Elektrontransportkedjan – så driver elektroner ATP-syntesen

Elektrontransportkedjan är en serie membranbundna proteinkomplex som överför elektroner från NADH och FADH₂ till syre. Energin från elektronflödet används för att bygga en protongradient över mitokondriens inre membran. ATP-syntas använder sedan gradienten för att bilda ATP.

Elektrontransportkedjan och ATP-syntesen tillsammans utgör den centrala delen av oxidativ fosforylering.

Var sker elektrontransportkedjan?

Hos eukaryota celler finns kedjan i mitokondriens inre membran.

Membranet skiljer mitokondriens matrix från intermembranutrymmet. Det är avgörande eftersom protoner kan pumpas från matrix till intermembranutrymmet och därmed skapa både en koncentrationsskillnad och en elektrisk potential.

Hos bakterier och arkéer, som saknar mitokondrier, kan motsvarande elektrontransportkedjor sitta i cellmembranet.

NADH lämnar elektroner till komplex I

Komplex I, NADH:ubikinon-oxidoreduktas, tar emot två elektroner från NADH.

Elektronerna förs genom komplexet till ubikinon, även kallat koenzym Q. Energin som frigörs kopplas till transport av ungefär fyra protoner över det inre membranet per elektronpar.

NADH oxideras samtidigt till NAD⁺, som kan återanvändas i andra metabola reaktioner.

FADH2-elektroner går in via komplex II

Komplex II är succinatdehydrogenas och ingår också i citronsyracykeln.

Elektroner från succinat överförs via FAD/FADH₂ till ubikinon. Komplex II pumpar inte protoner över membranet.

Det är en viktig förklaring till att elektroner som går in via FADH₂ normalt ger mindre ATP-utbyte än elektroner från NADH.

Ubikinon och komplex III

Ubikinon är fettlösligt och kan röra sig i det inre mitokondriemembranet.

Det reducerade koenzymet, ubikinol, lämnar elektroner till komplex III. Genom den så kallade Q-cykeln kopplas elektronöverföringen till nettotransport av protoner mot intermembranutrymmet.

Elektronerna lämnas därefter vidare till det lilla proteinet cytokrom c.

Komplex IV överför elektronerna till syre

Komplex IV, cytokrom c-oxidas, tar emot elektroner från cytokrom c och överför dem slutligen till molekylärt syre.

Syre reduceras tillsammans med protoner till vatten. Därmed fungerar syre som den slutliga elektronacceptorn i aerob mitokondriell respiration.

Komplex IV bidrar också till protongradienten genom protonpumpning och genom att protoner i matrix förbrukas när vatten bildas.

Vad är protonmotorisk kraft?

När komplex I, III och IV flyttar protoner skapas en skillnad över membranet.

Det finns dels fler protoner på ena sidan, dels en skillnad i elektrisk laddning. Tillsammans kallas detta den protonmotoriska kraften.

Gradienten fungerar som lagrad elektrokemisk energi. Om membranet blir fritt genomsläppligt för protoner försvinner kopplingen mellan elektrontransport och ATP-produktion.

ATP-syntas omvandlar gradienten till ATP

Protoner kan återvända till matrix genom ATP-syntas.

Protonflödet driver rotation och konformationsförändringar i enzymkomplexet. Dessa rörelser gör det möjligt att bilda ATP från ADP och oorganiskt fosfat.

Det anges ibland att exakt tre protoner ”ger en ATP”. Det är för förenklat för hela mitokondrien, eftersom både ATP-syntasets ringstruktur och transporten av fosfat och nukleotider påverkar den effektiva energikostnaden.

Hur mycket ATP ger NADH och FADH2?

I modern biokemisk undervisning används ofta ungefärliga P/O-tal:

• cirka 2,5 ATP per NADH,
• cirka 1,5 ATP per FADH₂.

Värdena är approximationer, inte heltalsförhållanden som gäller exakt i varje cell.

För fullständig aerob oxidation av en glukosmolekyl anges det totala nettoutbytet i eukaryota celler ofta till omkring 30–32 ATP, beroende bland annat på hur cytosoliskt NADH överför sina elektroner till mitokondrien.

Varför skiljer ATP-utbytet mellan celler?

NADH som bildas i glykolysen finns i cytosolen, medan elektrontransportkedjan ligger i mitokondrien. Elektronerna förs därför in genom olika så kallade skyttelsystem.

Malat-aspartat-skytteln och glycerol-3-fosfat-skytteln lämnar elektroner på olika nivåer i andningskedjan och kan därmed ge olika ATP-utbyte.

Dessutom kostar transport av ADP, ATP och fosfat över det inre membranet energi. Därför är ett intervall mer korrekt än ett enda exakt heltal för varje glukosmolekyl.

Vad händer när syre saknas?

Om syre inte kan ta emot elektroner vid komplex IV stannar den mitokondriella elektrontransporten.

NADH och FADH₂ kan då inte återoxideras via kedjan i normal takt och protongradienten kan inte upprätthållas genom aerob respiration.

Mänskliga celler kan fortfarande bilda ATP genom glykolys under en tid om NAD⁺ återbildas genom laktatbildning, men energivinsten per glukos blir mycket mindre.

Koppling och frikoppling

Normalt är elektrontransport och ATP-bildning kopplade genom protongradienten.

Om protoner återvänder över membranet utan att passera ATP-syntas minskar ATP-utbytet och mer av energin frigörs som värme. I brun fettvävnad används proteinet UCP1 för en fysiologisk form av sådan frikoppling.

Det visar att en stark elektrontransport inte automatiskt betyder maximal ATP-produktion.

Elektrontransport kan bilda reaktiva syreföreningar

En liten andel elektroner kan läcka från kedjan och reagera med syre så att reaktiva syreföreningar bildas.

Celler har därför antioxidativa enzymsystem som begränsar skador. Reaktiva syreföreningar är inte enbart ”gifter”; i kontrollerade mängder kan de också delta i cellsignalering.

Kedjan är kopplad till citronsyracykeln

Citronsyracykeln producerar NADH och FADH₂, men behöver samtidigt NAD⁺ och FAD för att fortsätta.

Elektrontransportkedjan återbildar de oxiderade elektronbärarna. Därför är processerna tätt sammankopplade även om de sker genom olika enzymsystem.

Kom ihåg flödet

NADH → komplex I → Q → komplex III → cytokrom c → komplex IV → O₂

Elektroner från komplex II går in vid Q och hoppar alltså över den protonpumpande delen i komplex I.

Kärnan är energikopplingen: elektronernas energifall bygger protongradienten, och protonernas återflöde genom ATP-syntas driver ATP-bildningen.