Oksüdatiivne fosforüülumine

Oküdatiivne fosforüülimine on mitokondri sisemembraanil toimuv metaboolne rada, mille käigus sünteesivad ensüümid ADP-st ATP-d, kasutades koensüümide NADH ja FADH₂ oksüdeerimise käigus vabanevat energiat.
ATP on eluslooduses universaalne energia talletaja ja ülekandja, mille keemiliste sidemete energia võimaldab rakkudes metabolismi. Seepärast on vajalik pidev ATP taastootmine ADP-st. Oksüdatiivne fosforüülimine toimub peaaegu kõigis aeroobsetes organismides. Anaeroobsed organismid kasutavad näiteks käärimist.
ATP sünteesiks tuleb tööle panna ensüüm ATP süntaas. Vajaminev energia saadakse redoksreaktsioonidest, mis leiavad aset mitokondri ensüümkompleksides nimega elektronide transpordi ahel (ETA). Neis ensüümides liiguvad vabad elektronid mitmetel redokskandjatel, kuni viimaks redutseeritakse hapnik veeks. Elektronide transpordi käigus viiakse läbi mitokondri sisemembraani maatriksisse vabu prootoneid, mis põhjustab membraanil vesinikioonide erineva kontsentratsiooni.
Võrreldes substraadi tasemel fosforüülimisega, mille käigus ATP moodustub otse fosfaatiooni lisamisel ADP-le, on oksüdatiivse fosfolüürimise ATP saagis ühe lagundatava püruvaadi molekuli kohta pea 20 korda suurem.

Elektronide transpordi ahel (ETA)

Oksüdatiivse fosforüülimise tagamiseks on vaja elektronid viia üle redutseeritud koensüümidelt O₂-le. Eukarüootides koosneb see elektronide ülekandeahel neljast suurest valkkompleksist mitokondri sisemisel membraanil.

Kompleks I

Kompleksis I toimub kahe elektroni ülekanne koensüümilt NADH, mis pärineb sellistest biokeemilistest protsessidest nagu glükolüüs, Krebsi tsükkel ja beeta-oksüdatsioon, rasvlahustuvale koensüümile ubikinoonile (UQ-le). Reaktsiooni käigus viiakse 4 prootonit maatriksist membraanidevahelisse ruumi ja võib tekkida organismile kahjulik superoksiid.
NADH + 5H⁺(M) +UQ -> NAD⁺ + UQH₂ + 4H⁺ (IMS)
(M)- (prootonid) maatriksis

(IMS)- (ingl k Intermembrane space) (prootonid) membraanidevahelises alas

Reaktsiooni vabaenergia muut: ΔGᵒ’=-69,5kJ/mol

Kompleks II

Toimub elektronide ülekanne suktsinaadilt UQ-le. Kompleks II osaleb nii ETA-s kui ka Krebsi tsüklis.
 Reaktsioonis ei toimu prootonite väljutamist membraanidevahelisse ruumi.
Suktsinaat + UQ -> fumaraat + UQH₂

ΔGᵒ’=-16,4kJ/mol

Kompleks III

Elektronid liiguvad redutseeritud ubikinoonilt (UQH₂) heemproteiinile, tsütokroomile c (Cyt c), mis viib elektronid kompleksi IV. Kompleks III-s toimuvates protsessides osaleb ka reaktsioonide tsükkel, mida kutsutakseQ tsükliks. Selle käigus toimub UQH₂ oksüdeerimine ja UQ redutseerimine. Toimub nelja prootoni eraldumine maatriksisse, mis suurendab prootongradienti.
UQH₂ + 2 Cyt c(Fe³⁺) 2 H+(M) -> UQ + 4 H⁺(IMS) + 2 Cyt c(Fe²⁺)

ΔGᵒ’=-36,7/mol

Kompleks IV

Kompleksis IV eemaldatakse 4 elektroni 4-lt tsütokroom c molekulilt ja kantakse hapnikumolekulile, produtseerides kaks veemolekuli. Protsessi käigus viiakse IMS-i ka 4 prootonid, suurendades sellega prootongradienti. Toimub nelja prootoni eraldumine maatriksisse.
4 Cyt c (Fe²⁺) + 8H⁺(M) + O₂ -> 4 cyt c (Fe³⁺) + 2 H₂O + 4 H⁺(IMS)

ΔGᵒ’=-112,5kJ/mol

ATP süntaas (kompleks V)

Prootonite gradient saab tekkida tänu sellele, et mitokondri sisemembraan ei lase ioone läbi. Seega pääsevad vesiniku ioonid, prootonid mitokondrisse tagasi vaid läbi ATP süntaasi. Tekkinud prootonite voog käivitab ensüümi, mis hakkab katalüüsima adenosiindifosfaadi(ADP) fosforüülimist ATP-ks:
ADP + Pᵢ → ATP
Ühe ATP sünteesimiseks tuleb transportida membraanidevahelisest alast maatriksisse 3–4 prootonit.

Hapnik kui oksüdeerija ETA-s

Eukarüootsed organismid ei suuda hapnikuta elada, kuna seda on vaja oksüdatiivses fosforüülimises, kuid O₂ redutseerimine veeks võib endaga kaasa tuua selliste ohtlike anioonide tekke nagu peroksiid ja superoksiid.
Seega on elutähtis oksüdatiivne fosforüülimine paradoksaalselt ka üheks potentsiaalseks vabade radikaalide tekkeallikaks organismis ning võib põhjustada oksüdatiivset stressi, mille tagajärgedeks on rakukahjustused ja haigused. Selle vastu võitlemiseks kasutab rakk näiteks selliseid antioksüdatiivseid vitamiine nagu C- ja E-vitamiin, ensüüme superoksiidi dismutaas, katalaas ja peroksüdaas.

Prokarüoodid

Erinevalt eukarüootidest asuvad eeltuumsetes elektronide ülekandevalgud mitokondri membraanidevahelises alas, mitte sisemembraanis. Teistsugused on ka oksüdatiivse fosforüülimise käigus kasutatavad elektronide doonorid, -aktseptorid ja ETA valgukompleksid: kui päristuumsetel on viis kindlat kompleksi, siis prokarüootidel on neid palju erinevaid. See lubab bakteritel ja arhedel kasvada erinevates keskkondades.

Inhibiitorid

On teada paljusid toksiine ja ravimeid, mis takistavad (inhibeerivad) oksüdatiivse fosforüülimise protsesse. Kuigi inhibiitorid peatavad vaid ühe valgu töö elektronide transpordi ahelas, piisab sellest, et seisata kogu metaboolne rada. Näiteks aktinomütseetide poolt sünteesitud oligomütsiin takistab ATP süntaasi, prootonite tagasivool mitokondrisse peatub. Selle tulemusena peatub NADH oksüdatsioon ja tsitraaditsükkel e Krebsi tsükkel jääb seisma, sest NAD⁺ kontsentratsioon langeb liiga madalale.
Oksüdatiivse fosforüülimise protsesside inhibiitoriteks on näiteks ka veel tsüaniid ja vingugaas.

Ajalugu

1961. aastal kirjeldas Peter D. Mitchell oma kemiosmoosi teoorias oksüdatiivse- ja fosforüülimis reaktsioonide omavahelist seotust. Väljapakutud seletus oli esmalt teadlaste seas vaidlust tekitav, kuid hiljem siiski tunnustatud, ning aastal 1978 sai ta Nobeli auhinna.
Oksüdatiivse fosforüülimise selgitamise eest on Nobeli auhind antud ka hiljem. 1997. aasta Nobeli keemiaauhind jagati kolme mehe vahel: pool auhinnast jagati John Ernest Walkeri ja Paul D. Boyerile ATP sünteesi mehhanismide selgitamise eest ning teine pool Jens Christian Skoule ioonide transportensüümi avastamise eest.