Hoofdstuk IVstd.pdf

# Oxidatieve fosforylatie en de elektronentransportketen Oxidatieve fosforylatie is het proces waarbij de energie vrijgemaakt door de beweging van elektronen langs de elektronentransportketen wordt gebruikt om ATP te synthetiseren [7](#page=7). ### 1.1 Redoxreacties en reductiepotentialen #### 1.1.1 Principes van redoxreacties Redoxreacties omvatten de overdracht van elektronen (en soms protonen) van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans). De neiging van een atoom, ion of molecuul om elektronen op te nemen wordt weergegeven door de reductiepotentiaal (E) [2](#page=2). #### 1.1.2 Standaard reductiepotentiaal (E) en standaard redoxpotentiaal bij pH 7 (E₀') Het nulpunt voor de reductiepotentiaal is gedefinieerd bij pH 0, waar H⁺ + e⁻ ⇌ H, met een potentiaal van 0 V [2](#page=2). * Een negatieve reductiepotentiaal betekent dat de substantie een lagere affiniteit voor elektronen heeft dan H [2](#page=2). * Een positieve reductiepotentiaal betekent een hogere affiniteit voor elektronen dan H [2](#page=2). In biologische systemen wordt de standaard redoxpotentiaal bij pH 7 (E₀') gebruikt, waarbij \[H⁺\] = 10⁻⁷ M. De E₀'-waarde voor H⁺ + e⁻ → H bij pH 7 is -0,42 V. Dit betekent dat de E₀'-waarde van reacties met protonen 0,42 V lager is dan de E₀-waarde bij pH 0. Bijvoorbeeld, voor de reactie ½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O, is de E₀ = +1,23 V, maar bij pH 7 is de E₀' ≈ +0,82 V [3](#page=3). Elektronen bewegen spontaan naar substanties met een meer positieve reductiepotentiaal [2](#page=2). #### 1.1.3 Berekening van E₀' en G₀' Het verschil in reductiepotentiaal (E₀') van een redoxreactie is de som van de individuele reductiepotentialen [5](#page=5). Acceptor = oxidator. $$ \\Delta E\_0' = E\_0'(\\text{acceptor}) - E\_0'(\\text{donor}) $$ Een positieve E₀' correleert met een negatieve vrije energie verandering (G₀'). De relatie wordt gegeven door [6](#page=6): $$ \\Delta G^\\circ' = -n \\cdot F \\cdot \\Delta E\_0' $$ Hierbij is $n$ het aantal overgedragen elektronen en $F$ de Faraday constante (23,06 kcal·mol⁻¹·V⁻¹) [6](#page=6). * **Voorbeeld:** De reductie van pyruvaat tot lactaat door NADH [5](#page=5). * NAD⁺ + 2H⁺ + 2e⁻ → NADH + H⁺; E₀' = -0,32 V * Pyruvaat + 2H⁺ + 2e⁻ → Lactaat; E₀' = -0,19 V * Elektronen stromen van NADH/NAD⁺ naar pyruvaat/lactaat. * Pyruvaat + H⁺ + NADH → Lactaat + NAD⁺ * E₀' = -0,19 V - (-0,32 V) = +0,13 V [5](#page=5). * De energie die vrijkomt bij de oxidatie van NADH door O₂ is aanzienlijk: E₀' = +0,82 V - (-0,32 V) = +1,14 V [6](#page=6). * Dit resulteert in een vrije energie verandering van G' = -2 · 23,06 kcal·mol⁻¹·V⁻¹ · 1,14 V = -52,58 kcal·mol⁻¹ [6](#page=6). ### 1.2 Oxidatieve fosforylatie en de elektronentransportketen (ETK) #### 1.2.1 Rol en locatie De beweging van elektronen langs de elektronentransportketen (ETK) in het binnenste mitochondriale membraan maakt energie vrij die wordt omgezet in ATP. NADH en FADH₂ (gevormd tijdens glycolyse, Krebs-cyclus en β-oxidatie) leveren de elektronen. De netto energie die vrijkomt bij de volledige oxidatie van NADH door O₂ is ongeveer -52,6 kcal/mol [7](#page=7). #### 1.2.2 Componenten van de ETK De voornaamste componenten van de ETK zijn: * Flavine-gekoppelde dehydrogenasen [7](#page=7). * IJzer-zwavel (Fe-S) eiwitten [7](#page=7). * Cytochromen [7](#page=7). #### 1.2.3 Protonentranslocatie en ATP-synthese De overdracht van elektronen langs de ETK is gekoppeld aan de translocatie van protonen (H⁺) vanuit de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte. Dit creëert een transmembraanpotentiaal en een pH-gradiënt, gezamenlijk de elektrochemische protonengradiënt of protonendrijvende kracht genoemd. De terugstroming van protonen naar de matrix via ATP-synthase leidt tot ATP-synthese [23](#page=23) [24](#page=24) [7](#page=7). ### 1.3 De respiratoire keten: complexen en componenten De respiratoire keten bestaat uit meerdere grote eiwitcomplexen, met ubiquinon (Q) en cytochroom c (c) als mobiele electronendragers [8](#page=8). #### 1.3.1 Complex I: NADH-dehydrogenase complex * Dit complex is groot (~1 MDa) en bestaat uit ongeveer 40 polypeptideketens [9](#page=9). * Het transporteert twee elektronen en twee protonen van NADH/H⁺ naar FMN (flavinemononucleotide) [9](#page=9). * Het bevat ijzer-zwavelcentra (Fe-S), die elektronen overdragen via cysteïne residuen [9](#page=9). * NADH wordt geoxideerd, FMN wordt gereduceerd. * Reacties: * NADH + FMN + H⁺ ⇌ FMNH₂ + NAD⁺ * FMNH₂ + 2Fe³⁺–S ⇌ 2H⁺ + FMN + 2Fe²⁺–S * De energie die vrijkomt bij deze stap wordt gebruikt om protonen te pompen [10](#page=10). #### 1.3.2 Ubichinon (Co-enzym Q of CoQ) * Ubichinon is een lipofiele molecule die vrij kan diffunderen in het membraan [10](#page=10). * Het fungeert als een intermediaire elektronenacceptor en neemt elektronen op van Complex I (en Complex II) [10](#page=10) [11](#page=11). * Het transporteert elektronen naar Complex III (cytochroom reductase) [10](#page=10). * Tijdens de oxidatie van NADH, wordt CoQ gereduceerd tot CoQH₂ (ubichinol), waarbij protonen uit de matrix worden opgenomen [10](#page=10). * Reactie: 2Fe²⁺–S + CoQ + 2H⁺ ⇌ 2Fe³⁺–S + CoQH₂ * CoQ is ook de acceptor voor elektronen van FADH₂ via succinaat-dehydrogenase [11](#page=11). #### 1.3.3 Complex II: succinaat-dehydrogenase complex (niet direct hier beschreven, maar wel genoemd als leverancier aan CoQ) * Succinaat-dehydrogenase is een integraal onderdeel van de binnenste mitochondriale membraan en is direct verbonden met ubiquinon [34](#page=34). * Het oxideert succinaat tot fumarate en produceert FADH₂, wiens elektronen direct aan CoQ worden overgedragen [34](#page=34). #### 1.3.4 Complex III: b-c₁ cytochroom reductase complex * Dit complex bestaat uit ongeveer 11 polypeptideketens en heeft een moleculair gewicht van circa 500.000 Da per monomeer [11](#page=11). * Elk monomeer bevat drie cytochroom-haemgroepen en een ijzer-zwavel-eiwit [11](#page=11). * Het neemt elektronen over van CoQH₂ en draagt ze over aan cytochroom c [11](#page=11). * Reacties: * CoQH₂ + 2cyt b Fe³⁺ ⇌ CoQ + 2H⁺ + 2cyt b Fe²⁺ * 2cyt b Fe²⁺ + 2cyt c₁ Fe³⁺ ⇌ 2cyt b Fe³⁺ + 2cyt c₁ Fe²⁺ * Dit complex pompt ook protonen naar de intermembranaire ruimte [21](#page=21). #### 1.3.5 Cytochroom c * Cytochroom c is een mobiele drager met een covalente haemgroep [12](#page=12). * Het transporteert elektronen van Complex III naar Complex IV (cytochroom oxidase) [12](#page=12). * Reactie: 2cyt c₁ Fe²⁺ + 2cyt c Fe³⁺ ⇌ 2cyt c₁ Fe³⁺ + 2cyt c Fe²⁺ #### 1.3.6 Complex IV: a-a₃ cytochroom oxidase complex * Dit complex, ook bekend als cytochroom oxidase, bestaat uit 13 polypeptideketens en heeft een moleculair gewicht van 400.000 Da per dimeer [12](#page=12). * Elk monomeer bevat twee cytochromen (a en a₃) en twee koper (Cu) atomen [12](#page=12). * Het neemt elektronen over van cytochroom c en draagt ze uiteindelijk over aan zuurstof (O₂) [12](#page=12). * Reacties: * 2cyt c Fe²⁺ + 2cyt a Fe³⁺ ⇌ 2cyt c Fe³⁺ + 2cyt a Fe²⁺ * 2cyt a Fe²⁺ + 2cyt a₃ Fe³⁺ ⇌ 2cyt a Fe³⁺ + 2cyt a₃ Fe²⁺ * 2cyt a₃ Fe²⁺ + ½O₂ + 2H⁺ ⇌ 2cyt a₃ Fe³⁺ + H₂O * Dit complex is de plaats waar O₂ wordt gereduceerd tot water. Cyaniden en aziden remmen dit complex [12](#page=12). * Dit complex is ook een protonenpomp [21](#page=21). **1.3.7 inhibitoren** Rotenon en amytal inhiberen complex I. Antimycine A inhibeert complex II. Koolstofmonoxide, natriumazide en kaliumcyanide inhiberen complex III. ### 1.4 Electronenbronnen en hun impact op ATP-productie #### 1.4.1 Verschil tussen NADH en FADH₂ als elektronendonoren De ATP-opbrengst verschilt afhankelijk van de elektronendonor [34](#page=34). * **Mitochondriaal NADH:** Elektronen van mitochondriale NADH (afkomstig van pyruvaat, isocitraat, α-ketoglutaraat, malaat, β-hydroxybutyraat) treden binnen via Complex I. Dit leidt tot de activatie van alle drie de protonenpompen, wat resulteert in de productie van ongeveer 3 ATP per NADH [34](#page=34). * **FADH₂:** Elektronen van FADH₂ (geproduceerd door succinaat-dehydrogenase) en acyl-CoA komen binnen via ubiquinon (CoQ). Dit omzeilt Complex I, waardoor één protonenpomp minder wordt geactiveerd. Dit resulteert in de productie van ongeveer 2 ATP per FADH₂ [34](#page=34). #### 1.4.2 Cytoplasmatisch NADH * Cytoplasmatisch NADH kan de mitochondriale membraan niet direct passeren [35](#page=35). * Het moet via 'pendelsystemen' worden getransporteerd. * **Glycerol-3-fosfaat pendel:** Cytoplasmatisch NADH reduceert DHAP tot glycerol-3-fosfaat. Glycerol-3-fosfaat wordt geoxideerd door een membraan-gebonden flavoproteïne die de elektronen aan ubiquinon overdraagt. Dit systeem kan werken tegen een NADH-concentratiegradiënt in en leidt tot de productie van ongeveer 2 ATP uit cytoplasmatisch NADH [35](#page=35). * **Malaat-aspartaat pendel (in hart en lever):** Cytoplasmatisch NADH wordt gebruikt om oxaalacetaat te reduceren tot malaat. Malaat transporteert de elektronen naar de mitochondriale matrix via een malaat-transporter, waar het oxaalacetaat weer regenereert en mitochondriale NADH vormt. Dit mitochondriale NADH kan vervolgens de volledige ETK activeren, wat resulteert in de productie van ongeveer 3 ATP per cytoplasmatisch NADH [36](#page=36). #### 1.4.3 Eindbalans ATP-productie De totale energie die vrijkomt bij de volledige oxidatie van glucose is G' = -686 kcal/mol. De synthese van 36 moleculen ATP levert -7,3 kcal/mol per ATP op, wat neerkomt op -263 kcal/mol. Dit resulteert in een rendement van ongeveer 38%. In hart en lever worden ongeveer 38 moleculen ATP per glucosemolecuul gevormd [37](#page=37). ### 1.5 Reactieve zuurstofspecies (ROS) en ontgifting #### 1.5.1 Vorming van ROS Tijdens de elektronentransportketen kunnen onbedoeld reactieve zuurstofspecies (ROS) ontstaan. Een belangrijke ROS is het superoxide-anion (O₂⁻), gevormd wanneer zuurstof een elektron opneemt: O₂ + e⁻ ⇌ O₂⁻. Deze kunnen toxisch zijn [16](#page=16) [20](#page=20). #### 1.5.2 Ontgifting van ROS * **Superoxidedismutase (SOD):** Zet superoxide-anionen om. Dit enzym komt onder andere voor in rode bloedcellen (erythrocupreïne) [20](#page=20). * SOD: 2O₂⁻ + 2H⁺ → H₂O₂ + O₂ * **Catalase:** Zet waterstofperoxide (H₂O₂) om in water en zuurstof [20](#page=20). * Peroxide-anionen (O₂²⁻), waterstofperoxide (H₂O₂), en hydroxylradicalen (OH•) kunnen ook ontstaan, maar blijven vaak gebonden aan de cytochromen [16](#page=16). ### 1.6 Regulatie van de oxidatieve fosforylatie #### 1.6.1 Gekoppelde processen Elektronentransport en oxidatieve fosforylatie zijn nauw aan elkaar gekoppeld [41](#page=41). #### 1.6.2 Regulatie door beschikbare substraten De snelheid van de oxidatieve fosforylatie wordt gereguleerd door de beschikbaarheid van: * NADH [41](#page=41). * Zuurstof (O₂) [41](#page=41). * ADP en anorganisch fosfaat (Pi) [41](#page=41). #### 1.6.3 Respiratoire controle De concentratie van ADP is een belangrijke regulator; een hoge ADP-concentratie stimuleert sneller elektronentransport en dus meer ATP-productie. De ADP/ATP-ratio beïnvloedt allosterisch ook glycolyse, de Krebs-cyclus en β-oxidatie. Hierdoor is de elektronentransportketen gelinkt aan de energielading van de cel [41](#page=41). ### 1.7 Cytochroom P450 en bacterieel elektronentransport #### 1.7.1 Cytochroom P450 * Deze systemen bevinden zich in mitochondriën en microsomen (vesikel fragmenten van het ER) [42](#page=42). * Ze maken geen ATP aan [42](#page=42). * Ze zijn betrokken bij hydroxylatiereacties van steroïden, prostaglandinen, leukotriënen en xenobiotische substanties (medicijnen, toxische chemicaliën) [42](#page=42). * Ze functioneren als mono-oxygenasen om substraten wateroplosbaarder te maken [42](#page=42). * NADPH dient als elektronenbron voor deze ketens [42](#page=42). #### 1.7.2 Bacterieel elektronentransport * Bacteriën gebruiken verschillende finale elektronenacceptoren dan O₂, vooral in anaërobe omstandigheden. Voorbeelden zijn S/H₂S, NO₃⁻/NO₂⁻, en SO₄²⁻/H₂S [43](#page=43). * Anaërobe processen leveren over het algemeen minder energie op dan aerobe respiratie. Zuurstof kan ook de finale acceptor zijn in aerobe bacteriën [43](#page=43). * Extreme omstandigheden, zoals het gebruik van arseen, kunnen ook voorkomen [43](#page=43). * * * # ATP-synthese door protonenstroom Dit gedeelte beschrijft de synthese van ATP (adenosinetrifosfaat) uit ADP (adenosinedifosfaat) en anorganisch fosfaat, aangedreven door de protonengradiënt die is opgebouwd door de elektronentransportketen (ETK) in het binnenste membraan van het mitochondrion. Deze protonen worden teruggepompt naar de mitochondriale matrix via het ATP-synthase complex, wat leidt tot de productie van ATP [7](#page=7). ### 2.1 De elektronentransportketen en protonenpompen De elektronentransportketen, gelegen in het binnenste membraan van het mitochondrion, transporteert elektronen van gereduceerde co-enzymen zoals NADH en FADH2 naar zuurstof. Dit proces is gekoppeld aan de translocatie van protonen (H+) van de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte (#page=7, 21). De belangrijkste componenten van de ETK zijn flavine-gekoppelde dehydrogenasen, ijzer-zwavel-eiwitten en cytochromen [21](#page=21) [7](#page=7). De ETK bestaat uit meerdere complexen: * **Complex I (NADH-dehydrogenase-complex):** Gebruikt elektronen van NADH om protonen te pompen (#page=8, 21). De reactie kan worden weergegeven als [21](#page=21) [8](#page=8): $FMNH\_2 + 2 e^– + 2 Fe^{3+} \\rightleftharpoons FMN + 2 H^+ + 2 e^– + 2 Fe^{2+}$ [21](#page=21). * **Complex II (b-c1cytochroomreductase-complex):** Gebruikt ubiquinon (Q) en pompt protonen. De protonenoverdracht door ubiquinon (CoQ) naar cytochroom b omvat de reactie [8](#page=8): $CoQH\_2 + 2 cyt b Fe^{3+} \\rightleftharpoons 2 H^+ + CoQ + 2 cyt b Fe^{2+}$ [21](#page=21). * **Complex III (a-a3 cytochroomoxidase-complex):** Gebruikt cytochroom c en reduceert uiteindelijk zuurstof tot water, waarbij protonen uit de matrix worden verbruikt en ook protonen naar de intermembranaire ruimte worden gepompt (#page=8, 21) [21](#page=21) [8](#page=8). ### 2.2 De protonengradiënt De protonenpompen van de ETK creëren een **elektrochemische protonengradiënt** over het binnenste mitochondriale membraan (#page=23, 24). Deze gradiënt heeft twee belangrijke componenten [23](#page=23) [24](#page=24): 1. **pH-gradiënt:** De intermembranaire ruimte wordt zuurder (hogere H+ concentratie) dan de matrix [23](#page=23). 2. **Membraanpotentiaal:** Er ontstaat een verschil in elektrische lading over het membraan, waarbij de intermembranaire ruimte positiever geladen is dan de matrix [23](#page=23). Deze gecombineerde gradiënt wordt de **protonendrijvende kracht** genoemd. De energie die hierin is opgeslagen, wordt gebruikt voor ATP-productie en het transport van metabolieten [24](#page=24). ### 2.3 ATP-synthase: het moleculaire machine voor ATP-synthese Het **ATP-synthase complex** is een groot, sferisch complex dat verantwoordelijk is voor het omzetten van de protonendrijvende kracht in chemische energie in de vorm van ATP. Het complex bestaat uit twee hoofdcomponenten: F1 en F0 [25](#page=25). * **F1-deel:** Dit is het katalytische gedeelte, gelegen aan de matrixzijde van het membraan. Het bestaat uit subuniten $\\alpha\_3\\beta\_3\\gamma\\delta\\epsilon$. De $\\alpha$ en $\\beta$ subunits bevatten de bindingsplaatsen voor ADP en Pi en katalyseren de synthese van ATP [26](#page=26) [27](#page=27). * **F0-deel:** Dit is de membraangebonden kanaal voor protonen. Het bestaat uit subuniten $a\_1, b\_2$, en een ring van c-subuniten ($c\_{9-12}$). De F0-eenheid is gevoelig voor oligomycine [26](#page=26). #### 2.3.1 Werkingsmechanisme van ATP-synthase Het werkingsmechanisme van ATP-synthase is gebaseerd op een roterend mechanisme, dat het 'chemiosmotische' model verklaart [27](#page=27). * **Rotor:** De c-ring ($c\_{9-12}$), de $\\gamma$\-subunit en de $\\epsilon$\-subunit vormen de roterende component [27](#page=27). * **Stator:** De a-subunit, b-subunit dimer ($b\_2$), $\\delta$\-subunit, en de $\\alpha\_3\\beta\_3$\-hexameer vormen de stationaire component [27](#page=27). Protonen stromen vanuit de intermembranaire ruimte door het kanaal gevormd tussen de a-subunit en de c-ring. Deze protonenstroom zorgt ervoor dat de c-ring roteert ten opzichte van de stationaire a-subunit. De $\\gamma$\-subunit, die asymmetrisch is en door het midden van de $\\alpha\_3\\beta\_3$\-hexameer loopt, roteert mee met de c-ring [27](#page=27). De rotatie van de $\\gamma$\-subunit veroorzaakt conformationele veranderingen in de $\\alpha\_3\\beta\_3$\-hexameer. Elke $\\alpha\\beta$\-eenheid doorloopt drie conformationele toestanden [27](#page=27): * **Open (O):** De bindingsplaats staat open voor de binding van ADP en Pi. * **Los/Half gesloten (L):** ADP en Pi worden losjes gebonden. * **Gesloten (T):** ADP en Pi worden strak gebonden, en de synthese van ATP vindt plaats. De protonenstroom drijft de rotatie aan, die leidt tot de opeenvolgende binding van ADP en Pi, hun omzetting naar ATP, en de afgifte van ATP (#page=27, 28) [27](#page=27) [28](#page=28). $$ \\text{ADP} + \\text{Pi} \\xrightarrow{\\text{Energie van protonenstroom}} \\text{ATP} $$ [28](#page=28). > **Tip:** De energie van de protonenstroom wordt mechanisch omgezet in rotatie, wat vervolgens leidt tot de chemische synthese van ATP. ### 2.4 Ontkoppeling van de protonengradiënt Stoffen die de protonengradiënt kunnen ondermijnen, worden ontkoppelaars genoemd. Een voorbeeld is 2,4-dinitrofenol (DNP), een zwak zuur dat lipofiel is en de protonenstroom terug naar de matrix kan faciliteren zonder via ATP-synthase te gaan [32](#page=32). > **Example:** 2,4-dinitrofenol (DNP) is een ontkoppelaar. Het is een zwak zuur dat kan desintegreren en protonen kan opnemen in de intermembranaire ruimte. Vervolgens diffundeert het door het membraan en geeft het protonen af in de matrix. Dit verzwakt de protonengradiënt, waardoor de protonenstroom door ATP-synthase vermindert en er minder ATP wordt gesynthetiseerd, terwijl de elektronentransportketen normaal blijft functioneren. > > (structurele weergave van 2,4-dinitrofenol) [32](#page=32). ### 2.5 Verschillen in ATP-opbrengst De hoeveelheid ATP die wordt geproduceerd uit NADH en FADH2 varieert, omdat ze op verschillende punten in de ETK elektronen inbrengen [34](#page=34). * **Mitochondriaal NADH:** Elektronen van mitochondriaal NADH komen binnen via Complex I en doorlopen de gehele ETK, wat leidt tot de pomp van meer protonen. Dit resulteert in de productie van ongeveer 3 ATP-moleculen per NADH [34](#page=34). * **FADH2:** Elektronen van FADH2, afkomstig van bijvoorbeeld succinaat, komen binnen via het succinaat-Q-reductase-complex (Complex II) en slaan de protonenpomp van Complex I over. Hierdoor worden minder protonen gepompt, wat resulteert in de productie van ongeveer 2 ATP-moleculen per FADH2 [34](#page=34). De levering van elektronen van cytoplasmatisch NADH is nog anders, omdat deze via pendelsystemen de mitochondriale matrix bereiken. Het glycerol-3-fosfaat shuttle-systeem leidt bijvoorbeeld tot de vorming van slechts 2 ATP-moleculen uit cytoplasmatisch NADH [35](#page=35). ### 2.6 Totale ATP-balans Hoewel theoretische berekeningen variëren, wordt de totale opbrengst van ATP uit aerobe respiratie geschat op ongeveer 36 ATP-moleculen per glucosemolecuul in hart en lever. Een aanzienlijk deel van de beschikbare energie (-686 kcal/mol) wordt omgezet in ATP (-263 kcal/mol), wat een rendement van ongeveer 38% vertegenwoordigt [37](#page=37). > **Tip:** De exacte ATP-opbrengst kan variëren afhankelijk van het type cel en de efficiëntie van de pendelsystemen. Houd rekening met deze variabiliteit bij het bestuderen van de energiedoorrekeningen. * * * # Ontkoppeling van oxidatie en protonengradiënt Dit onderwerp behandelt het fenomeen van ontkoppeling, waarbij de protonengradiënt die normaal gesproken leidt tot ATP-synthese, wordt ondermijnd, resulterend in warmteproductie. ### 3.1 Chemische ontkoppelaars Chemische stoffen kunnen de protonengradiënt effectief tenietdoen, waardoor de normale koppeling tussen elektronentransport (en daarmee zuurstofverbruik) en ATP-synthese wordt verbroken [32](#page=32). #### 3.1.1 2,4-dinitrofenol (DNP) Een klassiek voorbeeld van een chemische ontkoppelaar is 2,4-dinitrofenol (DNP). DNP is een zwak zuur en is lipofiel, wat betekent dat het gemakkelijk door membranen kan passeren. Het werkt door de protonengradiënt, die zich normaal opbouwt aan de ene kant van het binnenmembraan van de mitochondriën, te omzeilen [32](#page=32). * **Mechanisme:** DNP fungeert als een protonen-"shuttle". Het kan protonen (H+) uit de intermembraanruimte (waar de concentratie hoog is) opnemen, door het membraan naar de matrix transporteren (waar de concentratie laag is), en daar weer loslaten. Dit proces verlaagt de pH-gradiënt over het membraan [32](#page=32). * **Gevolg:** Wanneer de protonengradiënt afneemt, wordt de drijvende kracht voor ATP-synthase, het enzym dat ATP produceert door protonen terug te laten stromen via zijn kanaal, sterk verminderd of geëlimineerd. Hierdoor vindt er geen ATP-synthese meer plaats, ondanks dat het elektronentransport en zuurstofverbruik normaal doorgaan [32](#page=32). > **Tip:** De structuur van DNP, met twee nitro (-NO2) groepen en een fenolische hydroxyl (-OH) groep, draagt bij aan zijn vermogen om zowel te dissocieren als een proton (als zuur) als om lipofiel te zijn, wat essentieel is voor membraanpassage. ### 3.2 Fysiologische ontkoppeling en warmteproductie Ontkoppeling van de oxidatieve fosforylering leidt niet alleen tot een verminderde ATP-productie, maar ook tot het vrijkomen van energie in de vorm van warmte. Dit proces wordt fysiologisch benut in bepaalde weefsels [33](#page=33). #### 3.2.1 Thermogenine (UCP1) Thermogenine, ook bekend als uncoupling protein 1 (UCP1), is een specifiek eiwit dat aanwezig is in de binnenste mitochondriale membraan en dat ontkoppeling teweegbrengt, voornamelijk in bruin vetweefsel (brown adipose tissue, BAT) [33](#page=33). * **Functie:** Thermogenine is een kanaal dat protonen direct uit de intermembraanruimte naar de matrix laat stromen, buiten ATP-synthase om. Dit omzeilt de normale route van protonenstroom, waardoor de opgebouwde elektrochemische gradiënt wordt gedissipeerd als warmte in plaats van wordt gebruikt voor ATP-synthese. Dit verhoogt de membraanpermeabiliteit voor protonen [33](#page=33). * **Locatie:** Bruin vetweefsel is rijk aan mitochondriën en thermogenine, wat de primaire functie ervan is om lichaamswarmte te genereren (thermogenese). Dit is cruciaal voor bijvoorbeeld pasgeborenen en dieren die leven in koude omgevingen [33](#page=33). * **Activatie:** De activiteit van thermogenine wordt voornamelijk gestimuleerd door verhoogde concentraties vrije vetzuren, die vaak vrijkomen als reactie op signalen zoals noradrenaline tijdens koude-expositie of honger [33](#page=33). #### 3.2.2 Andere UCPs en therapeutische perspectieven Naast UCP1 zijn er ook andere eiwitten in de UCP-familie, zoals UCP-2 en UCP-3, die aanwezig zijn in verschillende weefsels en een rol spelen bij de regulatie van de stofwisseling en warmteproductie [33](#page=33). * **Regulatie:** De activiteit van deze UCP's wordt over het algemeen gestimuleerd door vrije vetzuren, maar geïnhibeerd door ATP en ADP [33](#page=33). * **Therapeutisch potentieel:** Vanwege hun rol in energieverbruik en warmteproductie, wordt het potentieel van UCP's als therapeutisch doelwit voor de behandeling van obesitas onderzocht. Door de activiteit van UCP's te verhogen, zou de calorieverbranding kunnen worden gestimuleerd, wat kan bijdragen aan gewichtsverlies [33](#page=33). * * * # Transportmechanismen in het mitochondrion Dit onderwerp behandelt de essentiële transportmechanismen voor moleculen zoals ATP en ADP over het mitochondriale membraan, evenals systemen voor het transport van ionen en metabolieten [38](#page=38) [39](#page=39). ### 4.1 Transport van ATP en ADP ATP en ADP kunnen niet zomaar door het mitochondriale membraan diffunderen. Hiervoor is een specifiek transporteiwit nodig, het ATP/ADP-translocase (ook wel ADP/ATP-antiport genoemd). Dit eiwit faciliteert de uitwisseling van ADP en ATP tussen het cytosol en de mitochondriale matrix [38](#page=38). * **Werkingsmechanisme ATP/ADP-translocase:** Het translocase fungeert als een antiport-systeem, wat betekent dat het twee verschillende moleculen in tegengestelde richtingen transporteert. Specifiek transporteert het één molecuul ADP vanuit het cytosol naar de mitochondriale matrix, terwijl het tegelijkertijd één molecuul ATP vanuit de matrix naar het cytosol transporteert. Dit proces is gebaseerd op de ladingsverschillen van de moleculen. ADP heeft een lading van -3 en ATP heeft een lading van -4. De reactie kan als volgt worden weergegeven [38](#page=38): ADP$\_{cytosol}^{-3}$ + ATP${matrix}^{-4}$ $\\rightleftharpoons$ ATP$\_{cytosol}^{-4}$ + ADP${matrix}^{-3}$ [38](#page=38). `> **Tip:** Begrijpen van de ladingen van ADP en ATP is cruciaal om het antiport-mechanisme van het translocase te doorgronden.` ### 4.2 Transportsystemen voor ionen en metabolieten Naast het ATP/ADP-translocase zijn er diverse andere transportsystemen op het binnenste mitochondriale membraan. Deze systemen maken gebruik van specifieke carriers of transporters om een breed scala aan moleculen te verplaatsen [39](#page=39). * **Transport van ionen:** Het binnenste mitochondriale membraan bevat ook specifieke transporters voor ionen. Een belangrijk voorbeeld hiervan is het transport van calciumionen (Ca$^{2+}$). Het mitochondrion speelt een rol in de calciumhomeostase van de cel, en dit transport is essentieel voor deze functie [39](#page=39). * **Transport van metabolieten:** Naast ionen worden ook diverse andere metabolieten via specifieke carriers over het binnenste membraan getransporteerd. De precieze aard van deze metabolieten en hun transporters valt buiten het bestek van de gegeven pagina's, maar het is belangrijk te erkennen dat dit een breed scala aan moleculen omvat die betrokken zijn bij de mitochondriale stofwisseling [39](#page=39). * * * ## Veelgemaakte fouten om te vermijden * Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens * Let op formules en belangrijke definities * Oefen met de voorbeelden in elke sectie * Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Redoxreactie | Een chemische reactie waarbij elektronen worden overgedragen van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans). Dit proces is fundamenteel voor energieomzetting in biologische systemen. | | Reductiepotentiaal (E) | Een maat voor de neiging van een atoom, ion of molecule om elektronen op te nemen. Een hogere positieve waarde duidt op een grotere affiniteit voor elektronen. | | Eo' | De standaard reductiepotentiaal aangepast voor biologische omstandigheden, waarbij de concentratie van H+ is ingesteld op $10^{-7}$ M (pH 7), in tegenstelling tot de standaard fysisch-chemische potentiaal (Eo) bij pH 0. | | NADH | Nicotinamide-adenine-dinucleotide, een co-enzym dat cruciaal is voor de energiestofwisseling door het transporteren van elektronen, voornamelijk afkomstig van de afbraak van glucose en vetten. | | FADH2 | Gereduceerde vorm van flavine-adenine-dinucleotide, een andere belangrijke elektronendrager die elektronen levert aan de elektronentransportketen, vaak afkomstig van de succinaatdehydrogenase reactie. | | Elektronentransportketen (ETK) | Een reeks eiwitcomplexen en mobiele dragers in het binnenste mitochondriale membraan die elektronen overdragen, waarbij energie wordt vrijgemaakt om een protonengradiënt op te bouwen voor ATP-synthese. | | Ubichinon (CoQ) | Een lipofiele molecule die fungeert als een mobiele elektronendrager in de elektronentransportketen, die elektronen ontvangt van Complex I en II en deze doorgeeft aan Complex III. | | Cytochroom | Een klasse van heemproteïnen die betrokken zijn bij elektronentransport. Ze bevatten een ijzeratoom dat reversibel kan wisselen tussen de geoxideerde ($Fe^{3+}$) en gereduceerde ($Fe^{2+}$) staat. | | Protonengradiënt | Een verschil in concentratie en elektrische lading van protonen ($H^+$) over een membraan, zoals het binnenste mitochondriale membraan, wat resulteert in een elektrochemische potentiaal. | | ATP-synthase | Een enzymcomplex in het binnenste mitochondriale membraan dat de energie van de protonengradiënt gebruikt om ATP te synthetiseren uit ADP en anorganisch fosfaat door middel van een roterend mechanisme. | | Ontkoppeling | Het proces waarbij de protonengradiënt over een membraan wordt ondermijnd, waardoor de normale koppeling tussen elektronentransport en ATP-synthese wordt verbroken, wat leidt tot warmteproductie. | | Thermogenine | Een ontkoppelingseiwit dat voornamelijk voorkomt in bruin vetweefsel. Het maakt de mitochondriale membraan permeabeler voor protonen, wat resulteert in warmteproductie in plaats van ATP-synthese. | | Respiratoire controle | Het mechanisme waarbij de snelheid van de elektronentransportketen en oxidatieve fosforylatie wordt gereguleerd door de cellulaire behoefte aan ATP, voornamelijk gemedieerd door de concentratie van ADP. | | Cyanocobalamine | De chemische vorm van vitamine B12, die een belangrijke rol speelt in cellulaire metabolische processen, en ook kan functioneren als een scavenger voor cyanide-ionen. | | Superoxide-anion ($O_2^-$) | Een reactieve zuurstofsoort die ontstaat wanneer een enkel elektron wordt toegevoegd aan een zuurstofmolecuul. Het is potentieel schadelijk en wordt geneutraliseerd door enzymen zoals superoxidedismutase. |