaus des Sauerstoff-Falls, sie auf einen oxidase umschalten, der nur ein Proton pro Elektron überträgt, aber eine hohe Sympathie für Sauerstoff hat.

ATP synthase (Komplex V)

ATP synthase, auch genannt Komplex V, ist das Endenzym im oxidative phosphorylation Pfad. Dieses Enzym wird in allen Formen des Lebens gefunden und fungiert ebenso sowohl in prokaryotes als auch in eukaryotes. Das Enzym verwendet die Energie, die in einem Protonenanstieg über eine Membran versorgt ist, um die Synthese von ATP von ADP und Phosphat (P) zu vertreiben. Schätzungen der Zahl von Protonen, die erforderlich sind, einen ATP zu synthetisieren, haben sich von drei bis vier, mit etwas Vorschlagen erstreckt Zellen können dieses Verhältnis ändern, um verschiedenen Bedingungen anzupassen.

Diese phosphorylation Reaktion ist ein Gleichgewicht, das durch das Ändern der Protonenmotiv-Kraft ausgewechselt werden kann. Ohne eine Protonenmotiv-Kraft wird der ATP synthase Reaktion vom Recht bis linken, hydrolyzing ATP und pumpende Protone aus der Matrix über die Membran laufen. Jedoch, wenn die Protonenmotiv-Kraft hoch ist, wird die Reaktion gezwungen, in der entgegengesetzten Richtung zu laufen; es geht verlassen zum Recht aus, Protonen erlaubend, unten ihren Konzentrationsanstieg zu überfluten und ADP in ATP verwandelnd. Tatsächlich, im nah zusammenhängenden vacuolar Typ H +-ATPases, wird dieselbe Reaktion verwendet, um Zellabteilungen, durch das Pumpen von Protonen und hydrolysing ATP anzusäuern.

ATP synthase ist ein massiver Protein-Komplex mit einer pilzähnlichen Gestalt. Der Säugetierenzym-Komplex enthält 16 Subeinheiten und hat eine Masse von etwa 600 kilodaltons. Der innerhalb der Membran eingebettete Teil wird F genannt und enthält einen Ring von c Subeinheiten und dem Protonenkanal. Der Stiel und das Oberteil in der Form von des Balls werden F genannt und sind die Seite der ATP Synthese. Der Komplex in der Form von des Balls am Ende des F Teils enthält sechs Proteine von zwei verschiedenen Arten (drei α Subeinheiten und drei β Subeinheiten), wohingegen der "Stiel" aus einem Protein besteht: Die γ Subeinheit, mit dem Tipp des Stiels, der sich in den Ball von α und β Subeinheiten ausstreckt. Sowohl der α als auch die β Subeinheiten binden nucleotides, aber nur die β Subeinheiten katalysieren die ATP Synthese-Reaktion. Das Erreichen entlang der Seite des F Teils und zurück in die Membran ist eine lange einer Stange ähnliche Subeinheit, die den α und die β Subeinheiten in die Basis des Enzyms verankert.

Da Protone die Membran durch den Kanal in der Basis von ATP synthase, der F durchqueren, den protonengesteuerter Motor rotieren lässt. Folge könnte durch Änderungen in der Ionisation von Aminosäuren im Ring von c Subeinheiten verursacht werden, die elektrostatische Wechselwirkungen verursachen, die den Ring von c Subeinheiten vorbei am Protonenkanal antreiben. Dieser rotierende Ring steuert der Reihe nach die Folge der Hauptachse (der γ Subeinheitsstiel) innerhalb des α und der β Subeinheiten. Der α und die β Subeinheiten werden gehindert, sich durch den Seitenarm zu rotieren, der als ein Stator handelt. Diese Bewegung des Tipps der γ Subeinheit innerhalb des Balls von α und β Subeinheiten stellt die Energie für die aktiven Seiten in den β Subeinheiten zur Verfügung, um einen Zyklus von Bewegungen zu erleben, der erzeugt und dann ATP veröffentlicht.

Diese ATP Synthese-Reaktion wird den verbindlichen Änderungsmechanismus genannt und ist mit der aktiven Seite einer β Subeinheit verbunden, die zwischen drei Staaten Rad fährt. Im "offenen" Staat gehen ADP und Phosphat in die aktive Seite (gezeigt im Braun im Diagramm) ein. Das Protein schließt sich dann um die Moleküle und bindet sie lose - der "lose" Staat (gezeigt im Rot). Das Enzym ändert dann Gestalt wieder und zwingt diese Moleküle zusammen, mit der aktiven Seite im resultierenden "dichten" Staat (gezeigt im Rosa) Schwergängigkeit des kürzlich erzeugten ATP Moleküls mit der sehr hohen Sympathie. Schließlich, die aktiven Seite-Zyklen zurück zum offenen Staat, ATP veröffentlichend und mehr ADP und Phosphat bindend, das zum folgenden Zyklus bereit ist.

In einigen Bakterien und archaea wird ATP Synthese durch die Bewegung von Natriumsionen durch die Zellmembran, aber nicht die Bewegung von Protonen gesteuert. Archaea wie Methanococcus enthalten auch den AA synthase, eine Form des Enzyms, das zusätzliche Proteine mit wenig Ähnlichkeit in der Folge zu anderem bakteriellem und eukaryotic ATP synthase Subeinheiten enthält. Es ist möglich, dass, in einigen Arten, die AA-Form des Enzyms ein spezialisierter natriumsgesteuerter ATP synthase ist, aber das könnte in allen Fällen nicht wahr sein.

Reaktive Sauerstoff-Arten

Molekularer Sauerstoff ist ein idealer Endelektronenakzeptor, weil es ein starker Oxidieren-Agent ist. Die Verminderung von Sauerstoff schließt wirklich potenziell schädliche Zwischenglieder ein. Obwohl die Übertragung von vier Elektronen und vier Protonen Sauerstoff auf Wasser reduziert, das harmlos ist, erzeugt die Übertragung von einem oder zwei Elektronen Superoxyd- oder Peroxyd-Anionen, die gefährlich reaktiv sind.

Diese reaktiven Sauerstoff-Arten und ihre Reaktionsprodukte, wie der hydroxyl Radikale, sind für Zellen sehr schädlich, weil sie Proteine oxidieren und Veränderungen in der DNA verursachen. Dieser Zellschaden könnte zu Krankheit beitragen und wird als eine Ursache des Alterns vorgeschlagen.

Der cytochrome c oxidase Komplex ist an abnehmendem Sauerstoff zu Wasser hoch effizient, und es veröffentlicht sehr wenige teilweise reduzierte Zwischenglieder; jedoch werden kleine Beträge des Superoxydanions und Peroxyds durch die Elektrontransportkette erzeugt. Besonders wichtig ist die Verminderung von coenzyme Q im Komplex III, weil ein hoch reaktiver ubisemiquinone freier Radikaler als ein Zwischenglied im Q Zyklus gebildet wird. Diese nicht stabile Art kann zu Elektron"Leckage" führen, wenn Elektronen direkt zu Sauerstoff überwechseln, Superoxyd bildend. Da die Produktion der reaktiven Sauerstoff-Arten durch diese protonenpumpenden Komplexe an hohen Membranenpotenzialen am größten ist, ist es vorgeschlagen worden, dass mitochondria ihre Tätigkeit regeln, um das Membranenpotenzial innerhalb einer schmalen Reihe aufrechtzuerhalten, die ATP Produktion gegen die oxidant Generation erwägt. Zum Beispiel kann oxidants ausschaltende Proteine aktivieren, die Membranenpotenzial reduzieren.

Um diesen reaktiven Sauerstoff-Arten entgegenzuwirken, enthalten Zellen zahlreiche Antioxidationsmittel-Systeme, einschließlich Antioxidationsmittel-Vitamine wie Vitamin C und Vitamin E und Antioxidationsmittel-Enzyme wie Superoxyd dismutase, catalase, und peroxidases, die die reaktiven Arten entgiften, Schaden an der Zelle beschränkend.

Hemmstoffe

Es gibt mehrere wohl bekannte Rauschgifte und Toxine diese Hemmung oxidative phosphorylation. Obwohl irgendwelche dieser Toxine nur ein Enzym in der Elektrontransportkette hemmen, wird die Hemmung jedes Schritts in diesem Prozess den Rest des Prozesses halten. Zum Beispiel, wenn oligomycin ATP synthase hemmt, können Protone nicht zurück in den mitochondrion gehen. Infolgedessen sind die Protonenpumpen unfähig zu funktionieren, weil der Anstieg zu stark für sie wird, um zu siegen. NADH wird dann nicht mehr oxidiert, und der saure Zitronenzyklus hört auf zu funktionieren, weil die Konzentration von NAD unter der Konzentration fällt, die diese Enzyme verwenden können.

Nicht alle Hemmstoffe von oxidative phosphorylation sind Toxine. Im braunen fetthaltigen Gewebe können geregelte Protonenkanäle genannt das Ausschalten von Proteinen Atmung von der ATP Synthese ausschalten. Diese schnelle Atmung erzeugt Hitze, und ist als eine Weise besonders wichtig, Körpertemperatur für überwinternde Tiere aufrechtzuerhalten, obwohl diese Proteine auch eine allgemeinere Funktion in den Antworten von Zellen auf Betonung haben können.

Geschichte

Das Feld von oxidative phosphorylation hat mit dem Bericht 1906 von Arthur Harden einer Lebensrolle für Phosphat in der Zellgärung begonnen, aber, wie man bekannt, wurden am Anfang nur Zuckerphosphate beteiligt. Jedoch, am Anfang der 1940er Jahre, der Verbindung zwischen der Oxydation von Zucker und der Generation von ATP wurde von Herman Kalckar fest gegründet, die Hauptrolle von ATP in der Energieübertragung bestätigend, die von Fritz Albert Lipmann 1941 vorgeschlagen worden war. Später, 1949, haben Morris Friedkin und Albert L. Lehninger bewiesen, dass der coenzyme NADH metabolische Pfade wie der saure Zitronenzyklus und die Synthese von ATP verbunden hat.

Seit weiteren zwanzig Jahren ist der Mechanismus, durch den ATP erzeugt wird, mysteriös mit Wissenschaftlern geblieben, die nach einem schwer erfassbaren "energiereichen Zwischenglied" suchen, das Oxydation und phosphorylation Reaktionen verbinden würde. Dieses Rätsel wurde von Peter D. Mitchell mit der Veröffentlichung der chemiosmotic Theorie 1961 gelöst. Zuerst war dieser Vorschlag hoch umstritten, aber er wurde langsam akzeptiert, und Mitchell wurde einem Nobelpreis 1978 zuerkannt. Nachfolgende Forschung hat sich auf das Reinigen und Charakterisieren der Enzyme beteiligt mit Hauptbeiträgen konzentriert, die durch David E. Green auf den Komplexen der Elektrontransportkette, sowie Efraim Racker auf dem ATP synthase machen werden. Ein kritischer Schritt zum Lösen des Mechanismus des ATP synthase wurde von Paul D. Boyer, durch seine Entwicklung 1973 der "verbindlichen Änderung" Mechanismus zur Verfügung gestellt, der von seinem radikalen Vorschlag der Rotationskatalyse 1982 gefolgt ist. Neuere Arbeit hat Strukturstudien auf den Enzymen eingeschlossen, die an oxidative phosphorylation durch John E. Walker, mit Walker und Boyer beteiligt sind, der einem Nobelpreis 1997 wird zuerkennt.

Siehe auch

• TIM/TOM Komplex
• Respirometry

Weiterführende Literatur

Einleitender

Fortgeschrittener

Links

Allgemeine Mittel

• Belebte Diagramme, die oxidative phosphorylation Konzepte von Wiley and Co in der Biochemie illustrieren
• ATP synthase - der Rotationskolbenmotor in der Zellschriftsatz-Einführung, einschließlich Videos von Mikroskop-Images des Enzym-Drehens, am Institut von Tokio für die Technologie
• Online-Biophysik hält Antony Crofts, Universität Illinois an Urbana-Champaign Vorlesungen

Strukturmittel

• Zeichentrickfilme des ATP synthase Hongyun Wang und George Oster, Universität Kaliforniens, Berkeley
• PDB Molekül des Monats:
• ATP synthase
• Cytochrome c
• Cytochrome c oxidase
• Interaktive molekulare Modelle an Universidade Fernando Pessoa:
• NADH dehydrogenase
• succinate dehydrogenase
• Coenzyme Q - cytochrome c reductase
• cytochrome c oxidase