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8.10: Chimiosmose
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Chemiosmosis
 
TRANSCRIPTION

8.10: Chemiosmosis

8.10: Chimiosmose

Overview

Oxidative phosphorylation is a highly efficient process that generates large amounts of adenosine triphosphate (ATP), the basic unit of energy that drives many processes in living cells. Oxidative phosphorylation involves two processes—electron transport and chemiosmosis. During electron transport, electrons are shuttled between large complexes on the inner mitochondrial membrane and protons (H+) are pumped across the membrane into the intermembrane space, creating an electrochemical gradient. In the next step, protons flow back down their gradient into the mitochondrial matrix via ATP synthase, a protein complex embedded within the inner membrane. This process, called chemiosmosis, uses the energy of the proton gradient to drive the synthesis of ATP from adenosine diphosphate (ADP).

Electron Transport Chain

The electron transport chain is a series of complexes that transfer electrons from electron donors to electron acceptors via simultaneous reduction and oxidation reactions, otherwise known as redox reactions. At the end of the chain, electrons reduce molecular oxygen to produce water.

The shuttling of electrons between complexes is coupled with proton transfer, whereby protons (H+ ions) travel from the mitochondrial matrix to the intermembrane space against their concentration gradient. Eventually, the high concentration of protons in the intermembrane space forces protons down their concentration gradient back into the mitochondrial matrix through ATP synthase, thus producing ATP. This process, which uses energy stored in the proton gradient across the membrane to drive cellular work, is called chemiosmosis.

ATP Synthase

The structure responsible for the movement of protons across the inner mitochondrial membrane is the protein complex ATP synthase. It consists of a stator—the channel in which hydrogen ions enter and leave the complex, a multi-unit rotor (F0) embedded within the membrane, and a knob of catalytic proteins (F1) located in the mitochondrial matrix. The F0 rotor spins as hydrogen ions bind to, and change the shape of, each sub-unit. The spinning rotor then turns an internal rod that changes the conformation of F1 that facilitates its binding to ADP and inorganic phosphate, resulting in the production of ATP.

ATP Production

The process of aerobic respiration can produce a total of 30 or 32 ATP per molecule of glucose consumed (Figure 3). Four ATP are produced during glycolysis, but two are consumed in the process, resulting in a net total of two ATP molecules. One ATP molecule is produced per round of the Krebs cycle, and two cycles occur for every molecule of glucose, producing a net total of two ATP. Finally, 26 or 28 ATP are produced in the electron transport chain through oxidative phosphorylation, depending on whether NADH or FADH2 is used as the electron carrier.

Aperçu

La phosphorylation oxydative est un processus très efficace qui génère de grandes quantités d’adénosine triphosphate (ATP), l’unité de base de l’énergie qui conduit de nombreux processus dans les cellules vivantes. La phosphorylation oxydative implique deux processus : le transport d’électrons et la chemiosmose. Pendant le transport d’électrons, les électrons sont transportés entre de grands complexes sur la membrane mitochondriale intérieure et les protons (H+) sont pompés à travers la membrane dans l’espace intermembrane, créant un gradient électrochimique. Dans l’étape suivante, les protons redescendent leur gradient dans la matrice mitochondriale via la synthase ATP, un complexe protéique intégré dans la membrane interne. Ce processus, appelé chemiosmose, utilise l’énergie du gradient de proton pour conduire la synthèse de l’ATP à partir de diphosphate d’adénosine (ADP).

Chaîne de transport électronique

La chaîne de transport d’électrons est une série de complexes qui transfèrent les électrons des donneurs d’électrons aux accepteurs d’électrons par des réactions simultanées de réduction et d’oxydation, autrement appelées réactions redox. À la fin de la chaîne, les électrons réduisent l’oxygène moléculaire pour produire de l’eau.

La fermeture des électrons entre les complexes est couplée avec le transfert de protons, auquel cas les protons (H+ ions) voyagent de la matrice mitochondriale à l’espace intermembrane contre leur gradient de concentration. Finalement, la forte concentration de protons dans l’espace intermembrane force les protons à réduire leur gradient de concentration dans la matrice mitochondriale par l’ATP synthase, produisant ainsi l’ATP. Ce processus, qui utilise l’énergie stockée dans le gradient de protons à travers la membrane pour conduire le travail cellulaire, est appelé chemiosmose.

ATP Synthase

La structure responsable du mouvement des protons à travers la membrane mitochondriale interne est la synthase atp complexe protéique. Il se compose d’un stator — le canal dans lequel les ions d’hydrogène entrent et quittent le complexe, d’un rotor multi-unités (F0)intégré dans la membrane, et d’un bouton de protéines catalytiques (F1) situé dans la matrice mitochondriale. Le rotor F0 tourne au fur et à mesure que les ions à hydrogène se lient à chaque sous-unité et changent la forme de chaque sous-unité. Le rotor de rotation tourne alors une tige interne qui modifie la conformation de F1 qui facilite sa liaison à ADP et phosphate inorganique, résultant en la production d’ATP.

ATP Production

Le processus de respiration aérobie peut produire un total de 30 ou 32 ATP par molécule de glucose consommée (figure 3). Quatre ATP sont produits pendant la glycolyse, mais deux sont consommés dans le processus, résultant en un total net de deux molécules d’ATP. Une molécule d’ATP est produite par tour du cycle de Krebs, et deux cycles se produisent pour chaque molécule de glucose, produisant un total net de deux ATP. Enfin, 26 ou 28 ATP sont produits dans la chaîne de transport d’électrons par phosphorylation oxydative, selon que le NADH ou le FADH2 sont utilisés comme vecteur d’électrons.


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