FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA

Proces syntezy ATP zachodzący w wyniku przeniesienia elektronów z NADH lub

FADH2 na tlen przez szereg przenośników elektronów nazywamy fosforylacją oksydacyjną.
Przepływ elektronów z NADH i FADH2 na tlen przez kompleksy białkowe umiejscowione w
wewnętrznej błonie mitochondriów powoduje wypompowanie protonów z matriks
mitochondrialnej. Wytworzona siła protonomotoryczna składa się z gradientu pH i
transbłonowego potencjału elektrycznego. Synteza ATP zachodzi na skutek przepływu
protonów przez kompleks enzymatyczny z powrotem do matrix.

Utlenianie jednostek węglowych w cyklu kwasu cytrynowego daje elektrony o wysokim
potencjale przenoszenia. Następnie siła elektromotoryczna zostaje przekształcona w siłę
protonomotoryczną potem zostaje przekształcona w potencjał przenoszeniu fosforanów.
Przekształcenie siły elektromotorycznej w siłę protonomotoryczną zachodzi z udziałem trzech
pomp protonowych napędzanych elektronami: oksydoreduktaza NADH-Q, oksydoreduktaza
Q- cytochrom c i oksydazy cytochromu c. w skład tych wielkich kompleksów transbłonowych
wchodzą złożone centra oksydoredukcyjne zawierające chinony, flawiny, centra żelazo –
siarkowe, hemy i jony miedzi. W końcowej fazie uczestniczy syntaza ATP.

Elektrony z NADH wprowadzone są do łańcucha oddechowego na poziomie
oksydoreduktazy NADH – Q. Oksydoreduktaza ma kształt litery L, jej ramię poziome leży w
błonie, a ramię pionowe skierowane jest do matriks. Pierwszym etapem jest związanie NADH
i przeniesienie jego dwóch elektronów o wysokim potencjale na grupę prostetyczną FMN,
który przechodzi w formę zredukowaną FMNH2. Flawiny i chinony wiążą protony gdy
ulegają redukcji. FMN może też przyjmować jeden elektron zamiast dwóch, tworząc
pośrednią formę rodnika semichinonowego. Akceptorem elektronów w FMN jest pierścień
izoalloksazynowy. Elektrony z FMNH2 zostają następnie przekazane na szereg centrów
żelazo – siarkowych stanowiących drugi typ grup prostetycznych oksydoreduktazy NADH-Q.

Elektrony z centrów żelazo – siarkowych oksydoreduktazy NADH-Q są następnie
przekazywane na koenzym Q. Przejście dwóch elektronów z NADH do koenzymu Q za
pośrednictwem oksydoreduktazy NADH-Q powoduje wypompowanie czterech jonów
wodorowych z matriks mitochondrialnej. Elektrony te przechodzą wewnątrz ramienia
pionowo przez trzy centra 4Fe-4S, a następnie przez Q związany z białkiem. Redukcja Q do
QH2 powoduje pobranie dwóch protonów z matriks. Para elektronów przechodzi z QH2
związanego z białkiem do centrum 2Fe-2S, a protony uwalniane są po stronie cytozolowej.
Następnie elektrony te zostają przeniesione do ruchomej puli Q czyli cząsteczek znajdujących

się w hydrofobowym rdzeniu błony co powoduje pobranie dwóch dodatkowych protonów z
matriks.

Dehydrogenaza bursztynianowa, enzym cyklu kwasu cytrynowego który tworzy FADH2
podczas utleniania bursztynianu do fumaranu stanowi część kompleksu reduktazy
bursztynianQ. Kompleks ten jest integralną częścią wewnętrznej błony mitochondrialnej.
FADH2 nie opuszcza kompleksu II. Jego elektrony przenoszone są przez centra Fe-S, a
następnie na Q który przekazuje je dalej. Kompleks reduktaza bursztynian-Q oraz pozostałe
enzymy przenoszące elektrony z FADH2 na Q nie pompują protonów.
Drugą z trzech pomp protonowych jest oksydoreduktaza Q cytochrom c. Cytochrom jest
białkiem transportującym elektrony, które zawiera hem jako grupę prostetyczną. Podczas
transportu elektronów jon żelaza cytochromu przechodzi ze stanu zredukowanego do stanu
utlenionego +3. Funkcją oksydoreduktazy Q-cytochrom c jest katalizowanie przeniesienia
elektronów z QH2 do utlenionego cytochromu c, białka rozpuszczalnego w wodzie, oraz
równoczesne wypompowanie protonów z matriks mitochondrialnej.
Oksydoreduktaza Q cytochrom c jest dimerem a każdy jej monomer składa się z 11
podjednostek. Enzym ten zawiera trzy hemy wbudowane w dwie podjednostki w cytochromie
b znajdują się dwa hemy bL i bH, a w cytochromie c1 znajduje się jeden typ hem typu c.
Grupą prostetyczną cytochromów b, c i c1 jest żelazoporfiryna IX. Hemy cytochromów c i c1
są związane z białkiem kowalencyjnie. Są to wiązania tioestrowe, które powstają na skutek
połączenia grupy hydrosulfidowych dwóch reszt cysteinowych z grupami winylowymi hemu.
Poza cytochromami zawiera również białko żelazo – siarkowe 2Fe-2S, w którym wyjątkowo
jeden z jonów żelaza jest skoordynowany z dwiema resztami histydyny zamiast z dwoma
resztami cysteiny. Oksydoreduktaza Q cytochrom c ma dwa odrębne miejsca wiązania
ubichinonu.

Mechanizm sprzęgający przeniesienie elektronów z Q do cytochromu c z transportem
protonów przez błonę określa się mianem cyklu Q. cykl Q ułatwia elektronom przejście z
ubichinolu czyli nośnika dwuelektronowego do nośnika jednoelektronowego jakim jest
cytochrom c. Cykl rozpoczyna się od związania ubichinolu z miejscem Qo. Ubichinol
przenosi elektrony pojedynczo.
Pierwszy z nich przechodzi najpierw do centrum Fe – S następnie do cytochromu c1 i w
końcu do cząsteczki utlenionego cytochromu c, który przekształca się w formę zredukowaną.
Cząsteczka zredukowanego cytochromu c swobodnie odłącza się od enzymu.

Drugi eletkron przechodzi najpierw do cytochromu bL następnie do cytochromu bH i
wreszcie do utlenionego ubichinonu związanego w miejscu Qi. Ta cząsteczka chinonu ulega
redukcji do anionu semichinowego. Gdy QH2 zostaje w miejscu Qo utleniony do Q protony
są uwalniane po cytozolowej stronie błony. Natomiast cząsteczka Q swobodnie opuszcza
miejsce Qo. Na tym etapie anion Q zatrzymuje się w miejscu Qi. Druga cząsteczka QH2
wiąże się z miejscem Qo i działa w taki sam sposób jak pierwsza. Jeden z jej elektronów
przenoszony jest przez centrum Fe-S i cytochrom c1 będzie redukować drugą cząsteczkę
cytochromu c. natomiast drugi elektron przechodzi przez cytochromy bL i bH do anionu
związanego w miejscu Qi. Utworzony po przyjęciu tego elektronu rodnik anionowy pobiera
dwa protony z matriks żeby mógł powstać QH2. Usunięcie tych dwóch protonów z matriks
przyczynia się do tworzenia gradientu protonowego.

W ostatniej fazie łańcucha oddechowego transport elektronów zachodzi utlenianie
cytochromu c, zredukowanego na skutek działanie kompleksu III, sprzężone z redukcją tlenu
do dwóch cząsteczek wody. Tę reakcję katalizuje oksydaza cytochromu c (kompleks IV).
Czteroelektronowa redukcja tlenu bezpośrednio do wody bez uwalniania intermediatów nie
jest bezpieczna, jednakże termodynamicznie reakcja te jest korzystna. Oksydaza cytochromu
c zawiera dwa hemy A i trzy jony miedzi rozmieszczone w dwóch centrach miedziowych.
Hem A różni się od hemu cytochromu c i c1 trzema cechami

1. Grupa formylowa zastępuje grupę metylową
2. Łańcuch węglowodorowy zastępuje jedną z grup winylowych
3. Hem nie jest związany z białkiem kowalencyjnie

Dwie cząsteczki hemu A (hem a i hem a3) mają odmienne właściwości. Hem a przenosi
elektrony z CuA/CuA, natomiast hem a3 przekazuje elektrony do CuB. Hem a3 i CuB tworzą
razem centrum aktywne w którym tlen zostaje zredukowany do wody.

Cykl katalityczny rozpoczyna się kiedy enzym jest w stanie całkowicie utlenionym. Jedna
cząsteczka zredukowanego cytochromu c przekazuje elektron najpierw do CuA/CuA. Stąd
elektron przemieszcza się do hemu a, następnie do hemu a3 i wreszcie do CuB, gdzie
utlenioną formę Cu2+ redukuje do Cu+.
Druga cząsteczka cytochromu c wprowadza drugi elektron tą samą drogą ale zatrzymuje się
bezpośrednio przy hem a3 który ulega redukcji do formy Fe2+. Bliskość CuB w postaci
zredukowanej i kompleksu hem a3 tlen pozwala zredukować do nadtlenku który tworzy
mostek między Fe3+ hemu a3 a CuB2+. Dodanie trzeciego elektronu z cytochromu c a także
protonu powoduje zerwanie wiązania O – O i powstanie grupy ferrylowej w hemie a3 oraz
CuB2+ - OH. Dołączenie ostatniego elektronu z cytochromu c i drugiego protonu redukuje
grupę ferrylową.
Cztery protony uczestniczące w reakcji pochodzą wyłącznie z matriks. Oksydaza cytochromu
c rozwijała w toku ewolucji zdolność do pompowania czterech dodatkowych protonów z
matriks na cytoplazmatyczną stronę błony podczas każdej reakcji cyklu tak aby całkowita
liczba usuniętych protonów z matriks wyniosła osiem.