Oksidatiivinen fosforylaatio
Oksidatiivinen fosforylaatio on elektroninsiirtoketjusta ja ATP-syntaasistä koostuva aineenvaihdunnallinen reitti. Aerobisten solujen ATP-energiasta noin 90 % syntyy oksidatiivisessa fosforylaatiossa. Termi tarkoittaa energian sitoutumista suurienergisiin fosfaattiyhdisteisiin (ATP eli adenosiinitrifosfaatti) ravintoaineiden hapettuessa .
Oksidatiivinen fosforylaatio liittyy läheisesti glykolyysiin ja sitruunahappokiertoon, sillä nämä kolme reaktiosarjaa päättävät solun katabolisen energiantuotannon. Glykolyysissä, rasvahappojen oksidaatiossa ja trikarboksyylihappokierrossa syntyneiden pelkistyneiden koentsyymien (NADH ja FADH) elektronit siirtyvät oksidatiivisen fosforylaation elektroninsiirtoketjuun. Nämä elektronit käytetään happimolekyylin pelkistämiseen vedeksi ja vapautuva energia sitoutuu ATP:nä. Kokonaisuudessaan yhdestä glukoosimolekyylistä tuotetaan noin 30 ATP-molekyyliä. Anaerobisissa oloissa glykolyysi tuottaa noin kaksi ATP-molekyyliä.
Kataboliassa hajoavat energiaa tuottavat pienimolekyyliset yhdisteet (aminohapot, monosakkaridit, rasvahapot) päätyvät lopulta kaikki samaan yhteiseen välituotteeseen, aktiiviseen etikkahappoon eli asetyylikoentsyymi-A:han. Tämä molekyyli pilkkoutuu sitruunahappokierrossa, jossa sen hiilatomit hapettuvat hiilidioksidiksi ja vetyatomit siirtyvät hapetus-pelkistysreaktioissa koentsyymeille (NADH ja FADH). Nämä siirtävät vetyjä sitruunahappokierron ja elektroninsiirtoketjun välillä. Koentsyymit menettävät elektronit ja hapettuvat NAD+:ksi ja FAD:ksi, jotka jatkavat kiertoa. Lopulta elektronit päätyvät ketjun lopussa happimolekyylille muodostaen vettä (kuva 1).
Elektronien kulussa vapautunut energia käytetään hyväksi pumppaamaan protoneja mitokondrion sisäkalvon läpi. Tämä protonigradientti ajaa ATP:n synteesiä.
1950-luvulla monet tutkijat uskoivat, että oksidatiivinen fosforylaatio mitokondrioissa tuottaa ATP:tä samankaltaisella mekanismilla kuin glykolyysissä. Luultiin että elektroninsiirtoketjussa tuotetaan korkeaenergiainen välituote, joka luovuttaa fosfaattiryhmänsä suoraan ADP:lle. Tätä välituotetta etsittiin kauan, kunnes 1961 Peter D. Mitchell ehdotti, että tämä ”korkeaenergiainen välituote” onkin elektrokemiallinen protonigradientti jonka elektroninkuljetussysteemi luo. Hänen ehdotuksensa oli, että energia, jonka protonigradientti tuottaa, liitetään ATP-synteesiin. Monet tutkijat olivat pitkään ehdotusta vastaan. Lopulta yhä useammat todisteet tukivat Mitchellin teoriaa kemiosmoottisesta kytkennästä solun energiatuotannossa, joten vuonna 1978 hän sai Nobel-palkinnon löydöstään. Kysymyksenä oli enää miten tämä gradientti ajaa ATP:n tuottoa. 1974 Efraim Racker ja Walter Stoeckenius esittelivät miten ATP-syntaasi-entsyymi ja protonigradientti yhdessä tuottavat ATP:tä.
Elektroninsiirtoketju muodostuu aitotumallisissa soluissa joukosta mitokondrion sisäkalvon integraalisia kalvoproteiineja, sisäkalvon lipidiosassa liikkuvasta pienimolekyylisestä elektroninsiirtäjämolekyylistä sekä sisä- ja ulkokalvon välitilassa toimivasta sytokromi c-entsyymistä.
Sitruunahappokierrossa tuotetaan korkeaenergiaisia elektroneja, jotka siirtyvät koentsyymeille (NADH ja FADH). Nämä kuljetetaan mitokondrion sisäkalvolle, jossa ne osallistuvat elektroninsiirtoketjuun. Se sisältää yli 40 proteiinia, joista noin 15 liittyy suoraan elektronien siirtoon. Suurin osa proteiineista on ryhmittynyt kolmeksi suureksi hengitysentsyymikompleksiksi, joiden kautta elektronit kulkevat. Näiden kompleksien kautta pumpataan myös protoneita. Hengitysentsyymikompleksit toimivat eräänlaisina koneina, jotka pumppaavat protonit kalvon läpi, kun elektronit ovat läpäisseet sen.
Elektronin siirto alkaa kun hydridi-ioni (H-) poistetaan NADH:sta ja muutetaan protoniksi ja kahdeksi korkeaenergiaiseksi elektroniksi. Tämä tapahtuu ensimmäisessä entsyymissä, NADH-dehydrogenaasissa, joka vastaanottaa elektronit. Tämän jälkeen elektronit menevät läpi muiden entsyymien. Elektronien kulku on energeettisesti suotuisaa. Ne lähtevät erittäin korkeaenergiaisina ja menettävät energiaa joka askeleella kunnes päätyvät sytokromioksidaasille, jossa ne yhdistyvät molekulaariseen happeen muodostaen vettä. Tämä on soluhengityksen happea kuluttava osa. (
Elektroninsiirtoketjun eri vaiheissa tapahtuu elektroneiden siirron lisäksi vetyionien liikettä. Ketjun entsyymit ja niiden prosteettiset ryhmät saavat aikaan vetyionien siirtymistä mitokondrion matriisin puolelta sisemmän ja ulomman kalvon väliseen tilaan, käytännössä sytoplasmaan. Tämän seurauksena matriisin ja kalvojen välisen tilan välille syntyy ero vetyionien pitoisuuksissa, niin että matriisi on emäksisempi. Samalla syntyy kalvopotentiaali sisäkalvon yli. Tämä edustaa energiaa. Vetyionit pyrkivät palaamaan takaisin matriisiin, mutta koska sisäkalvo ei normaalisti läpäise niitä, joutuvat ne palaamaan vain erityisten proteiinikanavien kautta. Nämä kanavat ovat ATP-syntaasimolekyylejä, joiden kautta kulkeva protonien paluuvirta toimii voimanlähteenä ATP-synteesille. Vetyionien siirtoa ja syntyvän protonipotentiaalin hyväksikäyttöä ATP-synteesissä kutsutaan kemiosmoottiseksi teoriaksi.
Oksidatiivinen fosforylaatio tarvitsee toimiakseen ATP-syntaasin lisäksi kuljettajaproteiinin, joka tuo ADP:tä mitokondrioon sisään ja vie ATP:tä ulos. Toinen kuljettajaproteiini tarvitaan tuomaan fosfaatti-ioneita mitokondrion matriisiin. Ilman näitä ATP-synteesi pysähtyy, joka johtaa myös elektroninsiirron pysähtymiseen. Tämä taas ilmenee muun muassa hapen kulutuksen loppumisena. Elektroninsiirto ja ADP:n fosforylaatio ovat siis toisiinsa kytketyt. Mitokondrioiden matriisin ADP-ATP-pitoisuussuhde säätää siis ATP:n tuottoa oksidatiivisessa fosforylaatiossa. ADP (adenosiinidifosfaatti) syntyy kun ATP on luovuttanut yhden fosforitähteen .
Elektroninsiirtoketjua ajava perimmäinen voima on elektronegatiivisen molekulaarisen hapen läsnäolo. Happi toimii elektroninsiirtoketjun päättäjänä, niin sanottuna terminaalisena elektronien vastaanottajana. Tämä seikka on tehnyt solujen energiantuotannosta tehokasta.