Mitochondriën
|
|
Mitochondriën:Enkelvoud: mitochondrion ( Grieks van "mito" en "khóndrion" ).Ook wel: mitochondrium ( verlatijnste vorm), meervoud is dan mitochondriën of mitochondria. Mitochondriën zijn celorganellen die de in koolhydraten en vetten aanwezige energie overdragen aan ATP en zo ter beschikking stellen van energievragende reacties in de cel. Het mitochondrion werd in 1886 voor het eerst gezien door Richard Altmann (Duits histoloog; 1852- Leipzig 1901), die dacht dat deze organellen intracellulaire parasieten waren. (Hij observeerde verschillende granula in het cytoplasma van diverse cellen. Hij dacht dat deze granula "elementaire organismen" konden zijn die in het cytoplasma leefden en noemde deze "bioblasts"). In 1897 vormde Carl Benda ( geboren op 30-12-1857 in Berlijn en overleden op 24-05-1932 in Turijn ) het woord mitochondrion uit " mito " ( schroefdraad) en " khóndrion " ( korreltje ), omdat deze organellen onder een lichtmicroscoop op schroefdraadvormige korreltjes lijken.
Korte historie:
Historie:Wetenschappers geloven dat ongeveer 1,5 miljard jaar geleden eukaryote cellen hun benodigde energie verkregen door een serie relatief inefficiënte reacties, waarbij geen zuurstof nodig was. Zuurstof, dat een afvalproduct van enkele van deze processen was, begon zich langzaam in de atmosfeer op te bouwen. Wetenschappers denken dat tijdens deze periode een primitieve eukaryote cel een primitieve bacterie heeft verslonden die het vermogen had gekregen zuurstof te gebruiken om grote hoeveelheden energie te produceren. Over miljoenen jaren begon er een symbiotische relatie te ontstaan tussen de cellen en vandaag de dag hebben alle cellen van planten en dieren organellen die de afstammelingen zijn van deze oorspronkelijke energie fabriekjes. In dierlijke cellen worden deze organellen mitochondriën genoemd. Planten hebben naast mitochondriën nog een tweede soort energie producerend organel, namelijk de chloroplast.
De endosymbiose theorie:De intracellulaire organisatie van de levende cel
, bestaande uit gespecialiseerde organellen, maken complexe levensvormen
mogelijk.
In het hierboven gestelde scenario was de aërobische bacterie die door de anaërobische bacterie was ingenomen , een proto mitochondrion. Met andere woorden , een organisme die het mogelijk maakte energie te produceren uit zuurstof. Symbiose , de relatie waarbij beide soorten een gezamenlijk voordeel behalen, zoals hierboven beschreven, wordt door sommigen beschouwd als het proces waarbij mitochondriën organellen werden in eukaryote cellen. Voordat we verder gaan graven in het bewijs voor deze theorie, moeten we eerst eens kijken naar de functie en structuur van de mitochondriën zoals we die vandaag de dag in onze cellen aantreffen. Mitochondriën zijn eukaryote organellen die de oxidatieve ademhaling uitvoeren, de laatste stap in de cellulaire ademhaling. De oxidatieve ademhaling breekt pyruvaat af die in de glycolyse wordt gevormd waarbij kooldioxide wordt gevormd en produceert de grootste hoeveelheid ATP in de cellen. In eukaryote cellen is zuurstof nodig , omdat mitochondriën zuurstof gebruiken als de uiteindelijke elektronen acceptor in de elektronen transportketen, die tenslotte resulteert in een protonen gradiënt die de ATP synthese aandrijft. Mitochondriën zijn in verschillende hoeveelheden aanwezig in verschillende eukaryote cellen . Cellen die veel energie nodig hebben zoals spierweefsel en de lever hebben verhoudingsgewijs meer mitochondriën dan bijvoorbeeld cellen die minder energie nodig hebben zoals botweefsel. Hoe is het mitochondrion opgebouwd? De kenmerken die we hier bekijken zijn de omvang van het mitochondrion, de membraan structuur, proteïnen status en genetische informatie. Mitochondriën zijn een van de grootste organellen in eukaryote cellen met een omvang van 0,3-1,0 micrometer tot 5-10 micrometer. Het heeft twee membranen waarvan de binnenste sterk geplooid is en cristae worden genoemd. De cristae zijn het startpunt voor enzymen en elektronendragers ( cytochromen ) die verantwoordelijk zijn voor de elektronen transport en de oxidatieve fosforylering. Vergeleken met alle andere organellen in de cel zijn mitochondriën uniek omdat ze hun eigen DNA bevatten, dat wil zeggen , gescheiden van het DNA in de celkern. Enkele proteïnen van het mitochondrion worden door ribosomen in het mitochondrion geproduceerd , overeenkomstig zijn eigen onafhankelijk DNA. Wat is nu het bewijs die de endosymbiose theorie van het mitochondrion en de eukaryote cel ondersteunt? Enkele van de meest overtuigende bewijzen van de symbiose theorie werd hierboven reeds genoemd. Indien mitochondriën eens vrij levende bacteriën waren, bestaat de mogelijkheid dat er overblijfselen van hun vroegere conditie zijn overgebleven , ondanks dat ze vandaag de dag organellen zijn. Hieronder zullen we 6 punten bespreken:
Bijvoorbeeld : cycloheximide blokkeert eukaryote ribosomen door de uitwerking op de overdracht van tRNA, maar het heeft geen uitwerking op mitochondriën en bacteriën. Aan de ander kant zullen stoffen die de prokaryote synthese blokkeren, maar niet de eukaryote synthese, ook de mitochondriële synthese blokkeren, bijvoorbeeld erythromycine en tetracycline (Margulis, 1981, p. 217-218). De structurele overeenkomsten tussen mitochondriën en bacteriën zijn overweldigend , maar zeker niet afdoende. Velen betwijfelen de mogelijkheid van de symbiose theorie …. Dat er een vrij levende proto mitochondrion bestond ten tijde van de opbouw van zuurstof in de atmosfeer …, dat het op de een of andere manier een proto eukaryote cel binnendrong…., dat het een partner was in een symbiotische relatie die uiteindelijk resulteerde in een proto mitochondrion, daarbij zijn autonomie aan een grotere cel gevend en de weg vrij makend voor de eukaryote cel….. wordt dit te veel? Omdat evolutie in vele opzichten de historie is van verschillende chemische reacties van de formatie van de aarde tot de biochemische reacties in levende cellen , zullen we de mogelijkheid van de symbiose theorie eens bekijken. Ten eerste is het niet ondenkbaar dat vrij levende aërobische bacteriën die hoge energie moleculen zoals ATP produceren , een relatie aangaan waarbij die energie kan worden gebruikt. Ten tweede moet de productie van al die energie een enorme input van energie hebben vereist. Bijvoorbeeld een voldoende, beschikbare en efficiënte voedselbron. Ten derde, de komst van zuurstof in de atmosfeer, dat een giftig gas was voor de meerderheid van de organismen op dat moment op aarde, vereiste een nieuwe vorm van stofwisseling , gebaseerd op een nieuwe chemie. Ten slotte zouden proto eukaryote cellen die geen mogelijkheid hadden zuurstof in de atmosfeer om te zetten , moeilijk kunnen overleven. De basis voor de symbiose is duidelijk : anaërobische organismen leverden een constante bron van voedsel en fosfolipiden voor zowel de mitochondriële membranen als voor bacteriën. (Crawford and Marsh, 1995, p. 71-72). Als tegenprestatie stelde de energie die vrijkwam bij de ademhaling van zuurstof, de gast in staat te overleven en zich verder aan te passen aan de nieuwe condities op de aarde. De symbiose theorie wordt gestaafd door natuurlijke , geobserveerde voorbeelden van symbiotische relaties. Bepaalde zeevissen zijn in staat licht te emitteren vanwege de aanwezigheid van lichtgevende bacteriën in hun binnenste. Deze lichtgevende bacteriën leven ook vrijelijk in zeewater, maar geven dan geen licht. (Dyer and Obar, 1985, p. 127). Andere voorbeelden van symbiose zijn de relaties tussen verschillende schimmels en cyanobacteriën, algen en planten en bacteriën en zoogdieren. (Margulis, 1981, p. 165). Hoewel de transformatie van deze symbionten een enorme stap is , als deze al heeft plaatsgevonden, vond deze wel plaats over een periode van miljoenen jaren. Om de hierboven genoemde redenen kan men de theorie, dat mitochondriën evolueerden uit vrij levende aërobische bacteriën tot organellen in de eukaryote cel, niet negeren. De vraag blijft echter , hoe en uit wat konden proto mitochondriën evolueren naast blauw groene algen? Op welke manier drongen de proto mitochondriën de grotere aërobische cel binnen? Konden voorbeelden van vrij levende proto mitochondriën overleven? Bestaan zij of hun nakomelingen vandaag de dag nog? Zijn andere eukaryote organellen ook afgeleid van vrij levende organismen ? Vanwege de bewijzen kan men de symbiose theorie niet negeren. REFERENCE CITATIONS 1. Crawford, Michael and David Marsh, 1995. Nutrition and Evolution, p. 65-83. Keats Publishing, Inc., New Canaan, CT. 2. Dyer, Betsey Dexter and Robert Obar (editors), 1985. The Origin of Eukaryotic Cells, Van Nostrand Reinhold Company, Inc., NY. Papers by: a.) Goksøyr, J., 1967, "Evolution of Eucaryotic Cells;" b.) Schwartz, R.M. and M.O. Dayhoff, 1978, "Origins of Prokaryotes, Eukaryotes, Mitochondria, and Chloroplasts;" c.) Raven, P.H., 1970, "A Multiple Origin for Plastids and Mitochondria;" d.) Doolittle, W.F., 1980, "Revolutionary Concepts in Evolutionary Cell Biology;" and e.) Smith, D.C., 1979, "From Extracellular to Intracellular: The Establishment of a Symbiosis." 3. Margulis, Lynn, 1981. Symbiosis in Cell Evolution, p. 206-227. W. H. Freeman and Company, San Francisco. 4. Prescott, L.M., J.P. Harley and D.A. Klein, 1996. Microbiology, third edition. Wm. C. Brown Publishers, Dubuque, IA
|
Aerobisch | Anaerobisch | |
2 ATP gebruikt in de glycolyse | - 2 ATP | - 2 ATP |
4 ATP gevormd in de glycolyse | + 4 ATP | + 4 ATP |
2 NADH2 gevormd in de glycolyse via elektronentransportketen | + 6 ATP | |
8 NADH2 gevormd in de citroenzuurcyclus via de e.t. | + 24 ATP | |
2 GTP in de citroenzuurcyclus | + 2 ATP | |
2 FADH2 in de citroenzuurcyclus via de elektronentransportketen | + 4 ATP | |
Totaal : | 38 ATP | 2 ATP |
Soms wordt een totaal van 36 ATP aangehouden,
omdat bekend is dat in eukaryote cellen het gereduceerde NAD, dat gevormd
is door de glycolyse in het cytoplasma, actief getransporteerd moet worden
over de mitochondriële membraan om beschikbaar te komen voor de
elektronentransportketen.
Het actieve transport over het membraan kost 1 ATP voor elk NADH dat getransporteerd wordt. Wanneer men zo wil redeneren
, moet men ook het actieve transport van andere moleculen in ogenschouw
nemen. ( pyruvaat ? , fosfaat ? , Mg+ etc ).
Het juiste netto
resultaat van ATP is onbekend , maar moet worden beschouwd als minder dan
36.
Mitochondriën zijn verbazingwekkend efficiënt bij de omzetting van de
chemische energie in suiker tot ATP. Een verbrandingsmotor wordt al
efficiënt beschouwd , als het 25 procent van de chemische energie die is
opgeslagen in gasolie, omzet in bewegingsenergie.
Mitochondriën echter,
zetten 54 procent van de energie die is opgeslagen in suiker, om in ATP.
Hoewel
het al lang werd vermoed werd pas in 1988 bewezen dat defecten in
mitochondriële genen konden leiden tot erfelijke ziekten. In 1988 toonde
Douglas Wallace van de Emory University aan dat de zeldzame ziekte "
Leber's hereditary optic neuropathy " werd veroorzaakt door mutaties
in het mitochondriële DNA.
Mitochondriën oxideren korte- , midden - en
grotendeels lange keten vetzuren, terwijl
peroxisomen de meeste zeer lang keten vetzuren en sommige lange keten
vetzuren oxideren.
Mitochondriën gebruiken een acyl-CoA dehydrogenase om acyl-CoA om te
zetten tot enoyl-CoA. Dit enzym transporteert de elektronen naar FAD en
vervolgens naar de elektronentransportketen.
Peroxisomen gebruiken een acyl-CoA oxidase welke uiteindelijk de
elektronen naar zuurstof transporteert, waarbij waterstofperoxide wordt
gevormd die weer door catalase wordt omgezet in water en zuurstof. Verder
worden de mitochondriële en peroxisomale enzymen gecodeerd door
verschillende genen.
Het carnitine palmitoyltransferase systeem en de beta-oxidatie:
De hoofdbron
voor de energie productie in de cel is de mitochondriële beta-oxidatie van
lang-keten vetzuren. Lang-keten vetzuren kunnen niet direct de
mitochondriële membranen passeren en moeten eerst worden omgezet. Dit in
tegenstelling tot de kort - keten en middellange - keten vetzuren die
door diffusie de membranen kunnen passeren.
De oxidatie van lang-keten
vetzuren in het mitochondrion worden gekatalyseerd door de enzymen CPT I
en CPT II . Samen met acyl CoA synthetase en carnitine-acylcarnitine
translocase verzorgen zij het transport van vetzuren over de membranen van
het mitochondrion naar de mitochondriële matrix, waar deze vetzuren
uiteindelijk worden omgezet in energie in de vorm van ATP.
Om de
mitochondriële membranen te kunnen passeren , worden de lang-keten
vetzuren eerst geactiveerd door coënzym A en dan verbonden met L-carnitine,
een reactie die gekatalyseerd wordt door het enzym carnitine
palmitoyltransferase ( CPTase ).
Een deel van de CPTase activiteit ( CPT I
) is geassocieerd met de buitenste mitochondriële membraan en katalyseert
de vorming van palmityl-carnitine. Palmityl-carnitine kan als carnitine
ester de buitenste membraan passeren.
Een andere activiteit van CPTase (
CPT II ) wordt geassocieerd met de binnenste mitochondriële membraan . CPT
II zet in het mitochondrion palmityl-carnitine om in palmityl-CoA.
Tot
slot initiëren CPT II en carnitine-acylcarnitine translocase de
mitochondriële oxidatie van lang-keten vetzuren.
Het Carnitine
Palmitoyltransferase ( CPT ) systeem, heeft betrekking op twee
verschillende proteïnen, die gelokaliseerd zijn op de buitenste - en
binnenste mitochondriële membranen.
CPT I wordt op de buitenste
mitochondriële membraan gevonden en CPT II wordt op de binnenste
mitochondriële membraan gevonden.
CPT
II wordt in alle cellen gevonden.
Van
CPT I bestaan twee weefsel-specifieke isoformen, die L-CPT I en M-CPT I
worden genoemd.
L-CPT I wordt voornamelijk in de lever gevonden. M-CPT I wordt
voornamelijk in de spieren gevonden.
Het gen dat voor L-CPT I codeert, wordt CPT1A genoemd. Het gen dat
codeert voor M-CPT I , wordt CPT1B genoemd. Het gen dat voor CPT II
codeert, wordt CPT2 genoemd.
Het gen dat codeert voor CPT I is gelokaliseerd op chromosoom
11q13. Het gen dat codeert voor CPT II , is gelokaliseerd op chromosoom
1p32.
De officiële naam voor het enzym carnitine palmitoyl transferase is carnitine O-palmitoyltransferase.
EC
nummer
2.3.1.21
Het enzym katalyseert de volgende reactie:
Palmitoyl-CoA + L-carnitine <=> CoA +
L-palmitoylcarnitine
Stoornissen in dit systeem leiden tot de
carnitine palmitoyltransferase stoornissen.
De mitochondriële
β-oxidatie spiraal:
De beta-oxidatie: de afbraak (dehydrogenering
) vindt plaats tussen de alfa en bèta koolstofatomen ( C2 en C3
) in een FAD gebonden reactie, die gekatalyseerd wordt door acyl CoA
dehydrogenase.
De producten van de beta-oxidatie zijn acetyl CoA, FADH2,
NADH en H+.
Acetyl CoA is acetyl coënzym A; FADH2
is de gereduceerde vorm van flavine adenine dinucleotide en NADH is de
gereduceerde vorm van nicotinamide adenine dinucleotide.
De bètaoxidatie
spiraal is een cyclus waarin acyl-CoA esters steeds weer de cyclus
doorlopen totdat ze volledig geoxideerd zijn. Bij elke omgang in de cyclus
wordt de ketenlengte met twee koolstofatomen verkort .
Als voorbeeld
kijken we eens naar Palmitoyl-CoA die een ketenlengte van 16
koolstofatomen heeft.
De overall reactie is :
7 FAD + 7 NAD+ + 7 CoASH + H2O + H(CH2CH2)7CH2CO-SCoA
> 8 CH3CO-SCoA + 7 FADH2 +
7 NADH + 7 H+
Palmitoyl-CoA maakt 7 omgangen in de bètaoxidatie spiraal door. Bij elke
omgang wordt de ketenlengte twee koolstofatomen korter, waarna er
uiteindelijk 8 delen met een ketenlengte van twee koolstofatomen
overblijven.
In de meeste weefsels zoals het hart en de spieren, worden
deze 8 delen als acetyl-CoA in de
citroenzuur cyclus uiteindelijk omgezet in kooldioxide en water.
In de lever en de nieren wordt acetyl-CoA uit de β-oxidatie omgezet in
ketonen die daarna voor de uiteindelijke oxidatie worden getransporteerd
naar bijvoorbeeld het brein en de spieren.
FADH2 , NADH en H+
worden geoxideerd in de elektronen transportketen
waarbij ATP wordt gevormd.
Elke ronde van de ß-oxidatie-spiraal wordt
gereguleerd door een reeks van enzymen, waarvan sommige specificiteit
bezitten voor de ketenlengte van het acyl-CoA vetzuur.
Voor een verzadigd acyl-CoA vetzuur (zoals bijvoorbeeld palmitoyl-CoA ( C16 ))
worden vier enzymstappen gevolgd, te weten die van:
De ketenlengte-specifieke acyl-CoA dehydrogenase
enzymen zijn flavoproteïnen; in het proces waarbij een dubbele binding
gevormd wordt tussen het a- en ß- koolstofatoom van een
acyl-CoA-vetzuur (en waarbij dus het corresponderende
enoyl-CoA-vetzuur ontstaat), worden de vrijgekomen elektronen afgegeven
aan ETF (elekton transfer proteïn) of ETF-dehydrogenase; dit complex legt
de link tussen ß-oxidatie en ademhalingsketen.
De tweede reaktie in de
ß-oxidatie wordt gekatalyseerd door enoyl-CoA hydratase (crotonase).
Het enoyl-CoA-vetzuur wordt hierbij gehydrateerd tot een
L-ß-hydroxyacyl-CoA-vetzuur.
Vervolgens katalyseert ß-hydroxyacyl-CoA
dehydrogenase (bestaande uit 1 of meer enzymen) in een NAD+-afhankelijke
reaktie, oxidatie van de hydroxy-groep tot een ketogroep.
Bij de
laatste reaktie, die gekatalyseerd wordt door ß-ketoacyl-CoA thiolase
(ook weer bestaand uit 1 of meer enzymen) wordt in aanwezigheid van
gereduceerd CoA, de a-ß binding verbroken.
De twee produkten die
bij deze reaktie ontstaan zijn acetyl-CoA, en een acyl-CoA vetzuur dat 2
koolstofatomen korter is dan het oorspronkelijke substraat.
Zolang acyl-CoA-vetzuren een acetyl-CoA fragment
af kunnen splitsen, kunnen ze de ß-oxidatie blijven doorlopen.
Er
bestaan drie acyl-CoA dehydrogenase enzymen, die ieder een verschillende
ketenlengte-specificiteit bezitten; hoewel er overlap bestaat tussen deze
enzymen, kan gezegd worden dat in de lever (V)LCAD ((Very) Long Chain
Acyl-CoA Dehydrogenase) de eerste reaktie in de ß-oxidatie
katalyseert voor acyl-CoA-vetzuren met een ketenlengte van 18 tot 12
koolstofatomen.
MCAD (Medium Chain Acyl-CoA Dehydrogenase ) herkent
acyl-CoA-vetzuren met een ketenlengte variërend van 14 tot 4
koolstofatomen, en SCAD ( Short Chain Acyl-CoA Dehydrogenase ) herkent
alleen vetzuurketens van 4en 6 koolstofatomen.
Vetzuren met een oneven
ketenlengte worden ook in de bèta-oxidatie spiraal afgebroken tot er een
molecuul met 3 koolstofatomen overblijft. Dit molecuul ( propionyl CoA )
kan niet verder in de
bèta-oxidatie spiraal worden afgebroken, maar
wordt omgezet tot succinyl CoA ( barnsteenzuur
Coënzym A ) en wordt vervolgens verder omgezet in de
citroenzuurcyclus.
Onverzadigde vetzuren:
Onverzadigde vetzuren zijn vetzuren die een of
meer dubbele bindingen in hun alkyl-keten hebben.
Meervoudig onverzadigde vetzuren met twee dubbele bindingen hebben
normaal gesproken een dubbele binding op C9 - C10 in de alkyl-keten en
een dubbele binding 3 C verder in de keten op C12- C13.
De bètaoxidatie van deze vetzuren wordt doorlopen tot het punt waarop de
normale enzymen van de bètaoxidatie een dubbele binding tegen komen. De
enzymen van de bètaoxidatie zijn niet in staat om op substraten te
reageren die een dubbele binding hebben tussen de bèta en gamma C-atomen.
Om dit probleem op te lossen, verplaatst het enzym enoyl-CoA isomerase
de dubbele binding een C atoom verder naar het einde van de alkyl-keten,
waarna de bètaoxidatie weer een ronde verder ( en een deel van de tweede
) kan verlopen tot de volgende dubbele binding wordt aangetroffen waarna
het enzym 2,4 dienoyl-CoA reductase het vetzuur reduceert waarbij een
trans-3-dubbele binding ontstaat. Het enzym 3,2 enoyl-CoA
isomerase verplaatst deze dubbele binding verder naar het einde van de
vetzuurketen, waar het vetzuur als substraat voor de normale
bètaoxidatie enzymen kan dienen.
Historie:
Carnitine ( 3-hydroxy-4-trimethyl aminoboterzuur
: C7H15NO3 ) is een kleine, water
oplosbare, quaternaire stikstof bevattende stof . Het wordt in het
lichaam in de lever, het brein en de nieren gesynthetiseerd uit lysine en methionine ( met cofactoren zoals ascorbinezuur, niacine , vitamine B6 en
gereduceerd ijzer ).
Carnitine komt zowel in de L-vorm als in de D-vorm voor.
De L- vorm ( L-carnitine ) is de biologische actieve vorm.
Hoewel de mens in staat is carnitine uit lysine en methionine te
synthetiseren, moet tweederde van de benodigde carnitine uit het voedsel
gehaald worden.
Carnitine komt met name in rundvlees, schapenvlees en lamsvlees voor. Melk en kaas bevatten wat minder carnitine, terwijl fruit en groenten maar minieme hoeveelheden carnitine bevatten.
Carnitine is geen aminozuur , maar een vitamine-achtige stof. Carnitine
wordt niet afgebroken , maar wordt in de urine uitgescheiden als vrije
carnitine en veresterde vormen van carnitine.
Carnitine
functioneert in een driedelig enzymcomplex ( carnitine
acyltransferase I, carnitine translocase, en carnitine acyltransferase II
) , die verantwoordelijk is voor het transport van lange keten vetzuren
over de binnenste mitochondriële membraan.
Naast bovengenoemde
sleutelfunctie speelt L-carnitine nog een rol bij enkele andere metabole
functies. Carnitine verbetert de metabole flux in de
citroenzuurcyclus en voorkomt de stapeling van lange keten Acyl CoA.
Verder fungeert L-carnitine als drager voor acyl-deeltjes ( verkort in de
peroxisomale beta-oxidatie ) van het peroxisoom naar het mitochondrion,
waar deze deeltjes verder geoxideerd kunnen worden.
Carnitine is dus direct
of indirect betrokken bij verschillende metabole paden en de
beschikbaarheid van carnitine is een belangrijke factor die niet alleen de
oxidatie van vetzuren en ketonlichamen regelt, maar ook die van glucose en
andere aminozuren..
De Synthese
van Carnitine in het lichaam:
De elektronen transportketen.( de ademhalingsketen).
Bij de ademhaling wordt zuurstof opgenomen dat
via de longen en de bloedbaan getransporteerd wordt naar de mitochondriën
in de cel.
De functie van zuurstof is de verschillende brandstofmoleculen te
oxideren, waarbij energie vrijkomt die voor tal van processen benut kan
worden. Bij deze oxidatiereacties worden uiteindelijk elektronen van een
substraat overgedragen op zuurstof. In biologische oxidaties vindt deze
elektronenoverdracht echter niet rechtstreeks plaats, maar verloopt via
een vaste serie reacties die bekend staat als de elektronen
transportketen of de ademhalingsketen.
Aan de elektronen transportketen neemt een aantal verbindingen deel die ieder voor zich goed een reversibele redoxreactie kunnen ondergaan. Iedere schakel in de keten reduceert een volgende schakel en wordt daarbij zelf geoxideerd.
Het NAD+/NADH-redoxkoppel heeft de meest negatieve reductie potentiaal en kan dus het gemakkelijkst elektronen doorgeven aan andere systemen.
Het elektronenverloop in de elektronen transportketen volgt de thermodynamisch strikt logische route van NADH ( twee elektronenoverdracht ) via de flavinen FMN of FAD naar coënzym Q. Dit coënzym draagt vervolgens de elektronen via vijf cytochromen ( b,c1,c,a en a3; één-elektronprocessen ) over op zuurstof (vier-elektronenproces).
Coënzym Q is een knooppunt in de elektronen transportketen, want het sluist de elektronen van twee verschillende redoxpaden door naar zuurstof via het cytochromensysteem.
Coënzym Q is de enige verbinding in de elektronen transportketen die niet sterk gebonden zit aan een eiwit.
De isopreenketen aan coënzym Q maakt de verbinding zeer apolair, waardoor deze zich gemakkelijk in de apolaire omgeving van de mitochondriën kan bewegen en zodoende een mobiele schakel vormt tussen flavoproteïnen en cytochromen.
Bij het elektronentransport vindt een geleidelijke verlaging van energie plaats. Een deel van de energie wordt opgeslagen in de vorm van ATP doordat het elektronentransport in de mitochondriën gekoppeld is aan de productie van ATP uit ADP en fosfaat.( ATP-adenosine tri-fosfaat;ADP-adenosine di-fosfaat ).
Dit proces wordt oxidatieve fosforylering genoemd.
Reacties:
NAD+ + H+ + 2 e Û NADH
riboflavine + 2H+ + 2 e Û dihydroriboflavine
coënzym Q10 + 2H+ + 2 e Û dihydrocoënzym Q10
cytochroom c (Fe3+)+ e Û cytochroom c (Fe2+)
cytochroom a3 (Fe3+) + e Û cytochroom a3 (Fe2+)
O2 + 4H+
+ 4 e Û
2H2O
De oxidatieve fosforylering ( oxidative phosphorylation or OXPHOS).
Oxidatieve fosforylering :
Oxidatie is het proces waarbij elektronen worden afgestaan en fosforylering is het proces waarbij een fosfaatgroep wordt opgenomen.
Oxidatie vindt plaats in de volgende omkeerbare reactie :
NADH + ubiquinone <=> NAD+ + ubiquinol
Fosforylering vindt plaats in de volgende omkeerbare reactie :
ATP + H2O <=> ADP + fosfaat
De oxidatieve fosforylering is verantwoordelijk voor de meeste ATP (adenosine tri-fosfaat) die de cellen nodig hebben. ATP is de bron van cel-energie in alle levende wezens en niet alleen noodzakelijk om te leven, maar voor praktisch alle lichaamsfuncties, door de elektrische energie die daarvoor nodig is.
Het OXPHOS pad omvat meer dan 100 polypeptiden wiens genen of in het DNA van de celkern– of in het DNA van het mitochondrion gelokaliseerd zijn. De expressie van deze genen en de samenstelling van de vijf OXPHOS enzym complexen ( I t/m V) is een zeer geordend en gecoördineerd proces.
Oxphos bestaat uit vijf enzym complexen. Deze enzymen zijn gelokaliseerd in het mitochondriële binnenste membraan en worden als volgt benoemd:
Complex I : NADH: ubiquinone oxidoreductase ( EC 1.6.5.3 )
Complex II : succinate:ubiquinone oxidoreductase ( EC 1.3.5.1 )
Complex III : ubiquinol: ferrocytochroom c oxidoreductase ( EC 1.10.2.2 )
Complex IV: ferrocytochroom c : oxygen oxidoreductase of cytochroom c oxidase ( EC 1.9.3.1 )
Compex V : H(+)-transporting two-sector ATPase ( EC 3.6.3.14 ) Formerly EC 3.6.1.34
Complex I en II collecteren de elektronen uit verschillende bronnen en geven ze af aan ubiquinone (coënzym Q10).
De elektronen bewegen zich dan door de complexen III en IV en reageren dan uiteindelijk met zuurstof.
Het is nu duidelijk dat ziekten kunnen ontstaan door mutaties in de genen van de celkern of in genen van het mitochondrion en er kunnen zelfs ziekten ontstaan door de fouten in systemen die de interactie tussen deze twee coördineren.
Om deze redenen hebben OXPHOS ziekten een complexe reeks van erfelijkheid en hebben een breed spectrum aan klinische presentaties.
Complex I, III en IV overspannen de binnenste
mitochondriële membraan en zijn protonen pompen.
Complex II bevindt zich tussen complex I ( NADH: ubiquinone oxidoreductase
) en Complex III ( ubiquinol: ferrocytochroom c oxidoreductase ).
Complex II overspant de binnenste mitochondriële membraan niet, maar
bevindt zich aan de matrix-zijde van de binnenste mitochondriële membraan
en is het ingangspunt van elektronen afkomstig van FADH2.
Complex I is het ingangspunt voor elektronen afkomstig van NADH.
Alle 4 genoemde enzymen bevatten prosthetische groepen die de eigenlijke
elektronendragers in de enzymen zijn.
In elk complex en ook van complex naar complex zijn verschillende groepen
betrokken bij de eigenlijke elektronen overdracht. Deze groepen kunnen
worden onderscheiden in: ijzer-zwavel proteïnen; haem; koper en flavinen.
Allen dienen als elektronendrager, echter elk enzymcomplex wordt
geassocieerd met bepaalde prostethetische groepen:
Complex I: FMN en Fe-S
Complex II: FAD en Fe-S
Complex III: Heme b-562, Heme b-566, Heme c1, Fe-S
Complex IV: Heme a, Heme a3, CuA, CuB
Copyright 1997. Thomas M. Terry, The
University of Connecticut.
Het schema hierboven illustreert een mitochondrion. Bekijk in de animatie hoe NADH H+ ionen en elektronen verplaatst in de elektronen transportketen.
Stap 1: Een Proton gradiënt wordt opgebouwd doordat NADH elektronen in de elektrontransportketen brengt..
Stap 2: Protonen (aangeduid door + lading) komen terug in de mitochondriële matrix door kanalen in het ATP synthase enzym complex. ATP wordt gesynthetiseerd uit ADP en fosfaat (Pi)
Bekijk in bovenstaande animatie hoe er een opbouw
plaatsvindt van H+ ionen in de ruimte tussen de binnenste en
buitenste mitochondriele membraam telkens wanneer NADH geproduceerd wordt
uit oxidatieve reacties.
protonen komen de matrix weer binnen door middel
van het ATP synthase complex waarna ATP geproduceerd wordt.
Protonen worden over het membraan
getransporteerd; dat wil zeggen: vanuit de matrix naar de ruimte tussen de
binnenste en de buitenste membraan.
Terwijl NADH steeds meer H+ en
elektronen in de elektronen transportketen overbrengt, zal de proton
gradiënt toenemen, met een opbouw van H+ buiten de
binnenste mitochondriële membraan en
OH- binnen de binnenste mitochondriele membraan.
Er ontstaat een proton gradiënt.
ATP synthase
is een groot proteïne complex met een proton kanaal die de herintreding
van protonen toestaat.
ATP synthese wordt aangedreven door de
resulterende stroom van protonen die door het membraan stromen:
ADP + Pi ---> ATP
Animaties:
ATP synthase
http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/metabolism/atpsyn1.swf
This short animation illustrates the production of ATP by ATP synthase.
ATP synthase mechanism
http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/metabolism/atpsyn2.swf
This quick animation provides a look at the action of ATP synthase.
Mitochondrial electron transport
http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/metabolism/mido%20e%20transport.swf
Click here for a brief but clear animation demonstrating the electron
transport chain.
Algemeen.
De genen zijn
een deel van de chromosomen die op hun beurt gelokaliseerd zijn in de
nucleus van elke cel.
De chromosomen
zijn opgebouwd uit een verbinding die DNA wordt genoemd.
De
mitochondriën, die zich buiten de nucleus in het cytoplasma van de cel
bevinden, zijn een andere plaats waar DNA wordt gevonden.
Dus ook de
mitochondriën bevatten genen; alhoewel het mitochondriële DNA één lange
streng genen is; en niet is samengesteld uit chromosomen.
De hoeveelheden
mitochondriën in elke cel kan variëren van 1 tot duizenden.
Al deze
mitochondriën; en dus ook het DNA in de mitochondriën, stammen af van een
klein aantal mitochondriën die aanwezig waren in de originele eicel op het
moment van de conceptie. Het sperma
draagt niet bij aan de mitochondriën van de baby. Dus de
mitochondriën worden alleen geërfd van de moeder. (Zeer zeldzaam
voorkomend worden mitochondriën
van de
vader geërfd ).
Een
abnormaliteit in één van de genen in de mitochondriën kan daardoor worden
doorgegeven in de eicellen van de moeder. Daar de meeste
eicellen van de moeder dezelfde mitochondriële mutatie bevatten, is het
risico op een volgend kind met een mitochondriëleaandoening hoog.
Dit patroon van
erfelijkheid wordt maternale overerving genoemd. (maternaal = van
de moeder).
Veel aangeboren
mitochondriële aandoeningen worden nucleus defecten genoemd (Een fout in
een gen in de kern van de cel); met een overerving van: ofde vader, of de
moeder of van zowel de vader als de moeder. Dit patroon
wordt autosomaalrecessief erfelijk genoemd. Deze kunnen
dominant of recessief zijn. In dit geval is
de kans op een aandoening in het volgend kind 25%. Verder is er
nog een X-gebonden overerving; deze heeft betrekking op defecten
van het X-chromosoom. Nog een andere
mogelijkheid is de kans dat er tijdens de bevruchting een mutatie is
opgetreden in een gen en dat dit kind de eerste in een familie is die ziek
wordt.
De effecten van mutaties in de mitochondriële genen.
De eicel bevat
veel mitochondriën en elk mitochondrion bevat verschillende kopieën van de
mitochondriële genen.
Wanneer een
specifiek mitochondrieel gen in elk mitochondrion in de eicel gemuteerd
zou zijn en daarom de verkeerde boodschap uit zou zenden,dan zou de breuk
in de energie productie zo ernstig zijn dat de vroege embryo dit niet zou
overleven.
( Anders
gezegd: pas wanneer een aanvankelijk laag percentage gemuteerde
mtDNAs na een zeker aantal celdelingen een bepaalde drempel
overschrijdt, leidt dit (soms vrij plotseling) tot problemen.
Omdat het aantal mtDNA kopieën per mitochondrion en per cel, alsmede de
behoefte aan oxidatieve fosforylering per weefsel verschilt, heeft elk
weefsel zijn eigen typische drempelwaarde. )
Dus; een
persoon die geboren is met een erfelijke mitochondriële ziekte moet twee
typen mitochondriën van zijn of haar moeder hebben geërfd: enkele die de
correcte kopieën van het gen bevatten en enkele die de gemuteerde en
ziekmakende kopieën van het gen bevatten.
In
tegenstelling tot de meeste genetische ziekten waarbij de mutatie in alle
cellen van het lichaam wordt gezien, worden mutaties van het
mitochondriële DNA niet in alle cellen van het lichaam gezien.
Mitochondriën
worden willekeurig verdeeld in de eicel wanneer deze gevormd wordt in het
ovarium. Daarom zal de
samenstelling van de mitochondriën in elke eicel variëren van meest
normaal tot meest abnormaal.
Daarom zullen
alle kinderen van deze moeder enige abnormale genen erven, maar alleen
symptomen ontwikkelen wanneer de mitochondriën met het gemuteerde gen
een zeker kritisch niveau hebben bereikt met de interferentie van de
energie productie in het lichaam.
Het is dus niet
te voorspellen in welke mate iemand ziek zal worden en welke organen daar
eventueelbetrokken bij zijn.
Evenmin is het
te voorspellen wat het verloop van de ziekte zal zijn over een bepaalde
tijd, daar men weinig zal kunnen zeggen over de verdeling en de
hoeveelheid van de mitochondriën met het gemuteerde gen in het lichaam. De gemuteerde
mitochondriën kunnen gelokaliseerd zijn in de skeletspieren, of in het
hart ,of de nieren, of in het brein of in de lever, enzovoort. Of in
combinaties bij bovenstaande , of in alle organen.
Dit maakt de
mitochondriële aandoeningen zo complex.
Tot de mitochondriële ziekten behoren o.a. :
Stoornissen in de Carnitine cyclus:
defecten
van de bèta-oxidatie spiraal:
Meer informatie: VDAC Web Page
Meer informatie: Structure of the voltage dependent, ion selective channel (VDAC)
Voltage-Dependent Anion Channel
1; VDAC1
OMIM:
Voltage Dependent Anion Channel Deficiency ( VDAC Deficiency )
Voltage-Dependent Anion Channel
2; VDAC2
OMIM:
Voltage-Dependent Anion Channel 2; VDAC2
( indeling van de ziektes naar de verschillende complexen )
( Indeling van de ziektes als verschillende syndromen )
Leber hereditary optic neuroretinopathy
(LHON).
OMIM:
535000
OMIM:
Clinical Synopsis
GeneReviews:
Leber Hereditary Optic Neuropathy
Who named it?:
Theodor Karl Gustav von Leber