Oksidacijska Fosforilacija

Gotovo svi aerobni organizmi koriste oksidacijsku fosforilaciju za proizvodnju energije, zato što je to najučinkovitiji metabolički put za proizvodnju visokoenergetskih molekula kao što je ATP. Alternativni metabolički putovi kao fermentacija ili glikoliza daleko su manje efikasni.

Tijekom oksidacijske fosforilacije, elektroni se prenose od molekula koje služe kao elektron donori na molekule elektron akceptore kao kisik u nizu redoks reakcija. Redoks reakcije oslobađaju energiju koja se koristi za sintezu ATP-a. Redoks reakcije se kod eukariota odvijaju na unutarnjoj membrani mitohondrija dok se kod prokariota odvijaju na unutarnjim staničnim membranama. Oksidacijska fosforilacija se mora uvijek odvijati na membranama jer se nastali gradijent protona između dva stanična prostora koristi kao pokretačka sila za sintezu ATP-a.

Prvi dio oksidacijske fosforilacije čini niz povezanih enzima koji nose naziv "lanac prijenosa elektrona". U eukariota taj je lanac sastavljen od pet proteinskih sustava, dok se kod prokariota može naći mnoštvo različitih enzima u raznim kombinacijama.

Energijom oslobođenom od elektrona, koji prolaze kroz navedeni enzimski sklop, dolazi do prijenosa protona kroz unutarnju mitohondrijsku membranu u procesu poznatom kao "kemiosmoza". Stvoreni gradijent protona (pH gradijent) daje potencijalnu energiju cijelom procesu koji će je postupno oslobađati protokom kroz enzim ATP sintazu. ATP sintaza koristi energiju stvorenu protokom protona niz međumembranski gradijent kako bi stvorila ATP reakcijom fosforilacije adenozin difosfata (ADP). To je drugi dio metaboličkog puta. Dio ATP sintaze funkcionira kao rotacijski mehanički motor pokretan protonskim gradijentom.

Oksidacijska je fosforilacija jedan od najbitnijih dijelova metabolizma, ali ona nužno oslobađa reaktivne metabolite kisika kao superoksid (O₂⁻) ili vodikov peroksid (H₂O₂) koji s lakoćom generiraju slobodne radikale. Slobodni radikali mogu teško oštetiti stanične strukture, izazvati bolesti i tijesno su povezani s procesom starenja.

Kod oksidacijske fosforilacije postoji sprega između dva sustava kemijskih reakcija. Reakcija koja oslobađa energiju koristi se za napajanje kemijske reakcije koje zahtijeva energiju. Jedna reakcija ne može postojati bez druge. Protok elektrona iz elektron donora kao NADH na elektron akceptore kao kisik koji se zbiva u lancu prijenosa elektrona je egzoergonska reakcija (oslobađa energiju). Sinteza ATP-a koja je endoergonska reakcija (zahtjeva energiju) dobiva je od prvog niza reakcija. Oba su sustava umetnuta u strukturu unutarnje mitohondrijske membrane. Energija oslobođena kroz lanac prijenosa elektrona koristi se za stvaranje protonskog (H⁺) gradijenta između dviju strana membrane u sklopu procesa kemiosmoze. Povratni protok protona niz membranski gradijent daje energiju ATP sintazi za proizvodnju ATP-a.

Količina oslobođene energije oksidacijskom fosforilacijom vrlo je velika u odnosu na druge metaboličke putove koji stvaraju energiju. Degradacijom jedne molekule glukoze kod glikolize proizvedu se samo 2 molekule ATP-a. Ista molekula glukoze daje 10 molekula NADH i 2 molekule sukcinata tokom Krebsovog ciklusa, a koje za vrijeme oksidacijske fosforilacije daju 30 do 36 molekula ATP-a. Svaki ciklus beta oksidacije masnih kiselina daje oko 14 molekula ATP-a. U stvarnosti, proizvodnja ATP-a uvijek je nešto niža od teoretskih maksimalnih vrijednosti jer se se manja količina protona gubi spontanim prolazom kroz mitohondrijsku membranu niz gradijent.

 

Lanac prijenosa elektrona prenosi elektrone prebacujući ih od elektron donora na elektron akceptore dok se protoni prebacuju kroz mitohondrijsku membranu. U oba slučaja prijenos vrše molekule koje mogu biti slobodne u otopini ili vezane za enzime. U međumembranskom prostoru mitohondrija elektrone prenosi bjelančevina citokrom c koja je hidrofilna (topljiva u vodi). Citokrom c prenosi samo elektrone prenesenih putem redukcija i oksidacija atoma željeza unutar hem grupe koja se nalazi u građi same bjelančevine kao prostetska skupina. Kod bakterija se citokrom c nalazi u periplazmatskom prostoru.

U kontekstu unutarnje mitohondrijske membrane nalazi se koenzim Q10 (Q) ili ubikinon. Ova je molekula iz skupine benzokinona vrlo lipofilna (topiva u mastima) i može prenositi protone i elektrone putem redoks reakcija. Njena joj lipofilna priroda omogućuje da se slobodno kreće unutar same membrane. Prihvaćenjem dva elektrona i dva protona za vrijeme Krebsovog ciklusa ubikinon (Q) prelazi u reducirani oblik ubikinol (QH₂) dok se oksidacijom za vrijeme oksidacijske fosforilacije vraća u prvobitno stanje (Q). Budući da se enzimi koji reduciraju ubikinon nalaze na jednoj strani membrane, a enzimi koji oksidiraju ubikinol na drugoj, ova molekula zapravo ima ulogu povezivanja dviju reakcija i transporta protona kroz samu membranu. Kod bakterija prijenos se vrši putem metakinona i ubikinona.

U sklopu samih enzima nalazimo različite molekule koje prenose elektrone: flavini, molekularni sustavi željezo-sumpor i citokromi. Sustavi željezo-sumpor su najčešći i ima ih više vrsta. Najjednostavnija vrsta u lancu prijenosa elektrona je sklop dva atoma željeza s dva atoma sumpora koji nosi naziv [2Fe–2S] sklop (cluster). Slični sklop naziva [4Fe–4S] prostorno je složen u obliku kocke i sadrži četiri atoma željeza u paru s četiri atoma sumpora koji su dio molekule cisteina. Navedeni kofaktori koji sadrže ione metala ulaze i izlaze iz redoks reakcija bez vezanja i oslobađanja protona, oni jednostavno generiraju stalni protok elektrona iz jednog enzimskog sustava na drugi. Elektroni se tako kreću putem kvantnog fenomena "#tunel efekta" koji je vrlo brz na udaljenostima manjim od 1.4×10⁻⁹ m.

Nekoliko bitnih metaboličkih putova, kao glikoliza, Krebsov ciklus i beta oksidacija proizvode reducirani kofaktor NADH koji sadrži elektrone visokog potencijala oslobađanja. NADH je stoga u stanju osloboditi veliku količinu energije za vrijeme oksidacije. Stanica ne oslobađa odjednom svu energiju prisutnu u NADH, već se elektroni postupno oslobađaju iz reduciranog kofaktora i polako prelaze na kisik kao oksidativno sredstvo putem enizma koji čine lanac prijenosa elektrona. Enzimi prenositelji elektrona tako oslobađaju energiju vrlo postupno, povećavajući učinkovitost cijelog procesa. Taj sustav enzima nosi naziv "lanac prijenosa elektrona" i nalazi se u sklopu unutarnje mitohondrijske membrane. Pojedini enzimi navedenoga enzimskog lanca numerirani su rimskim brojevima od kompleksa I do kompleksa IV.

Kod eukariota, enzimi koriste energiju oslobođenu kod oksidacije NADH kroz sustav prijenosa elektrona za prijenos protona (H⁺) kroz unutarnju mitohondrijsku membranu. Nakupljanje veće količine protona u međumembranskom prostoru stvara elektrokemijski gradijent kroz samu membranu. Energiju pohranjenu u gradijentu protona koristi enzim ATP sintetaza kako bi kontinuirano proizvodila ATP.

NADH-koenzim Q oksidoreduktaza ((kompleks I)

 

NADH-koenzim Q oksidoreduktaza ili NADH dehidrogenaza (kompleks I) je prvi enzim lanca prijenosa elektrona. Radi se o vrlo velikom enzimu, molekularne mase od 1000 kilodaltona (KDa) koji se sastoji od 46 podjedinica. Detaljna struktura je prvenstveno poznata iz kristalografskih studija bakterijske NADH dehidrogenaze; oblikom podsjeća na obrnuto slovo "L", gdje se jedan od krakova nalazi u kontekstu unutarnje mitohondrijske membrane, dok drugi krak strši prema matriksu mitohondrija. Geni koji dekodiraju pojedine podjedinice kompleksa I nalaze se i u staničnoj jezgri i u mitohondrijskom genomu, što je prilično uobičajeno za mitohondrijske enzime.

Reakcija koju katalizira kompleks I sastoji se od redukcije koenzima Q10 (ubikinona) od strane NADH, prijenosom dva elektrona. Koenzim Q10 ili ubikinon je označen u jednadžbi niže kao Q:

${\displaystyle {\rm {NADH+Q+5\;H_{matriks}^{+}\rightarrow NAD^{+}+QH_{2}+4\;H_{intermembranski-prostor}^{+}\!}}}$ 

Početak kemijske reakcije i cijelog lanca prijenosa elektrona je vezanje jedne molekule NADH za kompleks I i donacija dva elektrona i jednog protona kofaktoru flavin mononukleotidu (FMN), koji predstavlja prvu prostetičku grupu samog enzimskog kompleksa. FMN prelazi u reducirani oblik FMNH₂ primanjem dva elektrona i jednog protona od NADH, dok drugi proton prima direktno iz matriksa. Elektroni su potom prebačeni nizom Fe-S sklopova (clusters), koji predstavljaju drugu prostetičku grupu enzimskog kompleksa. Kompleks I sadrži obje vrste sklopova željezo-sumpor: [2Fe–2S] i [4Fe–4S].

Proces prijenosa elektrona je nepovratan, jer elektroni postupno gube potencijal za 360 mV što je ekvivalentno ΔG=-16.6 Kcal/mol. Oslobođena energija omogućava prebacivanje četiri protona (H⁺) iz matriksa u međumembranski prostor, promjenom konformacije samog kompleksa I. Elektroni se na kraju reakcije prebacuju iz Fe-S sklopova na molekulu ubikinona koja se nalazi unutar mitohondrijske membrane. Osim primanja elektrona, redukcija ubikinona (Q) predviđa prijenos dva protona iz matriksa na molekulu generirajući ubikinol (QH₂), povećavajući tako gradijent protona između matriksa i međumembranskog prostora.

Sukcinat-Koenzim Q oksidoreduktaza (kompleks II)

 

Sukcinat-Koenzim Q oksidoreduktaza (Kompleks II) ili sukcinat dehidrogenaza predstavlja drugi ulaz u lanac prijenosa elektrona. Ovo je jedini enzim koji ulazi u sastav i Krebsovog ciklusa i oksidacijske fosforilacije. Struktura kompleksa II predviđa četiri proteinske podjedinice na koje su vezane različite prostetičke grupe: flavin adenin dinukleotid (FAD), Fe-S sklopovi i molekula hema koja nema ulogu prijenosa elektrona na koenzim Q, već se pretpostavlja da smanjuje koncentraciju potencijalno štetnih reaktivnih vrsta kisika.

Enzim katalizira oksidaciju sukcinata u fumarat i redukciju ubikinona u ubikinol. Ova reakcija oslobađa manje energije od oksidacije NADH, tako da kompleks II ne prebacuje direktno protone u međumembranski prostor.

${\displaystyle {\rm {Sukcinat+Q\rightarrow Fumarat+QH_{2}\!}}}$ 

Flavoprotein-Koenzim Q oksidoreduktaza

Flavoprotein-Koenzim Q oksidoreduktaza (ETF-Q oksidoreduktaza) ili Flavoprotein dehidrogenaza predstavlja treću ulaznu točku u lanac prijenosa elektrona. Ovaj enzim prima elektrone od flavoproteina i prebacuje ih na ubikinon (Q10) kako bi izvršio redukciju. ETF-Q oksidoreduktaza sadrži flavin kao prostetičku grupu i jedan [4Fe–4S] sklop. Za razliku od drugih enzima, ETF-Q oksidoreduktaza se ne nalazi u kontekstu mitohondrijske membrane, već je smješten na samoj površini membrane na strani mitohondrijskog matriksa.

${\displaystyle {\rm {ETF_{reduciran}+Q\rightarrow ETF_{oksidiran}+QH_{2}\!}}}$ 

Ovaj je enzim kod sisavaca važan u metaboličkom putu beta oksidacije masnih kiselina, katabolizmu nekih amino kiselina i degradaciji kolina, jer ima ulogu primanja elektrona od više acetil CoA dehidrogenaza. Njegova je funkcija važna i kod biljaka, jer ulazi u metaboličke procese koje omogućavaju biljkama preživljavanje kod produženih perioda manjka svjetla.

Koenzim Q-Citokrom c oksidoreduktaza (kompleks III)

 

Enzimski kompleks koenzim Q-citokrom c oksidoreduktaza (citokrom c reduktaza ili citokrom bc1 kompleks ili kompleks III) se kod sisavaca pojavljuje kao dimer. Svaka je polovica sastavljena od 11 proteinskih podjedinica, jednog [2Fe-2S] željezo-sumpor sklopa i tri citokroma od kojih jedan citokrom c1 i dva citokroma b. Citokrom je vrsta bjelančevine labavo pridružena mitohondriju unutar međumembranskog prostora, koja sadrži hem kao prostetičku grupu i ima ulogu prijenosa elektrona iz stanja visoke energije, postupno u stanje niže energije. Atomi željeza unutar hema sposobni su prelaziti iz reduciranog stanja (Fe⁺²) u oksidirano stanje (Fe⁺³) u tijeku prolaza elektrona kroz bjelančevinu.

Reakcija koju katalizira kompleks III je oksidacija jedne molekule ubikinola i redukcija dviju molekula citokroma c. Za razliku od koenzima Q, koji prenosi dva elektrona, citokrom c prenosi samo jedan elektron.

${\displaystyle {\rm {QH_{2}+2\;Cyt\,c_{oksidiran}+2\;H_{matriks}^{+}\rightarrow Q+2\;Cyt\,c_{reduciran}+4\;H_{intermembranski-prostor}^{+}\!}}}$ 

Budući da je u jednom trenutku moguć prijenos samo jednog od elektrona s QH₂ donora na citokrom akceptor, mehanizam prijenosa elektrona kod kompleksa III je nešto složeniji nego kod ostalih kompleksa lanca prijenosa elektrona. Proces se zbiva u dva koraka i nosi naziv ciklus Q. U prvom koraku enzim veže na sebe tri supstrata. Prvi je reducirani kofaktor QH₂ koji oksidacijom prebacuje jedan elektron na drugi supstrat citokrom c i oslobađa dva protona (H⁺) u međumembranski prostor. Treći supstrat je oksidirani koenzim Q, koji prihvaća drugi elektron iz QH₂ i prelazi u reducirani oblik Q^-, koji nosi naziv slobodni radikal ubisemikinon. Prva se dva supstrata oslobađaju, dok međuspoj ubisemikinon ostaje vezan za kompleks III. U drugom koraku ciklusa Q, druga molekula QH₂ veže se na kompleks III i ponovo prebacuje prvi elektron na citokrom c. Drugi se elektron sada prebacuje na vezani ubisemikinon (Q^-), koji se reducira u QH₂ primanjem dva protona iz mitohondrijskog matriksa. Reducirani QH₂ se tada oslobađa od veze s kompleksom III.

Za napomenuti je da se koenzim Q reducira u ubikinol na unutarnjoj strani mitohondrijske membrane (strana matriksa), a oksidira na vanjskoj strani (strana međumembranskog prostora), tako da dolazi do prijenosa protona kroz membranu pojačavajući tako protonski gradijent. Ciklus Q je vrlo važan proces, jer povećava učinkovitost prijenosa protona kroz membranu. Kad bi proces koristio jednu molekulu QH₂ da izravno reducira dva citokroma c, učinkovitost bi se prepolovila sa samo jednim prenesenim protonom za svaki reducirani citokrom c.

Citokrom c oksidaza (kompleks IV)

 

Citokrom c oksidaza ili kompleks IV je posljednji multienzimski kompleks u nizu koji čini lanac prijenosa elektrona. Ovaj enzim ima, kod sisavaca, izuzetno složenu građu od 13 podjednica, dva hema kao prostetičku grupu, i više kofaktora koji sadrže ione metala; tri atoma bakra, jedan atom magnezija i jedan cinka.

Ova oksidaza katalizira posljednju reakciju u lancu prijenosa elektrona prenoseći elektrone na kisik, dok istovremeno pumpa protone kroz membranu. Kisik ima ulogu krajnjeg primatelja elektrona i biva reduciran u vodu, koja je jedan od terminalnih produkata oksidacijske fosforilacije. Vodik potreban za redukciju kisika u vodu dolazi iz matriksa mitohondrija smanjujući tako njegovu koncentraciju u samom matriksu, što povećava protonski gradijent potreban za dalju sintezu ATP. Jednadžba reakcije oksidacije citokroma c:

${\displaystyle {\rm {4\;Cyt\,c_{reduciran}+O_{2}+8\;H_{matriks}^{+}\rightarrow 4\;Cyt\,c_{oksidiran}+2\;H_{2}O+4\;H_{intermembranski-prostor}^{+}\!}}}$ 

Ostale reduktaze i oksidaze

U mnogih se eukariota lanac prijenosa elektona bitno razlikuje od onog gore opisanog karakterističnog za sisavce i ostale složenije organizme. Biljke npr. imaju NADH oksidaze, koje vrše oksidaciju NADH u citosolu umjesto u mitohondrijskom matriksu i prenose elektrone izravno na ubikinon. Ovi enzimi ne prenose protone, stoga reduciraju ubikinon bez promjene u elektrokemijskom gradijentu između dvije strane membrane.

Drugi primjer različitog lanca prijenosa elektrona su alternativne oksidaze prisutne kod biljaka, gljiva, protista i vjerojatno nekih životinja. Ovi enzimi izravno prenose elektrone iz ubikinola na kisik.

Opisani alternativni metabolički putovi daju manji prinos pri proizvodnji ATP u odnosu na puni put oksidacijske fosforilacije. Korist skraćenih metaboličkih putova nije u potpunosti jasna. Alternativne se oksidaze proizvode kao odgovor na biološki stres kao hladnoću, reaktivne vrste kisika, zaraze i ostale čimbenike koji inhibiraju lanac prijenosa elektrona. Ovi alternativni metabolički putovi vjerojatno predstavljaju prilagodbu, koja povećava otpornost organizma na neke vanjske štetne faktore.

Prostorna organizacija enzimskih kompleksa

U prošlosti se pretpostavljalo da se enzimi koji čine lanac prijenosa elektrona mogu slobodno kretati unutar mitohondrijske membrane nezavisno jedan od drugoga. Novija istraživanja su pak dokazala da se enzimski kompleksi povezuju u strukture višeg reda međusobno interagirajućih enzima koji nose naziv superkompleksi ili "respirasomi". Ovo udruživanje omogućuje kanaliziranje supstrata između različitih enzimskih sustava, povećavajući tako brzinu i učinkovitost prijenosa elektrona. Omjer različitih enzima unutar superkompleksa kod sisavaca može biti različit. Neke studije daju naznake da bi omjer kompleksa I/II/III/IV i ATP sintetaze mogao biti 1:1:3:7:4, ali ovi podaci još nisu potpuno potvrđeni.

Za razliku od eukariota, kod kojih su enzimi u sustavu prijenosa vrlo slični, prokarioti (bakterije i arheobakterije) posjeduju širok spektar različitih enzima prijenosnika elektrona i isto tako i supstrata i kofaktora. Ono što je zajedničko s eukariotima je to da se oslobođena energija tijekom prijenosa elektrona za oksidacije supstrata koristi za pumpanje iona kroz staničnu membranu i generiranje elektrokemijskog gradijenta. Najbolje izučen primjer oksidacijske fosforilacije je onaj kod Escherichia coli, dok je proces kod arheobakterija malo poznat.

Osnovna razlika između oksidacijske fosforilacije u eukariota i prokariota je ta da prokarioti mogu koristiti mnoštvo različitih spojeva kao elektron donore i akceptore, što im omogućava preživljavanje u različitim okolišnim uvjetima. Escherichia coli može koristiti velik broj različitih redukcijskih i oksidacijskih parova, koji su navedeni u tablici niže. Standardni elektrodni potencija svakog kemijskog spoja daje mjeru oslobođene energije za vrijeme redukcije ili oksidacije. Reduktivni spojevi imaju negativni potencijal, dok kod oksidativnih spojeva potencijal je pozitivan. Što je veća razlika u standardnom elektrodnom potencijalu između reduktivnog i oksidativnog spoja, to će se više energije osloboditi prilikom reakcije.

Prokarioti mogu kontrolirati korištenje različitih elektron donora i akceptora mijenjajući ekspresiju različitih enzima koji ulaze u lanac prijenosa elektrona, kao odgovor na promjene vanjskih uvjeta. Ova prilagodljivost je moguća jer različiti enzimi koriste ubikinon kao univerzalni kofaktor. Različite varijante lanca prijenosa elektrona su modularno organizirane, tako da se enzimski sustavi mogu s lakoćom mijenjati kao odgovor na promjene u okolišu.

Osim opisane metaboličke raznolikosti, prokarioti posjeduju mnoštvo izoenzima, različitih enzima koji kataliziraju istu reakciju. Kod Escherichia coli postoje dvije varijante ubikinol oksidaze koje koriste kisik kao elektron akceptor. U uvjetima velike koncentracije kisika, bakterija koristi oksidazu s niskim afinitetom prema kisiku koja može prenijeti dva protona po svakom elektronu, dok u uvjetima niske koncentracije kisika, sustav se prebacuje na oksidazu koja prenosi samo jedan proton po elektronu, ali ima visok afinitet prema kisiku.

 

ATP sintaza ili kompleks V, predstavlja posljednji enzim u metaboličkom putu oksidacijske fosforilacije. Pronađen je u svim živim organizmima i smatra se da je jedan od najvažnijih enzima za održavanje života uopće. Njegov je način funkcioniranja jednak i kod prokariota i kod eukariota. ATP sintaza koristi elektrokemijsku energiju pohranjenu u protonskom gradijentu između dviju strana membrane kako bi katalizirao sintezu ATP iz ADP i fosfata. Procijenjeno je da su potrebna tri do četiri protona za sintezu jedne molekule ATP, ali stanice mogu mijenjati ovaj omjer kako bi se prilagodile različitim okolišnim uvjetima.

${\displaystyle {\rm {ADP+P_{i}+4\;H_{intermembranski-prostor}^{+}\rightleftharpoons ATP+H_{2}O+4\;H_{matriks}^{+}\!}}}$ 

Reakcija fosforilacije je povratna kemijska reakcija u ravnoteži, može se stoga okrenuti ako se okrene protonski gradijent. Bez energije iz protonskog gradijenta, reakcija bi tekla od desna u lijevo; enzim bi razgrađivao ATP i pumpao protone kroz membranu iz matriksa u međumembranski prostor. U prisutnosti jakog protonskog gradijenta, kemijska reakcija teče u suprotnom smjeru, od lijeva na desno, dopušta protonima da teku niz gradijent i proizvodi ATP iz ADP. U nekim slučajevima isti ili slični enzim H⁺ ATPaza ili tzv. protonska pumpa, troši energiju iz hidrolize ATP kako bi prenijela protone u vakuole i povećala tako kiselost (smanjila pH) . Ova je reakcija odgovorna za proizvodnju kiselosti u želudčanom sekretu.

ATP sintaza je veliki proteinski sklop, koji oblikom ugrubo podsjeća na gljivu (vidi sliku). Ovaj je kompleks kod sisavaca sastavljen od dva osnovna dijela: jednog integriranog u membranu FO i drugog perifernog dijela F1. Cijeli sustav ima 16 podjedinica, ukupne molekularne mase 600 kilodaltona (KDa). Dio enzima pozicioniran u debljini same membrane nosi naziv FO i sastavljen je od jedne podjedinice a, dviju podjedinica b i 10 kružno raspoređenih podjedinica c, koje formiraju kanal kroz kojeg prolaze protoni. Drugi dio enzimskog sustava naziva se F1 i čini ga sferični vanjski dio i središnja podjedinica γ u obliku štapića koja je na vrhu spojena s vanjskim dijelom i cijelom svojom dužinom zauzima protonski kanal načinjen od podjedinica c. Kuglasta struktura na kraju F1 dijela sastavljena je od šest bjelančevina dvije različite vrste: tri α podjedinice i tri β podjedinice organizirane u tri dimera α-β, slično narančinim kriškama. U tom dijelu ATP sintaze dolazi do sinteze ATP. Obje su vrste podjedinica sposobne vezati nukleotide, ali samo β jedinica katalizira reakciju sinteze ATP.

Tijekom protoka protona kroz FO membranski kanal, podjedinice c rotiraju oko središnje osi. Rotacija vjerojatno nastaje kao posljedica ionizacije aminokiselina u prstenu sastavljenoga od c podjedinica (c-prsten), koje uzrokuju elektrokemijske interakcije i pokreću tako sam prsten. Budući da je c-prsten čvrsto vezan za središnju F1 γ podjedinicu, rotacija uzrokuje vrtnju vrha γ podjedinice između α-β dimera periferne F1 kuglaste strukture. F1 kuglasta struktura se pritom ne okreće, jer je blokirana podjedinicama F0b. Vrtnja vrha centralne podjedinice γ osigurava potrebnu energiju aktivnim mjestima na β podjedinicama koje naizmjence kataliziraju sintezu i oslobođanje ATP.

Rotacijska kataliza ATP

 

Dio ATP sintaze odgovoran za sintezu ATP je kuglasta F1 struktura sastavljena od α-β dimera. Na β podjedinicama nalaze se aktivna mjesta koja naizmjence vrše sintezu ATP: jedan se nalazi u konformaciji β-ATP i drži vezan ATP, drugi se nalazi u konformaciji β-ADP i sposoban je vezati supstrat ADP i treći ima aktivno mjesto β-prazno i nije sposoban vezati supstrate. Rotacijska sila uzrokovana protokom protona niz gradijent pokreće rotaciju centralne osi (podjedinica γ) koja ulazi u dodir s beta podjedinicama.

Posljedica je konformacijska promjena kod koje se aktivno mjesto β-ATP mijenja u β-prazno ispuštajući ATP iz prethodne rotacije (tamno crveno u slici). Potom mjesto β-prazno prelazi u konformaciju β-ADP i labavo veže ADP i fosfat iz otopine u matriksu (crveno), da bi na kraju aktivno mjesto prešlo u konformaciju β-ATP gdje dolazi do kondenzacije ADP i fosfata u ATP (ružičasto). Ovaj se ciklus neprestano ponavlja i dobiva naziv rotacijska kataliza.

Kod nekih bakterija i arheobakterija kao Metanococcus, sinteza ATP je uzrokovana protokom iona natrija a ne protona. Neki od ovih organizama posjeduju A1AO sintazu (umjesto F1FO), oblik enzima s vrlo malo sličnosti s podjedinicama eukariotske ATP sintaze, koja bi mogla biti u stanju koristiti Na⁺ ione umjesto H⁺.

Molekularni kisik (O₂) je idelani akceptor elektrona, zahvaljujući svom vrlo jakom oksidacijskom potencijalu, ali redukcija kisika može proizvesti potencijalno štetne međuspojeve. Prijenos četiri elektrona i četiri protona na molekulu kisika reducira ga u bezopasnu molekulu vode, dok prijenosom jednog ili dva elektrona stvara se visoko reaktivni anion superoksid ili peroksid:

${\displaystyle {\begin{matrix}\quad &{\mathrm {e} ^{-}}&\quad &{\mathrm {e} ^{-}}\\{{\mbox{O}}_{2}}&\longrightarrow &{\mbox{O}}_{2}^{\underline {\bullet }}&\longrightarrow &{\mbox{O}}_{2}^{2-}\\\quad &\quad &{\mbox{Superoksid}}&\quad &{\mbox{Peroksid}}\\\quad &\quad \end{matrix}}}$ 

Navedeni reaktivni međuspojevi kisika i produkti njihovih reakcija, kao hidroksilni radikal, mogu biti vrlo štetni za stanične strukture jer mogu oksidirati stanične bjelančevine i lipide i uzrokovati mutacije u DNK. Pretjerana oštećenja nastala nekontroliranom oksidacijom unutarnjih struktura mogu dovesti do apoptoze, programirane smrti koju stanica sama započne u slučaju da su oštećenja nemoguća za popravak, a vjerojatno su i jedan od uzroka biološkog starenja.

Enzimski sustav citokrom c oksidaza (kompleks IV) izuzetno je učinkovit u redukciji kisika u vodu i ispušta vrlo male količine djelomično reduciranih međuspojeva, međutim lanac prijenosa elektrona neprekidno ispušta superoksid i peroksid ione. Posebno je osjetljiv korak redukcija koenzima Q od strane kompleksa III, jer podrazumijeva stvaranje visoko reaktivnog slobodnog radikala ubisemikinona kao međuspoja u Q ciklusu što može pridonijeti stvaranju superoksid aniona. Veća aktivnost lanca prijenosa elektrona stvara veći protonski gradijent između dviju strana mitohondrijske membrane, time i veću proizvodnju ATP, ali kao nuspojavu i veću proizvodnju reaktivnih vrsta kisika. Postoje naznake da mitohondriji reguliraju intenzitet aktivnosti mehanizmom negativne povratne sprege kako bi uravnotežili proizvodnju ATP s negativnom nuspojavom proizvodnje oksidanata.

Kako bi neutralizirali reaktivne vrste kisika, stanice koriste različite antioksidacijske sustave, kao vitamin C i E koji imaju direktno antioksidacijsko djelovanje i enzime superoksid dizmutaza, katalaza i peroksidaza koje degradiraju reaktivne međuspojeve svodeći tako na minimum njihovo štetno djelovanje.

Poznato je nekoliko vrsta kemijskih spojeva koji inhibiraju metabolički put oksidacijske fosforilacije na točno određenim točkama. U tablici niže navedeni su najpoznatiji lijekovi i otrovi koji djeluju na oksidacijsku fosforilaciju:

Toksična se aktivnost svakog od navedenih inhibitora ne ograničava samo na oksidacijsku fosforilaciju, već se reflektira na cijeli stanični metabolizam. Blokada oksidacijske fosforilacije onemogućava ponovnu oksidaciju kofaktora NADH i FADH₂ u NAD⁺ i FAD, što oduzima osnovne supstrate Krebsovom ciklusu i glikolizi što ima kao posljedicu njihovo postupno gašenje.

Onesposobljavanje pojedinih dijelova oksidacijske fosforilacije ne mora uvijek biti štetno. U smeđem masnom tkivu postoje protonski kanali koji kontrolirano disociraju lanac prijenosa elektrona od sinteze ATP, što proizvodi toplinu. Ovaj je proces posebno važan za održavanje tjelesne temperature kod životinja koje zimi idu u hibernaciju ("zimski san").

Rasvjetljavanje metaboličkog puta oksidacijske fosforilacije počinje još 1906. kad je Artur Harden opisao važnost fosfata u staničnoj fermentaciji. 1940. danski biokemičar Herman Kalkar otkriva vezu između oksidacije šećera i proizvodnje ATP, a 1949. Morris Friedkin i Albert L. Lehninger dokazuju da koenzim NADH povezuje različite metaboličke putove kao Krebsov ciklus i sintezu ATP.

Mehanizam proizvodnje ATP u stanici ostaje nepoznat dvadesetak godina. U tom su se periodu znanstvenici usredotočili na potrage hipotetskog "visokoenergetskog međuspoja" koji povezuje oksidaciju s fosforilacijom. Mehanizam je objašnjen 1961. kad je britanski biokemičar Peter D. Mitchell objavio svoju "kemiosmotičku teoriju". U početku je kemiosmoza naišla na žestok otpor u akademskim krugovima, ali je poslije postupno prihvaćena i dodatno potvrđena a Michellu je dodijeljena Nobelova nagrada za svoje otkriće 1978.

Kasnija su se istraživanja usredotočila na izolaciju i proučavanje pojedinih enzima. Posebno važan korak u razumijevanju oksidacijske fosforilacije bilo je objašnjenje mehanizma funkcioniranja ATP sintaze rotacijskom katalizom za što su John E. Walker i Paul D. Boyer dobili Nobelovu nagradu 1997.