Pemfosforilan oksidaan

Pemfosforilan oksidaan (ڤمفوسفوريلن اوکسيداءن‎) merupakan laluan metabolisme di mana mitokondria dalam sel menggunakan struktur, tenaga, dan enzim yang dilepaskan oleh pengoksidaan nutrien untuk membentuk adenosina trifosfat (ATP). Walaupun pelbagai kehidupan di bumi menggunakan nutrien yang berbeza, ATP adalah molekul yang membekalkan tenaga kepada aktiviti metabolisme. Hampir kesemua organisma aerob melakukan proses pemfosforilan oksidaan. Laluan ini mungkin sangat meluas kerana ia adalah cara yang sangat berkesan untuk melepaskan tenaga berbanding dengan proses penapaian alternatif seperti glikolisis anerob.
Ketika pemfosforilan oksidaan, elektron dihantar daripada penderma elektron kepada penerima elektron seperti oksigen dalam tindak balas redoks. Tindak balas tersebut akan melepaskan tenaga, yang akan digunakan untuk menghasilkan ATP. Bagi eukariot, tindak balas redoks ini dijalankan oleh siri kompleks protein pada dinding antara membran sel mitokondria manakala bagi prokariot, protein-protein tersebut berada di ruang antara membran sel. Set rangkaian protein itu dikenali sebagai rantaian pengangkutan elektron (ETC). Lima kompleks protein utama terlibat bagi eukariot manakala dalam prokariot pula, banyak enzim yang berbeza wujud menggunakan pelbagai penderma dan penerima elektron.
Tenaga yang dilepaskan oleh elektron yang mengalir melalui rantaian pengangkutan elektron ini digunakan untuk mengangkut proton merentasi membran mitokondria dalam dengan proses yang dikenali sebagai pengangkutan elektron. Ini menjana tenaga keupayaan dalam bentuk kecerunan pH dan keupayaan elektrik merentasi membran ini. Simpanan tenaga tersebut dimanfaatkan dengan membenarkan proton untuk mengalir balik merentasi membran dan menuruni kecerunan itu melalui enzim besar yang dikenali sebagai ATP sintase. Proses itu pula dikenali sebagai kimiosmosis. Enzim ATP sintase menggunakan tenaga yang terhasil untuk menjana ATP daripada adenosina difosfat (ADP) dalam tindak balas pemfosforilan. Tindak balas itu didorong oleh aliran proton, yang memaksa aktiviti putaran sebahagian daripada enzim (ATP sintase merupakan motor mekanikal berputar).
Walaupun pemfosforilan oksidaan adalah penting dalam aktiviti metabolisme, ia turut menghasilkan spesies oksigen yang reaktif seperti superoksida dan hidrogen peroksida yang membawa kepada perambatan radikal bebas, merosakkan sel-sel dan juga menyumbang kepada penyakit. Ia mungkin juga membawa kepada masalah penuaan (kesenesensan). Enzim yang menjalankan proses laluan metabolisme ini juga menjadi sasaran kepada banyak dadah dan racun yang boleh merencatkan aktiviti ini.

Gambaran keseluruhan pemindahan tenaga oleh kimiosmosis

Pemfosforilan oksidaan berfungsi dengan menggunakan tindak balas kimia yang melepaskan tenaga untuk memacu tindak balas yang memerlukan tenaga dimana dua set tindak balas tersebut dikatakan "bergandingan". Ini bermaksud satu tindak balas tidak akan berlaku jika tiada tindak balas yang lain. Aliran elektron melalui rantaian pengangkutan elektron (ETC) daripada penderma elektron seperti NADH kepada penerima elektron seperti oksigen merupakan proses yang melepaskan tenaga manakala sintesis ATP pula adalah proses yang memerlukan input tenaga. ETC dan ATP sintase kedua-duanya terbenam dalam membran dan tenaga dihantar melalui pergerakan proton merentasi membran itu dari ETC kepada ATP sintase. Proses itu dikenali sebagai kimiosmosis. Dalam pengamalan, proses ini seperti litar elektrik ringkas dengan arus proton yang didorong oleh sisi-N negatif membran kepada sisi-P positif oleh enzim pengepaman proton daripada ETC. Enzim ini adalah seperti bateri, dimana ia melakukan kerja untuk memacu arus melalui litar. Pergerakan proton menghasilkan kecerunan elektrokimia melintasi membran dan ia seringkali dikenali sebagai tenaga pengerak proton. Ia mempunyai dua komponen iaitu perbezaan dalam kepekatan proton (kecerunan H+, ΔpH) dan perbezaan dalam keupayaan elektrik dengan sisi-N mempunyai cas negatif.
ATP sintase melepaskan tenaga yang tersimpan dengan melengkapkan litar tersebut dan membenarkan proton untuk mengalir ke bawah kecerunan elektrokimia, kembali ke sisi-N membran. Tenaga kinetik ini mendorong kepada putaran sebahagian daripada struktur enzim dan menggandingkan gerakan ini untuk sintesis ATP.
Dua komponen daya penggerak proton secara termodinamiknya adalah setara dimana dalam mitokondria, sebahagian besar tenaga diperoleh daripada keupayaan dan dalam bakteria alkalifil, tenaga elektriknya perlu mengimbangi perbezaan pH songsang yang berbalas balik. Secara songsang, kloroplas beroperasi terutamanya pada ΔpH. Walau bagaimanapun, mereka juga memerlukan keupayaan membran kecil untuk tenaga kinetik sintesis ATP. Sekurang-kurangnya dalam kes fusobakteria P. modestum, ia memacu putaran lawan subunit a dan c bagi motor FO ATP sintase.
Jumlah tenaga yang dilepaskan oleh pemfosforilan oksidaan adalah lebih tinggi berbanding dengan penapaian anerob. Glikolisis menghasilkan 2 molekul ATP tetapi di suatu tempat, 30 dan 36 ATP dihasilkan oleh pemfosforilan oksidaan bagi 10 NADH dan 2 molekul suksinat yang dibuat dengan menukarkan satu molekul glukosa kepada karbon dioksida dan air, manakala setiap kitaran pengoksidaan beta asid lemak menghasilkan kira-kira 14 ATP. Penghasilan ATP ini merupakan nilai-nilai maksimum bersifat teori dan dalam pengamalan, ATP yang dihasilkan kadang-kala berkurangan kerana sesetengah proton bocor ketika merentasi membran.

Molekul pemindahan proton dan elektron

Rantaian pengangkutan elektron (ETC) membawa kedua-dua proton dan elektron, menghantar elektron dari penderma kepada penerima dan mengangkut proton melintasi membran. Proses-proses ini menggunakan molekul pindahan berikatan proton dan molekul boleh larut. Dalam mitokondria, elektron dipindahkan dalam ruang antara membran oleh protein pindahan elektron larut air, sitokrom c. Ia hanya membawa elektron dan dipindahkan oleh penurunan dan pengoksidaan atom besi dimana protein itu berada di kumpulan hem dalam strukturnya. Sitokrom c juga boleh dijumpai pada sesetengah bakteria di mana ia terletak di dalam ruang periplasma.
Di dalam membran mitokondria dalaman, koenzim Q10 membawa elektron dan proton oleh kitaran redoks. Molekul benzokuinon yang kecil ini sangat hidrofobik, jadi ia meresap dengan bebas di dalam membran. Apabila Q menerima dua elektron dan dua proton, ia menjadi bentuk ubikuinol terturun (QH2). Apabila QH2 melepaskan dua elektron dan dua proton, ia menjadi teroksida kembali kepada bentuk ubikuinon (Q). Sebagai hasilnya, jika dua enzim disusun supaya Q dikurangkan pada satu bahagian membran dan QH2 teroksida pada yang lain, ubikuinon akan menggandingkan tindak balas dan proton ulang-alik ini di seluruh membran. Sesetengah ETP bakteria menggunakan kuinon yang berlainan seperti menakuinon sebagai tambahan kepada ubikuinon.
Dalam protein pula, elektron dipindahkan di antara kofaktor flavin, gugusan besi–belerang (atau gugusan ferum–sulfur) dan sitokrom. Terdapat beberapa jenis gugusan besi-belerang dan jenis teringkas yang dijumpai dalam rantaian pindahan elektron mengandungi dua atom besi yang bergabung dengan dua atom sulfur tak organik dan ia dikenali sebagai gugusan [2Fe–2S]. Jenis gugusan yang kedua dikenali sebagai [4Fe–4S] dimana ia mengandungi sebuah kubus dengan empat atom besi dan empat atom sulfur. Setiap atom besi dalam gugusan-gugusan ini diselaraskan oleh asid amino tambahan (biasanya dengan atom sulfur sisteina). Kofaktor ion logam menjalani tindak balas redoks tanpa mengikat atau melepaskan proton. Jadi dalam ETC, mereka hanya berkhidmat untuk mengangkut elektron melalui protein. Elektron bergerak pada jarak yang agak panjang melalui protein dengan melompat bersama-sama rantaian kofaktor ini. Hal ini berlaku disebabkan oleh penerowongan kuantum, dimana ia menjadi laju pada jarak lebih kurang 1.4×10⁻⁹ m.

Reduktase dan oksidase alternatif

Banyak organisma eukariot mempunyai rantaian pengangkutan elektron yang berbeza berbanding mamalia seperti yang diterangkan di atas. Contohnya, tumbuhan mempunyai NADH oksidase alternatif yang mengoksidakan NADH dalam sitosol dan bukannya dalam matriks mitokondria dan menghantar elektron ini kepada takungan ubikuinon. Enzim ini tidak mengangkut proton dan oleh itu menurunkan ubikuinon tanpa mengubah kecerunan elektrokimia merentasi membran dalam.
Satu lagi contoh bagi rantaian pengangkutan elektron yang lain adalah dengan enzim oksidase alternatif yang boleh dijumpai dalam tumbuhan, serta beberapa kulat, protis dan mungkin juga dalam sesetengah haiwan. Enzim itu mengangkut elektron secara terus daripada ubikuinol kepada oksigen.
Laluan pengangkutan elektron yang dihasilkan oleh NADH alternatif dan ubikuinon oksidase ini mempunyai hasil ATP yang lebih rendah berbanding dengan laluan penuh. Kelebihan yang dihasilkan oleh laluan yang dipendekkan tidak begitu jelas. Walau bagaimanapun, oksidase alternatif dihasilkan dalam respons kepada tekanan seperti sejuk, spesies oksigen reaktif dan jangkitan oleh patogen serta faktor-faktor lain yang boleh merencatkan rantaian pengangkutan elektron penuh. Laluan alternatif mungkin juga meningkatkan rintangan suatu organisma terhadap kecederaan dengan mengurangkan tegasan oksidaan.

Organisasi kompleks

Model asal bagaimana kompleks-kompleks rantaian respirasi diatur adalah ia meresap secara bebas dalam membran mitokondria. Walau bagaimanapun, data terkini menunjukkan bahawa kompleks tersebut mungkin membentuk struktur peringkat lebih tinggi yang dikenali sebagai superkompleks atau "respirasom". Dalam model ini, pelbagai kompleks wujud sebagai set enzim yang berinteraksi secara teratur. Aturan-aturan ini mungkin membolehkan penyaluran substrat di antara pelbagai kompleks enzim, meningkatkan kadar dan kecekapan pemindahan elektron. Dalam superkompleks mamalia, sesetengah komponen mungkin hadir dalam jumlah yang lebih tinggi berbanding yang lain dengan sesetengah data mencadangkan nisbah antara kompleks I/II/III/IV dan ATP sintase adalah sekitar 1:1:3:7:4. Sungguhpun begitu, perbahasan mengenai hipotesis superkompleks ini masih belum diselesaikan kerana beberapa data kelihatannya tidak sesuai dengan model ini.