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¿Cuántos protones se bombean por par de electrones del NADH en la fosforilación oxidativa?

¿Cuántos protones se bombean por par de electrones del NADH en la fosforilación oxidativa?



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Busqué en la web y encontré que se supone que se bombean 10 protones durante el ciclo de electrones, pero estoy un poco confundido.

Estoy tratando de contar, para cada complejo (1/3/4), la cantidad de protones que se reducen en la matriz versus la cantidad de protones agregados al espacio intermembrana. Los números no cuadran.

mis cálculos:

  • complejo 1: 4 protones reducidos, 4 protones agregados.
  • complejo 3: 2 protones reducidos, 4 protones agregados.
  • complejo 4: 2 protones reducidos (sin contar los que se condensan en H2O), 2 protones añadidos.


Parece que el error está en el complejo III. Mira esta imagen desde aquí:

Muestra claramente el número de protones reducidos en (y tomados de) la matriz y el número de protones bombeados al espacio entre membranas. Entonces los datos se convierten en:

Complejo I:

matriz: 2H+ reducido (de NADH + H+) + 2H+ bombeado

SOY S: 4H+ bombeado en

Complejo II:

matriz: 2H+ reducido (de succinato)

SOY S: 0H+ bombeado en

Complejo III:

matriz: 2H+ bombeado (cuando no se considera el complejo II, contarías 4H+ aquí)

SOY S: 4H+ bombeado (2 del complejo II)

Complejo IV:

matriz: 2H+ reducido (a H2Oh, no lo consideraremos como dijiste) + 2H+ bombeado

SOY S: 2H+ bombeado en

TOTAL:

matriz: 10H+ restado / bombeado (con 2H+ al agua, total 12H+)

SOY S: 10H+ bombeado en

Esto satisface su afirmación de que "se supone que se bombean 10 protones durante el ciclo de los electrones". Espero que esto ayude ;)

IMS = espacio entre membranas


Solo quiero agregar un ligero punto aclaratorio a la ya excelente respuesta del miembro anterior. Tenga en cuenta que estos 10 protones que se bombean al espacio intermembrana al final son por una molécula de NADH. Entonces, cada molécula de NADH dará como resultado que se transporten 10 protones al espacio intermembrana (como se indicó anteriormente). Sin embargo, por cada molécula de FADH2, solo se bombean 6 protones al espacio intermembrana. Esto se debe a que FADH2 omite el Complejo I (alimenta sus electrones a la ubiquinona "Q" a través del Complejo II).


Rendimiento de ATP por oxidación de glucosa en respiración aeróbica

El rendimiento neto de ATP en eucariotas de la glucólisis, el ciclo del TCA y el transporte de electrones y la fosforilación oxidativa se puede calcular fácilmente.

Antes de la aceptación general de la hipótesis quimiosmótica para la fosforilación oxidativa, este cálculo se basaba en la relación fosfato / oxígeno (relación P / O). La mayoría de los experimentos produjeron P / O (ATP a ½ O2) relación de más de dos cuando NADH era el donante de electrones, y más de uno cuando el succinato era el donante de electrones.

Dada la suposición de que la relación P / O debería tener un valor integral, la mayoría de los experimentadores acordaron que las relaciones P / O deben ser 3 para NADH y 2 para succinato (FADH)2.

Sobre la base de estas relaciones P / O (el número de ATP formados por átomo de oxígeno y reducido en 2 electrones en la cadena de transporte de electrones), el rendimiento total de ATP de la oxidación de una molécula de glucosa en la respiración aeróbica se calculó en un máximo de 36 ATP. El número llega a 38 cuando se utiliza sutura de malato-aspartato en lugar de la sutura de glicerol 3-fosfato.

Con la aceptación general de la hipótesis quimiosmótica para acoplar la síntesis de ATP a la fosforilación oxidativa, no había ningún requisito teórico para que la relación P / O fuera integral.

La pregunta relevante ahora era cuántos protones (H +) son bombeados hacia afuera por la cadena de transporte de electrones desde un NADH al oxígeno, y cuántos protones (H +) deben fluir hacia adentro a través del F1/F0 ¿Complejo de ATPasa para impulsar la síntesis de un ATP? Las mejores estimaciones actuales para los protones bombeados por par de electrones son 10 para NADH y 6 para succinato (FADH2).

El valor experimental más aceptado para el número de protones necesarios para impulsar la síntesis de una molécula de ATP es 4, de los cuales uno se utiliza para transportar Pi (fosfato inorgánico), ATP y ADP a través de la membrana mitocondrial. Si se bombean 10 protones por NADH y deben fluir 4 para producir un ATP, la relación P / O basada en protones es 2.5 (10/4) para NADH y 1.5 (6/4) para succinato (FADH2).

Por lo tanto, como se indica en la tabla 24.3, se sintetizan 30 moléculas de ATP cuando la glucosa se oxida completamente a CO2. Este número llega a 32 cuando se usa sutura de malato-aspartato en lugar de la sutura de glicerol 3-fosfato.

Los rendimientos de ATP en bacterias en condiciones aeróbicas pueden ser menores porque los sistemas de transporte de electrones bacterianos a menudo poseen relaciones P / O más bajas que el sistema eucariota. Por ejemplo, Escherichia coli con sus cadenas de transporte de electrones ramificadas tiene una relación P / O de alrededor de 1,3 cuando respira a niveles altos de oxígeno y solo una proporción de aproximadamente 0,67 cuando respira a niveles bajos de oxígeno.

En este caso, la síntesis de ATP varía con las condiciones ambientales. Quizás debido a que E. coli normalmente crece en hábitats ricos en nutrientes, no tiene que ser particularmente eficiente en la síntesis de ATP. Presumiblemente, la cadena de transporte de electrones funciona cuando E. coli se encuentra en un ambiente aeróbico de agua dulce entre huéspedes.


¿Cuántos protones se bombean por par de electrones del NADH en la fosforilación oxidativa? - biología

Reactividad en química

Fosforilación oxidativa

OP2. Complejo I

El complejo I es una colección de proteínas que sirve como uno de los dos puntos de entrada a la fosforilación oxidativa, el otro es el complejo II. Ambos complejos aceptan electrones de moléculas producidas en el catabolismo de la glucosa. Al transportar estos electrones de un aceptor de electrones a otro, generalmente moviéndose a un potencial más alto (recuerde, en terminología redox, eso significa energía más baja), el ensamblaje de proteínas que participan en la fosforilación oxidativa pueden producir ATP. El ATP, a su vez, se utiliza para impulsar otros procesos metabólicos.

Los principales eventos en el Complejo I se resumen en la siguiente caricatura. Puede ver los electrones que entran desde la matriz en la parte inferior de la imagen (la ruta se muestra con las flechas azules). Son entregados por NADH y entregados a FMN, este paso se discutirá a continuación. Los electrones se transfieren a través de la transferencia de electrones de la esfera externa a través de una serie de grupos de azufre de hierro y finalmente se entregan a la ubiquinona soluble en lípidos (Q).

El complejo I marca el comienzo de la cadena de transporte de electrones.

Los electrones son liberados por NADH, pasan a través del Complejo I y finalmente alcanzan una ubiquinona.

La energía liberada durante el transporte de electrones ayuda a bombear protones a través del complejo.

La siguiente imagen es de una estructura de cristal de rayos X del Complejo I (la fuente de los datos se cita al final de esta página). En lugar de mostrar cada átomo, que es el resultado habitual de una estructura cristalina, los datos se muestran en forma de & quot; caricatura & quot, para que pueda tener una mejor idea de la estructura general. La imagen también está codificada por colores para ayudarlo a ver las estructuras con mayor claridad. Las hélices rosadas (espirales) a lo largo de la parte superior son la parte del complejo que está unida a la membrana mitocondrial interna. La membrana también se extendería a lo largo de la parte superior de la imagen de izquierda a derecha. Es fácil imaginar el haz paralelo de hélices alfa y encajando muy bien en medio de la matriz paralela de fosfolípidos que forman la membrana. La forma de huevo, amarilla y rosa de la parte inferior derecha es la parte del complejo que se extiende hacia la matriz mitocondrial. Las porciones amarillas indican hojas & beta, mientras que los hilos blancos indican bucles.

Es probable que se encuentren aminoácidos específicos a lo largo de las hélices alfa que se unen a la membrana. Indique las diferentes posibilidades a continuación.

En el caso del Complejo I, los electrones se introducen en forma de NADH. Los electrones viajan a través del Complejo I y finalmente son entregados a la ubiquinona. La ubiquinona lleva los electrones a la siguiente etapa del supercomplejo de fosforilación oxidativa, que es el Complejo III. Debido a que el Complejo I toma electrones del NADH y los entrega a la ubiquinona, el Complejo I también se conoce como "NADH: ubiquinona oxidorreductasa".

El NADH se produce durante la glucólisis y el ciclo de TCA. Recuerde, NADH es un donante de dos electrones: dona un ion hidruro a un sustrato, convirtiéndose en NAD +. Un ion hidruro, por supuesto, es solo un protón y dos electrones.

El NADH producido en la glucólisis y el ciclo del TCA entrega un par de electrones al Complejo I.

El NADH se entrega al complejo I desde la matriz mitocondrial (en el interior de la mitocondria).

Con mucho, el aceptor de electrones más común en el supercomplejo de fosforilación oxidativa es un átomo de hierro. Por supuesto, los estados de oxidación más comunes para los iones de hierro son Fe 2+ y Fe 3+. Un hierro en el estado de oxidación 3+ puede aceptar un electrón, convirtiéndose en Fe 2+. Por el contrario, un hierro en el estado de oxidación 2+ podría transmitir un electrón, convirtiéndose en Fe 3+ en el proceso.

Imagínese una brigada de baldes, en la que las personas que pasan baldes de agua de una a otra actúan juntas para apagar un incendio. Los átomos de hierro actúan de la misma manera, cada uno pasando un electrón al siguiente para completar la cadena de transporte de electrones.

El transporte de electrones se logra mediante muchos pasos pequeños en lugar de unos pocos grandes.

Si eliminamos las proteínas del Complejo I, podemos obtener una imagen de algunas de las otras piezas del interior. Al observar los datos de la estructura del cristal de rayos X, podemos simplemente ignorar cada átomo de la proteína, hasta que nos quedemos con los & quot; ligandos & quot. En bioquímica, ligandos significa la sustancia adherida a las proteínas (a diferencia de la química inorgánica, donde se refiere a la materia adherida a los metales). Eso es lo que vemos a continuación. Las formas rojas y amarillas que ves son complejos de sulfuro de hierro, encadenados para que puedan pasar electrones a través del Complejo I.Las piezas que vemos aquí se encuentran dentro de la parte hidrófila del Complejo I, es decir, se encuentran dentro de la parte amarilla. y una parte rosada en forma de huevo que se ve en la estructura de arriba. Esta imagen está orientada en la misma dirección que la de arriba. Los complejos de hierro se extienden desde la parte inferior del dominio hidrófilo hasta el borde de la parte hidrófoba, unida a la membrana, del complejo.

Por lo tanto, tenemos un "cable" para transportar los electrones a través del complejo después de que NADH los entrega. Sin embargo, tenemos un problema de desajuste. NADH es un donante de dos electrones. Un ion Fe 3+ es un aceptor de un electrón. Necesitamos un adaptador para esta conexión eléctrica. El adaptador viene en forma de FMN. FMN es la estructura con algunos átomos de color azul y rojo cerca de la esquina inferior derecha de la imagen.

NADH solo dona dos electrones a la vez.

Los iones de hierro en la cadena de transporte de electrones pueden alternar entre Fe (III) y Fe (II) y pueden aceptar solo un electrón a la vez.

Se necesita un adaptador para convertir la transferencia de dos electrones en una transferencia de un electrón.

FMNH2 poco a poco similar a NADH. Su forma oxidada, FMN, puede aceptar dos electrones y un protón en forma de ion hidruro, así como un protón adicional. En otras palabras, FMN acepta H - y H + para convertirse en FMNH2. Sin embargo, FMN dispone de una ruta ligeramente diferente. También puede sufrir una reducción de un electrón a la vez. En realidad, la adición de un electrón iría precedida o poco seguida por la adición de un protón, a fin de mantener la misma carga general. Este estado, FMNH, se denomina forma de semiquinona.

¿Cuál es la diferencia entre NAD y FMN? ¿Por qué uno puede aceptar solo un par de electrones, mientras que el otro puede aceptar uno a la vez? Cuando FMN acepta un electrón, se convierte en radical. Los radicales son especies reactivas e inestables. Pueden estabilizarse principalmente mediante deslocalización. La conjugación adicional en FMN en comparación con NAD permite que el electrón impar se deslocalice más ampliamente en FMN. Esa estabilidad radical es la diferencia clave.

La presencia de conjugación extendida estabiliza un radical en FMNH.

La estabilidad de este radical permite que FMN acepte un electrón a la vez.

Proporcionar un mecanismo para la conversión de FMN en FMNH2 en presencia de NADH y una cadena lateral de lisina, a pH 7.

Una vez que se ha formado FMNH2, lo contrario es cierto, por supuesto. Puede ceder un electrón a la vez. Como resultado, FMN puede tomar un par de electrones provenientes de NADH y enviarlos uno por uno a la cadena de transporte de electrones.

El resto de la cadena de transporte de electrones a través del Complejo I es una serie de grupos de hierro-azufre. Como sugiere el nombre, estos grupos están formados por átomos de hierro y azufre. La variedad más común contiene cuatro átomos de hierro y cuatro átomos de azufre dispuestos en las esquinas de un cubo. Estos grupos a menudo se denominan grupos 4Fe4S por razones obvias: hay 4 átomos de hierro y 4 átomos de azufre. Los átomos de azufre en las esquinas son realmente iones de sulfuro, S 2-. Además de los tres iones de azufre, cada uno de los átomos de hierro también está unido a un residuo de cisteína aniónica, de modo que el hierro tiene una geometría de coordinación tetraédrica. Los átomos de hierro están presentes como una combinación de iones Fe 2+ y Fe 3+.

Los cúmulos de hierro y azufre son muy comunes en el transporte biológico de electrones.

Los iones de hierro pueden ser Fe (II) o Fe (III).

Los ligandos para los iones de hierro incluyen iones de sulfuro, S 2-.

Los grupos de sulfuro de hierro generalmente se mantienen en su lugar en la proteína mediante ligandos de cisteína (CysS -).

Aquí hay otra vista de los ligandos, vista desde un punto de vista diferente esta vez. Vea si puede encontrar un grupo de cuatro átomos de hierro (de color rojo) unidos con cuatro átomos de azufre (de color amarillo).

Hay otras variaciones de grupos de FeS. Uno muy común es un grupo 2Fe2S, que por supuesto consta de dos átomos de hierro y dos iones sulfuro en las esquinas alternas de un diamante. Hay un par de estos grupos visibles en la imagen de arriba. Nuevamente, los átomos de hierro podrían ser iones Fe 2+ o Fe 3+, o uno de cada uno. Además, cada hierro suele estar unido a dos aniones de cisteína adicionales para completar una geometría tetraédrica. Sin embargo, esos grupos no se muestran aquí porque hemos dejado la proteína fuera de la imagen. (Veremos eventualmente que otros aminoácidos ocasionalmente se unen a grupos de hierro y azufre en lugar de cisteína).

Otra posibilidad es un cúmulo 3Fe4S, un asunto desigual en el que uno de los átomos de hierro queda esencialmente fuera del cubo de FeS.

Suponiendo que un hierro está presente como Fe (III) y el resto como Fe (II), calcule las cargas totales en:

El medio ambiente juega un papel en la modulación de los potenciales de reducción en las proteínas. Suponga que un grupo de 2Fe2S estuviera en un estado de oxidación de Fe (II) / (III) mixto. ¿Cómo se compararía su potencial de reducción cuando está rodeado por residuos de aminoácidos no polares con su potencial de reducción cuando está rodeado por residuos de aminoácidos polares?

Hay toda una serie de estos grupos en el Complejo I. Los electrones entregados por NADH se envían de uno a otro y luego al siguiente. Hay un par de razones para este arreglo.

Debido a que todos estos grupos están unidos en su lugar por la proteína, completamente inmovilizados, la transferencia de electrones debe ocurrir a través de un mecanismo de esfera externa. ¿Por qué hay tantos clústeres? Recuerde, las transferencias de electrones de la esfera exterior tienen un rango limitado. El electrón, en la mayoría de las circunstancias, solo puede saltar hasta cierto punto. Al proporcionar una serie de grupos conductores de FeS, el electrón puede saltar de uno a otro, dispuestos como escalones a través de un río.

No solo eso, sino que la cadena de transporte de electrones toma electrones del NADH y los entrega, en última instancia, al oxígeno molecular en el Complejo IV. El oxígeno molecular se convierte en agua. Esa transferencia de NADH al agua es muy exotérmica. La reacción es mucho más descendente en energía. Para que esta transferencia sea prácticamente factible y para aprovechar la enorme cantidad de energía involucrada, se permite que los electrones desciendan poco a poco.

Ocasionalmente, los electrones pueden incluso retroceder un poco cuesta arriba, recuperando la energía que se ha perdido en los alrededores en transferencias anteriores. Este efecto amortiguador puede hacer que todo el proceso sea más eficiente. Aún así, los electrones en general están rodando cuesta abajo energéticamente. Un electrón puede saltar cuesta arriba unas cuantas veces, pero eventualmente esos saltos cuesta arriba serán seguidos por una caída cuesta abajo, de modo que en general el electrón se ha movido a una energía más baja.

Una transferencia de electrones ascendente ocasional absorbe energía.

La reabsorción aumenta la eficiencia al evitar la pérdida de calor.

En el Complejo I, el destino final de la cadena de transporte de electrones es una ubiquinona, a veces abreviada como Q o UQ. Al igual que FMN, UQ es un aceptador de dos electrones y dos protones que se convierte en UQH2. También como FMN, UQ puede aceptar un protón y un electrón a la vez, para formar la forma semiquinona, UQH. Una vez más, esta es una especie radical.

Proporcionar un mecanismo para la conversión de UQ en UQH2 en presencia de iones Fe 2+ y cadenas laterales de lisina, a pH 7.

UQ es muy diferente de los grupos de FeS o del FMN porque no está unido a una proteína. No está atado. Puede moverse. Eso lo convierte en un portador de electrones móviles. Además de ser un aceptor de electrones de potencial relativamente alto (al menos en comparación con otras cosas en el Complejo I), el papel de UQH2 es entregar electrones al Complejo III para que la cadena de transporte de electrones pueda continuar.

El problema es que, si UQH2 es móvil, ¿qué puede evitar que se pierda? ¿Cómo se limita su camino para que sea más probable que llegue a su destino? Recuerde que el supercomplejo de fosforilación oxidativa es un grupo de proteínas unidas a la membrana. Se mantienen en un ambiente rico en lípidos. La estructura de UQH2, con su cola larga, es muy lipofílica. Si permanece en la membrana, sus movimientos se limitan a dos dimensiones, en lugar de tres, y es mucho más probable que alcance su destino de Complejo III.

La ubiquinona es un portador de electrones móvil soluble en lípidos.

Su movimiento está restringido a la membrana mitocondrial.

Hay una característica más importante del Complejo I. Como algunos de los otros complejos involucrados en la fosforilación oxidativa (Complejos III y IV), el Complejo I bombea protones a través de la membrana mitocondrial interna. En última instancia, los protones que se han reunido en el borde de la membrana mitocondrial interna vuelven a cruzar, haciendo girar una rueda de molino molecular que impulsa la fabricación de ATP. El ATP se utiliza para impulsar procesos en toda la célula.

Los protones se bombean activamente a través de la membrana mitocondrial.

Como resultado, se desarrolla una carga a través de la membrana.

La matriz mitocondrial se vuelve "dopada" o cargada negativamente.

El espacio entre membranas se convierte en "dopado p" o se carga positivamente.

Esta bomba de protones es un ejemplo de transporte activo. Se gasta energía para transportar protones a través de la membrana, a pesar de la acumulación de carga positiva en el espacio intermembrana (y la correspondiente acumulación de carga negativa en la matriz). La energía liberada por la cadena de transporte de electrones puede ser responsable de cambios conformacionales en la proteína que ayudan a que ocurra este transporte.

Parece que todavía hay alguna discusión sobre cómo, exactamente, funciona la bomba de protones en este sistema. Sin embargo, algunas cosas están claras. El transporte de proteínas a través de una membrana hidrófoba probablemente se ve facilitado por la presencia de porciones hidrófilas de la proteína. Se cree que hay canales que se abren en la proteína, lo que permite que las moléculas de agua se muevan a través de la proteína. Debido a que la proteína está incrustada en la membrana, estos protones también cruzan la membrana al mismo tiempo.

Con frecuencia, los aminoácidos específicos pueden contribuir al transporte de protones (u otros iones). Complete algunas posibilidades diferentes para estos aminoácidos.

En general, el protón que ingresa al complejo por un lado de la membrana probablemente no sea el mismo protón que emerge por el otro lado. Proporcione un mecanismo con flechas para ilustrar este proceso.

La liberación de energía a través de la cadena de transporte de electrones impulsa el transporte de protones a través de la membrana. Hay otro factor que también ayuda. Como los electrones, los protones viajan desde la matriz hacia el espacio intermembrana. Tanto las cargas positivas como las negativas viajan en la misma dirección. Eso plantea la posibilidad de un transporte acoplado, en el que el flujo de electrones a través de la proteína facilita el seguimiento de los protones (o viceversa).

En el transporte acoplado, el movimiento de un protón es seguido rápidamente por la transferencia de un electrón (o viceversa).

Los electrones y protones viajan en la misma dirección a través del complejo I: desde la matriz hacia el espacio intermembrana.

Sus cargas opuestas pueden dar lugar a un mecanismo acoplado en el que el movimiento de uno facilita el seguimiento del otro.

El complejo I no es el único punto de entrada para los electrones en la cadena de transporte de electrones. El complejo II juega un papel similar. Juntos, recolectan energía de la cadena de transporte de electrones que, en última instancia, se usa para producir ATP, que puede moverse a través de la célula para liberar energía en otros lugares.

Proporcionar un mecanismo para la oxidación del FMNH2 por el hierro (III).

Es difícil medir el potencial de reducción de un sitio individual dentro de una proteína. Sin embargo, los investigadores han podido estimar estos valores midiendo los espectros EPR en diversas condiciones. Por ejemplo, aquí hay una imagen aproximada de los potenciales en el Complejo I.

a) Dos de los N grupos probablemente no estén directamente involucrados en la cadena de transporte de electrones. ¿Cuáles?

b) Utilice los datos del diagrama para construir un diagrama de energía potencial para la transferencia del electrón a lo largo de la ruta.

Utilizando los valores de la figura anterior, calcule el cambio de energía cuando un electrón se transfiere del grupo N5 al grupo N6a.

Estructuras cristalinas de rayos X: Efremov, R.G., Baradaran, R., Sazanov, L.A. La arquitectura del complejo respiratorio I. Naturaleza 2010 465: 441-445. Imágenes obtenidas a través del banco de datos de proteínas RCSB (3M9S).

Este sitio está escrito y mantenido por Chris P. Schaller, Ph.D., College of Saint Benedict / Saint John's University (con contribuciones de otros autores como se indica). Está disponible gratuitamente para uso educativo.

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Estructura y reactividad en química orgánica, biológica e inorgánica por Chris Schaller tiene licencia bajo una Licencia Creative Commons Reconocimiento-No comercial 3.0 Unported.

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Este material se basa en el trabajo respaldado por la National Science Foundation con la subvención No. 1043566.

Todas las opiniones, hallazgos y conclusiones o recomendaciones expresadas en este material pertenecen a los autores y no reflejan necesariamente los puntos de vista de la National Science Foundation.


Complejo II

Complejo II, también llamado succinato deshidrogenasa , contiene la enzima real que vimos en el paso 6 del ciclo de Krebs. Su sitio de unión para el succinato está en el lado de la matriz de la membrana y el transportador (FAD) es en realidad parte del complejo en sí. Los electrones del succinato reducen el FAD a FAD -2 mientras que los iones de hidrógeno y el fumarato se liberan en la matriz.

UNA FADH2, desde el interior del complejo, se oxida produciendo un par de iones de hidrógeno para completar la reducción del FAD -2 recién formado, regenerándose así. El FAD aceptará el siguiente par de electrones que se reciba. El par de electrones se transfiere a una coenzima Q unida a la superficie del complejo para formar Q -2. Finalmente, un par de iones de hidrógeno del grupo en la matriz completa la reducción de la coenzima a QH.2.

  • Un (1) par de iones de hidrógeno y fumarato a la matriz.
  • Un (1) par de electrones al FAD dentro del complejo que finalmente se donan a una (1) coenzima Q que forma Q -2 (no se muestra)
  • Un (1) par de iones de hidrógeno de la matriz se combina con el Q -2 reducido para formar un (1) QH2.

Las mitocondrias se describen a menudo como la "fuente de energía" de una célula, ya que es aquí donde se libera en gran medida la energía de la oxidación de los alimentos. Los equivalentes reductores generados a partir de la beta-oxidación de ácidos grasos y del ciclo de Krebs entran en la cadena de transporte de electrones (también llamada cadena respiratoria). Durante una serie de reacciones redox, los electrones viajan por la cadena liberando su energía en pasos controlados. Estas reacciones impulsan el transporte activo de protones desde la matriz mitocondrial, a través de la membrana interna hasta el espacio intermembrana. La cadena respiratoria consta de cinco tipos principales de flavinas portadoras, centros de hierro-azufre, quinonas, citocromos (proteínas hemo) y cobre. Los dos principales equivalentes reductores que entran en la cadena respiratoria son NADH y FADH2. El NADH se une a través de la deshidrogenasa específica de NADH, mientras que el FADH2 se reoxida dentro de la succinato deshidrogenasa y una ubiquinona reductasa de la vía de oxidación de los ácidos grasos. El oxígeno es el aceptor final de electrones y, con los protones, se convierte para formar agua, el producto final de la respiración celular aeróbica. Se establece un gradiente electroquímico de protones (a menudo llamado fuerza protonmotriz) a través de la membrana interna, con carga positiva en el espacio intermembrana en relación con la matriz. Los protones, impulsados ​​por la fuerza motriz del protón, pueden ingresar a la ATP sintasa y regresar así a la matriz mitocondrial. Las ATP sintasas utilizan este flujo exergónico para formar ATP en la matriz, un proceso llamado acoplamiento quimiosmótico. Un subproducto de este proceso es la generación de calor.

Un antiport, ATP-ADP translocase, exporta preferentemente ATP de la matriz, manteniendo así una alta relación ADP: ATP en la matriz. El estrecho acoplamiento del flujo de electrones a la síntesis de ATP significa que el consumo de oxígeno depende de la disponibilidad de ADP (denominado control respiratorio). El ADP alto (ATP bajo) aumenta el flujo de electrones, lo que aumenta el consumo de oxígeno y el ADP bajo (ATP alto) disminuye el flujo de electrones y, por lo tanto, disminuye el consumo de oxígeno. Hay muchos inhibidores de la síntesis de ATP mitocondrial. La mayoría actúa bloqueando el flujo de electrones (por ejemplo, cianuro, monóxido de carbono, rotenona) o desacoplando el flujo de electrones de la síntesis de ATP (por ejemplo, dinitrofenol). La termogenina es una proteína natural que se encuentra en la grasa parda. Los bebés recién nacidos tienen una gran cantidad de grasa parda y el calor generado por la termogenina es una alternativa a la síntesis de ATP (y por lo tanto el flujo de electrones solo produce calor) y permite el mantenimiento de la temperatura corporal en los recién nacidos.

La cadena de transporte de electrones se encuentra en la membrana mitocondrial interna y comprende unas 80 proteínas organizadas en cuatro complejos enzimáticos (I-IV). El complejo V genera ATP pero no tiene actividad de transferencia de electrones. Además de estos 5 complejos, también hay dos moléculas lanzadera de electrones Coenzima Q (también conocida como ubiquinona, CoQ) y Citocromo c (Cytc). Estas dos moléculas transportan electrones entre los grandes complejos de la cadena.

¿Cuántos ATP genera este proceso? En teoría, por cada molécula de glucosa, se pueden producir 32 ATP. A medida que los electrones caen del NADH al oxígeno en la cadena, el número de protones bombeados y que regresan a través de la ATP sintasa puede producir 2,5 ATP por par de electrones. Por cada par donado por FADH2, solo se pueden formar 1,5 ATP. Se eliminan doce pares de electrones de cada molécula de glucosa.

10 por NAD + = 25 ATP
2 por FADH2 = 3 ATP.

Haciendo un total de 28 ATP. Sin embargo, se forman 2 ATP durante el ciclo de Krebs y se forman 2 ATP durante la glucólisis para cada molécula de glucosa, lo que genera un rendimiento total de ATP de 32 ATP. En realidad, la energía de la cadena respiratoria se utiliza para otros procesos (como el transporte activo de iones y moléculas importantes), por lo que en condiciones de respiración normal, el rendimiento real de ATP probablemente no alcance los 32 ATP.

Los equivalentes reductores que alimentan la cadena de transporte de electrones, a saber, NADH y FADH2, son producidos por el ciclo de Krebs (ciclo TCA) y la beta-oxidación de ácidos grasos. En tres pasos del ciclo de Krebs (conversión de isocitrato en oxoglutarato, conversión de oxoglutarato en succinil-CoA, conversión de malato en oxaloacetato), se eliminan un par de electrones (2e-) y se transfieren a NAD +, formando NADH y H +. En un solo paso, se eliminan un par de electrones del succinato, reduciendo FAD a FADH2. A partir de la beta-oxidación de ácidos grasos, un paso en el proceso forma NADH y H + y otro paso forma FADH2.

El NADH citoplasmático, generado a partir de la glucólisis, debe oxidarse para reformar el NAD +, esencial para la glucólisis, de lo contrario, la glucólisis dejaría de funcionar. No hay ningún portador que transporte NADH directamente a la matriz mitocondrial y la membrana mitocondrial interna es impermeable al NADH, por lo que la célula utiliza dos sistemas de lanzadera para mover equivalentes reductores a la mitocondria y regenerar el NAD + citosólico.
El primero es el transbordador de fosfato de glicerol, que utiliza electrones del NADH citosólico para producir FADH2 dentro de la membrana interna. Estos electrones luego fluyen a la coenzima Q. El complejo I se pasa por alto, por lo que solo se pueden formar 1,5 ATP por NADH a través de esta ruta. La ecuación balanceada general, sumando todas las reacciones en este sistema, es

NADH (citosol) + H + (citosol) + NAD + (mito.) = NAD + (citosol) + NADH (mito.) + H + (mito.)

La lanzadera malato-aspartato utiliza la oxidación del malato para generar NADH en la matriz mitocondrial. Este NADH puede luego alimentarse directamente al complejo I y, por lo tanto, puede formar 3 ATP a través de la cadena respiratoria. La ecuación balanceada general es

NADH (citosol) + H + (citosol) + FAD (memb. Interior) = NAD + (citosol) + FADH2 (memb. Interior)

Ambos sistemas lanzadera regeneran NAD + citosólico.

El punto de entrada para NADH es el complejo I (NADH deshidrogenasa) y el punto de entrada para FADH2 es la coenzima Q. La entrada de electrones de la oxidación de ácidos grasos a través de la ubiquinona es complicada y no se muestra en el diagrama.


La cadena respiratoria

Figura 3. Fosforilación oxidativa: transporte de electrones y síntesis de ATP. La cadena respiratoria está compuesta por tres grandes complejos proteicos fijados en la membrana (de color naranja) y dos portadores de electrones móviles (de color negro). Los electrones se donan de NADH a NADH deshidrogenasa, un gran complejo de proteínas que bombea protones a través de la membrana interna. Luego, los electrones se transportan al complejo citocromo b-c a través de la pequeña molécula móvil coenzima Q (Q), también denominada ubiquinona; el complejo citocromo b-c también bombea protones a través de la membrana interna. Estos electrones son entregados al último complejo proteico, la citocromo oxidasa, por la proteína móvil citocromo c (cyt c). La citocromo oxidasa dona los electrones al oxígeno y se forma agua. La citocromo oxidasa también bombea protones a través de la membrana. La concentración de hidrógeno es mucho mayor en el espacio intermembrana que en la matriz, generando así un gradiente de protones electroquímico. Este gradiente hace retroceder a los protones a través de la membrana interna a través de la ATP sintasa (que se muestra en gris) que cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi).

La cadena de transporte de electrones mitocondrial, también conocida como cadena respiratoria, se organiza en tres complejos multiproteicos: NADH deshidrogenasa, complejo citocromo b-c, y citocromo oxidasa. Cada complejo de la cadena respiratoria está compuesto por varias proteínas diferentes capaces tanto de transportar electrones como de bombear protones a través de la membrana interna, generando así un gradiente electroquímico de protones (ilustrado en la Figura 3). Las proteínas dentro de estos complejos tienen una variedad de grupos protésicos (ver tutorial Propiedades de las macromoléculas 1-proteínas), incluidos los centros de hierro-azufre, hemes, flavinas (los restos de múltiples anillos de los FAD) y cobre, todos los cuales son capaces de aceptar y donar electrones. Electron transport is initiated when a pair of electrons and a proton are released from NADH and accepted by NADH dehydrogenase, whereupon the electrons are transported from one protein to another within the complex. The electrons are then transported from that complex to the cytochrome b-c complex by the mobile electron carrier coenzyme Q (CoQ), also called ubiquinone, the sole non-protein electron carrier in the respiratory chain. The electrons move through the cytochrome b-c complex and are transported to the final complex by the small protein cytochrome c. The final complex, cytochrome oxidase, catalyzes the transfer of the electrons to oxygen. The free energy of this complete reaction (NADH + H+ + 1/2 O2 -> NAD+ + H2O) is -52.6 kcal/mol. The free energy is released in a stepwise fashion as the electrons move through the ETC, and is captured in the electrochemical proton gradient. FADH2also donates its electrons to the respiratory chain, but because its redox potential is higher than that of NADH dehydrogenase, it cannot donate its electrons to that protein complex. Instead, the electrons from FADH2 are donated to succinato deshidrogenasa, which, in turn, will pass the electrons to CoQ and they will be transported through the remainder of the respiratory chain. The hydrogen electrochemical gradient that is generated during electron transport initiated by FADH2 is not as great as that generated by NADH. This is because FADH2donates its electrons to succinate dehydrogenase, which does not pump any protons, and the electrons bypass NADH dehydrogenase, which does pump protons.


5.4: Oxidative Phosphorylation

  • Contributed by E. V. Wong
  • Axolotl Academica Publishing (Biology) at Axolotl Academica Publishing

Oxidative phosphorylation denotes the phosphorylation of ADP into ATP, utilizing the energy from successive electron transports (hence the &ldquooxidative&rdquo). The basic concept is that oxidation of NADH, being highly exergonic, can generate the energy needed to phosphorylate ADP. Since oxidation of NADH by oxygen can potentially release 52 kCal/mol (218 kJ/mol), and the energy needed to phosphorylate ATP is approximately 7.5 kCal/mol (30.5 kJ/mol), we should be able to expect the formation of several ATP per oxidized NADH. Indeed, this is what happens, although not directly. As noted with the breakdown of glucose, a one-step oxidation would generate too much energy for cellular processes to handle, and most would be wasted. So instead of oxidizing NADH directly with O2, the electrons are transferred to a series of gradually lower-energy carriers until finally reaching oxygen. This sequence is the electron transport chain.

Figura ( PageIndex <6> ). The primary electron transport pathway in mitochondria. Complexes I, III, and IV are shown. Complex II is pictured in Figure (PageIndex<10>). The complexes are all buried in the inner mitochondrial membrane. Protons are being pumped from the matrix to the intermembrane space utilizing energy sapped from the high energy electrons as they move from a higher-energy carrier to a lower-energy carrier.

The electron transport chain is based on the activity of four major enzyme complexes (conveniently called complexes I-IV) embedded in the inner mitochondrial membrane, along with some small easily diffusible electron carriers to move the electrons from one complex to the next. These complexes are present in extremely high numbers as befits their necessity in generating energy, comprising nearly 75% of the inner membrane mass (in comparison, the plasma membrane of an average eukaryotic cell has a protein concentration closer to 50%). An overview of the process is shown in Figure (PageIndex<6>): as previously noted, electrons are stripped from NADH, and eventually end up on oxygen. As the electrons are moved to lower-energy carriers, energy is released and used to pump protons from the mitochondrial matrix into the intermembrane space.

Figure (PageIndex<7>). Although the size of complex I varies somewhat across species, the rough L-shaped three-dimensional conformation is constant. The FMN is located in the larger portion of the complex, while the ubiquinone docking site is located in the short branch. In the Figure above, which depicts two aspects (rotated 90°) of NADH dehydrogenase complex, the FMN is shown in grey and red, while Fe-S centers are shown in orange and yellow. The Figure was generated from data in the RCSB Protein Data Bank.

Complex I is an NADH dehydrogenase. Shown in yellow in Figure (PageIndex<6>), its purpose is to remove a pair of electrons from NADH and transfer them onto ubiquinone (Coenzyme Q or CoQ), a small hydrophobic electron carrier that can then carry the electrons to complex III. This is a multistep process that involves first transferring the electrons onto an associated flavin mononucleotide (FMN) molecule, which then transfers the electrons to a set of iron-sulfur moieties connected to the enzyme complex itself (structure in Figure (PageIndex<7>)). Finally, the electrons are moved onto ubiquinone. As these transfers occur, the energy that is released during these transfers powers the pumping of 4 H+ ions across the inner mitochondrial membrane. Complex I is inhibited by rotenone, a pesticide used primarily against insects and shes.

We&rsquoll take a mental pass on complex II for now and hit it at the end of this roll call. The reasons will be apparent then.

Complex III is also known as the cytochrome bc1 complex (Figure (PageIndex<6>), purple). The purpose of this complex is to pass the electrons from ubiquinone onto cytochrome c. The use of ubiquinone is important here, because it is stable with either two, or just one, extra electron. Cytochrome c, on the other hand, can only carry one electron. So, this complex docks ubiquinone, and holds it until it has passed its first electron onto cytochome c, which then moves onto complex IV, and then its second electron onto another cytochrome c. With each transfer, two protons are pumped across the membrane.

Finally, cytochrome c drops the electron off to complex IV, cytochrome c oxidase (Figure (PageIndex<6>), red). Cytochrome c oxidase accomplishes the final step: transferring electrons onto oxygen atoms to make water. The really interesting thing about this process is that the enzyme must hold onto the electrons as they are transferred one at a time from cytochrome c, until it holds four electrons. Then, it can transfer one pair to each of the oxygen atoms in molecular oxygen (O2). It is very important to do this because transferring any less than all four electrons would lead to the creation of reactive oxygen species (ROS) that could cause damage to the enzymes and membranes of the mitochondria.

In fact, some well known poisons act at exactly this point. Both cyanide and carbon monoxide can bind with higher affinity than oxygen at the heme in complex IV. Since neither can accept electrons, the effect is just as though no oxygen was available.

Although cytochrome c oxidase is sometimes abbreviated COX, it is no the target of the COX-2 inhibitors that are used pharmaceutically in pain management, e.g. Bextra, Celebrex, or Vioxx. That refers to a family of enzymes known as the cyclooxygenases.

Oxygen is absolutely required. If oxygen is not available, there is no place to transfer the electrons, and very quickly, the electron transport chain is halted and carriers such as cytochrome c and CoQ cannot release their electrons and eventually there are no more available carriers. Similarly, when that happens, NAD + is not regenerated, so the TCA cycle is also stuck. This leaves only the anaerobic non-oxygen-requiring glycolysis- fermentation cycle for generating ATP.

We now return to complex II (see Figure (PageIndex<10>)). We mentioned complex II as succinate dehydrogenase when discussing the TCA cycle. It also participates in the electron transport chain by passing electrons to ubiquinone. However, rather than transferring electrons that originated from NADH like the other three complexes of the electron transport chain, the electrons originate from the covalently bound electron carrier FADH2 (flavin adenine dinucleotide), which received the electrons from succinate, as described in the TCA cycle section. Once the electrons have been passed to ubiquinone, it then moves on to complex III to drop off those electrons to cytochrome c, and the rest of the electron transport chain continues. FAD, the oxidized form of FADH2, is then ready to participate in the next redox cycle.

The purpose of this electron transport chain, with respect to ATP generation, is the pumping of H+ from the mitochondrial matrix into the intermembranous space. Since the concentration of protons is higher in the intermembrane space, it will take energy to move them against the concentration gradient, which is where our high-energy electrons come into the picture. As they move from one carrier to the next, they are moving from a higher to a lower energy state. This implies that some energy is lost from the electron, and some of that energy is tapped by the enzymes of the electron transport chain to move protons from the matrix to the intermembrane space.

Figure (PageIndex<10>). Catabolic reactions of the mitochondria.

There are two methods by which the protons are moved: the redox loop, and the proton pump. The proton pump, which is the method by which complex IV moves protons, is the easier to understand: H + is bound on the matrix side of the enzyme in its reduced state (after it has received an electron), and a conformational shift occurs upon reoxidation to open the enzyme up to the intermembrane side, and the H + is released. The redox loop, which occurs in complex I, and in complex III in a variation called the Q cycle, essentially posits that an initial redox center requires the binding of both the high energy electron and a proton from the matrix side of the membrane. When the electron is transferred to the next redox center in the chain, a proton is released to the intermembrane space.

Whatever the mechanism, what is the point of all this proton pumping? As you might suspect, using up energy to pump an ion against its concentration gradient isn&rsquot done for the fun of it. Rather, this generates significant potential energy across the inner mitochondrial membrane. And, it so happens that there is an enzyme that can convert that energy into the physiologically useful chemical form of ATP. This enzyme is, not surprisingly, named ATP synthase (Figure (PageIndex<8>)). It is also referred to in some texts as the F1F0-ATPase, based on its reverse activity (at the expense of ATP, it can pump protons), and the fact that it can be broken down into two major functional units: F1 which can hydrolyze but not synthesize ATP and is a soluble protein, and F0 which is an insoluble transmembrane protein.

Figure (PageIndex<8>). ATP synthase. As protons pass through the ATP synthase, they release energy by going from high concentration to low. This energy drives the rotational movement of the shaft and the generation of ATP.

The ATP synthase is an extraordinary example of an enzyme that transforms the energy inherent in a concentration gradient across a membrane into mechanical energy, and finally into chemical bond energy. It is descriptively called a &ldquorotary engine&rdquo because the very generalized sequence of events is as follows: protons ow down their gradient through a proton channel subunit of the ATP synthase, in owing down the gradient, energy is released, this energy causes rotation of a multisubunit &ldquowheel&rdquo-like subunit attached to a spindle/axle (g subunit) which also spins. The spinning of this asymmetrically shaped spindle unit causes conformational changes in the catalytic subunit (made of the a and b subunits) it is attached to, changing an ADP+Pi binding site to a catalytic site that can &ldquosqueeze&rdquo the molecules together into an ATP, and then finally open up to release the ATP (Figure (PageIndex<9>)).

Figure (PageIndex<9>). ATP synthase head rotation. The rotating spindle causes asymmetric changes to the shape of the three potential binding sites, cycling them through the loose (L) conformation that binds ADP and PI, the tight (T) conformation that literally squeezes the two substrates together into ATP, and the open (O) conformation that allows ATP.

Of course, it isn&rsquot quite that simple (Figure (PageIndex<8>)). Starting with the initial movement of pro- tons, as they move from the intermembrane space into the ATP synthase, they enter a small hydrophilic channel (a) and then bind onto one of the c-subunits of the &ldquowater wheel&rdquo c-ring. Binding of the H + to the c-subunit causes it to lose affinity for the a- subunit, allowing it to spin, and simultaneously causes a conformational change that essentially pushes off against the a-subunit, initiating the movement. Once it has spun around almost a complete turn, the H + is positioned by another channel (b), which funnels it from the c-subunit into the matrix. The c-subunit structure is connected to an asymmetric spindle that is itself connected to the catalytic subunits.


Mitochondrial Electron Transport Chain

The mitochondrial electron transport chain is composed of three main membrane-associated electron carriers flavoproteins (FMN, FAD), cytochromes, and quinones (coenzyme Q, also known as ubiquinone because it is a ubiquitous quinone in biological systems).

All these electron carriers reside within the inner membrane of the mitochondria and operate together to transfer electrons from donors, like NADH and FADH2, to acceptors, such as O2. The, electrons flow from carriers with more negative reduction potentials to those with more positive reduction potentials and eventually combine with O2 and H to form water.

However, the mitochondrial electron transport system is arranged into four enzyme complexes of carriers, each capable of transporting electrons part of the way to O2 (Fig. 24.5). Coenzyme Q and cytochrome c connect the complexes with each other.

The four enzyme complexes of carriers are: NADH-Q oxidoreductase, succinate-Q-reductase, Q-cytochrome c oxidoreductase, and cytochrome c oxidase. These complexes are the enzyme complex and each of them consists of different prosthetic groups (Table 24.2).

The process of mitochondrial electron transport chain is summarized in Figure 24.6, which shows the flow of electrons and protons through the four enzyme complexes of the transport chain.

The whole process of mitochondrial electron transport can be represented in brief in the following manner:

1. Electrons donated by NADH enter the chain at complex I (NADH-Q-oxidoreductase) and pass through a flavoprotein (FMN) to a series of iron-sulphur-proteins (FeS) and then to ubiquinone (Q).

2. Electrons donated by succinate enter the chain at Complex II (succinate-Q-reductase) and pass through a flavoprotein (FAD) and FeS centres and then to ubiquinone (Q).

3. Ubiquinone (Q) serves as a mobile carrier of electrons received from complexes I and II and passes them to complex III (Q-cytochrome c oxidoreductase).

4. Complex III called Q-cytochrome c oxidoreductase or cytochrome bc1 complex passes the electrons through its prosthetic groups Cyt bL (Heme bL), Cyt bH (heme bH), FeS, and Cyt cL (Heme cL) to cytochrome c.

5. Cytochrome c (Cyt c), a mobile connecting link between complex III and IV, passes electrons to complex IV (cytochrome c oxidase). The latter carries electrons through its prosthetic groups Cyt a (Heme a), Cyt a3 (Heme a3) CuA and CuB and transfers them to molecular oxygen, reducing it to H2O.

6. Electron flow through complexes I, III and IV is accompanied by proton flow from the mitochondrial matrix (which becomes negatively charged) to inter membrane space or cytosolic side (which becomes positively charged). The number of protons (H + ) moved across the membrane at each site per pair of electrons transported is still somewhat uncertain the current consensus is that at least 10 protons move outward during NADH oxidation.


Chemiosmosis

In chemiosmosis, the free energy from the series of redox reactions just described is used to pump hydrogen ions (protons) across the membrane. The uneven distribution of H + ions across the membrane establishes both concentration and electrical gradients (thus, an electrochemical gradient), owing to the hydrogen ions&rsquo positive charge and their aggregation on one side of the membrane.

If the membrane were open to diffusion by the hydrogen ions, the ions would tend to diffuse back across into the matrix, driven by their electrochemical gradient. Recall that many ions cannot diffuse through the nonpolar regions of phospholipid membranes without the aid of ion channels. Similarly, hydrogen ions in the matrix space can only pass through the inner mitochondrial membrane through an integral membrane protein called ATP synthase (Figure (PageIndex<2>)). This complex protein acts as a tiny generator, turned by the force of the hydrogen ions diffusing through it, down their electrochemical gradient. The turning of parts of this molecular machine facilitates the addition of a phosphate to ADP, forming ATP, using the potential energy of the hydrogen ion gradient.

Figure (PageIndex<2>): ATP synthase is a complex, molecular machine that uses a proton (H+) gradient to form ATP from ADP and inorganic phosphate (Pi). (Credit: modification of work by Klaus Hoffmeier)

Dinitrophenol (DNP) is an uncoupler that makes the inner mitochondrial membrane leaky to protons. Se usó hasta 1938 como medicamento para bajar de peso. ¿Qué efecto esperaría que tuviera el DNP sobre el cambio de pH a través de la membrana mitocondrial interna? Why do you think this might be an effective weight-loss drug?

Chemiosmosis (Figure (PageIndex<3>)) is used to generate 90 percent of the ATP made during aerobic glucose catabolism it is also the method used in the light reactions of photosynthesis to harness the energy of sunlight in the process of photophosphorylation. Recall that the production of ATP using the process of chemiosmosis in mitochondria is called oxidative phosphorylation. The overall result of these reactions is the production of ATP from the energy of the electrons removed from hydrogen atoms. These atoms were originally part of a glucose molecule. At the end of the pathway, the electrons are used to reduce an oxygen molecule to oxygen ions. The extra electrons on the oxygen attract hydrogen ions (protons) from the surrounding medium, and water is formed.

Figure (PageIndex<3>): In oxidative phosphorylation, the pH gradient formed by the electron transport chain is used by ATP synthase to form ATP.

Cyanide inhibits cytochrome c oxidase, a component of the electron transport chain. If cyanide poisoning occurs, would you expect the pH of the intermembrane space to increase or decrease? What effect would cyanide have on ATP synthesis?


Krebs Cycle and Electron Transport Chain

The Krebs cycle occurs in the mitochondria of a cell. This sausage-shaped organelle possesses inner and outer membranes and, therefore, an inner and outer compartment. The inner membrane is folded over itself many times the folds are called cristae. They are somewhat similar to the thylakoid membranes in chloroplasts. Located along the cristae are the important enzymes necessary for the proton pump and for ATP production.

Prior to entering the Krebs cycle, the pyruvic acid molecules are altered. Each three-carbon pyruvic acid molecule undergoes conversion to a substance called acetyl-coenzyme A, or acetyl-CoA. During the process, the pyruvic acid molecule is broken down by an enzyme, one carbon atom is released in the form of carbon dioxide, and the remaining two carbon atoms are combined with a coenzyme called coenzyme A. This combination forms acetyl-CoA. In the process, electrons and a hydrogen ion are transferred to NAD to form high-energy NADH.

Acetyl-CoA now enters the Krebs cycle by combining with a four-carbon acid called oxaloacetic acid. The combination forms the six-carbon acid called citric acid. Citric acid undergoes a series of enzyme-catalyzed conversions. The conversions, which involve up to ten chemical reactions, are all brought about by enzymes. In many of the steps, high-energy electrons are released to NAD. The NAD molecule also acquires a hydrogen ion and becomes NADH. In one of the steps, FAD serves as the electron acceptor, and it acquires two hydrogen ions to become FADH2. Also, in one of the reactions, enough energy is released to synthesize a molecule of ATP. Because for each glucose molecule there are two pyruvic acid molecules entering the system, two ATP molecules are formed.

Also during the Krebs cycle, the two carbon atoms of acetyl-CoA are released, and each forms a carbon dioxide molecule. Thus, for each acetyl-CoA entering the cycle, two carbon dioxide molecules are formed. Two acetyl-CoA molecules enter the cycle, and each has two carbon atoms, so four carbon dioxide molecules will form. Add these four molecules to the two carbon dioxide molecules formed in the conversion of pyruvic acid to acetyl-CoA, and it adds up to six carbon dioxide molecules. These six C02 molecules are given off as waste gas in the Krebs cycle. They represent the six carbons of glucose that originally entered the process of glycolysis.

At the end of the Krebs cycle, the final product is oxaloacetic acid. This is identical to the oxaloacetic acid that begins the cycle. Now the molecule is ready to accept another acetyl-CoA molecule to begin another turn of the cycle. All told, the Krebs cycle forms (per two molecules of pyruvic acid) two ATP molecules, ten NADH molecules, and two FADH2 molecules. The NADH and the FADH2 will be used in the electron transport system.

The electron transport chain takes place in the inner mitochondrial membrane. It follows the citric acid cycle, where NADH and FADH2are reduced. These coenzymes then enter the electron transport chain. The first step is the transfer of high-energy electrons from NADH + H + to FMN, the first carrier in the chain. From each molecule of glucose, two NADH + 2H + are generated from glycolysis, two from the formation of acetyl-CoA, and six from the citric acid cycle. In this transfer, a hydride ion H - passes to FMN, which then picks up an additional H + from the surrounding aqueous medium. As a result, NADH + H + is oxidized to NAD + , and FMN is reduced to FMNH2.

In the second step in the electron transport cahin, FMNH2 passes electrons to several iron-sulfur centers and then to coenzyme Q, which picks up an additional H + from the surrounding aqeous medium. As a result, FMNH2 is oxidized to FMN.