miniatura|Cadena transportadora d'electrons mitocondrial La fosforilació oxidativa és una via metabòlica que utilitza energia alliberada per l'oxidació de nutrients per produir adenosina trifosfat (ATP). Encara que les diverses formes de vida a la terra utilitzen una gran varietat de nutrients, quasi totes duen a terme la fosforilació oxidativa per produir ATP, la molècula que subministra energia al metabolisme. Aquesta via probablement és tan generalitzada perquè és una manera molt eficient d'alliberar energia, en comparació amb els processos alternatius de fermentació, com la glucòlisi anaeròbica.
Durant la fosforilació oxidativa, els electrons són transferits des dels donadors d'electrons fins als acceptadors d'electrons com l'oxigen, en reaccions redox. Aquestes reaccions redox alliberen energia que es fa servir per formar ATP. En cèl·lules eucariotes, aquestes reaccions redox són realitzades per una sèrie de complexos proteics del mitocondri, mentre que en cèl·lules procariotes, aquestes proteïnes es troben a la membrana interna de la cèl·lula. Aquests conjunts relacionats d'enzims s'anomenen cadenes transportadores d'electrons. En cèl·lules eucariotes, estan implicats cincs complexos proteics, mentre que en procariotes hi ha molts enzims diferents, utilitzant una varietat de donadors i acceptors d'electrons.
L'energia alliberada pel flux d'electrons a través d'aquesta cadena transportadora d'electrons es fa servir per transportar protons a través de la membrana interna del mitocondri, en un procés anomenat quimiosmosi. Això genera energia potencial en forma d'un gradient de pH i un potencial elèctric a través d'aquesta membrana. Aquest emmagatzematge d'energia és aprofitat permetent als protons que tornin a través de la membrana a favor del gradient, a través d'un enzim anomenat ATP sintasa. Aquest enzim utilitza aquesta energia per generar ATP a partir d'adenosina difosfat (ADP), en una reacció de fosforilació. Aquesta reacció és regulada pel flux d'electrons, que provoca la rotació d'una part de l'enzim; la ATP sintasa és un motor mecànic rotatori.
Encara que la fosforilació oxidativa és una part vital del metabolisme, produeix espècies reactives de l'oxigen com el superòxid o el peròxid d'hidrogen. I en conseqüència, es propaguen radicals lliures que danyen la cèl·lula i contribueixen a malalties i, possiblement, a l'envelliment. Els enzims que realitzen aquesta via metabòlica també són la diana de moltes drogues i verins que inhibeixen la seva activitat.
Transferència d'energia per quimiosmosi La fosforilació oxidativa funciona utilitzant reaccions químiques que alliberen energia, per dur a terme reaccions que requereixen energia: els dos tipus de reaccions es diu que estan acoblats. Això vol dir que una no pot realitzar-se/ocórrer sense l'altra. El flux d'electrons a través de la cadena transportadora d'electrons, des dels donadors d'electrons com el NADH fins als acceptadors d'electrons com l'oxigen, és un procés exergònic – allibera energia, mentre que la síntesi d'ATP és un procés endergònic, ja que necessita una aportació d'energia. Tant la cadena transportadora d'electrons com la ATP sintasa, estan integrats a la membrana, i l'energia és transferida des de la cadena transportadora d'electrons fins a la ATP sintasa gràcies al moviment dels protons a través de la membrana, en un procés anomenat quimiosmosi. A la pràctica, aquest procés és com un circuit elèctric simple, amb un corrent de protons que és impulsat des del pol negatiu N de la membrana fins al pol positiu P, pels enzims de bombament de protons de la cadena transportadora d'electrons. Aquests enzims són com una bateria elèctrica, ja que realitzen treball per conduir el corrent a través del circuit. El moviment dels protons crea un gradient electroquímic a través de la membrana, anomenat força protó-motriu. El gradient té dos components: una diferència de concentració de protons (gradient de pH) i una diferència de potencial elèctric, amb el pol N amb càrrega negativa. L'energia és emmagatzemada majoritàriament com a diferència de potencials elèctrics al mitocondri, però també com a gradient de pH als cloroplasts.
L'ATP sintetasa allibera aquesta energia emmagatzemada completant el circuit i permetent als protons que flueixin a favor del gradient electroquímic, de retorn al pol N de la membrana. Aquest enzim és com un motor elèctric, ja que utilitza la força protó-motriu per realitzar la rotació de part de la seva estructura i acoblar aquest moviment amb la síntesi d'ATP.
La quantitat d'energia alliberada per la fosforilació oxidativa és alta, en comparació amb la quantitat produïda per la fermentació anaeròbica. La glicòlisi produeix només 2 molècules d'ATP, però es produeixen entre 30 i 36 ATPs amb la fosforilació oxidativa dels 10 NADH i les 2 molècules de succinat produïts per la conversió d'una molècula de glucosa en diòxid de carboni i aigua. Aquesta producció d'ATP és el valor màxim teòric; a la pràctica, hi ha alguna fuga de protons a través de la membrana, amb la qual cosa es disminueix la producció d'ATP.
Molècules de transferència d'electrons i protons miniatura|esquerra|Reducció del coenzim Q de la forma ubiquinona (Q) a la forma reduïda d'ubiquinol (QH₂). La cadena transportadora d'electrons transporta tant protons com electrons, transferint electrons des dels donadors als acceptors, i transportant protons a través de la membrana. Aquests processos utilitzen molècules de transferència tant solubles com unides a proteïnes. Al mitocondri, els electrons són transferits dins de l'espai intermembrana pel citocrom c, una proteïna de transferència d'electrons soluble en aigua. Aquesta proteïna de transferència transporta només electrons, i aquests es transfereixen per la reducció i oxidació d'un àtom de ferro que es troba al grup hemo de la proteïna. El citocrom c també hi és en alguns bacteris, i es troba dins l'espai periplàsmic. Dins la membrana interna del mitocondri, el coenzim Q10 (Q), un transportador d'electrons liposoluble, transporta tant electrons com protons a través d'un cicle redox. Aquesta petita molècula de benzoquinona és molt hidròfoba, per tant es difon lliurement dins la membrana. Quan Q accepta dos electrons i dos protons, es redueix a la forma d'ubiquinol (QH2); quan QH2 allibera dos electrons i dos protons, s'oxida a la forma original d'ubiquinona (Q). Com a resultat, si dos enzims s'organitzen de manera que Q es redueix a una cara de la membrana i QH2 s'oxida a l'altra cara, la ubiquinona podrà acoblar aquestes reaccions i actuar com una llançadera de protons a través de la membrana. Algunes cadenes transportadores d'electrons de bacteris utilitzen diferents quinones, com per exemple la menaquinona, en addició a la ubiquinona.
Dins les proteïnes, els electrons es transfereixen entre cofactors de flavina, centres ferro-sofre, i citocroms. Hi ha diferents tipus de centres ferro-sofre. El més simple trobat en la cadena transportadora d'electrons consisteix en dos àtoms de ferro units a dos àtoms de sofre inorgànic; aquests s'anomenen centres [2Fe-2S]. El segons tipus, anomenat [4Fe-4S], conté un cub de quatre àtoms de ferro i quatre àtoms de sofre. Cada àtom de ferro d'aquests centres està coordinat per un aminoàcid addicional, normalment per la cisteïna de l'àtom de sofre. Els cofactors que són ions metàl·lics pateixen les reaccions redox sense agafar ni alliberar protons, per tant en la cadena transportadora d'electrons només serveixen per transportar electrons entre proteïnes. Els electrons es desplacen a llargues distàncies entre proteïnes saltant entre les cadenes que formen aquests cofactors. Això té lloc gràcies al "túnel quàntic", que és ràpid per distàncies inferiors a 1.4m.
Cadenes transportadores d'electrons en eucariotes Molts processos bioquímics catabòlics, com la glucòlisi, el cicle de Krebs, i l'oxidació β, produeixen coenzim NADH reduït. Aquest coenzim conté electrons que tenen un alt potencial de transferència; és a dir, alliberen una gran quantitat d'energia quan s'oxiden. Tot i així, la cèl·lula no allibera tota aquesta energia alhora, ja que seria una reacció incontrolable. En comptes d'això, els electrons s'extreuen del NADH i es traspassen a l'oxigen a través d'una sèrie d'enzims i cadascun allibera una quantitat de l'energia. Aquest conjunts d'enzims, que agrupa des del complex I fins al IV, s'anomena la cadena transportadora d'electrons i es troba a la membrana interna del mitocondri. El succinat també s'oxida a la cadena transportadora d'electrons, però entra a la via metabòlica en un punt diferent.
Als eucariotes, els enzims d'aquest sistema de transport d'electrons utilitzen l'energia alliberada per l'oxidació de NADH per bombar protons a través de la membrana interna del mitocondri. Això provoca una acumulació de protons a l'espai intermembrana, i genera un gradient electroquímic a través de la membrana. L'energia emmagatzemada a aquest potencial, després es fa servir per produir ATP a la ATP sintasa. La fosforilació oxidativa en mitocondris de cèl·lules eucariotes és l'exemple d'aquest procés que s'entén millor. Hi ha mitocondris a gairebé tots els eucariotes, amb l'excepció dels protozous anaeròbics com la Trichomonas vaginalis que redueixen els protons a hidrogen en una reminiscència de mitocondri anomenat hidrogenosoma.
+ Enzims respiratoris i substrats típics d'eucariotesEnzim respiratoriParella redox Potencial al punt mitjà (Volts) NADH deshidrogenasaNAD+ / NADH−0.32Medical CHEMISTRY Compendium. By Anders Overgaard Pedersen and Henning Nielsen. Aarhus University. 2008 Succinat deshidrogenasaFMN or FAD / FMNH₂ or FADH₂−0.20 Complex citocrom bc1Coenzim Q10ox / Coenzim Q10red+0.06 Complex citocrom bc1Citocrom box / Citocrom bred+0.12 Citocrom c oxidasaCitocrom cox / Citocrom cred+0.22 Complex IVCitocrom aox / Citocrom ared+0.29 Complex IVO₂ / HO-+0.82 Condicions: pH = 7
NADH - coenzim Q oxidoreductasa (complex I) miniatura|Complex I o NADH-Q oxidoreductasa. Les abreviacions estan explicades al text. En totes les imatges de complexes respiratoris d'aquest article, la matriu és a la part inferior i l'espai intermembrana a la part superior. NADH - coenzim Q oxidoreductasa, també conegut com a NADH deshidrogenasa o complex I, és la primera proteïna en la cadena transportadora d'electrons. El complex I és un enzim d'elevada grandària, en mamífers té 46 subunitats i un pes molecular d'aproximadament 1000 kilodaltons (kDa)). Només es coneix amb detall l'estructura del complex I de bacteri;Sazanov L.A., Hinchliffe P. (2006) Structure of the hydrophilic domain of respiratory complex I from Thermus thermophilus. Science 311, 1430–1436 en la majoria dels organismes, el complex s'assembla a una bota amb una estructura en forma de bota que sobresurt de la membrana cap al mitocondri. Els gens que codifiquen aquestes proteïnes individuals es troben tant al nucli cel·lular com a al genoma mitocondrial, com és el cas de la majoria de les proteïnes del mitocondri. La reacció catalitzada per aquest enzim és l'oxidació del NADH, que allibera els dos electrons, i la reducció del coenzim Q o ubiquinona (representat com a Q en l'equació de sota), una quinina liposoluble que es troba a la membrana del mitocondri:
L'inici de la reacció, i de fet de tota la cadena d'electrons, és la unió d'una molècula de NADH al complex I i la donació de dos electrons. Els electrons entren al complex I a través d'un grup prostètic adjuntat al complex, el mononucleòtid flavina (FMN). L'addició d'electrons al FMN, el redueix a FMNH2. Després, els electrons es transfereixen a través d'una sèrie de centres de ferro-sofre: el segon tipus de grup prostètic del complex. Al complex I hi ha tant centres de ferro-sofre de tipus [2Fe-2S] com de tipus [4Fe-4S].