Hoofdstuk IVstd.pptx

# Redoxreacties en reductiepotentiaal Redoxreacties zijn fundamenteel voor het begrijpen van energietransport in biologische systemen, waarbij elektronen worden overgedragen van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans), wat wordt gekwantificeerd door het concept van reductiepotentiaal. ### 1.1 Redoxreacties: elektronenoverdracht * Een **redoxreactie** omvat de overdracht van elektronen, en soms ook protonen, tussen moleculen. * **Oxidans**: een molecuul dat elektronen opneemt en zelf wordt gereduceerd. * **Reductans**: een molecuul dat elektronen afstaat en zelf wordt geoxideerd. * In een spontane redoxreactie bewegen elektronen van een substantie met een lagere affiniteit voor elektronen (meer negatieve potentiaal) naar een substantie met een hogere affiniteit voor elektronen (meer positieve potentiaal). ### 1.2 Reductiepotentiaal (E) * **Definitie**: de neiging van een atoom, ion of molecuul om elektronen op te nemen. Dit wordt uitgedrukt als de **reductiepotentiaal ($E$)**. * **Nulpunt**: De reductiepotentiaal wordt gedefinieerd ten opzichte van een standaardreferentiepunt, namelijk de reductie van protonen tot waterstofgas: $$H^+ + e^- \rightleftharpoons \frac{1}{2} H_2$$ Dit standaard nulpunt wordt gemeten bij $25\,^\circ\text{C}$, 1 atmosfeer druk, en een concentratie van 1 M voor protonen. * **Interpretatie van de potentiaalwaarde**: * **Negatieve reductiepotentiaal ($E < 0$)**: De substantie heeft een lagere affiniteit voor elektronen dan waterstof. Het zal dus gemakkelijker elektronen afstaan dan opnemen van waterstof. * **Positieve reductiepotentiaal ($E > 0$)**: De substantie heeft een hogere affiniteit voor elektronen dan waterstof. Het zal dus gemakkelijker elektronen opnemen dan afstaan aan waterstof. * **Elektronenstroom in redoxreacties**: Elektronen bewegen spontaan van een component met de meest negatieve reductiepotentiaal naar een component met de meest positieve reductiepotentiaal. ### 1.3 Biologische reductiepotentiaal (E0') * Voor biologische reacties wordt vaak gebruik gemaakt van de **gestandaardiseerde biologische reductiepotentiaal ($E^0'$)**. * Dit concept houdt rekening met de fysiologische omstandigheden in cellen, met name de pH. * De $E^0'$ waarde is gedefinieerd bij pH 7, wat overeenkomt met een $[H^+]$ van $10^{-7}$ M, in plaats van de $[H^+]$ van 1 M die bij de standaard $E^0$ wordt gebruikt. * Het verschil in potentiaal tussen $E^0$ en $E^0'$ voor reacties waarbij protonen betrokken zijn, bedraagt 0,42 V. * De waarde voor de reactie $H^+ + e^- \rightleftharpoons \frac{1}{2} H_2$ bij pH 7 is dan ook $E^0' = -0,42$ V. * Wanneer protonen in een reactie betrokken zijn, wordt de $E^0'$ waarde van de reactie met 0,42 V verminderd ten opzichte van de $E^0$ waarde. * **Voorbeeld**: De reductie van zuurstof tot water: * Bij pH 0: $\frac{1}{2} O_2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2O$, met $E^0 = +1,23$ V. * Bij pH 7: $\frac{1}{2} O_2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2O$, met $E^0' \approx +1,23 \text{ V} - 0,42 \text{ V} = +0,82$ V. > **Tip:** Het begrip $E^0'$ is cruciaal omdat biologische systemen opereren bij een fysiologische pH van 7. Het incorporeert de effecten van protonenconcentratie op de redoxpotentiaal. ### 1.4 Berekening van de potentiaalverandering in redoxreacties * Bij een redoxreactie zijn er altijd twee halfreacties betrokken: een oxidatie en een reductie. * De totale verandering in reductiepotentiaal ($ \Delta E^0' $) voor een redoxreactie wordt berekend als de som van de reductiepotentialen van de individuele halfreacties, waarbij de potentiaal van de geoxideerde component wordt afgetrokken van die van de gereduceerde component (of omgekeerd, afhankelijk van de definitie van de halfreacties in de context van de totale reactie). Een meergebruikte methode is de potentiaal van de acceptor min de potentiaal van de donor. $$ \Delta E^0' = E^0' (\text{acceptor}) - E^0' (\text{donor}) $$ * Een positieve $ \Delta E^0' $ geeft aan dat de reactie spontaan zal verlopen in de richting zoals deze is geschreven. > **Voorbeeld:** Pyruvaat reductie tot lactaat door NADH. > > * Halfreactie 1 (reductie van NADH): $NAD^+ + 2H^+ + 2e^- \rightleftharpoons NADH + H^+$, met $E^0' = -0,32$ V. > * Halfreactie 2 (reductie van pyruvaat): Pyruvaat $+ 2H^+ + 2e^- \rightleftharpoons$ Lactaat, met $E^0' = -0,19$ V. > > De elektronen zullen van NADH naar pyruvaat vloeien omdat NADH een lagere reductiepotentiaal heeft. > > De netto redoxreactie is: Pyruvaat $+$ NADH $+$ H$^+$ $\rightarrow$ Lactaat $+$ NAD$^+$ > > De $ \Delta E^0' $ voor deze reactie is: > $$ \Delta E^0' = E^0' (\text{lactaat/pyruvaat}) - E^0' (NADH/NAD^+) = (-0,19 \text{ V}) - (-0,32 \text{ V}) = +0,13 \text{ V} $$ > Een positieve $ \Delta E^0' $ bevestigt dat deze reactie spontaan verloopt. ### 1.5 Energiekoppeling en vrije energie * De verandering in standaard vrije energie ($ \Delta G^{0'} $) is direct gerelateerd aan de verandering in reductiepotentiaal ($ \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. * $ F $ de constante van Faraday is ($ \approx 23,06 $ kcal$\cdot$mol$^{-1}$$\cdot$V$^{-1}$). * Een positieve $ \Delta E^{0'} $ resulteert in een negatieve $ \Delta G^{0'} $, wat aangeeft dat de reactie energie vrijgeeft (exergonisch is). Deze vrijgekomen energie kan worden gebruikt voor andere processen, zoals ATP-synthese. > **Voorbeeld:** De oxidatie van NADH door zuurstof. > > * NADH oxidatie: $NADH + H^+ \rightarrow NAD^+ + 2H^+ + 2e^-$, $E^0' = -0,32$ V (dit is de oxidatiepotentiaal, dus het is de *negatie* van de reductiepotentiaal van de omgekeerde reactie). De elektronen komen van NADH. > * Zuurstofreductie: $\frac{1}{2} O_2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2O$, $E^0' = +0,82$ V. Zuurstof is de elektronenacceptor. > > De netto reactie is: $NADH + H^+ + \frac{1}{2} O_2 \rightarrow NAD^+ + H_2O$ > > De $ \Delta E^0' $ is: > $$ \Delta E^0' = E^0' (\text{zuurstof/water}) - E^0' (NADH/NAD^+) = (+0,82 \text{ V}) - (-0,32 \text{ V}) = +1,14 \text{ V} $$ > > De vrijgekomen energie: > $$ \Delta G^{0'} = -n \cdot F \cdot \Delta E^{0'} = -2 \cdot (23,06 \text{ kcal}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{V}^{-1}) \cdot (1,14 \text{ V}) \approx -52,58 \text{ kcal}\cdot\text{mol}^{-1} $$ > > Deze grote hoeveelheid vrijgekomen energie is cruciaal voor de oxidatieve fosforylering. ### 1.6 Rol in de Elektronentransportketen (ETK) * De elektronentransportketen in de mitochondriën maakt gebruik van een serie redoxreacties om de energie van elektronen, afkomstig van energiedragers zoals NADH en FADH$_2$, stapsgewijs af te geven. * De elektronen worden overgedragen aan zuurstof als finale elektronenacceptor, waarbij water wordt gevormd. * De potentiële energie die vrijkomt tijdens de elektronenoverdracht langs de ETK wordt gebruikt om protonen (H$^+$) vanuit de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte te pompen. * Dit creëert een protonengradiënt over het binnenmembraan van de mitochondriën, wat een vorm van potentiële energie is. * De terugstroom van protonen door ATP-synthase, gedreven door deze gradiënt, wordt gebruikt om ATP te synthetiseren uit ADP en anorganisch fosfaat. > **Belangrijk:** De richting van de elektronenstroom in de ETK wordt volledig bepaald door de oplopende reductiepotentialen van de opeenvolgende componenten. Dit zorgt voor een efficiënte en gecontroleerde energieconversie. --- # Elektronentransportketen en protonengradiënt Dit onderwerp behandelt de structuur en functie van de elektronentransportketen (ETK) in de mitochondriën, de koppeling van elektronentransfer met protonentranslocatie, en de vorming van een protonengradiënt die cruciaal is voor ATP-synthese. ### 2.1 Redoxreacties en reductiepotentialen Redoxreacties zijn fundamenteel voor de energieoverdracht in biologische systemen. Ze omvatten de overdracht van elektronen van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans). De neiging van een atoom, ion of molecule om elektronen op te nemen wordt uitgedrukt in de reductiepotentiaal, aangeduid met $E$. Het nulpunt is gedefinieerd voor de reactie $H^+ + e^- \rightleftharpoons \frac{1}{2}H_2$ bij $25 \ ^\circ C$, $1 \ atm$ en een concentratie van $1 \ M$. * Een negatieve reductiepotentiaal ($E < 0$) geeft aan dat de substantie een lagere affiniteit voor elektronen heeft dan waterstof en dus eerder elektronen zal afgeven. * Een positieve reductiepotentiaal ($E > 0$) duidt op een hogere affiniteit voor elektronen. In een spontane redoxreactie bewegen elektronen van een systeem met een meer negatieve reductiepotentiaal naar een systeem met een meer positieve reductiepotentiaal. In biologische systemen wordt vaak gewerkt met de standaardomstandigheden $E^\circ'$, die rekening houden met een pH van 7 ($[H^+] = 10^{-7} \ M$) in plaats van pH 0. De reductiepotentiaal voor de standaardwaterstofelektrode bij pH 7 is $E^\circ' = -0.42 \ V$. Dit betekent dat reacties waarbij protonen betrokken zijn, een $E^\circ'$ waarde hebben die $0.42 \ V$ lager ligt dan hun $E^\circ$ waarde. **Voorbeeld:** Voor de reductie van zuurstof tot water ($\frac{1}{2}O_2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2O$) geldt bij pH 0: $E^\circ = +1.23 \ V$. Bij pH 7 is de $E^\circ'$ waarde dus ongeveer $1.23 \ V - 0.42 \ V = +0.82 \ V$. De totale verandering in standaard reductiepotentiaal ($\Delta E^\circ'$) voor een redoxreactie wordt berekend als de som van de reductiepotentialen van de individuele halfreacties: $\Delta E^\circ' = E^\circ'_{\text{acceptor}} - E^\circ'_{\text{donor}}$. De verandering in Gibbs vrije energie ($\Delta G^\circ'$) is gerelateerd aan $\Delta E^\circ'$ via de formule: $$ \Delta G^\circ' = -n \cdot F \cdot \Delta E^\circ' $$ waarin: * $n$ het aantal overgedragen elektronen is. * $F$ de constante van Faraday is ($23.06 \ kcal \cdot mol^{-1} \cdot V^{-1}$). Een positieve $\Delta E^\circ'$ correspondeert met een negatieve $\Delta G^\circ'$, wat duidt op een spontane reactie en vrijkomende energie. ### 2.2 De elektronentransportketen (ETK) in mitochondriën De ETK, gesitueerd in het binnenste mitochondriale membraan, is een reeks redoxcentra die elektronen van energiedragers zoals NADH en FADH$_2$ overdragen aan zuurstof als finale elektronenacceptor. Deze elektronentransfer is gekoppeld aan het pompen van protonen ($H^+$) van de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte, wat leidt tot de vorming van een elektrochemische protonengradiënt. De belangrijkste componenten van de ETK zijn: * **Flavine-gekoppelde dehydrogenasen:** Zoals NADH-dehydrogenase (Complex I). * **IJzer-zwavel eiwitten (Fe-S centra):** Bevatten ijzerionen die reversibel hun oxidatietoestand kunnen veranderen (Fe$^{3+}$ $\rightleftharpoons$ Fe$^{2+}$). * **Cytochromen:** Eiwitten met heamgroepen die ijzer bevatten en in staat zijn tot elektronentransfer. * **Ubichinon (Coënzym Q of CoQ):** Een mobiele lipofiele drager die elektronen opneemt van Complex I en II en deze doorgeeft aan Complex III. * **Cytochrom c:** Een klein, mobiel eiwit dat elektronen transporteert van Complex III naar Complex IV. * **Kopercentra:** Vaak geassocieerd met heamgroepen in cytochromen (zoals in Complex IV). #### 2.2.1 De componenten van de ETK De ETK is georganiseerd in grote proteïnecomplexen, met mobiele dragers ertussen: 1. **NADH-dehydrogenase-complex (Complex I):** * Zet twee elektronen en twee protonen van NADH en H$^+$ over op flavine mononucleotide (FMN). * Bevat ijzer-zwavelcentra die de elektronen verder transporteren. * De reactie is: $NADH + H^+ + FMN \rightleftharpoons FMNH_2 + NAD^+$ en $FMNH_2 + 2e^- \rightarrow FMN + 2H^+$. * Tijdens de oxidatie van NADH worden protonen van de matrix naar de intermembranaire ruimte gepompt. 2. **Ubichinon (Coënzym Q):** * Een lipofiel molecuul dat elektronen van Complex I en II ontvangt en naar Complex III transporteert. * Ubichinon wordt gereduceerd tot ubichinol (CoQH$_2$). * Reactie: $2e^- + CoQ + 2H^+ \rightleftharpoons CoQH_2$. 3. **Cytochroom-b-c$_1$-complex (Complex III):** * Ontvangt elektronen van ubichinol en geeft deze door aan cytochroom c. * Bevat cytochromen b, cytochroom c$_1$ en een ijzer-zwavel-eiwit. * Protonen worden tijdens dit proces van de matrix naar de intermembranaire ruimte gepompt. 4. **Cytochroom c:** * Een klein, mobiel eiwit met een heamgroep. * Draagt elektronen over 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. **Cytochroom-c-oxidase (Complex IV):** * Het laatste complex dat elektronen van cytochroom c ontvangt en overdraagt aan zuurstof, wat resulteert in de vorming van water. * Bevat cytochromen a en a$_3$ en kopercentra. * De finale reactie waarbij 4 elektronen betrokken zijn: $O_2 + 4e^- + 4H^+ \rightarrow 2H_2O$. * Dit complex pompt ook protonen van de matrix naar de intermembranaire ruimte. #### 2.2.2 Protonentranslocatie en de protonengradiënt De overdracht van elektronen door de ETK is gekoppeld aan het pompen van protonen ($H^+$) vanuit de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte. Dit gebeurt bij Complex I, III en IV. * **NADH-dehydrogenase-complex:** Pompt protonen. * **Cytochroom-b-c$_1$-complex:** Pompt protonen. * **Cytochroom-c-oxidase:** Pompt protonen. Het pompen van protonen creëert een concentratiegradiënt en een ladingsgradiënt over het binnenste mitochondriale membraan, wat resulteert in een elektrochemische protonengradiënt. Deze gradiënt, ook wel de protonendrijvende kracht genoemd, vertegenwoordigt een vorm van potentiële energie. De componenten van de ETK hebben verschillende reductiepotentialen, wat zorgt voor een gerichte stroom van elektronen van een meer negatieve naar een meer positieve potentiaal. Dit garandeert de directionele voortgang van de keten. * NADH heeft een $E^\circ'$ van $-0.32 \ V$. * Zuurstof heeft een $E^\circ'$ van $+0.82 \ V$. * Het verschil in reductiepotentiaal tussen NADH en O$_2$ is $\Delta E^\circ' = +0.82 \ V - (-0.32 \ V) = +1.14 \ V$. * De vrijgekomen energie is $\Delta G^\circ' = -2 \cdot 23.06 \ kcal \cdot mol^{-1} \cdot V^{-1} \cdot 1.14 \ V \approx -52.58 \ kcal \cdot mol^{-1}$. Deze vrijgekomen energie wordt gebruikt om de protonengradiënt op te bouwen. ### 2.3 De koppeling van protonentranslocatie en ATP-synthese (Chemiosmose) De opgebouwde protonengradiënt wordt benut door een enzymcomplex, ATP-synthase (ook wel $H^+$-ATPase genoemd), om ATP te synthetiseren uit ADP en anorganisch fosfaat ($P_i$). Dit proces staat bekend als oxidatieve fosforylatie en wordt aangedreven door de terugstroom van protonen naar de mitochondriale matrix via ATP-synthase. #### 2.3.1 ATP-synthase ATP-synthase is een complex eiwit dat uit twee belangrijke functionele eenheden bestaat: * **F$_0$-deel:** Geïntegreerd in het binnenste mitochondriale membraan. Het fungeert als een kanaal voor protonen. * **F$_1$-deel:** Steekt uit in de mitochondriale matrix en bevat de katalytische sites voor ATP-synthese. Het werkingsmechanisme is gebaseerd op rotatie: * De protonenstroom door het F$_0$-deel drijft de rotatie aan van een centrale as (de $\gamma$-subunit) die verbonden is met de F$_1$-delen. * Deze rotatie van de $\gamma$-subunit veroorzaakt conformationele veranderingen in de $\alpha_3\beta_3$-subunits van het F$_1$-deel. * Deze conformationele veranderingen (open (O), los gebonden (L), en strak gebonden (T)) leiden tot de synthese van ATP uit ADP en $P_i$ in de T-conformatie, de binding van ADP en $P_i$ in de L-conformatie, en de vrijgave van ATP in de O-conformatie. * Per 120° draai van de $\gamma$-subunit wordt één ATP-molecule gesynthetiseerd en vrijgegeven. > **Tip:** De energie die vrijkomt bij de terugstroom van protonen kan niet alleen gebruikt worden voor ATP-synthese, maar ook voor het transport van metabolieten en het handhaven van lichaamstemperatuur. ### 2.4 Ontkoppeling van de oxidatie en de protonengradiënt Onder bepaalde omstandigheden kan de koppeling tussen de ETK en ATP-synthese worden verbroken (ontkoppeld). * **Chemische ontkoppelaars:** Stoffen zoals 2,4-dinitrofenol (DNP) zijn zwakke, lipofiele zuren die protonen door het binnenste mitochondriale membraan kunnen transporteren, buiten ATP-synthase om. Hierdoor wordt de protonengradiënt tenietgedaan, neemt de elektronentransportnelheid toe om de gradiënt opnieuw op te bouwen, maar wordt er geen ATP geproduceerd. In plaats daarvan komt de energie vrij als warmte. Dit kan leiden tot gevaarlijke hyperthermie. * **Fysiologische ontkoppeling (Thermogenine):** In bruin vetweefsel bevindt zich een ontkoppelings-eiwit, thermogenine (ook wel UCP-1 genoemd). Dit eiwit maakt ook protonen door het membraan, maar op een gereguleerde manier. De energie van de protonengradiënt wordt hierbij efficiënt omgezet in warmte, wat cruciaal is voor het handhaven van de lichaamstemperatuur, met name bij pasgeborenen en dieren in winterslaap. ### 2.5 Verschillen in ATP-opbrengst (NADH versus FADH$_2$) De hoeveelheid ATP die per geoxideerde substraat wordt gevormd, hangt af van waar de elektronen de ETK binnentreden: * **NADH (cytoplasmatisch):** Elektronen van cytoplasmatisch NADH moeten via pendelsystemen (zoals het malaat-aspartaat-pendelsysteem of het glycerol-3-fosfaat-pendelsysteem) naar de mitochondriën worden getransporteerd. Het glycerol-3-fosfaat-pendelsysteem leidt tot de vorming van ongeveer 2 ATP per NADH, omdat de elektronen op ubiquinon worden overgedragen, waardoor Complex I wordt omzeild en één protonenpomp wordt overgeslagen. Het malaat-aspartaat-pendelsysteem zet cytoplasmatisch NADH effectief om in mitochondriaal NADH, wat resulteert in de vorming van ongeveer 3 ATP per NADH. * **FADH$_2$:** Elektronen van FADH$_2$ (gevormd tijdens de citroenzuurcyclus via succinaat dehydrogenase) treden de ETK binnen op ubiquinon (CoQ). Hierdoor worden Complex I en de bijbehorende protonenpomp omzeild, wat resulteert in de vorming van ongeveer 2 ATP per FADH$_2$. ### 2.6 Controle van de oxidatieve fosforylatie De activiteit van de ETK en oxidatieve fosforylatie is nauw gereguleerd en direct afhankelijk van de energievraag van de cel. * **Respiratoire controle:** De snelheid van de ETK wordt grotendeels bepaald door de concentratie van ADP. Een hogere concentratie ADP stimuleert de ETK omdat er meer substraat is voor ATP-synthese. Wanneer de ATP-concentratie hoog is en de ADP-concentratie laag, vertraagt de ETK. * **Beschikbaarheid van substraten:** NADH, FADH$_2$ en zuurstof zijn essentiële inputs voor de ETK. * **Allostere regulatie:** ADP en ATP fungeren ook als allostere regulatoren voor enzymen in glycolyse en de citroenzuurcyclus, waardoor de ETK geïntegreerd is in het algehele energiemetabolisme van de cel. ### 2.7 Overige gerelateerde processen * **Cytochroom P450:** Deze enzymen, aanwezig in de lever in de microsomen (ER-fragmenten) en ook in mitochondriën, zijn betrokken bij hydroxylatiereacties. Ze gebruiken NADPH als elektronenbron en zijn essentieel voor de detoxificatie van xenobiotica (medicijnen, toxines) en de synthese van steroïden en prostaglandines. Ze vormen geen ATP. * **Bacterieel elektronentransport:** In anaërobe omstandigheden gebruiken bacteriën alternatieve finale elektronenacceptoren zoals sulfaat ($SO_4^{2-}$), nitraat ($NO_3^-$) of zwavelverbindingen ($S$, $H_2S$) in plaats van zuurstof. Deze processen leveren over het algemeen minder energie op dan aerobe ademhaling. --- # ATP-synthese en energieregeling Dit hoofdstuk behandelt de synthese van ATP via de protonenstroom gedreven door ATP-synthase, de koppeling van oxidatieve processen aan fosforylatie, en mechanismen zoals ontkoppeling en thermogenine. ### 3.1 Redoxreacties en energieoverdracht Redoxreacties zijn fundamenteel voor energiemetabolisme en 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 het **reductiepotentiaal** ($E$), met als nulpunt de reactie $H^+ + e^- \rightleftharpoons H$ bij 25 °C, 1 atm en 1 M concentratie. Een negatieve reductiepotentiaal betekent een lagere affiniteit voor elektronen dan waterstof, terwijl een positieve potentiaal een hogere affiniteit aangeeft. Elektronen bewegen spontaan van een stof met een lagere reductiepotentiaal naar een stof met een hogere reductiepotentiaal. In biologische systemen wordt de standaard **gemodificeerde reductiepotentiaal** ($E_o'$) gebruikt, die rekening houdt met een protonenconcentratie van $10^{-7}$ M (pH=7). De $E_o'$ voor de waterstofreactie is -0,42 V. Voor reacties die protonen betrekken, wordt de $E_o'$ waarde met 0,42 V verlaagd ten opzichte van de $E_o$ waarde. Bijvoorbeeld, voor de reactie $\frac{1}{2}O_2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2O$ is $E_o' = +0,82$ V bij pH=7, terwijl $E_o = +1,23$ V bij pH=0. De energie die vrijkomt bij een redoxreactie kan worden berekend met de verandering in standaard gemodificeerde vrije energie ($\Delta G_o'$). Deze is gerelateerd aan het verschil in reductiepotentiaal ($\Delta E_o'$) via de formule: $$ \Delta G_o' = -n \cdot F \cdot \Delta E_o' $$ waarbij $n$ het aantal overgedragen elektronen is en $F$ de constante van Faraday (ongeveer 23,06 kcal·mol$^{-1}$·V$^{-1}$). Een positieve $\Delta E_o'$ waarde correspondeert met een negatieve $\Delta G_o'$, wat betekent dat er energie vrijkomt. > **Tip:** Onthoud dat elektronen altijd spontaan bewegen van een lagere (meer negatieve) redoxpotentiaal naar een hogere (meer positieve) redoxpotentiaal. Het verschil in redoxpotentiaal drijft de elektronentransportketen aan. #### 3.1.1 NADH en FADH$_{2}$ in de elektronentransportketen NADH en FADH$_{2}$ zijn belangrijke dragers van reducerende equivalenten (elektronen en protonen) die afkomstig zijn uit metabole processen zoals glycolyse, de Krebs-cyclus en vetzuuroxidatie. In de mitochondriën worden deze elektronen via de elektronentransportketen (ETK) overgedragen aan zuurstof, wat leidt tot de vorming van water en de vrijgave van aanzienlijke energie. De oxidatie van NADH door zuurstof genereert bijvoorbeeld ongeveer -52,6 kcal/mol, energie die gebruikt wordt voor ATP-synthese. De ETK bevindt zich in het binnenste mitochondriale membraan en bestaat uit een reeks eiwitcomplexen en mobiele dragers: 1. **NADH-dehydrogenase-complex (Complex I):** Transfereert elektronen van NADH/H$^+$ naar FMN en vervolgens via ijzer-zwavelcentra naar ubiquinon. Dit complex pompt ook protonen van de matrix naar de intermembranaire ruimte. * Reactie: $NADH + FMN + H^+ \rightleftharpoons FMNH_2 + NAD^+$ * Reactie: $FMNH_2 + 2e^- \rightarrow FMN + 2H^+$ (via FeS centra) 2. **Ubiquinon (Coënzym Q of CoQ):** Een lipofiele, mobiele drager die elektronen ontvangt van Complex I en II en deze doorgeeft aan Complex III. Ubiquinon is ook de terminale elektronacceptor voor FADH$_{2}$ afkomstig van succinaat dehydrogenase. * Reactie: $2e^- + Fe^{3+} + CoQ + 2H^+ \rightleftharpoons 2e^- + Fe^{2+} + CoQH_2$ 3. **Cytochroomreductase (Complex III of b-c$_{1}$-complex):** Ontvangt elektronen van ubiquinol (CoQH$_{2}$) en geeft deze door aan cytochroom c. Dit complex bevat haamgroepen en een ijzer-zwavel-eiwit en pompt ook protonen. * Reactie: $CoQH_2 + 2cyt b Fe^{3+} \rightleftharpoons CoQ + 2H^+ + 2cyt b Fe^{2+}$ * Reactie: $2cyt b Fe^{2+} + 2cyt c_1 Fe^{3+} \rightleftharpoons 2cyt b Fe^{3+} + 2cyt c_1 Fe^{2+}$ 4. **Cytochroom c:** Een klein, mobiel eiwit dat elektronen transporteert 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 IV of a-a$_{3}$-complex):** Ontvangt elektronen van cytochroom c en draagt ze over aan zuurstof, waarbij water wordt gevormd. Dit complex bevat koperionen en haamgroepen en is de laatste protonenpomp in de keten. * Reactie: $O_2 + 4e^- + 4H^+ \rightarrow 2H_2O$ > **Tip:** De ETK is een gestapsgewijs proces dat hogere rendementen oplevert in vergelijking met een directe overdracht van elektronen van NADH naar zuurstof. #### 3.1.2 Protonenoverdracht en de protonengradiënt Een cruciaal aspect van de ETK is de **protonenoverdracht (translocatie)** van de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte, die plaatsvindt bij Complex I, III en IV. Deze protonenpomp creëert een elektrochemische gradiënt over het binnenste mitochondriale membraan, bestaande uit een verschil in pH (meer H$^+$ in de intermembranaire ruimte) en een membraanpotentiaal (positievere lading in de intermembranaire ruimte). Deze gradiënt vertegenwoordigt potentiële energie, bekend als de **protondrijvende kracht**. ### 3.2 ATP-synthese door ATP-synthase De protonengradiënt die door de ETK is opgebouwd, drijft de synthese van ATP aan via een enzymcomplex genaamd **ATP-synthase** (ook bekend als F$_{0}$F$_{1}$ ATPase of H$^+$-ATPase). Dit complexe eiwit bevindt zich in het binnenste mitochondriale membraan en bestaat uit twee hoofdcomponenten: * **F$_{0}$ deel:** Geïntegreerd in het membraan en vormt een kanaal voor protonen. Het bestaat uit de a-subunit en een ring van c-subunits (meestal 9-12). * **F$_{1}$ deel:** Steekt in de mitochondriale matrix en bevat de katalytische sites voor ATP-synthese. Het bestaat uit $\alpha_3\beta_3$ subunits, met een centrale $\gamma$-subunit die de rotor verbindt met de stator. Het werkingsmechanisme van ATP-synthase is gebaseerd op **chemische osmos e** en **roterende katalyse**: 1. **Protonenstroom:** Protonen stromen via het kanaal in het F$_{0}$ deel (door de interactie tussen a- en c-subunits) terug naar de matrix. Deze protonenstroom drijft de rotatie van de c-ring aan. 2. **Rotatie:** De rotatie van de c-ring wordt overgebracht op de centrale $\gamma$-subunit, die in het F$_{1}$ deel roteert. 3. **Conformatieverandering:** De roterende $\gamma$-subunit interageert met de $\alpha_3\beta_3$ subunits en veroorzaakt cyclische conformatieveranderingen in de $\beta$-subunits. 4. **ATP-synthese:** De $\beta$-subunits doorlopen drie toestanden: * **L (Loose):** Bindt ADP en P$_{i}$ losjes. * **T (Tight):** Houdt ADP en P$_{i}$ stevig vast en faciliteert de vorming van ATP. * **O (Open):** Bindt ATP zwakjes, waardoor het nieuwgevormde ATP wordt vrijgelaten. Elke 120° draai van de $\gamma$-subunit leidt tot de vorming en vrijgave van één ATP-molecule. Experimenten met geïsoleerd ATP-synthase, waarbij de rotatie van de $\gamma$-subunit zichtbaar werd gemaakt met actinefilamenten, hebben dit roterende mechanisme bevestigd. Wanneer ATP wordt toegevoegd aan geïsoleerd ATP-synthase, draait het omgekeerd en hydrolyseert het ATP. > **Voorbeeld:** Het malaat-aspartaat-pendelsysteem en het glycerol-3-fosfaat-pendelsysteem worden gebruikt om elektronen van cytoplasmatisch NADH de mitochondriën binnen te brengen, wat leidt tot de synthese van 2 ATP per NADH, in tegenstelling tot 3 ATP per mitochondrieel NADH. ### 3.3 Ontkoppeling van oxidatie en protonengradiënt Ontkoppeling is het proces waarbij de koppeling tussen de elektronentransportketen en ATP-synthese wordt verbroken. Dit gebeurt wanneer protonen terugstromen naar de matrix via kanalen die niet aan ATP-synthase gebonden zijn. * **Chemische ontkoppeling:** Stoffen zoals 2,4-dinitrofenol (DNP) zijn lipofiel en fungeren als protonenoverdragers. Ze maken het binnenste membraan permeabeler voor protonen, waardoor de protonengradiënt wordt geneutraliseerd zonder ATP-synthese. Dit leidt tot een snelle verbranding van energiereserves (glucose en vetzuren) en kan hyperthermie veroorzaken. * **Fysiologische ontkoppeling (Thermogenine):** In bruin vetweefsel speelt het ontkoppelingseiwit **thermogenine** (UCP-1) een belangrijke rol bij het genereren van warmte (thermogenese). Thermogenine maakt de binnenste membraan permeabel voor protonen, waardoor de energie van de protonengradiënt wordt omgezet in warmte in plaats van ATP. Dit proces wordt geactiveerd door vetzuren en noradrenaline en is essentieel voor het handhaven van de lichaamstemperatuur bij pasgeborenen en dieren in winterslaap. Er zijn ook UCP-2 en UCP-3, die mogelijk ook betrokken zijn bij energieregulatie. ### 3.4 Regulatie van oxidatieve fosforylatie De oxidatieve fosforylatie en het elektronentransport worden nauw gereguleerd door de energietoestand van de cel, voornamelijk door de beschikbaarheid van ADP en P$_{i}$. * **Respiratoire controle:** Een hoge concentratie ADP en P$_{i}$ stimuleert de ETK en ATP-synthese, omdat er een grotere vraag is naar ATP. Naarmate de ATP-concentratie stijgt en ADP en P$_{i}$ dalen, vertraagt de ETK. * **ADP/ATP-ratio:** De ratio van ADP tot ATP is een belangrijke indicator van de energielading van de cel en reguleert ook glycolyse, de Krebs-cyclus en $\beta$-oxidatie. Het **ATP/ADP-translocase** in het binnenste membraan faciliteert de uitwisseling van ATP en ADP tussen de matrix en het cytoplasma, wat essentieel is voor de energiestofwisseling van de cel. Voor elke molecule ATP die de mitochondrion verlaat, komt er één molecule ADP binnen. ### 3.5 Verschillen in ATP-productie De hoeveelheid ATP die wordt geproduceerd uit NADH en FADH$_{2}$ varieert: * **Mitochondrieel NADH:** Levert ongeveer 3 ATP per molecule. * **FADH$_{2}$:** Levert ongeveer 2 ATP per molecule, omdat het elektronentransport later in de keten begint (bij ubiquinon), waardoor één protonenpomp wordt overgeslagen. * **Cytoplasmatisch NADH:** Wordt via pendelsystemen (zoals malaat-aspartaat of glycerol-3-fosfaat) naar de mitochondriën getransporteerd. Het glycerol-3-fosfaat-pendelsysteem leidt tot de vorming van ongeveer 2 ATP per molecule cytoplasmatisch NADH. De totale netto-opbrengst van aerobe celademhaling is ongeveer 36-38 ATP-moleculen per glucosemolecule, wat neerkomt op een rendement van ongeveer 38%. ### 3.6 Cytochroom P450 en bacteriële elektronentransportketens * **Cytochroom P450:** Deze enzymen, voornamelijk in levermitochondriën en microsomen, zijn betrokken bij hydroxylatiereacties die xenobiotische stoffen (medicijnen, toxines) en endogene moleculen (steroïden) oplosbaarder maken voor uitscheiding. Ze gebruiken NADPH als elektronenbron en maken geen ATP aan. * **Bacteriële elektronentransportketens:** In plaats van zuurstof als finale elektronacceptor te gebruiken, kunnen bacteriën diverse andere stoffen gebruiken in anaerobe omstandigheden, zoals zwavel (S), waterstofsulfide (H$_{2}$S), nitraat (NO$_{3}^{-}$), nitriet (NO$_{2}^{-}$) of sulfaat (SO$_{4}^{2-}$). Deze anaerobe processen leveren over het algemeen minder energie op dan aerobe ademhaling. --- ## 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), wat leidt tot zowel oxidatie als reductie. | | Reductiepotentiaal (E) | Een maat voor de neiging van een atoom, ion of molecuul om elektronen op te nemen, uitgedrukt in volt (V) ten opzichte van een referentiepotentiaal. | | Oxidans | Een molecuul dat een ander molecuul oxideert en daarbij zelf wordt gereduceerd, door elektronen op te nemen. | | Reductans | Een molecuul dat een ander molecuul reduceert en daarbij zelf wordt geoxideerd, door elektronen af te geven. | | Elektronentransportketen (ETK) | Een reeks eiwitcomplexen ingebed in het binnenmembraan van mitochondriën die sequentiële overdracht van elektronen mogelijk maakt, waarbij energie vrijkomt. | | Protonengradiënt | Een verschil in concentratie en elektrische lading van protonen (H+) aan weerszijden van een membraan, wat een vorm van potentiële energie vertegenwoordigt. | | ATP-synthase | Een enzymcomplex dat de energie van een protonengradiënt gebruikt om de synthese van adenosinetrifosfaat (ATP) uit adenosinedifosfaat (ADP) en anorganisch fosfaat (Pi) te katalyseren. | | Oxidatieve fosforylatie | Het proces waarbij ATP wordt gevormd door de energie die vrijkomt bij de oxidatie van NADH en FADH2 in de elektronentransportketen, gekoppeld aan protonenpompen. | | Thermogenine | Een ontkoppelingseiwit (UCP) dat voornamelijk voorkomt in bruin vetweefsel en de energie van de protonengradiënt omzet in warmte in plaats van ATP. | | Co-enzym Q (Ubichinon) | Een lipofiele elektronendrager in de elektronentransportketen die mobiel is binnen het membraan en elektronen transporteert tussen complexen I/II en complex III. | | Cytochroom | Een klasse van hemeproteïnen die een centrale rol spelen in de elektronentransportketen door reversibele overdracht van elektronen via hun ijzeratoom. | | NADH | Nicotinamide adenine dinucleotide, een belangrijke co-enzym die reducerende equivalenten (elektronen en protonen) levert aan de elektronentransportketen. | | FADH2 | Gereduceerde vorm van flavine adenine dinucleotide, een andere co-enzym die elektronen levert aan de elektronentransportketen, typisch op een lager energieniveau dan NADH. | | Protonenstroom | De beweging van protonen (H+) door een membraan, meestal via specifieke kanalen zoals ATP-synthase, om een elektrochemische gradiënt te ontladen. | | Ontkoppeling | Een proces waarbij de normale koppeling tussen elektronentransport en ATP-synthese wordt verbroken, waardoor de energie van de protonengradiënt vrijkomt als warmte in plaats van wordt gebruikt voor ATP-productie. | | Gibbs vrije energie (ΔG) | Een thermodynamische grootheid die de maximale hoeveelheid niet-expansieve arbeid aangeeft die een systeem kan leveren bij constante temperatuur en druk; een negatieve waarde duidt op een spontane reactie. |