Summary
# Redoxreacties en reductiepotentialen
Dit studieonderdeel behandelt redoxreacties en de betekenis van reductiepotentialen in biologische systemen, met speciale aandacht voor de standaard reductiepotentiaal ($E^0$) en de aangepaste potentiaal voor biologische omstandigheden ($E^0'$).
## 1. Redoxreacties en reductiepotentialen
### 1.1 Inleiding tot redoxreacties
Redoxreacties omvatten de overdracht van elektronen van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans). De neiging van een atoom, ion of molecuul om elektronen op te nemen wordt uitgedrukt in de reductiepotentiaal ($E$).
### 1.2 Het concept van reductiepotentiaal ($E$)
De reductiepotentiaal ($E$) is een maat voor de affiniteit van een stof voor elektronen. Het nulpunt van deze schaal is gedefinieerd voor de reactie:
$$ \text{H}^+ + \text{e}^- \rightleftharpoons \frac{1}{2}\text{H}_2 $$
onder standaardomstandigheden (25 °C, 1 atm, 1 M concentratie voor ionen).
* **Negatieve reductiepotentiaal ($E < 0$):** De substantie heeft een lagere affiniteit voor elektronen dan waterstof onder standaardomstandigheden. Dit betekent dat de stof geneigd is elektronen af te geven.
* **Positieve reductiepotentiaal ($E > 0$):** De substantie heeft een hogere affiniteit voor elektronen dan waterstof. Dit betekent dat de stof geneigd is elektronen op te nemen.
In een redoxreactie bewegen elektronen spontaan van de component met de meest negatieve reductiepotentiaal naar de component met de meest positieve reductiepotentiaal.
### 1.3 Reductiepotentialen in biologische systemen ($E^0$ en $E^0'$)
In biologische systemen wordt vaak gebruik gemaakt van de aangepaste standaard reductiepotentiaal, aangeduid met $E^0'$, in plaats van de standaard reductiepotentiaal $E^0$.
* **Standaard reductiepotentiaal ($E^0$):** De reductiepotentiaal onder standaardomstandigheden (1 M concentratie voor alle opgeloste deeltjes, inclusief protonen wat overeenkomt met pH = 0).
* **Aangepaste standaard reductiepotentiaal ($E^0'$):** De reductiepotentiaal onder biologisch relevante omstandigheden, waarbij de protonenconcentratie [H$^+$] wordt ingesteld op $10^{-7}$ M (wat overeenkomt met pH = 7).
De relatie tussen $E^0$ en $E^0'$ voor reacties waarbij protonen betrokken zijn, kan worden samengevat:
$$ E^0' = E^0 - \frac{0.059 \text{ V}}{n} \log [\text{H}^+] $$
Bij pH = 7 geldt [H$^+$] = $10^{-7}$ M. De correctieterm voor pH = 7 is ongeveer $0.42$ V.
Bijvoorbeeld, de reductie van zuurstof tot water:
$$ \frac{1}{2}\text{O}_2 + 2\text{H}^+ + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{H}_2\text{O} $$
* Bij pH = 0 is $E^0 \approx +1.23$ V.
* Bij pH = 7 is $E^0' \approx +1.23 \text{ V} - 0.42 \text{ V} = +0.82$ V.
De term $E^0'$ wordt gebruikt omdat de pH in de meeste biologische compartimenten rond de 7 ligt. De hogere affiniteit voor elektronen van zuurstof (hogere $E^0'$) ten opzichte van waterstof verklaart de drijvende kracht achter de ademhalingsketen.
> **Tip:** Onthoud dat $E^0'$ altijd lager is dan $E^0$ voor reacties waarbij protonen worden opgenomen tijdens de reductie.
### 1.4 Bepaling van de reactierichting en energiewinst
De potentiële energie die vrijkomt bij een redoxreactie wordt bepaald door het verschil in reductiepotentialen tussen de elektrondonor en de elektronenacceptor.
#### 1.4.1 Berekening van het potentiaalverschil
Het totale potentiaalverschil ($\Delta E^0'$) van een redoxreactie wordt berekend als het verschil tussen de reductiepotentiaal van de acceptor en die van de donor:
$$ \Delta E^0' = E^0'_\text{acceptor} - E^0'_\text{donor} $$
Elektronen stromen spontaan van de component met de laagste ($E^0'$) naar de component met de hoogste ($E^0'$).
**Voorbeeld:** Pyruvaat reductie tot lactaat door NADH.
De halve reacties zijn:
* NAD$^+$ + 2H$^+$ + 2e$^-$ $\rightleftharpoons$ NADH + H$^+$ ($E^0' = -0.32$ V)
* Pyruvaat + 2H$^+$ + 2e$^-$ $\rightleftharpoons$ Lactaat ($E^0' = -0.19$ V)
Aangezien NADH een lagere reductiepotentiaal heeft (-0.32 V) dan pyruvaat (-0.19 V), zal NADH elektronen afstaan aan pyruvaat. De reactie verloopt dus van NADH naar pyruvaat.
De totale reactie is:
Pyruvaat + H$^+$ + NADH $\rightarrow$ Lactaat + NAD$^+$
Het potentiaalverschil is:
$$ \Delta E^0' = E^0'_\text{lactaat/pyruvaat} - E^0'_\text{NADH/NAD}^+ $$
$$ \Delta E^0' = (-0.19 \text{ V}) - (-0.32 \text{ V}) = +0.13 \text{ V} $$
Een positieve $\Delta E^0'$ waarde geeft aan dat de reactie spontaan in de aangegeven richting verloopt.
> **Tip:** Bij het berekenen van $\Delta E^0'$ voor een redoxreactie, trek altijd de reductiepotentiaal van de meest negatieve component (de donor) af van de reductiepotentiaal van de meest positieve component (de acceptor).
#### 1.4.2 Energievrijstelling
De hoeveelheid vrije energie ($\Delta G^0'$) die vrijkomt bij een redoxreactie is direct gerelateerd aan het potentiaalverschil ($\Delta E^0'$). De relatie wordt gegeven door de volgende formule:
$$ \Delta G^0' = -n \cdot F \cdot \Delta E^0' $$
waarbij:
* $n$ het aantal overgedragen elektronen is per reactie.
* $F$ de Faraday constante is (ongeveer 23.06 kcal·mol$^{-1}$·V$^{-1}$ of 96.485 kJ·mol$^{-1}$·V$^{-1}$).
Een positieve $\Delta E^0'$ leidt tot een negatieve $\Delta G^0'$, wat duidt op een exergonische (energie-vrijgevende) reactie.
**Voorbeeld:** Oxidatie van NADH door zuurstof.
* NAD$^+$ + 2H$^+$ + 2e$^-$ $\rightleftharpoons$ NADH + H$^+$ ($E^0' = -0.32$ V)
* $\frac{1}{2}\text{O}_2$ + 2H$^+$ + 2e$^-$ $\rightleftharpoons$ H$_2$O ($E^0' \approx +0.82$ V bij pH 7)
De totale reactie is:
NADH + H$^+$ + $\frac{1}{2}\text{O}_2$ $\rightarrow$ NAD$^+$ + H$_2$O
Het potentiaalverschil is:
$$ \Delta E^0' = E^0'_\text{zuurstof/water} - E^0'_\text{NADH/NAD}^+ $$
$$ \Delta E^0' = (+0.82 \text{ V}) - (-0.32 \text{ V}) = +1.14 \text{ V} $$
De vrijgekomen energie is:
$$ \Delta G^0' = -2 \cdot (23.06 \text{ kcal} \cdot \text{mol}^{-1} \cdot \text{V}^{-1}) \cdot (1.14 \text{ V}) $$
$$ \Delta G^0' \approx -52.58 \text{ kcal} \cdot \text{mol}^{-1} $$
Dit grote negatieve $\Delta G^0'$ geeft aan dat er aanzienlijke energie vrijkomt bij de oxidatie van NADH door zuurstof, wat essentieel is voor de energieproductie in de cel via oxidatieve fosforylering.
> **Belangrijk:** Onthoud de formule $\Delta G^0' = -n \cdot F \cdot \Delta E^0'$ voor examens. De hoeveelheid energie die vrijkomt (of wordt opgenomen) bij een redoxreactie wordt direct bepaald door het potentiaalverschil en het aantal overgedragen elektronen.
### 1.5 Energetische koppeling in de elektronentransportketen (ETK)
De energie die vrijkomt bij de overdracht van elektronen langs de ETK wordt gebruikt om protonen (H$^+$) vanuit de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte te pompen. Dit creëert een protonengradiënt over de binnenste mitochondriale membraan. De terugstroom van protonen door het ATP-synthase complex drijft de synthese van ATP aan.
* De overdracht van elektronen van NADH naar zuurstof genereert een potentieel verschil van ongeveer $1.14$ V, wat resulteert in een energie-vrijgave van ongeveer $-52.6$ kcal/mol voor de regeneratie van NADH naar NAD$^+$. Deze energie wordt benut voor ATP-synthese.
* De elektronentransportketen, bestaande uit complexen I tot en met IV en mobiele dragers zoals ubiquinon (CoQ) en cytochroom c, zorgt voor de stapsgewijze overdracht van elektronen.
* Bij de doorstroming van elektronen worden protonen verplaatst van de matrix naar de intermembranaire ruimte ter hoogte van complex I (NADH-dehydrogenase), complex III (cytochroom b-c$_1$) en complex IV (cytochroom oxidase). FADH$_2$ genereert elektronen die op een lager niveau in de keten (bij ubiquinon) instromen, waardoor minder protonen worden gepompt en dus minder ATP wordt gesynthetiseerd per molecuul FADH$_2$ vergeleken met NADH.
### 1.6 Belang van redoxpotentiaal voor de richting van het elektronentransport
Het verschil in redoxpotentiaal tussen de opeenvolgende componenten van de ETK is cruciaal voor het waarborgen van de correcte richting van het elektronentransport. Elke stap in de keten verloopt van een component met een lagere redoxpotentiaal naar een component met een hogere redoxpotentiaal. Dit zorgt ervoor dat elektronen spontaan worden overgedragen en de energie geleidelijk wordt vrijgegeven.
* De initiële donor (bijvoorbeeld NADH) heeft een relatief negatieve redoxpotentiaal.
* De uiteindelijke acceptor (zuurstof) heeft een relatief positieve redoxpotentiaal.
* De tussenliggende componenten (flavoproteïnen, ijzer-zwavelcentra, ubiquinon, cytochromen) hebben toenemende redoxpotentialen langs de keten.
**Voorbeeld:**
FADH$_2$ heeft een hogere reductiepotentiaal dan NADH. Wanneer FADH$_2$ zijn elektronen afstaat aan ubiquinon, is dit een spontane reactie omdat de elektronen van een lagere potentiaal naar een hogere potentiaal gaan. De succinaat dehydrogenase complex (complex II), dat FADH$_2$ produceert, koppelt de elektronen direct aan ubiquinon, omzeilt zo complex I en de bijbehorende protonenpomp. Dit resulteert in een lagere ATP-opbrengst per molecuul FADH$_2$ (ongeveer 2 ATP) vergeleken met NADH (ongeveer 3 ATP).
#### 1.6.1 Cytoplasmatisch NADH
Elektronen afkomstig van NADH geproduceerd in het cytoplasma (bijvoorbeeld tijdens glycolyse) moeten de mitochondriale membraan passeren om de ETK te bereiken. Dit gebeurt via pendelsystemen, zoals het glycerol-3-fosfaat pendelsysteem.
* **Glycerol-3-fosfaat pendelsysteem:** Cytoplasmatisch NADH reduceert dihydroxyacetonfosfaat tot glycerol-3-fosfaat. Glycerol-3-fosfaat kan de mitochondriale membraan passeren en in de intermembranaire ruimte worden geoxideerd door een flavoproteïne gebonden aan FAD. Het FADH$_2$ dat hierbij ontstaat, doneert zijn elektronen aan ubiquinon. Omdat dit systeem complex I omzeilt, leidt het tot de productie van slechts ongeveer 2 ATP per molecuul cytoplasmatisch NADH.
* **Malaat-aspartaat pendelsysteem (in hart en lever):** Dit systeem brengt de reducerende equivalenten van cytoplasmatisch NADH over naar mitochondriaal NADH zonder verlies van ATP-potentieel. Het werkt door malaat en aspartaat uit te wisselen tussen het cytoplasma en de mitochondriale matrix. Hierdoor wordt cytoplasmatisch NADH omgezet in mitochondriaal NADH, wat resulteert in een hogere ATP-opbrengst (ongeveer 3 ATP per NADH).
### 1.7 Controle van de elektronentransportketen
De activiteit van de ETK en de daarmee samenhangende oxidatieve fosforylering wordt gereguleerd door de energielading van de cel, voornamelijk door de concentraties van ADP en P$_i$.
* **Respiratoire controle:** Een hoge concentratie ADP en P$_i$ stimuleert de ETK en ATP-synthese omdat er behoefte is aan ATP. Wanneer de ATP-concentratie hoog is en ADP laag, vertraagt de ETK.
* De concentraties van NADH en zuurstof zijn ook belangrijke regulatoren. Een tekort aan zuurstof of een overmaat aan NADH kan de keten beïnvloeden.
Deze koppeling zorgt ervoor dat de energieproductie wordt afgestemd op de behoeften van de cel.
### 1.8 Toxiciteit en inhibitie van de ETK
Verschillende stoffen kunnen de ETK remmen of de normale werking ervan verstoren, wat ernstige gevolgen kan hebben voor de cel.
* **Inhibitoren van complex I:** Rotenon (een insecticide) en amytal remmen complex I, waardoor de elektronentransfer van NADH wordt geblokkeerd.
* **Inhibitoren van complex III:** Cyanide en aziden binden met hoge affiniteit aan de ijzer- en koperionen in cytochroom a-a$_3 (complex IV) en remmen de reductie van zuurstof tot water. Dit stopt de gehele ETK en ATP-productie.
Ook kunnen toxische intermediairen zoals superoxidanionen (O$_2^-$) ontstaan als de overdracht van elektronen niet goed gereguleerd is (bijvoorbeeld wanneer elektronen niet in pakketjes van vier aan zuurstof worden afgegeven). Enzymen zoals superoxide dismutase (SOD) en catalase neutraliseren deze reactieve zuurstofspecies.
### 1.9 Ontkoppeling van oxidatie en fosforylering
Sommige verbindingen, zoals 2,4-dinitrofenol (DNP), kunnen de koppeling tussen elektronentransport en ATP-synthese ontkoppelen.
* DNP is een lipofiel zwak zuur dat protonen door de binnenste mitochondriale membraan kan transporteren, waardoor de protonengradiënt teniet wordt gedaan zonder dat ATP wordt gesynthetiseerd.
* Deze ontkoppeling leidt tot warmteontwikkeling (thermogenese), wat verklaart waarom DNP vroeger als dieetpil werd gebruikt maar gevaarlijk is vanwege het risico op hyperthermie.
* Thermogenine, een ontkoppelingseiwit in bruin vetweefsel, speelt een fysiologische rol bij warmteproductie en wordt geactiveerd door vetzuren, wat cruciaal is voor thermoregulatie bij pasgeborenen en dieren die overwinteren.
### 1.10 Bacterieel elektronentransport
Hoewel de principes vergelijkbaar zijn, gebruiken bacteriën verschillende terminale elektronenacceptoren dan zuurstof.
* **Aerobe bacteriën:** Gebruiken zuurstof als terminale acceptor, vergelijkbaar met eukaryoten.
* **Anaerobe bacteriën:** Gebruiken alternatieve acceptoren zoals nitraat (NO$_3^-$), sulfaat (SO$_4^{2-}$), of zwavel (S). Deze anaerobe processen leveren over het algemeen minder energie op dan aerobe respiratie.
Deze variatie in terminale elektronenacceptoren in bacteriën illustreert de flexibiliteit van redoxprocessen onder verschillende omstandigheden.
---
# Het elektronentransportcomplex en ATP-synthese
Het elektronentransportcomplex (ETK) en ATP-synthese, ook wel oxidatieve fosforylatie genoemd, beschrijven het proces waarbij energie die vrijkomt bij de overdracht van elektronen langs een reeks eiwitcomplexen in de mitochondriale binnenmembraan, wordt gebruikt om ATP te synthetiseren.
### 2.1 Redoxreacties en reductiepotentialen
Redoxreacties omvatten de overdracht van elektronen van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans). De neiging van een atoom, ion of molecuul om elektronen op te nemen wordt uitgedrukt in de reductiepotentiaal ($E$). De standaard reductiepotentiaal ($E^o$) heeft waterstof als referentiepunt ($H^+ + e^- \rightleftharpoons H$, bij 25 °C, 1 atm, 1 M). Een negatieve $E$ betekent dat de substantie een lagere affiniteit voor elektronen heeft dan waterstof, terwijl een positieve $E$ duidt op een hogere affiniteit. In biologische systemen wordt vaak gewerkt met de standaard reductiepotentiaal bij pH 7 ($E^o'$), waarbij de protonenconcentratie $10^{-7}$ M is. De $E^o'$ van de reactie $H^+ + e^- \rightleftharpoons H$ is $-0,42$ V.
**Tip:** Een groter verschil in reductiepotentiaal ($\Delta E^o'$) tussen een donor en acceptor leidt tot een grotere energie-vrijgave ($\Delta G^o'$). De relatie is $\Delta G^o' = -n \cdot F \cdot \Delta E^o'$, waarbij $n$ het aantal overgedragen elektronen is en $F$ de constante van Faraday.
#### 2.1.1 Voorbeeld van een redoxreactie
De reductie van pyruvaat tot lactaat door NADH illustreert dit:
NADH + $H^+$ + pyruvaat $\rightarrow$ lactaat + NAD$^+$
Met $E^o'$ waarden van -0,32 V voor NADH/NAD$^+$ en -0,19 V voor pyruvaat/lactaat, vloeien de elektronen van NADH naar pyruvaat.
$\Delta E^o' = -0,19$ V - $(-0,32$ V) = $+0,13$ V. Dit positieve verschil geeft aan dat de reactie spontaan in deze richting verloopt.
#### 2.1.2 Energieopbrengst
De oxidatie van NADH door zuurstof levert aanzienlijke energie op:
NADH + $H^+$ + ½ $O_2$ $\rightarrow$ NAD$^+$ + $H_2O$
Met $E^o'$ van NAD$^+$/NADH = -0,32 V en $E^o'$ van ½ $O_2$/$H_2O$ = +0,82 V, is $\Delta E^o' = +0,82$ V - $(-0,32$ V) = +1,14 V.
Dit resulteert in $\Delta G^o' = -2 \cdot 23,06$ kcal mol$^{-1}$ V$^{-1}$ $\cdot 1,14$ V = -52,58 kcal mol$^{-1}$, wat de energie-vrijgave aangeeft die kan worden gebruikt voor ATP-synthese.
### 2.2 Componenten van het elektronentransportcomplex
Het ETK bevindt zich in de binnenste membraan van de mitochondriën en bestaat uit vier grote eiwitcomplexen en twee mobiele elektronendragers:
1. **NADH-dehydrogenase-complex (Complex I):**
* Dit complex, met een grootte van ongeveer 1 MDa en bestaande uit circa 40 polypeptideketens, accepteert twee elektronen en twee protonen van NADH/$H^+$.
* Het bevat flavine-mononucleotide (FMN) en ijzer-zwavelcentra (Fe-S).
* De reactie: NADH + FMN + $H^+$ $\rightleftharpoons$ FMNH$_2$ + NAD$^+$ en FMNH$_2$ + 2Fe$^{3+}$–S $\rightleftharpoons$ FMN + 2$H^+$ + 2Fe$^{2+}$–S.
* Tijdens de oxidatie van NADH pompt dit complex protonen van de matrix naar de intermembranaire ruimte.
2. **Ubichinon (Coënzym Q of CoQ):**
* Een lipofiele, mobiele elektronendrager die elektronen accepteert van Complex I en Complex II.
* Het wordt gereduceerd tot ubiquinol (CoQH$_2$).
* Reactie: 2Fe$^{2+}$–S + CoQ + 2$H^+$ $\rightleftharpoons$ 2Fe$^{3+}$–S + CoQH$_2$.
* Ubichinon fungeert ook als de directe acceptor van elektronen van FADH$_2$ (via Complex II).
3. **Cytochroomreductase-complex (Complex III of b-c1-complex):**
* Dit complex bestaat uit ongeveer 11 polypeptideketens per monomeer en bevat drie cytochroom-haemgroepen en een ijzer-zwavel-eiwit.
* Het accepteert elektronen van CoQH$_2$ en draagt ze over aan cytochroom c.
* Reacties: CoQH$_2$ + 2cyt b Fe$^{3+}$ $\rightleftharpoons$ CoQ + 2$H^+$ + 2cyt b Fe$^{2+}$ en 2cyt b Fe$^{2+}$ + 2cyt c$_1$ Fe$^{3+}$ $\rightleftharpoons$ 2cyt b Fe$^{3+}$ + 2cyt c$_1$ Fe$^{2+}$.
* Dit complex pompt eveneens protonen van de matrix naar de intermembranaire ruimte.
4. **Cytochroom c:**
* Een klein, mobiel eiwit met een haemgroep dat elektronen overdraagt van Complex III naar Complex IV.
* Reactie: 2cyt c$_1$ Fe$^{2+}$ + 2cyt c Fe$^{3+}$ $\rightleftharpoons$ 2cyt c$_1$ Fe$^{3+}$ + 2cyt c Fe$^{2+}$.
5. **Cytochroomoxidase-complex (Complex IV of a-a3-complex):**
* Dit complex, bestaande uit 13 polypeptideketens per monomeer, bevat twee cytochroom-haemgroepen en twee koperatomen (Cu).
* Het accepteert elektronen van cytochroom c en draagt ze over aan zuurstof, waarbij water wordt gevormd.
* De finale reactie: O$_2$ + 4e$^-$ + 4$H^+$ $\rightarrow$ 2$H_2O$.
* Complex IV is de laatste stap in de keten en ook hier vindt protonenpomping plaats.
**Tip:** De mobiele dragers CoQ en cytochroom c zijn cruciaal omdat de grote eiwitcomplexen immobiel zijn in het membraan.
#### 2.2.1 Inhibitoren van het ETK
Verschillende stoffen kunnen het ETK remmen:
* **Complex I inhibitoren:** Rotenon (insecticide) en amytal.
* **Complex III inhibitoren:** Antimycin A.
* **Complex IV inhibitoren:** Cyanide (HCN) en aziden (NAN$_3$) binden met hoge affiniteit aan de ijzer- en koperionen in dit complex, waardoor de reductie van zuurstof tot water wordt geblokkeerd. Dit stopt de ATP-productie en kan fataal zijn.
### 2.3 Protonengradiënt en ATP-synthese
De passage van elektronen door de complexen I, III en IV is gekoppeld aan de translocatie van protonen ($H^+$) van de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte. Dit creëert een elektrochemische protonengradiënt, ook wel proton motive force (PMF) genoemd, over de binnenste membraan. Deze gradiënt bestaat uit een chemische component (pH-gradiënt) en een elektrische component (membraanpotentiaal).
#### 2.3.1 ATP-synthase (Complex V)
De energie die opgeslagen is in de protonengradiënt wordt benut door ATP-synthase, een groot enzymcomplex in de binnenste membraan. Dit complex bestaat uit twee hoofdcomponenten:
* **F$_0$-deel:** Geïntegreerd in de binnenste membraan, vormt het een kanaal waar protonen doorheen kunnen stromen. Het bevat een rotor (c-ring, bestaande uit 9-12 subunits, en de $\gamma$- en $\epsilon$-subunits).
* **F$_1$-deel:** Steekt uit naar de matrix en bevat de katalytische subunits ($\alpha_3\beta_3$) en regulerende subunits ($\gamma, \delta, \epsilon$).
**Werkingsmechanisme:**
1. Protonen stromen vanuit de intermembranaire ruimte via het F$_0$-kanaal terug naar de matrix.
2. De protonenstroom zorgt ervoor dat de c-ring in het F$_0$-deel roteert.
3. De rotatie van de c-ring drijft de $\gamma$-subunit in het F$_1$-deel aan, die asymmetrisch in de $\alpha_3\beta_3$-hexagonale structuur van de katalytische subunits steekt.
4. De rotatie van de $\gamma$-subunit veroorzaakt conformationele veranderingen in de $\alpha$ en $\beta$ subunits van het F$_1$-deel.
5. Deze conformationele veranderingen faciliteren de synthese van ATP uit ADP en anorganisch fosfaat (P$_i$). De drie conformationele toestanden van het actieve centrum zijn: Open (O), Los (L, met lage affiniteit voor ADP en P$_i$) en Strak (T, met hoge affiniteit voor gebonden ADP en P$_i$, leidend tot ATP-synthese).
**Tip:** Het proces is vergelijkbaar met een dynamo, waarbij mechanische energie (protonenstroom) wordt omgezet in chemische energie (ATP).
### 2.4 Ontkoppeling van oxidatie en fosforylatie
Soms wordt de protonengradiënt "kortgesloten", waardoor energie vrijkomt als warmte in plaats van wordt gebruikt voor ATP-synthese.
* **Chemische ontkoppelaars:** Stoffen zoals 2,4-dinitrofenol (DNP) zijn lipofiel en kunnen protonen door de membraan transporteren, waardoor de gradiënt wordt opgeheven zonder ATP-synthese.
* **Thermogenine (UCP-1):** Dit ontkoppelingseiwit is voornamelijk aanwezig in bruin vetweefsel en is fysiologisch belangrijk voor thermogenese (warmteproductie), vooral bij pasgeborenen en dieren die overwinteren. Het wordt geactiveerd door noradrenaline en vrije vetzuren.
**Tip:** Ontkoppeling kan gevaarlijk zijn omdat het leidt tot warmteproductie en een afname van ATP-productie, wat ernstige gevolgen kan hebben.
### 2.5 Verschillen in ATP-opbrengst
De netto ATP-opbrengst verschilt afhankelijk van waar de elektronen de ETK binnenkomen:
* **NADH (matrix):** Elektronen komen binnen via Complex I, wat leidt tot protonenpomping bij Complex I, III en IV. Dit resulteert in de productie van ongeveer 3 ATP-moleculen per NADH.
* **FADH$_2$:** Elektronen komen binnen via Complex II, direct op ubiquinon (CoQ). Hierdoor worden de protonenpompen bij Complex I overgeslagen. Dit leidt tot de productie van ongeveer 2 ATP-moleculen per FADH$_2$.
* **Cytoplasmatisch NADH:** Kan de mitochondriale membraan niet direct passeren. Via pendelsystemen (zoals het glycerol-3-fosfaat shuttle of het malaat-aspartaat shuttle) worden de reducerende equivalenten naar de matrix getransporteerd.
* **Glycerol-3-fosfaat shuttle:** Resulteert in de vorming van FADH$_2$ in de matrix (direct op ubiquinon), wat leidt tot ongeveer 2 ATP per cytoplasmatisch NADH. Dit systeem komt voor in spieren en lever.
* **Malaat-aspartaat shuttle:** Resulteert in de vorming van NADH in de matrix, wat leidt tot ongeveer 3 ATP per cytoplasmatisch NADH. Dit systeem is efficiënter en komt voor in hartspieren en levercellen.
**Tip:** Het malaat-aspartaat shuttle is efficiënter omdat het direct NADH in de matrix genereert, waardoor de volledige protonenpompen van het ETK benut kunnen worden.
### 2.6 Respiratoire controle
Het elektronentransport en de oxidatieve fosforylatie zijn nauw met elkaar gekoppeld en gereguleerd door de energietoestand van de cel. De snelheid van het ETK wordt voornamelijk bepaald door de beschikbaarheid van substraten (NADH, FADH$_2$, O$_2$) en de concentratie van ADP en P$_i$.
* Een **hoge ADP-concentratie** (lage energielading) stimuleert het ETK en de ATP-synthese. ADP is een allostere activator voor vele enzymen in de glycolyse, Krebs-cyclus en het ETK.
* Een **hoge ATP-concentratie** (hoge energielading) remt deze processen.
**Tip:** Dit mechanisme, bekend als respiratoire controle, zorgt ervoor dat de energieproductie wordt afgestemd op de energiebehoefte van de cel.
### 2.7 Alternatieve elektronentransportketens
Naast de ATP-producerende ETK in mitochondriën, zijn er andere elektronentransportketens:
* **Cytochroom P450-systemen:** Gevonden in levermicrosomen en mitochondriën, betrokken bij hydroxylatiereacties (detoxificatie van medicijnen, steroïden, etc.). Ze gebruiken NADPH als elektronenbron en produceren geen ATP.
* **Anaerobe elektronentransportketens:** Gebruikt door sommige bacteriën in afwezigheid van zuurstof. Verschillende terminale elektronenacceptoren worden gebruikt, zoals sulfaat (SO$_4^{2-}$), nitraat (NO$_3^-$) of CO$_2$. Deze systemen leveren minder energie op dan de aerobe oxidatie met zuurstof.
**Tip:** Hoewel deze systemen ook elektronen transporteren, is hun primaire functie niet ATP-synthese, maar eerder metabole transformatie of detoxificatie.
---
# Ontkoppeling van oxidatie en protonengradiënt
De ontkoppeling van de oxidatie en de protonengradiënt beschrijft mechanismen die de normale koppeling tussen elektronentransport en ATP-synthese verbreken, met als gevolg warmteproductie in plaats van ATP-vorming.
### 3.1 Chemische ontkoppelaars
Chemische ontkoppelaars zijn stoffen die de protonengradiënt over het binnenmembraan van de mitochondriën kunnen tenietdoen.
#### 3.1.1 2,4-dinitrofenol (DNP)
* **Werking:** DNP is een zwak zuur en lipofiel molecuul. Het kan protonen ($H^+$) opnemen aan de ene kant van het membraan (bv. in de intermembranaire ruimte) en ze aan de andere kant (in de matrix) weer loslaten. Hierdoor "lekt" de protonengradiënt weg zonder via het ATP-synthase te lopen.
* **Gevolg:** De energiestroom die normaal gebruikt wordt voor ATP-synthese, wordt omgezet in warmte. Het elektronentransport zelf verloopt in principe normaal.
* **Toepassing (historisch):** DNP werd vroeger beschouwd als een 'ideale dieetpil' omdat het de vetzuuroxidatie stimuleert en tegelijkertijd de energie die hierbij vrijkomt omzet in warmte in plaats van ATP.
* **Risico's:** Het kortsluiten van de 'batterij' (protonengradiënt) leidt tot warmteontwikkeling. Dit kan leiden tot hyperthermie (verhoogde lichaamstemperatuur) en andere ernstige bijwerkingen, zelfs bij lage concentraties. Het ontkoppelingseffect is niet selectief voor ATP-vorming, maar beïnvloedt de gehele energiehuishouding van de cel.
### 3.2 Fysiologische ontkoppeling: Thermogenine
Fysiologische ontkoppeling vindt plaats via specifieke eiwitten die de membraanpermeabiliteit voor protonen verhogen, wat leidt tot warmteproductie.
#### 3.2.1 Thermogenine in bruin vetweefsel
* **Locatie:** Dit mechanisme is voornamelijk actief in bruin vetweefsel (brown adipose tissue - BAT). De bruine kleur van dit weefsel wordt veroorzaakt door de hoge concentratie mitochondriën, rijk aan cytochromen.
* **Rol van Thermogenine:** Thermogenine (ook bekend als UCP-1, Uncoupling Protein 1) is een ontkoppelingseiwit dat zich in het binnenmembraan van de mitochondriën bevindt. Het creëert een kanaal waardoor protonen terug kunnen stromen naar de matrix, onafhankelijk van het ATP-synthase.
* **Activering:** De activiteit van thermogenine wordt gestimuleerd door een stijgende concentratie van vrije vetzuren, vaak als gevolg van de vrijzetting van noradrenaline (een stresshormoon).
* **Functie:** De primaire functie is het genereren van warmte om de lichaamstemperatuur op peil te houden, vooral bij pasgeborenen en dieren die winterslaap houden. De energie die vrijkomt uit de elektronentransportketen wordt niet gebruikt voor ATP-synthese, maar omgezet in warmte.
* **Andere UCP's:** Naast UCP-1 zijn er ook UCP-2 en UCP-3, met vergelijkbare, zij het mogelijk meer gedifferentieerde, rollen in metabole regulatie en warmteproductie. Deze worden ook gestimuleerd door vrije vetzuren en geïnhibeerd door ATP en ADP.
> **Tip:** Het begrijpen van de ontkoppeling van oxidatie en protonengradiënt is cruciaal om te snappen hoe cellen hun energie kunnen omzetten in warmte, wat essentieel is voor thermoregulatie, en hoe chemische stoffen deze processen kunnen beïnvloeden met potentieel gevaarlijke gevolgen.
---
# Verschillen in elektronendonatie en ATP-rendement
Dit hoofdstuk bespreekt de verschillende instappunten van elektronen in de elektronentransportketen (ETK) en de impact hiervan op de efficiëntie van ATP-productie, inclusief de rol van shuttle systemen voor cytoplasmatisch NADH.
### 4.1 Elektronentransportketen en redoxreacties
#### 4.1.1 Reductiepotentiaal en elektronentransport
Redoxreacties omvatten de overdracht van elektronen van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans). De neiging van een atoom, ion of molecuul om elektronen op te nemen wordt uitgedrukt door de reductiepotentiaal ($E$). Het nulpunt van de reductiepotentiaal is gedefinieerd bij de reactie $H^+ + e^- \rightleftharpoons H$ onder standaardomstandigheden (1 M concentratie, 1 atm druk, 25 °C).
* Een negatieve reductiepotentiaal ($E < 0$) geeft aan dat de substantie een lagere affiniteit voor elektronen heeft dan waterstof.
* Een positieve reductiepotentiaal ($E > 0$) geeft aan dat de substantie een hogere affiniteit voor elektronen heeft dan waterstof.
In een redoxreactie bewegen elektronen spontaan van componenten met een lagere (meer negatieve) reductiepotentiaal naar componenten met een hogere (meer positieve) reductiepotentiaal. In biologische systemen wordt de standaard reductiepotentiaal vaak aangeduid met $E_0'$, wat de potentiaal onder fysiologische omstandigheden (pH 7, [H⁺] = $10^{-7}$ M) weergeeft. De reactie $H^+ + e^- \rightarrow H$ heeft een $E_0'$ van -0,42 V. Voor reacties waarbij protonen betrokken zijn, wordt de $E_0'$ waarde met 0,42 V verminderd ten opzichte van de $E_0$ waarde.
#### 4.1.2 Energieopbrengst van redoxreacties
De energie die vrijkomt bij een redoxreactie is direct gerelateerd aan het verschil in standaard reductiepotentiaal ($\Delta E_0'$) tussen de donor en de acceptor. De relatie wordt gegeven door:
$$ \Delta G^\circ{}' = -n \cdot F \cdot \Delta E_0' $$
waarin:
* $\Delta G^\circ{}'$ de standaard vrije energieverandering is.
* $n$ het aantal overgedragen elektronen is.
* $F$ de Faraday constante is (ongeveer 23,06 kcal·mol⁻¹·V⁻¹).
Een positieve $\Delta E_0'$ leidt tot een negatieve $\Delta G^\circ{}'$, wat betekent dat de reactie spontaan verloopt en energie vrijgeeft. De oxidatie van NADH door zuurstof is een voorbeeld van een redoxreactie met een grote positieve $\Delta E_0'$ en daarmee een aanzienlijke energieopbrengst.
* **Voorbeeld:** De oxidatie van NADH door ½ O₂ tot NAD⁺ en H₂O heeft een $\Delta E_0'$ van +1,14 V, wat resulteert in een $\Delta G^\circ{}'$ van ongeveer -52,58 kcal/mol. Deze vrijgekomen energie wordt gebruikt voor de synthese van ATP.
### 4.2 De elektronentransportketen (ETK) en protonenpompen
De elektronentransportketen, gesitueerd in het binnenste mitochondriale membraan, is een reeks eiwitcomplexen die elektronen geleidelijk overdragen van NADH en FADH₂ naar zuurstof. Deze elektronentransfer is gekoppeld aan het pompen van protonen (H⁺) vanuit de mitochondriale matrix naar de intramembranale ruimte.
* **Complex I (NADH-dehydrogenase complex):** Accepteert elektronen van NADH, oxideert dit tot NAD⁺, en draagt de elektronen over via FMN en ijzer-zwavelcentra. Dit complex pompt protonen.
* **Complex II (Succinaat-dehydrogenase complex):** Accepteert elektronen van FADH₂, gevormd tijdens de citroenzuurcyclus, en draagt deze over via ijzer-zwavelcentra naar ubiquinon. Dit complex pompt geen protonen.
* **Ubiquinon (Co-enzym Q):** Een mobiele elektronendrager die elektronen accepteert van Complex I en II en deze doorgeeft aan Complex III.
* **Complex III (Cytochroom bc₁ complex):** Accepteert elektronen van ubiquinon en draagt deze over aan cytochroom c. Dit complex pompt protonen.
* **Cytochroom c:** Een mobiele elektronendrager die elektronen van Complex III overdraagt aan Complex IV.
* **Complex IV (Cytochroom c oxidase):** Accepteert elektronen van cytochroom c en draagt deze over aan zuurstof, waarbij water wordt gevormd. Dit complex pompt protonen.
De stapsgewijze overdracht van elektronen langs de ETK maximaliseert de energieconversie en minimaliseert energieverlies als warmte. De protonen die naar de intramembranale ruimte worden gepompt, creëren een elektrochemische gradiënt (protonengradiënt), die de drijvende kracht vormt voor ATP-synthese.
#### 4.2.1 ATP-synthese door ATP-synthase
De protonengradiënt wordt gebruikt door het ATP-synthase complex (ook wel F₀F₁ ATPase genoemd) om ATP te synthetiseren uit ADP en anorganisch fosfaat (Pᵢ). Protonen stromen terug naar de matrix via het F₀-deel van het complex, wat een rotatiebeweging in het F₁-deel veroorzaakt. Deze rotatie leidt tot conformationele veranderingen in de α- en β-subeenheden van het F₁-deel, waardoor ATP wordt gevormd.
### 4.3 Verschillen in elektronendonatie en ATP-rendement
Het rendement van ATP-productie is afhankelijk van het instappunt van de elektronen in de ETK.
#### 4.3.1 NADH versus FADH₂
* **NADH:** Elektronen afkomstig van cytoplasmatisch NADH die via de **malate-aspartaat shuttle** de mitochondriën binnenkomen, treden de ETK binnen bij Complex I. Dit leidt tot de pomp van protonen door Complex I, III en IV, resulterend in de productie van ongeveer **3 ATP-moleculen per NADH**.
* **FADH₂:** Elektronen afkomstig van mitochondrieel FADH₂ (gevormd uit succinaat in de citroenzuurcyclus) treden de ETK binnen bij ubiquinon (via Complex II). Hierdoor wordt Complex I overgeslagen, en worden er minder protonen gepompt. Dit resulteert in de productie van ongeveer **2 ATP-moleculen per FADH₂**.
#### 4.3.2 Cytoplasmatisch NADH en shuttle systemen
Cytoplasmatisch NADH, gevormd tijdens glycolyse, kan niet direct de binnenste mitochondriale membraan passeren. Om de elektronen van cytoplasmatisch NADH alsnog te benutten voor ATP-productie, maken cellen gebruik van shuttle systemen:
* **Glycerol-3-fosfaat shuttle:** Elektronen van cytoplasmatisch NADH worden overgedragen aan dihydroxyacetonfosfaat (DHAP), wat glycerol-3-fosfaat vormt. Glycerol-3-fosfaat kan de membraan passeren en zijn elektronen afgeven aan FAD, dat dan ubiquinon reduceert. Omdat Complex I wordt overgeslagen, levert dit systeem slechts ongeveer **2 ATP-moleculen per cytoplasmatisch NADH** op. Dit systeem komt voor in spierweefsel en andere weefsels.
* **Malate-aspartaat shuttle:** Dit systeem, voornamelijk aanwezig in lever en hartspier, zet cytoplasmatisch NADH om in mitochondrieel NADH. De elektronen worden via oxaalacetaat en malaat overgedragen. Malaat wordt in de matrix weer geoxideerd tot oxaalacetaat, waarbij mitochondrieel NADH wordt gevormd. Door transaminatie wordt oxaalacetaat omgezet in aspartaat, dat de matrix verlaat. Dit systeem zorgt ervoor dat mitochondrieel NADH wordt gevormd, wat de productie van ongeveer **3 ATP-moleculen per cytoplasmatisch NADH** mogelijk maakt, wat een hoger rendement oplevert.
**Tip:** Het verschil in ATP-rendement tussen NADH en FADH₂ (en tussen verschillende shuttle systemen) is cruciaal voor het begrijpen van de algehele energiebalans van de cel. Houd rekening met het instappunt in de ETK.
**Voorbeeld:** Hoewel glycolyse netto 2 NADH produceert, leidt de omzetting via de glycerol-3-fosfaat shuttle tot een lagere ATP-opbrengst (2 x 2 = 4 ATP) vergeleken met de malate-aspartaat shuttle (2 x 3 = 6 ATP).
### 4.4 Ontkoppeling van oxidatie en fosforylatie
Sommige stoffen, zoals 2,4-dinitrofenol (DNP), kunnen de protonengradiënt verstoren door protonen terug te laten stromen naar de matrix zonder via ATP-synthase te gaan. Dit **ontkoppelt** de oxidatie (elektronentransport) van de fosforylatie (ATP-synthese), waardoor energie voornamelijk als warmte vrijkomt.
* **Thermogenine:** Een ontkoppelingseiwit, voornamelijk aanwezig in bruin vetweefsel, dat een fysiologische rol speelt bij warmteproductie (thermogenese), vooral bij pasgeborenen en dieren die in koude omgevingen leven. Dit eiwit laat protonen terugstromen naar de matrix, waardoor de energie van de gradiënt wordt omgezet in warmte in plaats van ATP. Vrije vetzuren kunnen deze eiwitten activeren.
---
## 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
Glossary
| Term | Definition |
|------|------------|
| Redoxreactie | Een chemische reactie waarbij elektronen worden overgedragen van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans). Dit proces omvat zowel oxidatie als reductie. |
| Reductiepotentiaal | De neiging van een atoom, ion of molecule om elektronen op te nemen, weergegeven als een potentiaalverschil ten opzichte van een referentiepunt. Een hogere (meer positieve) reductiepotentiaal duidt op een grotere affiniteit voor elektronen. |
| E0 | De standaard reductiepotentiaal van een halfreactie, gemeten onder standaardomstandigheden (25 °C, 1 M concentratie van reactanten, 1 atm druk). |
| E0' | De standaard reductiepotentiaal onder biochemische omstandigheden, waarbij de protonconcentratie is ingesteld op een pH van 7 (een [H+] van $10^{-7}$ M). |
| Donor | Een stof die elektronen (reducerende equivalenten) afstaat in een redoxreactie. |
| Oxidans | Een stof die een andere stof oxideert en daarbij zelf wordt gereduceerd door elektronen op te nemen. |
| Elektronentransportketen (ETK) | Een reeks eiwitcomplexen en mobiele dragers in het mitochondriale binnenmembraan die elektronen transporteren van reducerende equivalenten naar zuurstof, waarbij energie wordt vrijgemaakt. |
| Protonengradiënt | Een verschil in concentratie en elektrische lading van protonen ($H^+$) over een membraan, wat leidt tot een elektrochemische gradiënt en een potentieel energieverschil. |
| ATP-synthase | Een enzymcomplex dat zich bevindt in de mitochondriale binnenmembraan en de energie van de protonengradiënt gebruikt om ADP en anorganisch fosfaat te converteren naar ATP. |
| Ontkoppeling | Een proces waarbij de koppeling tussen elektronentransport en ATP-synthese wordt verbroken, waardoor de energie van de protonengradiënt wordt omgezet in warmte in plaats van ATP. |
| Thermogenine | Een ontkoppelingseiwit dat voornamelijk voorkomt in bruin vetweefsel en de protonengradiënt doorlaat zonder ATP-synthese, wat resulteert in warmteproductie ter regulatie van de lichaamstemperatuur. |
| NADH | Nicotinamide-adenine-dinucleotide, een co-enzym dat reducerende equivalenten (elektronen en protonen) transporteert en een belangrijke donor is in de elektronentransportketen. |
| FADH2 | Gereduceerd flavine-adenine-dinucleotide, een co-enzym dat elektronen transporteert en als donor fungeert in de elektronentransportketen, met een iets lagere energiewaarde dan NADH. |
| Ubichinon (Co-enzym Q) | Een lipofiele mobiele elektronendrager in de elektronentransportketen die elektronen overdraagt van complex I en II naar complex III. |
| Cytochroom c | Een mobiel eiwit dat elektronen overdraagt van complex III naar complex IV in de elektronentransportketen. |
| Cytochroomoxidasen (complex IV) | Het laatste complex in de elektronentransportketen dat elektronen overdraagt aan zuurstof en tegelijkertijd protonen naar de intermembranaire ruimte pompt. |
| Energetisch rendement | De verhouding van de geproduceerde nuttige energie (bv. ATP) ten opzichte van de totale beschikbare energie uit een proces. |