Wat is de ademhalingsketen?

definitie

De ademhalingsketen is een proces om energie op te wekken in onze lichaamscellen. Het voegt zich bij de citroenzuurcyclus en is de laatste stap in de afbraak van suiker, vetten en eiwitten. De ademhalingsketen bevindt zich in het binnenmembraan van de mitochondriën. In de ademhalingsketen worden inmiddels gevormde reductie-equivalenten (NADH + H + en FADH2) weer geoxideerd (elektronen worden afgegeven), waardoor een protongradiënt kan ontstaan. Dit wordt uiteindelijk gebruikt om de universele energiedrager ATP (adenosine trifosfaat) te vormen. Zuurstof is ook nodig zodat de ademhalingsketen volledig kan lopen.

Volgorde van de ademhalingsketen

De ademhalingsketen is geïntegreerd in het binnenste mitochondriale membraan en bestaat uit in totaal vijf enzymcomplexen. Het volgt op de citroenzuurcyclus, waarin de reductie-equivalenten NADH + H + en FADH2 worden gevormd. Deze reductie-equivalenten slaan tijdelijk energie op en worden weer geoxideerd in de ademhalingsketen. Dit proces vindt plaats in de eerste twee enzymcomplexen in de ademhalingsketen.

Complex 1: NADH + H + bereikt het eerste complex (NADH ubiquinon oxidoreductase) en geeft twee elektronen vrij. Tegelijkertijd worden 4 protonen uit de matrixruimte in de intermembraanruimte gepompt.

Complex 2: FADH2 geeft zijn twee elektronen vrij bij het tweede enzymcomplex (succinaat-ubiquinon-oxidoreductase), maar er komen geen protonen in de intermembraanruimte.

Complex 3: De vrijgekomen elektronen worden doorgegeven aan het derde enzymcomplex (ubiquinone cytochroom c oxidoreductase), waar nog 2 protonen uit de matrixruimte naar de intermembrane ruimte worden gepompt.

Complex 4: Uiteindelijk komen de elektronen bij het vierde complex (cytochroom c oxidase). Hier worden de elektronen overgebracht naar zuurstof (O2), zodat er water (H2O) ontstaat met twee extra protonen. Daarbij komen 2 protonen weer in de intermembrane ruimte.

Complex 5: In totaal werden nu acht protonen uit de matrixruimte in de intermembraanruimte gepompt. De basisvereiste voor de elektronentransportketen is de toenemende elektronegativiteit van het enzymcomplex. Dit betekent dat het vermogen van de enzymcomplexen om negatieve elektronen aan te trekken sterker wordt.
Naast het eerste eindproduct, water, werd via de ademhalingsketen in de intermembraanruimte een protongradiënt opgebouwd. Deze slaat energie op die wordt gebruikt om ATP (adenosinetrifosfaat) op te bouwen. Dit is de taak van het vijfde en laatste enzymcomplex (ATP-synthase). Het vijfde complex overspant het mitochondriale membraan als een tunnel. Hierdoor stromen, gedreven door het concentratieverschil, de protonen terug in de matrixruimte. Hierdoor ontstaat ATP uit ADP (adenosinedifosfaat) en anorganisch fosfaat, dat beschikbaar is voor het hele organisme.

Wat doet de protonpomp?

De protonenpomp is het vijfde en laatste enzymcomplex in de ademhalingsketen. Hierdoor stromen de protonen vanuit de intermembraanruimte terug naar de matrixruimte. Dit wordt alleen mogelijk gemaakt door het eerder vastgestelde verschil in concentratie tussen de twee reactieruimten. De energie die is opgeslagen in de protongradiënt wordt gebruikt om uiteindelijk ATP (adenosinetrifosfaat) te synthetiseren uit fosfaat en ADP.
ATP is de universele energiedrager van ons lichaam en is essentieel voor verschillende reacties. Omdat het wordt gegenereerd bij de protonpomp, staat het ook bekend als ATP-synthase.

Evenwicht van de ademhalingsketen

Het doorslaggevende eindproduct van de ademhalingsketen is ATP (adeninetrifosfaat), een universele energiedrager in het lichaam. ATP wordt gesynthetiseerd met behulp van een protongradiënt die ontstaat tijdens de ademhalingsketen. NADH + H + en FADH2 zijn verschillend efficiënt. NADH + H + wordt teruggeoxideerd tot NAD + in de ademhalingsketen bij het eerste enzymcomplex en pompt in totaal 10 protonen in de intermembraanruimte. Wanneer FADH2 wordt geoxideerd, is de opbrengst lager omdat slechts 6 protonen de intermembrane ruimte in worden getransporteerd. Dit komt omdat FADH2 wordt geïntroduceerd in de ademhalingsketen bij het tweede enzymcomplex en dus het eerste complex omzeilt. Om een ​​ATP te synthetiseren, moeten 4 protonen door het vijfde complex stromen.
Bijgevolg wordt per NADH + H + 2,5 ATP (10/4 = 2,5) en per FADH2 1,5 ATP (6/4 = 1,5) geproduceerd.
Wanneer een suikermolecuul wordt afgebroken via glycolyse, citroenzuurcyclus en ademhalingsketen, kan maximaal 32 ATP worden gegenereerd, dat beschikbaar is voor het organisme.

Welke rol spelen de mitochondriën?

Mitochondriën zijn celorganellen die voorkomen in dierlijke en plantaardige organismen. In de mitochondriën vinden verschillende energieprocessen plaats, waaronder de ademhalingsketen. Omdat de ademhalingsketen het beslissende proces is voor het opwekken van energie, worden mitochondriën ook wel de "energiecentrales van de cel" genoemd. Ze hebben een dubbel membraan, waardoor er in totaal twee aparte reactieruimtes ontstaan. Binnenin bevindt zich de matrixruimte en de intermembraanruimte tussen de twee membranen. Deze twee ruimtes zijn fundamenteel voor de stroom van de ademhalingsketen. Alleen op deze manier kan een protongradiënt worden opgebouwd, wat belangrijk is voor ATP-synthese.

Lees meer over het onderwerp in dit artikel: Structuur van de mitochondriën

Wat doet cyanide in de ademhalingsketen?

Cyaniden zijn gevaarlijke gifstoffen, waaronder verbindingen van waterstofcyanide. Ze zijn in staat de ademhalingsketen tot stilstand te brengen.
Specifiek bindt het cyanide zich aan het ijzer van het vierde complex van de ademhalingsketen. Hierdoor kunnen de elektronen niet meer worden overgedragen naar moleculaire zuurstof. Daardoor kan de hele ademhalingsketen niet meer lopen.
Het resultaat is een gebrek aan de energiedrager ATP (adenosine trifosfaat) en er treedt zogeheten "interne verstikking" op. Symptomen zoals braken, bewusteloosheid en krampen treden zeer snel op na cyanidevergiftiging en leiden, indien onbehandeld, tot een snelle dood.

Wat is een defect aan de ademhalingsketen?

Een defect aan de ademhalingsketen is een zeldzame stofwisselingsziekte die zich vaak in de kindertijd manifesteert. Oorzaken zijn veranderingen in de genetische informatie (DNA). De mitochondriën zijn beperkt in hun functie en de ademhalingsketen functioneert niet goed. Dit is vooral merkbaar bij organen die veel energie verbruiken in de vorm van ATP (adenosinetrifosfaat).
Typische symptomen zijn bijvoorbeeld spierpijn of spierzwakte.
Therapie voor deze ziekte is moeilijk omdat het een erfelijke ziekte is. Er moet voor worden gezorgd dat er voldoende energietoevoer is (bijv. Door glucose). Anders is een puur symptomatische behandeling aangewezen.