H4

# Inleiding tot redoxreacties en reductiepotentialen Dit gedeelte introduceert de basisconcepten van redoxreacties, waarbij de rol van reductiepotentialen (E en Eo') en de beweging van elektronen wordt uitgelegd, met specifieke aandacht voor biologische contexten. ### 1.1 Basisconcepten van redoxreacties Redoxreacties omvatten de overdracht van elektronen, en soms ook protonen, 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) [2](#page=2). #### 1.1.1 De standaard waterstofelektrode als referentie Het nulpunt voor reductiepotentialen wordt gedefinieerd door de halfreactie H⁺ + e⁻ ⇌ H, onder standaardomstandigheden (25°C, 1 atm druk, 1 M concentratie van H⁺) [2](#page=2). * Een negatieve reductiepotentiaal geeft aan dat de substantie een lagere affiniteit voor elektronen heeft dan H⁺ onder standaardomstandigheden [2](#page=2). * Een positieve reductiepotentiaal duidt op een hogere affiniteit voor elektronen dan H⁺ [2](#page=2). In een redoxreactie bewegen elektronen spontaan van een stof met een lagere reductiepotentiaal naar een stof met een hogere reductiepotentiaal [2](#page=2). #### 1.1.2 Biologische context: gestandaardiseerde reductiepotentialen (Eo') In biologische systemen wordt vaak gewerkt met gestandaardiseerde reductiepotentialen (Eo') in plaats van de standaard reductiepotentialen (Eo). Het belangrijkste verschil is dat de concentratie van H⁺ bij biologische metingen is ingesteld op $10^{-7}$ M, wat overeenkomt met een pH van 7 [3](#page=3). De Eo'-waarde voor de reactie H⁺ + e⁻ → H bij pH 7 is -0,42 V. Dit betekent dat de Eo'-waarde van reacties waarbij protonen betrokken zijn, 0,42 V lager is dan de overeenkomstige Eo-waarde [3](#page=3). > **Voorbeeld:** De reductie van ½O₂ tot H₂O heeft bij pH 0 een Eo van +1,23 V. Bij pH 7 wordt dit Eo' = +1,23 V - 0,42 V ≈ +0,82 V [3](#page=3). #### 1.1.3 Chlorofyl en fotosynthese Chlorofyl heeft een reductiepotentiaal van +0,9 V, wat aangeeft dat het een hogere affiniteit voor elektronen heeft dan water. Fotosynthese gebruikt water als bron van elektronen voor de synthese van koolhydraten via de Calvin-cyclus. De reactie waarbij water wordt geoxideerd tot zuurstof, protonen en elektronen is [4](#page=4): $$2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{H}^+ + 4\text{e}^- + \text{O}_2$$ De elektronen worden vervolgens gebruikt in de Calvin-cyclus: $$4\text{H}^+ + 4\text{e}^- + \text{CO}_2 \rightarrow \text{CH}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O}$$ Fotosynthese produceert jaarlijks een aanzienlijke hoeveelheid biomassa [4](#page=4). ### 1.2 Energieopbrengst van redoxreacties #### 1.2.1 Berekening van potentiaalverschillen in redoxreacties Het totale verschil in gestandaardiseerde reductiepotentiaal (ΔEo') voor een redoxreactie wordt berekend als de som van de individuele reductiepotentialen van de betrokken halfreacties. Elektronen zullen altijd bewegen van de halfreactie met de lagere reductiepotentiaal naar die met de hogere reductiepotentiaal [5](#page=5). > **Voorbeeld:** De reductie van pyruvaat tot lactaat door NADH. > * NAD⁺ + 2H⁺ + 2e⁻ → NADH + H⁺ (Eo' = -0,32 V) > * Pyruvaat + 2H⁺ + 2e⁻ → Lactaat (Eo' = -0,19 V) > > Elektronen vloeien van het NAD⁺/NADH-paar naar het pyruvaat/lactaat-paar. De netto reactie is: > Pyruvaat + H⁺ + NADH → Lactaat + NAD⁺ > Het potentiaalverschil is: > $$ \Delta E_{o'} = E_{o'(\text{acceptor})} - E_{o'(\text{donor})} $$ > $$ \Delta E_{o'} = -0,19 \text{ V} - (-0,32 \text{ V}) = +0,13 \text{ V} $$ > Een positieve ΔEo' geeft aan dat de reactie spontaan in de aangegeven richting verloopt [5](#page=5). #### 1.2.2 Vrijgestelde energie (ΔG°') Het redoxpotentiaalverschil drijft het elektronentransport aan. De vrijgestelde energie die geassocieerd is met een redoxreactie kan worden berekend met de volgende formule [19](#page=19): $$ \Delta G^\circ' = -n \cdot F \cdot \Delta E_{o'} $$ Hierin is: * $ \Delta G^\circ' $ de verandering in gestandaardiseerde vrije energie. * $ n $ het aantal overgedragen elektronen. * $ F $ de Faraday constante (23,06 kcal mol⁻¹ V⁻¹) [6](#page=6). Een positieve ΔEo' resulteert in een negatieve ΔG°', wat wijst op een spontane reactie die energie vrijgeeft [6](#page=6). > **Voorbeeld:** De oxidatie van NADH door O₂. > * Halfreactie: NAD⁺ + 2H⁺ + 2e⁻ → NADH + H⁺ (Eo' = -0,32 V) [1](#page=1). > * Halfreactie: ½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O (Eo' = +0,82 V) [2](#page=2). > > De netto reactie is: NADH + H⁺ + ½O₂ → NAD⁺ + H₂O > Het potentiaalverschil is: > $$ \Delta E_{o'} = +0,82 \text{ V} - (-0,32 \text{ V}) = 1,14 \text{ V} $$ > De vrijgekomen energie is: > $$ \Delta G^\circ' = -2 \cdot 23,06 \text{ kcal mol}^{-1} \text{ V}^{-1} \cdot 1,14 \text{ V} = -52,58 \text{ kcal mol}^{-1} $$ > Dit illustreert dat de oxidatie van NADH door zuurstof een aanzienlijke hoeveelheid energie vrijgeeft [6](#page=6). --- # Oxidatieve fosforylatie en de elektronentransportketen Oxidatieve fosforylatie is het proces waarbij energie uit de elektronentransportketen wordt gebruikt om ATP te synthetiseren, met de mitochondriale elektronentransportketen als centraal onderdeel [7](#page=7). ### 2.1 Het proces van oxidatieve fosforylatie Oxidatieve fosforylatie maakt gebruik van de energie die vrijkomt bij de beweging van elektronen langs een elektronentransportketen (ETK) om ATP te produceren. Deze elektronen worden oorspronkelijk geleverd door moleculen zoals NADH en FADH2, die ontstaan tijdens processen als glycolyse, de citroenzuurcyclus en vetzuuroxidatie. De uiteindelijke acceptor van de elektronen in deze keten is zuurstof (O2), waarbij de overdracht van elektronen naar O2 een aanzienlijke hoeveelheid energie vrijmaakt die de regeneratie van NADH mogelijk maakt. Dit gehele proces vindt plaats in het binnenste membraan van het mitochondrion [7](#page=7). ### 2.2 De mitochondriale elektronentransportketen (ETK) De ETK bestaat uit een reeks complexe eiwitten en moleculen die in het binnenste mitochondriale membraan zijn ingebed. De belangrijkste componenten zijn flavine-gekoppelde dehydrogenasen, ijzer-zwavel-eiwitten en cytochromen. De keten omvat de volgende complexe structuren [7](#page=7): * **Complex I: NADH-dehydrogenase-complex** [8](#page=8) [9](#page=9). * **Ubichinon (CoQ)**: Een mobiele elektronendrager [10](#page=10) [8](#page=8). * **Complex II: b-c1-cytochroomreductase-complex** [11](#page=11) [8](#page=8). * **Cytochroom c**: Een mobiele elektronendrager [12](#page=12) [8](#page=8). * **Complex III: a-a3-cytochroomoxidase-complex** [12](#page=12) [8](#page=8). #### 2.2.1 Functionering van de complexen 1. **Het NADH-dehydrogenase-complex (Complex I)** Dit complex, met een massa van ongeveer 1 MDa, is samengesteld uit ongeveer 40 polypeptideketens. Het ontvangt twee elektronen en twee protonen van NADH en FMN (flavine mononucleotide). De elektronen worden vervolgens doorgegeven aan ijzer-zwavel (Fe-S) centra, waarbij ijzer in de Fe3+ vorm wordt gereduceerd tot Fe2+. De reactie kan als volgt worden weergegeven [9](#page=9): `NADH + FMN + H+ ⇌ FMNH2 + NAD+` [9](#page=9). `FMNH2 + 2e– Fe3+–S ⇌ 2 H+ + FMN + 2e– Fe2+–S` [9](#page=9). FMN geeft de elektronen één voor één af aan de FeS-centra [9](#page=9). 2. **Ubichinon (Coënzym Q of CoQ)** Ubichinon is een lipofiel molecuul dat vrij kan diffunderen binnen het binnenste membraan. Het fungeert als de terminale elektronacceptor voor Complex I en ontvangt twee elektronen van de Fe-S centra. Ubichinon is ook de elektronacceptor voor elektronen afkomstig van FADH2, dat wordt gegenereerd door succinaatdehydrogenase. De reductie van ubichinon tot ubichinol (CoQH2) omvat de opname van elektronen en protonen [10](#page=10) [11](#page=11): `2e– Fe2+ + CoQ + 2 H+ ⇌ 2 CoQH2 + 2e– Fe3+` [10](#page=10). De structuur van ubichinon bestaat uit een kinonring met twee methylgroepen, twee methoxygroepen en een hydrofobe koolwaterstofketen, meestal bestaande uit 10 isopreen-eenheden (de R-groep) [10](#page=10). > **Tip:** Ubichinon wordt ook wel coënzym Q genoemd en speelt een cruciale rol als mobiele shuttle voor elektronen en protonen binnen het membraan [10](#page=10). 3. **Cytochroomreductase-complex (b-c1-complex)** Dit complex bestaat uit 11 polypeptideketens en vormt een dimeer met een massa van ongeveer 500.000 Da. Elk monomeer bevat drie cytochroom-gebonden haemgroepen en één ijzer-zwavel-eiwit. Het neemt elektronen over van CoQH2 en geeft deze door aan cytochroom c. Cytochroom b bevat dezelfde haemgroep als hemoglobine. De reacties omvatten [11](#page=11): `CoQH2 + 2 cyt b Fe3+ ⇌ CoQ + 2H+ + 2 cyt b Fe2+` [11](#page=11). `2 cyt b Fe2+ + 2 cyt c1 Fe3+ ⇌ 2 cyt b Fe3+ + 2 cyt c1 Fe2+` [11](#page=11). 4. **Cytochroom c** Cytochroom c is een mobiele drager met een covalente haem-groep. Het transporteert elektronen van het b-c1-complex naar het cytochroomoxidase-complex [12](#page=12). `2 cyt c1 Fe2+ + 2 cyt c Fe3+ ⇌ 2 cyt c1 Fe3+ + 2 cyt c Fe2+` [12](#page=12). 5. **Cytochroomoxidase-complex (a-a3-cytochroomoxidase)** Dit complex, ook wel cytochroom a-a3 genoemd, bestaat uit 13 polypeptideketens en vormt een dimeer met een massa van 400.000 Da. Elk monomeer bevat twee cytochromen (a en a3) en twee koperatomen. Het complex neemt elektronen van cytochroom c en draagt ze over aan zuurstof (O2), de uiteindelijke elektronacceptor. De reacties zijn [12](#page=12): `2 cyt c Fe2+ + 2 cyt a Fe3+ ⇌ 2 cyt c Fe3+ + 2 cyt a Fe2+` [12](#page=12). `2 cyt a3 Fe3+ + 2 cyt a Fe2+ ⇌ 2 cyt a3 Fe2+ + 2 cyt a Fe3+` [12](#page=12). `2 cyt a3 Fe2+ + ½ O2 + 2H+ ⇌ 2 cyt a3 Fe3+ + H2O` [12](#page=12). > **Tip:** Zuurstof wordt gereduceerd tot water in het laatste stadium van de elektronentransportketen. Dit proces is essentieel voor de aerobe dissimilatie [12](#page=12). ### 2.3 Energievrijgave en protonentranslocatie De passage van elektronen door de elektronentransportketen is gekoppeld aan de translocatie van protonen (H+) vanuit de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte. Deze protonenpompen vinden plaats bij specifieke complexen in de keten [21](#page=21) [7](#page=7): 1. **NADH-dehydrogenase-complex (Complex I)**: Pompt protonen [21](#page=21) [7](#page=7). `FMNH2 + 2e– Fe3+ ⇌ FMN + 2H+ + 2e– Fe2+` [21](#page=21). 2. **Ubichinon (CoQ)**: De reductie van CoQ door cytochroom b-achtige componenten leidt ook tot protonenpumping [10](#page=10) [21](#page=21). `CoQH2 + 2 cyt b Fe3+ ⇌ 2H+ + CoQ + 2 cyt b Fe2+` [21](#page=21). 3. **Cytochroom-c-oxidase (Complex III)**: Dit complex is eveneens betrokken bij protonentranslocatie [21](#page=21) [7](#page=7). De opbouw van een protonengradiënt (transmembraanpotentiaal) over het binnenste mitochondriale membraan is een direct gevolg van deze protonentranslocatie. De terugvloei van deze protonen van de intermembranaire ruimte naar de mitochondriale matrix via ATP-synthase is de drijvende kracht achter de ATP-synthese [7](#page=7). ### 2.4 De rol van zuurstof en de vorming van reactieve zuurstofsoorten Zuurstof is de ultieme acceptor van elektronen in de elektronentransportketen. Bij de reactie `O2 + 4 e- ⇌ 2 O2-` kan het superoxide-anion worden gevormd. Hoewel dit product niet per se gevaarlijk is kan de vorming van het giftige superoxide-anion (O2⁻), het peroxide-anion (O2²⁻), waterstofperoxide (H2O2) of hydroxylradicalen (OH•) optreden. Deze reactieve intermediairen blijven doorgaans gebonden op de cytochromen [12](#page=12) [16](#page=16) [7](#page=7). > **Example:** Cyaniden en aziden zijn bekende inhibitoren van de elektronentransportketen, specifiek door interactie met cytochroom c-oxidase [12](#page=12). ### 2.5 Energiebalans De totale energie die vrijkomt bij de oxidatie van NADH tot NAD+ en H2O bedraagt ongeveer -52,6 kilocalorieën per mol (-52,6 kcal/mol). Deze energie wordt efficiënt omgezet in een elektrochemische gradiënt, die vervolgens wordt gebruikt voor de synthese van ATP [7](#page=7). --- # Protonengradiënt en ATP-synthese De passage van elektronen door de elektronentransportketen leidt tot de vorming van een protonengradiënt over het mitochondriale membraan, welke vervolgens door ATP-synthase wordt benut om ATP te produceren [23](#page=23). ### 3.1 De vorming van de protonengradiënt De elektronentransportketen pompt protonen (H+) van de mitochondriale matrix naar de intermembraanruimte. Dit proces genereert een elektrochemische gradiënt over het binnenste mitochondriale membraan. Deze gradiënt heeft twee componenten [23](#page=23) [24](#page=24): 1. **pH-gradiënt:** De concentratie van protonen is hoger in de intermembraanruimte dan in de matrix, wat resulteert in een lagere pH (zuurdere omgeving) in de intermembraanruimte [23](#page=23). 2. **Membraanpotentiaal:** Het binnenste mitochondriale membraan wordt geladen, met een positieve lading aan de buitenkant (intermembraanruimte) en een negatieve lading aan de binnenkant (matrix) [23](#page=23). Deze gecombineerde gradiënt, de elektrochemische protonengradiënt, vertegenwoordigt opgeslagen potentiële energie, ook wel de protonendrijvende kracht genoemd. Deze energie wordt niet alleen gebruikt voor ATP-synthese, maar ook voor het transport van metabolieten over het membraan [24](#page=24). ### 3.2 ATP-synthase: het enzym voor ATP-productie ATP-synthase is een complex enzym dat verantwoordelijk is voor de synthese van ATP, gebruikmakend van de energie van de protonengradiënt. Het enzym, ook bekend als F0F1 ATPase of H+-ATPase, bestaat uit twee hoofdcomponenten [25](#page=25): * **F1-component:** Dit is het sferische, op de matrix gerichte deel van het complex en bevat de katalytische sites voor ATP-synthese. De F1-component bestaat uit subeenheden: 3 $\alpha$-eenheden, 3 $\beta$-eenheden, en een centrale $\gamma$-eenheid, samen met $\delta$- en $\epsilon$-eenheden [25](#page=25) [26](#page=26). * **F0-component:** Dit is een hydrofobe membraancomponent die verankerd is in het binnenste mitochondriale membraan en dienst doet als kanaal voor protonen. De F0-component is opgebouwd uit een $\alpha$-eenheid, twee $\beta$-eenheden, en 9 tot 12 $\textit{c}$-eenheden, en is gevoelig voor het antibioticum oligomycine [25](#page=25) [26](#page=26). ### 3.3 Het werkingsmechanisme van ATP-synthase ATP-synthase werkt als een moleculaire machine waarbij de stroom van protonen door de F0-component rotatie in gang zet, wat leidt tot ATP-synthese in de F1-component [27](#page=27). * **Rotor:** De roterende delen van het enzym zijn de $\textit{c}$-ring (9-12 eenheden) in de F0-component, en de centrale $\gamma$-eenheid en de $\epsilon$-eenheid die daaraan vastzitten [27](#page=27). * **Stator:** De stationaire delen omvatten de $\alpha$- en $\beta$-eenheden in de F1-component, de $\alpha$-eenheid en $\beta$-eenheden in de F0-component, en de $\delta$-eenheid [27](#page=27). Het mechanisme verloopt als volgt [27](#page=27): 1. **Protonenstroom:** Protonen stromen vanuit de intermembraanruimte door een kanaal tussen de $\alpha$-eenheid van F0 en de $\textit{c}$-ring van F0 [27](#page=27). 2. **Rotatie:** De protonenstroom zorgt ervoor dat de $\textit{c}$-ring roteert ten opzichte van de stationaire $\alpha$-eenheid van F0 [27](#page=27). 3. **Overdracht van rotatie:** De $\gamma$-eenheid, die als een as door het centrum van de F1-component steekt en verbonden is met de $\textit{c}$-ring, roteert mee [27](#page=27). 4. **Conformatieverandering:** De asymmetrische $\gamma$-eenheid oefent druk uit op de 3 $\alpha$/$\beta$-subeenheden van de F1-component, waardoor deze subeenheden van conformatie veranderen [27](#page=27). 5. **ATP-synthese:** Elke $\alpha$/$\beta$-eenheid kan drie verschillende conformationele toestanden aannemen: * **Open (O):** Lage affiniteit voor substraten, laat gevormd ATP los. * **Half gesloten (L = ‘loose’):** Bindt ADP en $\text{P}_\text{i}$ losjes. * **Gesloten (T = ‘tight’):** Bindt ADP en $\text{P}_\text{i}$ stevig, katalyseert de vorming van ATP. De continue rotatie van de $\gamma$-eenheid zorgt voor cyclische veranderingen van de conformationele toestanden van de $\alpha$/$\beta$-subeenheden, waardoor ADP en $\text{P}_\text{i}$ herhaaldelijk worden gebonden, omgezet in ATP, en het gevormde ATP wordt vrijgegeven (#page=27, 28). De energie van de protonenstroom drijft deze cycli van binding, katalyse en vrijgave aan. De totale reactie is: ADP + $\text{P}_\text{i}$ $\xrightarrow{\text{ATP synthase}}$ ATP + $\text{H}_2\text{O}$ [27](#page=27) [28](#page=28). --- # Ontkoppeling en controle van oxidatieve fosforylatie Dit hoofdstuk behandelt de ontkoppeling van oxidatie en fosforylatie, de rol van specifieke eiwitten zoals thermogenine, en de controlemechanismen die de oxidatieve fosforylatie reguleren, inclusief de invloed van ADP en O2. ### 4.1 Ontkoppeling van oxidatie en fosforylatie Oxidatieve fosforylatie is normaal gesproken een gekoppeld proces waarbij de energiestroom van elektronentransport wordt gebruikt om ATP te synthetiseren. Ontkoppeling treedt op wanneer deze koppeling verbroken wordt [32](#page=32). #### 4.1.1 Chemische ontkoppeling Chemische ontkoppeling kan worden geïnduceerd door stoffen die de protonengradiënt over het binnenmembraan van de mitochondriën tenietdoen [32](#page=32). * **2,4-dinitrofenol (DNP)**: Dit is een zwak zuur en lipofiele stof die protonen kan transporteren over het membraan. Hierdoor wordt de H+-gradiënt verlaagd, wat leidt tot een verminderde stroom van protonen door ATP-synthase en dus geen ATP-synthese. Het elektronentransport zelf verloopt echter normaal [32](#page=32). #### 4.1.2 Thermische ontkoppeling Ontkoppeling kan ook leiden tot warmteproductie. * **Thermogenine**: Dit is een specifiek ontkoppelingseiwit dat voorkomt in bruin vetweefsel. Thermogenine maakt de membraan permeabeler voor protonen, waardoor ze terugstromen naar de matrix zonder via ATP-synthase te gaan. Dit proces genereert warmte in plaats van ATP [33](#page=33). * Activatie van thermogenine geschiedt door stijgende vetzuurconcentraties en noradrenaline [33](#page=33). * UCP-1, UCP-2 en UCP-3 zijn de namen van deze ontkoppelende eiwitten. Ze worden gestimuleerd door vrije vetzuren en geïnhibeerd door ATP en ADP [33](#page=33). * **Therapie voor obesitas**: Het potentieel van ontkoppelingseiwitten als therapie voor obesitas wordt onderzocht [33](#page=33). ### 4.2 Controle op de respiratoire keten De snelheid van het elektronentransport, en daarmee de oxidatieve fosforylatie, wordt gereguleerd door verschillende factoren. #### 4.2.1 Verschil in ATP-opbrengst door elektronendonoren De hoeveelheid ATP die wordt geproduceerd, hangt af van de elektronendonor die de respiratoire keten binnenkomt [34](#page=34). * **Mitochondriaal NADH**: Elektronen afkomstig van NADH dat in de mitochondriën wordt gevormd (bijvoorbeeld uit pyruvaat, isocitraat, $\alpha$-ketoglutaraat, malaat, $\beta$-hydroxybutyraat, of $\beta$-hydroxy-CoA) treden de respiratoire keten binnen via het NADH-dehydrogenase complex. Dit leidt tot de vorming van ongeveer 3 ATP-moleculen per NADH [34](#page=34). * **FADH2-elektronen**: Elektronen van FADH2, acyl-CoA en glycerol 3-fosfaat kunnen niet dezelfde route nemen als die van mitochondriaal NADH. Succinaat-dehydrogenase, dat deel uitmaakt van het succinaat-Q-reductase complex, is de toegangspoort voor FADH2-elektronen. Omdat dit complex één "H+-pomp" minder activeert, leidt de oxidatie van FADH2 tot de vorming van slechts 2 ATP-moleculen in plaats van 3 [34](#page=34). #### 4.2.2 Cytoplasmatisch NADH en pendelsystemen Cytoplasmatisch NADH kan het mitochondriale membraan niet direct passeren en heeft daarom pendelsystemen nodig om zijn elektronen af te geven [35](#page=35). * **Glycerol-3-fosfaat shuttle**: Dit systeem maakt gebruik van een "carrier" eiwit [35](#page=35). 1. Cytoplasmatisch NADH reduceert dihydroxyacetonfosfaat (DHAP) tot glycerol-3-fosfaat. 2. Glycerol-3-fosfaat geeft zijn elektronen af aan FAD-gebonden enzymen (EFC-FAD) in het binnenmembraan van de mitochondriën, die de elektronen vervolgens doorgeven aan ubiquinon [35](#page=35). * Als gevolg hiervan worden er slechts 2 ATP-moleculen gevormd uit cytosolisch NADH via dit systeem. Dit systeem kan echter werken tegen een NADH-concentratiegradiënt in [35](#page=35). * **Malaat-aspartaat shuttle**: Dit systeem wordt aangetroffen in het hart en de lever. Het zet cytosolisch NADH om in mitochondriaal NADH via een cyclus die malaat en aspartaat gebruikt, waarbij oxaalacetaat als tussenproduct fungeert. Het overbruggen van het probleem van de niet-bestaande transporter voor oxaalacetaat gebeurt via transaminatie. Dit systeem zet cytosolisch NADH om in mitochondriaal NADH zonder tegen de concentratiegradiënt in te werken [36](#page=36). #### 4.2.3 Eindbalans van ATP-productie De totale energiestroom bij de volledige oxidatie van glucose is aanzienlijk. * De standaard Gibbs vrije energie verandering ($\Delta G^{\circ \prime}$) voor de volledige oxidatie van glucose is ongeveer -686 kcal/mol [37](#page=37). * De synthese van 36 ATP-moleculen vereist ongeveer -7,3 kcal/mol per ATP, wat neerkomt op -263 kcal/mol (-7,3 \times 36) [37](#page=37). * Dit resulteert in een rendement van ongeveer 38% (circa -263 / -686) [37](#page=37). * In het hart en de lever, waar het malaat-aspartaat shuttle systeem actief is, worden 38 moleculen ATP gevormd [37](#page=37). #### 4.2.4 Het ATP-ADP translocase Het transport van ATP en ADP over het binnenste mitochondriale membraan is cruciaal voor de energiestofwisseling [38](#page=38). * ATP en ADP kunnen niet vrij door het mitochondriale membraan diffunderen [38](#page=38). * Het ATP/ADP-translocase eiwit faciliteert de uitwisseling van ADP uit het cytoplasma (ADP$_{c}^{3-}$) voor ATP uit de mitochondriale matrix (ATP$_{m}^{4-}$). De reactie is als volgt: ADP$_{c}^{3-}$ + ATP$_{m}^{4-}$ $\rightleftharpoons$ ATP$_{c}^{4-}$ + ADP$_{m}^{3-}$ [38](#page=38). #### 4.2.5 Transport van ionen en metabolieten Naast nucleotiden worden ook andere ionen en metabolieten via specifieke transporters over het binnenste mitochondriale membraan getransporteerd [39](#page=39). * Op het binnenste membraan bevinden zich diverse carriers of transporters [39](#page=39). * Ook voor calciumtransport zijn specifieke systemen aanwezig [39](#page=39). ### 4.3 Controle van de oxidatieve fosforylatie De koppeling tussen elektronentransport en oxidatieve fosforylatie biedt belangrijke controlepunten. * **Regulerende factoren**: De oxidatieve fosforylatie wordt gecontroleerd door de beschikbaarheid van NADH, O2, ADP en Pi [41](#page=41). * **Respiratoire controle**: De concentratie van ADP speelt een sleutelrol in de regulatie van de oxidatieve fosforylatie. Een hogere concentratie ADP leidt tot een snellere elektronentransport en daardoor tot een hogere ATP-productie [41](#page=41). * **Allostere regulatie**: De ADP/ATP-ratio fungeert als allostere regulator voor verschillende enzymen in de glycolyse, de Krebs-cyclus en de $\beta$-oxidatie. Dit zorgt ervoor dat de elektronentransportketen nauw verbonden is met de energietoestand van de cel [41](#page=41). ### 4.4 Cytochroom P450 Cytochroom P450-enzymen zijn betrokken bij elektronentransportketens in de lever, zowel in mitochondriën als in microsomen [42](#page=42). * **Functie**: Deze enzymen produceren geen ATP, maar zijn betrokken bij hydroxylatiereacties. Ze spelen een rol bij de omzetting van steroïden, prostaglandinen, leukotriënen, en xenobiotische stoffen zoals medicijnen en toxische chemicaliën [42](#page=42). * **Mono-oxygenasen**: Cytochroom P450-enzymen zijn mono-oxygenasen die substraten wateroplosbaarder maken [42](#page=42). * **Elektronenbron**: NADPH dient als de elektronendonor voor deze reacties [42](#page=42). ### 4.5 Bacterieel elektronentransport Bacteriën vertonen diverse vormen van elektronentransport, met name onder anaërobe omstandigheden [43](#page=43). * **Alternatieve acceptoren**: In plaats van zuurstof als eindacceptor, gebruiken bacteriën diverse andere verbindingen, zoals zwavel (S/H2S), nitraat (NO3-/NO2-), sulfaat (SO42-/H2S) en andere anaërobe substraten [43](#page=43). * **Aerobe vs. anaërobe processen**: Wanneer zuurstof als finale elektronenacceptor fungeert (aerobe omstandigheden), is de energieopbrengst doorgaans hoger dan onder anaërobe omstandigheden [43](#page=43). * **Extreme omstandigheden**: Bacterieel elektronentransport kan zelfs plaatsvinden onder extreme omstandigheden, zoals in de aanwezigheid van arseen [43](#page=43). --- ## 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 tussen moleculen, wat resulteert in een verandering in oxidatietoestanden. Deze reacties omvatten zowel oxidatie (verlies van elektronen) als reductie (winst van elektronen). | | Reductiepotentiaal (E) | Een maat voor de neiging van een chemische soort om elektronen op te nemen en te worden gereduceerd. Een hogere (meer positieve) reductiepotentiaal geeft aan dat een stof een grotere affiniteit voor elektronen heeft dan een stof met een lagere (meer negatieve) potentiaal. | | Eo' | De standaard reductiepotentiaal onder biologische omstandigheden, waarbij de concentratie van H+ is ingesteld op $10^{-7}$ M (pH 7) en de concentratie van alle andere opgeloste stoffen 1 M is. Dit is relevant voor biochemische reacties in levende organismen. | | Oxidatieve fosforylatie | Het metabole proces waarbij ATP wordt gesynthetiseerd door de energie die vrijkomt bij de oxidatie van voedingsstoffen, met name via de elektronentransportketen in de mitochondriën. Dit proces vereist zuurstof als terminale elektronenacceptor. | | Elektronentransportketen (ETK) | Een reeks eiwitcomplexen in het binnenste mitochondriale membraan die opeenvolgend elektronen accepteren en afgeven. De energie die vrijkomt bij deze elektronentransfer wordt gebruikt om protonen (H+) naar de intermembranaire ruimte te pompen. | | NADH | Nicotinamide adenine dinucleotide, een belangrijke elektronendrager in de cel. Het wordt gevormd tijdens glycolyse en de citroenzuurcyclus en draagt elektronen naar de elektronentransportketen. | | FADH2 | Flavin adenine dinucleotide, een andere belangrijke elektronendrager die elektronen levert aan de elektronentransportketen, voornamelijk vanuit de succinaatdehydrogenase-reactie. | | Ubichinon (CoQ) | Een kleine, lipofiele molecule die fungeert als een mobiele elektronendrager in de elektronentransportketen. Het accepteert elektronen van complex I en II en transporteert ze naar complex III. | | Cytochromen | Een groep eiwitten die een heemgroep bevatten en betrokken zijn bij elektronentransport. Ze variëren in hun reductiepotentialen en zijn essentieel voor de geleidelijke energie-extractie in de ETK. | | Protonengradiënt | Een verschil in concentratie en elektrisch potentiaal van protonen (H+) over een membraan, in het bijzonder het binnenste mitochondriale membraan. Dit wordt opgebouwd door protonenpompen tijdens elektronentransport. | | ATP-synthase | Een enzymcomplex dat zich in het binnenste mitochondriale membraan bevindt en verantwoordelijk is voor de synthese van ATP. Het maakt gebruik van de energie van de protonengradiënt om ADP en Pi te fosforyleren tot ATP. | | Ontkoppeling | Een proces waarbij de koppeling tussen elektronentransport en ATP-synthese wordt verbroken. Ontkoppelingseiwitten, zoals thermogenine, maken de protonengradiënt direct toegankelijk, waardoor warmte wordt gegenereerd in plaats van ATP. | | Respiratoire controle | Het fenomeen waarbij de snelheid van elektronentransport en oxidatieve fosforylatie wordt gereguleerd door de beschikbaarheid van substraten en de energievraag van de cel, voornamelijk beïnvloed door de concentraties van ADP, Pi en O2. | | Thermogenine | Een ontkoppelingseiwit dat voorkomt in bruin vetweefsel en de protonengradiënt over het mitochondriale membraan doorlaat, wat resulteert in warmteproductie. Dit is een belangrijke functie voor thermoregulatie bij zoogdieren. |