Metabolizm Energii
Typy metabolizmu określamy na podstawie co najmniej 3 wytycznych: źródła energii, źródła węgla oraz źródła elektronów.
Ze względu na źródło energii organizmy można podzielić na fototrofy, które korzystają z energii promieniowania elektromagnetycznego w pewnych zakresach widma oraz chemotrofy, które wykorzystują energię wiązań chemicznych zredukowanych, bogatych w elektrony związków.
Ze względu na rodzaj donora elektronów organizmy dzielimy na litotrofy oraz organotrofy utleniające odpowiednio związki nieorganiczne bądź organiczne.
Ze względu na źródło węgla do biosyntez możemy wyróżnić autotrofy wykorzystujące CO2 oraz heterotrofy wykorzystujące związki organiczne, zwykle wyprodukowane przez te pierwsze.
Dodatkowo można rozpatrywać rodzaje ostatecznych akceptorów elektronów pochodzących z utleniania. Jeśli akceptorem jest związek nieorganiczny, mówimy o oddychaniu - tlenowym w przypadku, gdy to jest tlen, beztlenowym gdy są to inne związki, np. azotany czy siarczany. Gdy akceptorem jest związek organiczny, jak pirogronian, mówimy o fermentacji - np. alkoholowej, mlekowej... w zależności od produktu.
Szczególnie w świecie bakterii możliwe jest każde połączenie, a nawet typy miksowe, natomiast rośliny są fotolitoautotrofami, a zwierzęta chemoorganoheterotrofami - wszystko wyciągają ze związków organicznych wyprodukowanych przez inne organizmy.
ATP
Najpopularniejszą walutą energetyczną używaną w obrębie komórki, a wspólną dla całego świata biologicznego jest adenozynotrifosforan, nukleotyd - ten sam, który dostarcza budulca do syntezy RNA, co pozwala przypuszczać, że jego idea jako uniwersalnego transportera energii sięga czasów, kiedy to właśnie RNA odgrywało główną rolę na scenie życia. ATP składa się z adeniny, rybozy oraz 3 reszt fosforanowych, których protony mają różne stałe dysocjacji. W środowisku neutralnym ATP posiada 4 ładunki ujemne. Znakomicie chelatuje jony metali, szczególnie magnezu, który jest niezbędny przy niemal wszystkich reakcjach enzymatycznych z udziałem ATP.
Istotne są dwa wiązania anhydrydowe, a konkretnie ich hydroliza, która ma ujemną entalpię swobodną. Same wiązania, choć nazywane wysokoenergetycznymi, nie posiadają wysokiej energii, wręcz przeciwnie - energia ich jest na tyle niska, że łatwo jest te wiązania rozerwać. Dla efektu energetycznego istotne jest to, że energia produktów hydrolizy jest dużo niższa niż substratów, czyli tworzące się wiązania/oddziaływania powodują wydzielanie się dużej ilości energii.
Zamiast wody może tu występować niemal dowolna cząsteczka zawierająca grupę hydroksylową, np. białko. Przyłączenie reszty Pi to fosforylacja, a zdolność do oddania reszty na inną cząsteczkę nazywana jest potencjałem fosforylacji. ATP spośród ufosforylowanych cząsteczek ma średni potencjał fosforylacji, dlatego też jest dobrym pośrednikiem w tego typu przemianach. W warunkach fizjologicznych hydroliza ATP uwalnia ok. 13 kcal/mol, ale żeby była możliwa konieczne jest utrzymywanie nadmiaru ATP. Jego stężenie jest utrzymywane w granicach 1-10mM.
Wybór ATP spośród innych nukleotydów mógł być przypadkiem, skoro są one równoważne energetycznie, a odpowiednie kinazy potrafią przenosić reszty fosforanowe z jednych na drugie.
Jakkolwiek, obecnie cykl przemian ATP-ADP jest podstawą uzyskiwania i wykorzystywania energii w komórkach.
Przeciętny człowiek w ciągu dnia zużywa ok. 100-150 moli ATP, co daje ok. 50-75 kg tej substancji. Całkowita ilość ATP w organiźmie w każdej chwili wynosi średnio 0.1 mola - to wydaje się strasznie mało, ale pamiętajmy, że ATP jest ciągle „w obrocie” - jest hydrolizowane w jakimś procesie w ciągu minuty od powstania. Zatem jedna cząsteczka ATP jest w ruchu ponad 1000 razy w ciągu dnia.
Uzyskiwanie energii czy to ze światła, czy z utleniania związków, polega właśnie na syntezie ATP, w większości za pośrednictwem tzw. równoważników redukcyjnych.
NAD+
Najważniejszym jest NAD+, czyli dinukleotyd nikotynamidoadeninowy. Wywodzi się z ATP, tak zapewne ewolucyjnie, jak i biochemicznie, gdyż składa się z AMP oraz nukleotydu nikotynoamidowego połączonych wiązaniem anhydrydowym. Jest to koenzym wielu enzymów oksydoredukcyjnych, służy jako przenośnik elektronów - w szczególności odbiera elektrony oraz protony z utlenianych paliw, aby potem oddać je w łańcuchu oddechowym w celu syntezy ATP. Przenosi dwa elektrony i jeden proton. Jeden z elektronów redukuje dodatni atom azotu, drugi - atom naprzeciwległy, gdzie wchodzi również jeden proton (jeśli z substratu usuwane są dwa protony, wówczas ten drugi uwalniany jest do środowiska). Większość NAD+ jest związana z białkami. Natomiast stosunek wolnego NAD+/NADH jest jednym ze wskaźników tzw. stanu redox określającego aktywność metaboliczną i zdrowie komórki. W zdrowych tkankach ssaków wynosi on zwykle ok. 700, co oznacza wysoką zdolność do utleniania. Przy czym stosunek fosforanowej formy koenzymu: NADP+/NADPH oscyluje około 0.005. Ta ogromna różnica wskazuje na odmienne role tych dwóch tak podobnych koenzymów (fosforan wykorzystywany jest w procesach anabolicznych - biosyntezy).
FAD
Drugim istotnym dla nas koenzymem jest FAD, czyli dinukleotyd flawinoadeninowy. Jest złożony z mononukleotydu flawinowego (FMN) (pochodnej ryboflawiny) i AMP. Reszta flawinowa pochodzi od wiolopierścieniowego związku aromatycznego. (Grupa ta jest przyłączona do rybozy wiązaniem C-N, a nie glikozydowym, więc technicznie rzecz biorąc FMN nie jest nukleotydem.) FAD spełnia taką samą rolę co NAD+, w szczególności jest grupą prostetyczną jednego z enzymów cyklu Krebsa należącego również do łańcucha oddechowego, a także przenosi część elektronów z utleniania kwasów tłuszczowych. Przyłącza dwa elektrony i dwa protony. FADH2 nie jest już wielopierścieniowym związkiem aromatycznym, co oznacza, że ma wyższą energię.
Katabolizm
Rozkład, utlenianie różnych związków, jak cukry, aminokwasy czy kwasy tłuszczowe przebiega oczywiście różnymi drogami, do pewnego momentu. Związki te w większości metabolizowane są do reszt acetylowych, dzięki czemu mogą przejść przez cykl kwasów trkarboksylowych (TCA). W trakcie utleniania tworzona jest niewielka ilość ATP. Utlenianie paliw służy bowiem głównie utworzeniu tzw. siły redukcyjnej, czyli zredukowanych kofaktorów NAD i FAD przenoszących odebrane elektrony, których wysoka energia wykorzystywana jest następnie do syntezy ATP na drodze fosforylacji oksydacyjnej, gdzie również kofaktory te są odnawiane.
Glikoliza
Niemal wszystkie organizmy uzyskują energię z utleniania glukozy, i to w podobny sposób. Glukoza jest ponadto jedynym paliwem dla mózgu ssaków (w normalnych warunkach) oraz dla erytrocytów w ogóle. Glikoliza (szlak Embdena-Meyerhoffa-Parnasa), czyli proces jej niecałkowitego utleniania do pirogronianu jest ponadto jedynym u człowieka sposobem uzyskiwania energii w warunkach beztlenowych. Szlak ten powstał wtedy, kiedy jeszcze nie było zbyt dużo tlenu w atmosferze.
Glukoza jest jednym z monosacharydów, które potrafią powstać z formaldehydu w warunkach niebiologicznych, więc mogła być dostępna już dla pierwszych organizmów. Wybór (ewolucyjny) glukozy wynika być może stąd, że spośród monosacharydów jest wyjątkowo stabilna w formie pierścieniowej (OH w beta ekwatorialne), więc nie stanowi większego zagrożenia np. dla białek. Całkowite utlenienie 1 g cukrów daje ok. 4 kcal.
Glikoliza zachodzi w cytozolu. Pierwszym etapem jest tzw. aktywacja glukozy, czyli fosforylacja (na 6 - „wystającym” C). Poprzez zyskanie ujemnych ładunków ucieczka cząsteczki z komórki jest utrudniona, ponadto taka aktywacja destabilizuje ją. Reakcję (prawie nieodwracalną) katalizuje heksokinaza (w wątrobie i in. glukokinaza). Do fosforylacji zużywana jest reszta Pi pochodząca z rozkładu ATP.
Następnie glukozo-6-fosforan izomeryzuje do fruktozo-6-fosforanu (z przejściem przez formy łańcuchowe). Dzięki temu mamy nowy „wystający” węgiel z -OH, który może być także ufosforylowany. Reakcja jest analogiczna do pierwszej, również wykorzystuje resztę Pi z ATP. Jest katalizowana przez bardzo istotny enzym - fosfofruktokinazę.
Produkt tej reakcji - frukozo-1,6-bisfosforan (F-1,6-BP) - jest następnie cięty na dwa trójwęglowe związki: fosforan dihydroksyacetonu oraz 3-fosforan gliceraldehydu. Związki te są wzajemnymi izomerami. Kolejny etap polega na izomeryzacji DHAP do GAP, tak aby dalej obie cząsteczki miały jednakowa drogę.
Następnie każda z cząsteczek GAP przechodzi kolejną fosforylację, tym razem z wolnej reszty Pi. Reakcję utleniania (aldehydu do kwasu) oraz fosforylacji powstałego kwasu przeprowadza odpowiednia dehydrogenaza, wykorzystując koenzym NAD+, który zostaje zredukowany. Reakcja utleniania ma ΔG<0, natomiast fosforylacji ΔG>0. Są one połączone przez produkt pośredni - tioester (kwas przyłączony do reszty Cys enzymu), który jest mniej stabilny niż wolny kwas - zawiera w sobie energię z utleniania GAP.
Następnie mamy sukcesywne defosforylacje. Dopiero co przyłączona reszta jest transferowana na ADP. Zostaje 3-fosfoglicerynian. Odpowiednia mutaza przenosi pozostałą resztę P z końcowego C na środkowy. Enolaza przekształca 2-fosfoglicerynian w PEP przez dehydratację, co znacznie zwiększa potencjał transferowy związku. Ostatnia reszta Pi z PEP jest przenoszona na ADP (PEP posiada jeden z największych potencjałów fosforylacji w świecie biologii). Produkt reakcji - pirogronian w formie enolowej szybko przekształca się formę ketokwasu. Zysk energetyczny glikolizy to ok. -21 kcal/mol (-88 kJ/mol).
Inne cukry, takie jak fruktoza i galaktoza, równiez mogą przystąpić do szlaku glikolitycznego. Fruktoza może być fosforylowana na C6 przez heksokinazę (z wykorzystaniem ATP), jak glukoza. Jednak wydajność dla tego cukru jest ok. 20x mniejsza. Jest to główny sposób metabolizmu fruktozy w tkance tłuszczowej. Natomiast w wątrobie, mięśniach i innych tkankach fruktoza jest fosforylowana na C-1 przez inny enzym. Następnie fruktozo-1-fosforan jest cięty na gliceraldehyd i DHAP. Gliceraldehyd jest fosforylowany na C3 i w ten sposób mamy dwa intermediaty szlaku.
Z kolei galaktoza jest w 4 krokach konwertowana do G-6-P. Również zużywany jest 1 ATP, a w procesie pośredniczy także UDP-glukoza.
Dziwne losy pirogronianu ;)
Dalszy los pirogronianu różni się w zależności od organizmu i od typu komórki, a także od warunków. W obecności tlenu u organizmów wielokomórkowych i wielu jednokomórkowych pirogronian jest utleniany w cyklu TCA do CO2, uwalniając gros swojej energii, głównie w postaci NADH, które odnawiane są przy łańcuchu oddechowym, przyczyniając się do syntezy ATP. Przy braku tlenu, pirogronian może być redukowany do kwasu mlekowego, etanolu i innych produktów w procesach nazywanych fermentacjami, gdzie akceptorami elektronów z NADH są związki organiczne, tutaj sam pirogronian. Fermentacja nie generuje ATP! Służy wyłącznie odnowieniu koenzymów do dalszego zachodzenia glikolizy! Tlenowe organizmy również wykorzystują tę metodę - np. fermentacja mlekowa w ludzkich mięśniach przy dużym, długotrwałym wysiłku fizycznym - w celu odnowienia koenzymów - co zachodzi szybciej niż przy łańcuchu oddechowym bądź w ogóle jest to jedyna możliwa droga w warunkach niewydolności układu krążenia i niedoboru tlenu w tkance mięśniowej.
Pirogronian, żeby wejść do cyklu TCA, musi zostać przerobiony na acetylo-CoA.
Koenzym A (CoA) to nośnik reszt acylowych. Jest również pochodną ATP. Powstaje z ATP, pantotenianu i β-merkaptoetyloaminy. Przyłączenie reszty acylowej odbywa się przez acylowanie grupy tiolowej na końcu CoA. Acetylo-CoA nazywany jest również aktywnym octanem. Ma 4-.
Pirogronian jest transportowany do mitochondrium (antyporterem -OH). Tam ulega oksydatywnej dekarboksylacji katalizowanej przez kompleks dehydrogenazy pirogronianowej. Powstaje CO2, a także dwa elektrony zostają zatrzymane w formie NADH.
β-oksydacja
Kwasy tłuszczowe również są metabolizowane do acetylo-CoA. Na wstępie są aktywowane koenzymem A (CoA zostaje acylowany), co jest połączone z hydrolizą ATP do AMP (2 równoważniki ATP), i w tej postaci są transportowane do mitochondrium. Tam dwuwęglowe fragmenty łańcucha są odcinane w cyklu 4 lub więcej reakcji (zależy to od nasycenia kwasu tłuszczowego). Podczas każdego cyklu powstaje 1 acetylo-CoA, 1 NADH i 1 FADH2. 1 g kwasów tłuszczowych dostarcza ok. 9 kcal.
Dodatkowo glicerol z hydrolizy tłuszczy jest utleniany i fosforylowany (z użyciem ATP) do fosforanu dihydroksyacetonu i wchodzi w szlak glikolizy. Powstaje 1 NADH.
Cykl Kwasów Trikarboksylowych
Cykl Krebsa odbywa się w mitochondrium, a u prokaryota w cytozolu. Polega on na serii reakcji redoks pozwalających na całkowite utlenienie acetylu do 2 cz. CO2. Pośredniczy w tym szczawiooctan, który jest w cyklu odnawiany. Główną funkcją cyklu jest zbieranie wysokoenergetycznych elektronów, które później wchodzą do łańcucha oddechowego, gdzie oddają energię do tworzenia ATP. Sam cykl generuje zaledwie jedną cz. GTP (która jest równoważna ATP), ale w połączeniu z łańcuchem dostarcza znakomitą większość energii komórkom aerobowym, np. u człowieka ponad 95%.
Cukry, kwasy tłuszczowe i pewne aminokwasy „wchodzą” do cyklu Krebsa jako paliwo tego cyklu, czyli acetylo-koenzym A. Wejście polega na kondensacji Ac-CoA i szczawiooctanu z hydrolizą powstałego dość nietrwałego cytrylo-CoA i oddysocjowaniem wolnego CoA [syntaza cytrynianowa]. Powstaje kwas cytrynowy, który następnie przez dehydratację i ponowną hydratację ulega izomeryzacji do izocytrynianu.
Następnie mamy dwie oksydatywne dekarboksylacje, każda uwalnia jedną cz. CO2 oraz daje jedną cz. NADH. Pierwsza daje jako produkt α-ketoglutaran, w drugiej z CoA i α-ketoglutaranu powstaje bursztynylo-CoA.
Bursztynylo-CoA posiada wysokoenergetyczne wiązanie tioestrowe. Reakcja hydrolizy tego związku (ΔG'°=-8.0 kcal/mol ~ ATP!) jest połączona przez enzym syntetazę sukcynylo-CoA z fosforylacją difosforanu nukleozydu, zwykle GDP z wykorzystaniem wolnej reszty Pi. Najpierw reszta CoA jest zastępowana przez Pi, następnie zachodzi fosforylacja substratowa. GTP może oddać resztę na ADP, tworząc ATP, ale jest parę procesów wykorzystujących GTP (vide: małe białka G), ponadto związek ten jest ważnym regulatorem glukoneogenezy wskazującym, czy komórka jest zasobna w energię.
Kolejne reakcje regenerują szczawiooctan, jednocześnie zgarniając resztę energii pozostałej po acetylu. Jest więc dehydracja i utlenianie bursztynianu do fumaranu z transferem elektronów na FAD, hydratacja do L-jabłczanu oraz znów utlenienie do szczawiooctanu z generacją NADH. (Cała ta „regeneracja” polega na zamianie jednej grupy metylenowej w karbonylową - „podstawieniu” tlenu do łańcucha). W pierwszej reakcji mamy FAD z prostej przyczyny - energia jest niewystarczająca do redukcji NAD+. FAD jest zwykle koenzymem przy reakcjach usuwających dwa wodory z substratu. Co więcej, enzym tu występujący należy również do łańcucha oddechowego - jest związany z błoną mitochondrium. Koenzym nie oddysocjowuje od niego, a elektrony przechodzą od razu do łańcucha. Zmiana standardowej entalpii swobodnej ostatniej reakcji jest wysoce dodatnia, jednak w komórce stężenie produktu jest znikome - jest on wciąż „przerabiany” w cyklu (co „napędza” reakcję). W cyklu nie bierze udziału tlen, jego obecność jest jednak konieczna do regeneracji koenzymów.
Aminokwasy
Wykorzystanie nadwyżkowych aminokwasów (białka nie są magazynowane w organiźmie!) jako źródła energii (i węgla) polega przede wszystkim na usunięciu reszty aminowej [różne transaminazy], w wyniku czego uzsykujemy 1 NADH. Nastepnie szkielet węglowy jest przekształcany do jednego z 7 metabolitów cyklu TCA i innych szlaków katabolicznych: acetylo-CoA, pirogronian, acetoacetylo-CoA, α-ketoglutaran, bursztynylo-CoA, fumaran, szczawiooctan.
Fosforylacja Oksydacyjna
Głównym źródłem ATP w organizmach tlenowych jest fosforylacja oksydacyjna. Proces ten zachodzi na błonie wewnętrznej mitochondrium u Eukaryota, a u Prokaryota - na błonie cytplazmatycznej.
Teoria chemiosmotyczna Mitchella opisująca ten proces została sformułowana w 1961 roku i jest podstawową teorią w bioenergetyce. Opisuje mechanizm wykorzystania energii pochodzącej z utleniania związków chemicznych bądź fotosyntezy do produkcji ATP. W myśl tej teorii utlenianie paliw oraz produkcja ATP są sprzężone przez gradient protonowy w poprzek błony.
Mechanizm jest prosty w idei: elektrony ze zredukowanych koenzymów NADH, FADH2 przechodzą przez łańcuch przenośników białkowych osadzonych w błonie, trafiąc w końcu na cząsteczkę ostatecznego akceptora, którym jest w oddychaniu tlenowym tlen, a w beztlenowym - inny związek nieorganiczny. Transferowi elektronów towarzyszy aktywny transport protonów w poprzek błony. Wracają one (zgodnie z gradientem) przez kanał związany z syntazą ATP, co umożliwia tworzenie ATP.
Siła elektromotoryczna, czyli potencjał redukcyjny jest zamieniany na gradient protonowy i różnicę potencjałów elektrycznych (siła protonomotoryczna), a następnie na potencjał fosforylacji.
W łańcuchu oddechowym elektrony przechodzą przez serię przenośników, którymi są: mononukleotyd flawinowy (FMN), centra żelazowo-siarkowe, chinon oraz cytochromy. Są one ulokowane w błonie wewnętrznej mitochondrium jako wolne koenzymy bądź grupy prostetyczne 4 kompleksów białkowych, z których 3 są swoistymi pompami protonowymi. Przenośniki te są uporządkowane według wzrastającego potencjału redukcyjnego, co oznacza, że każdy spontanicznie odbiera elektrony od poprzedniego. Oddana energia umożliwia aktywny transport protonów poza matrix.
Kompleks I to tzw. oksydoreduktaza NADH-Q (dehydrogenaza NADH). Posiada kilka grup prostetycznych: FMN, centra Fe-S oraz koenzym Q - chinon. Elektrony z NADH redukują FMN, który pobiera 2 protony z matrix. Następnie elektrony z FMNH2 przechodzą przez serię centrów Fe-S, a uwolnione protony przechodzą na zewnątrz błony (do przestrzeni perymitochondrialnej). Elektrony trafiają na związany z białkiem chinon, który również pobiera 2 protony z matrix, następnie uwalniając je po zewnętrznej stronie, oddając elektrony jeszcze jednemu centrum Fe-S. Ostatecznie elektrony wędrują na wolny, pływający wewnątrz błony koenzym Q - ubichinon (przedrostek ubi wskazuje właśnie, że jest to wolny koenzym) i znów 2 protony są pobierane z matrix. Razem 6 protonów jest pobieranych, 4 uwalniane (w tym kompleksie; co daje transport 4 protonów dla tej pompy), 2 związane z przenośnikiem.
Kompleks II reduktazy bursztynian-Q zawiera m.in. enzym cyklu Krebsa, który tworzy FADH2. Koenzym ten nie opuszcza białka - elektrony z niego przechodzą na centra Fe-S kompleksu, a następnie na wolny Q, z pobraniem 2 protonów z matrix (podobnie jak w Kompleksie I). W ten sposób dokonuje się utlenienie FADH2, które daje mniej energii niż NADH, stąd elektrony z niego wchodzą do łańcucha nieco później, ponadto nie są tu transportowane protony. Na wolny ubichinon trafiają również elektrony pochodzące z FADH2 z utleniania kwasów tłuszczowych. Przez kompleks II nie przechodzą elektrony z utleniania NADH, jest on jedynie wyjeściem dla FADH2.
Kompleks III - Oksydoreduktaza Q-cytochrom c przenosi 2 elektrony z ubichinolu na jednoelektronowy przenośnik - cytochrom c - również swobodnie pływający wewnątrz błony. Odbywa się to poprzez tzw. cykl Q. Ubichinol oddaje 2 e w miejscu zw. Qo znajdującym się bliżej zewnętrznej strony - jeden z nich redukuje cytochrom c, drugi wędruje do miejsca Qi bliższego matrix, gdzie redukuje wolny ubichinon do semichinonu i pobrany jest 1 proton. 2 protony z miejsca Qo są uwalniane na zewnątrz. Drugi cykl przebiega tak samo, a semichinon jest redukowany do ubichinolu. Efekt jest taki, że 4 protony (pobrane z matrix w I lub II etapie) są uwalniane na zewnątrz, a dwa są pobierane z matrix. Netto 2 protony są transportowane. Jest to cykl, ponieważ jedna cz. chinolu jest odnawiana.
Kompleks IV - Oksydaza cytochromowa przenosi elektrony z czterech cytochromów c na tlen. Zawiera cytochromy a i b3 oraz dwa centra miedziowe, przy czym cytochrom a3 i centrum Cub tworzą miejsce redukcji tlenu. Dwa jony metalowe są tam oddalone od siebie o 4.5 A i utrzymują jon hydroksylowy w utlenionej formie. Pierwszy elektron przechodzi całą drogę (od cyt c do Cub), redukując miedź do Cu1+ (cyt c → Cua → hem a → hem a3 → Cub). Drugi zatrzymuje się na hemie a3, redukując żelazo do Fe2+. Wówczas następuje wiązanie tlenu, który jest redukowany przez oba elektrony do jonu nadtlenkowego O2 2- i tworzy mostek między Fe3+ w hemie a3 i CuB 2+. Trzeci elektron oraz przyłączenie protonu powoduje rozerwanie wiązania O-O; pozostaje Fe4+ = O oraz CuB 2+-OH. Ostatni elektron redukuje hem a3 do stanu Fe3+-OH. Dwa protony powodują uwolnienie 2 cz. wody. 4 protony użyte do reakcji przyczyniają się do wzrostu gradientu stężeń, ponadto dodatkowe 4 protony są pompowane w trakcie na zewnątrz.
Syntaza ATP składa się z dwóch części: Fo zawierającej kanał protonowy, umieszczonej w błonie, oraz F1 syntezującej ATP, umieszczonej po stronie matrix. Przepływ protonów powoduje rotację Fo i podjednostki γ łączącej obie części, oraz zmiany konformacyjne podjednostek β w części F1 skutkujące zmianami ich powinowactwa do ATP i ADP. Każda z trzech podjednostek β może być kolejno w jednej z trzech konformacji: L - wiążącej ADP i Pi, T - syntezującej ATP, O - uwalniającej ATP. Utworzenie 1 cz. ATP wymaga przepływu ok. 3 protonów.
Zdarza się, że protony przechodzą do matrix przez uszkodzone fragmenty błony, co obniża wydajność syntezy ATP. Może to być skutkiem działania rodników czy toksyn takich jak 2,4-dinitrofenol (niegdyś składnik tabletek odchudzających), a także etanolu (stąd po wypiciu robi się cieplutko ). Ale np. komórki brunatnej tkanki tłuszczowej syntetytuzją białko zwane termogeniną, które jest kanałem umożliwiającym pozornie bezproduktywny powrót protonów do matrix; w istocie energia protonów uwalniana jest w postaci ciepła. I właśnie produkcja ciepła jest funkcją tego białka, jak i zresztą całej tej tkanki, która prawie w ogóle nie tworzy ATP. Jest to główne źródło ciepła dla zwierząt hibernujących, a także dla niemowląt. Komórki innych tkanek również syntetyzują takie białka, choć w mniejszej ilości. Zwane są one ogólnie białkami rozprzęgającymi (w skrócie UCP), gdyż znoszą sprzężenie utleniania i fosforylacji przez gradient protonowy. Prawdopodobnie nie służą tylko produkcji ciepła, ale jest to wciąż badane. UCPs odkryto u wielu eukariontów, w tym u roślin i grzybów.
Znając standardowe potencjały redukcyjne możemy obliczyć różnicę entalpii swobodnej dla reakcji redox między NADH a tlenem [vide: slajdy]. Z jednego mola NADH można uzyskać ok. 52 kcal. Podobnie dla FADH2, z którego możemy uzyskać nieco mniej energii, bo ok. 48 kcal. Oddana energia przechodzi w gradient stężeń. Korzystając ze znanego nam już wzoru obliczamy, że transport 1 mola protonów w typowych warunkach związany jest z energią ok. 5.2 kcal. Z tego wynikałoby, że utlenienie 1 NADH wystarczy na transport 10 protonów. I tak jest w istocie, chociaż obliczenia są przybliżone.
Wykorzystanie energii zgromadzonej w ATP umożliwiają enzymy łączące aktywność ATP-azy z innymi pożytecznymi aktywnościami. Są to m.in. pompy przeprowadzające aktywny transport jonów, np. pompa Na-K, pompa wapniowa w mięśniach, czy ATPaza protonowo-potasowa zakwaszająca wnętrze żołądka.