FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA
ŁAŃCUCH TRANSPORTU e
Proces syntezy ATP zachodzący w wyniku przeniesienia e
cytrynowego – cyklu Krebsa) na O
2
przez szereg przenośników
Błona zewnętrzna jest łatwo przepuszczalna dla większości zw, cząsteczek i jonów ze względu na obecność
białka tworzącego por – mitochondrialnej poryny
Błona wewnętrzna jest nieprze
przenoszone jedynie przez rodziny transbłonowych kompleksów błonowych
Dwie błony określamy mianem:
Matriks ma ładunek ujemny ponadto wykazuje pH zasadowe.
U prokariontów syntaza ATP jest umiejscowiona w błonie matriksowa
Mitochondria u eukariontów powstały na drodze endosymbiozy z
prowazekii – zawierają własne DNA, kodujący własne białka, RNA i rybosomy 70S
FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA –
ŁAŃCUCH TRANSPORTU e
–
– ODDYCHANIE KOMÓRKOWE
Proces syntezy ATP zachodzący w wyniku przeniesienia e
–
z NADH lub FADH
2
przez szereg przenośników e
–
. Zachodzi w mitochondrium
Błona zewnętrzna jest łatwo przepuszczalna dla większości zw, cząsteczek i jonów ze względu na obecność
mitochondrialnej poryny – kanał anionowy zależny od potencjału
jest nieprzepuszczalna prawie dla wszystkich jonów i cz polarnych, które mogą być
przenoszone jedynie przez rodziny transbłonowych kompleksów błonowych – nośników.
Strona cytoplazmatyczna, strona P
Strona matriksowa, strona N
ma ładunek ujemny ponadto wykazuje pH zasadowe.
TP jest umiejscowiona w błonie matriksowa, czyli bardziej wewnętrznej.
Mitochondria u eukariontów powstały na drodze endosymbiozy z bakteriami purpurowymi
zawierają własne DNA, kodujący własne białka, RNA i rybosomy 70S.
–
ODDYCHANIE KOMÓRKOWE
2
(wytworzone w cyklu kwasu
w mitochondrium.
Błona zewnętrzna jest łatwo przepuszczalna dla większości zw, cząsteczek i jonów ze względu na obecność
kanał anionowy zależny od potencjału – VDAC.
puszczalna prawie dla wszystkich jonów i cz polarnych, które mogą być
Strona cytoplazmatyczna, strona P – positive
matriksowa, strona N – negative
, czyli bardziej wewnętrznej.
bakteriami purpurowymi – Rickettsia
Podczas fosforylacji oksydacyjnej potencjał przenoszenia e
–
NADH lub FADH
2
ulega przekształceniu w potencjał
przenoszenia fosforanów ATP. Miarą tego przenoszenia jest ΔG
o
’ hydrolizy zaktywowanego zw fosforanowego.
Wartością określającą potencjał przenoszenia e
–
jest potencjał redoks – oksydoredukcyjny = E
0
’.
ΔG
o
’ = - nF ΔE
0
’
n – liczba przeniesionych e
–
F – stała Faradaya = 96,48 kJ/mol ∙V
Substancja o + potencjale redukcyjnym E
0
’ wykazuje większe powinowactwo do e
–
niż H
2
.
Substancja o – potencjale redukcyjnym E
0
’ wykazuje mniejsze powinowactwo do e
–
niż H
2
.
Zatem silne reduktory (np. NADH) wykazują ujemny E
0
’.
A silne utleniacze(np. O
2
) mają E
0
’ dodatni.
Zmianę energii swobodnej ΔG
o
’ można wyliczyć z potencjałów redukcyjnych reaktantów:
A
Pirogronian + NADH + H
+
mleczan + NAD
+
Pirogronian + 2H
+
+ 2e
–
mleczan
E
0
’ = -0,19V
B
NAD
+
+ H
+
+ 2e
–
NADH
E
0
’ = -0,32V
C
Ponieważ C w reakcji A biegnie w przeciwnym kierunku, po dodaniu obu reakcji B + (-C) otrzymamy reakcję A
Wartość energii swobodnej dla B:
ΔG
o
’ = -2 ∙ 96,48kj/mol∙V ∙ (-0,19V) = +36,7 kJ/mol
Wartość energii swobodnej dla -C:
ΔG
o
’ = -2 ∙ 96,48kj/mol∙V ∙ (+0,32V) = -61,8 kJ/mol
Wartość energii swobodnej dla A:
ΔG
o
’ = ΔG
o
’
B
+ ΔG
o
’
-c
=
+36,7 + (-61,8) = -25,1 kJ/mol (-6,0 kcal/mol)
Siłą napędzającą fosforylację oksydacyjną jest potencjał przenoszenia e
–
NADH lub FADH
2
do O
2
,
który wynosi -220,1 kJ/mol.
Natomiast energia swobodna przeniesienia 1 H
+
z matriks do cytozolu wynosi 21,8 kJ/mol
W skład łańcucha oddechowego wchodzą 4
I, III, IV tworzą kompleks supramolekularny zwany
e
–
przenoszone są z I - oksydoreduktazy NADH
ubichinonu (jego zredukowaną formę
wewnętrznej błonie mitochondrium. Następnie małe białko
cytochrom c na oksydazę cytochromu c
redukcję O
2
.
Ubichinon występuje w 3 formach utlenienia:
e
–
z FADH
2
(generowane przez dehydrogenazę bursztynianową
następnie do kompleksu oksydoreduktazy Q
Oksydoreduktaza NADH – Q = kompleks I
Zawiera 2 grupy prostetyczne
FMN
Centra żelazowo
e
–
pochodzące z NADH wprowadzane są na
następnie przez szereg centrów Fe – S do koenzymu Q.
Przeniesione zostaje 2 e
–
oraz zostają wypompowane 4H
i ulega redukcji do QH
2
.
NADH + Q + 5H
+
matriks
QH
2
opuszcza enzym i przechodzi do hydrofobowego wnętrza błony.
Utlenienie 1 cz NADH dostarcza 2,5 cz ATP
W skład łańcucha oddechowego wchodzą 4 kompleksy:
3 pompy protonowe
I
– Oksydoreduktaza NADH
III
– Oksydoreduktaza Q
IV
– Oksydaza cytochromu c (cytochromowa)
kompleks fizycznie związany z cyklem Krebsa
II
– reduktaza bursztynian
I, III, IV tworzą kompleks supramolekularny zwany - respirasomem
oksydoreduktazy NADH – Q na III – oksydoreduktazę Q –
(jego zredukowaną formę – koenzym Q
10
– u ssaków) – jako hydrofobowy szybko dyfunduje w
wewnętrznej błonie mitochondrium. Następnie małe białko – cytochrom c przerzuca
oksydazę cytochromu c, która jest ostatnim składnikiem łańcucha oddechowego, katalizującym
Ubichinon występuje w 3 formach utlenienia:
Całkowicie utleniony ubichinon – Q
Koenzym Q – QH∙
Dwie grupy ketonowe – ubichinon – QH
2
zez dehydrogenazę bursztynianową – cykl Krebsa) są najpierw przenoszo
oksydoreduktazy Q – cytochrom c.
Q = kompleks I – kodowany przez geny mitochondrialne i jądrowe.
FMN
Centra żelazowo – siarkowe:
2Fe – 2S
4Fe
pochodzące z NADH wprowadzane są na MA – FMN oksydoreduktazy NADH
S do koenzymu Q.
wypompowane 4H
+
z matriks mitochondrialnej. Koenzym Q pobiera 2H
NAD
+
+ QH
2
+ 4H
+
cytozol
opuszcza enzym i przechodzi do hydrofobowego wnętrza błony.
Utlenienie 1 cz NADH dostarcza 2,5 cz ATP
Oksydoreduktaza NADH – Q
Oksydoreduktaza Q – cytochrom c
Oksydaza cytochromu c (cytochromowa)
kompleks fizycznie związany z cyklem Krebsa
a bursztynian – Q
– cytochrom c za pomocą Q –
jako hydrofobowy szybko dyfunduje w
przerzuca e
–
z oksydoreduktazy Q –
łańcucha oddechowego, katalizującym
cykl Krebsa) są najpierw przenoszone na Q, a
kodowany przez geny mitochondrialne i jądrowe.
4Fe – 4S
NADH – Q (powstaje FMNH
2
) a
z matriks mitochondrialnej. Koenzym Q pobiera 2H
+
oraz 2e
–
Ponadto FADH
2
łączy się z kompleks
(w skład którego wchodzi enzym cyklu Krebsa
który jest integralnym białkiem błony wew mitochondrium;
przekazuje swoje 2e
–
na centra Fe – S a na następnie na Q, który dalej przeka
je na łańcuch oddechowy.
BURSZTYNIAN + Q + FADH
2
HQ
Kompleks reduktazy bursztynian – Q
w przeciwieństwie do kompleksu I
nie przenosi protonów, wobec czego powstaje mniej cz ATP,
niż podczas utleniania NADH.
Z 1 cz FADH
2
powstaje 1,5 cz ATP
Cykl Q
Następnie QH
2
łączy się z kolejną pompą protonową łańcucha oddechowego
cytochrom c, zwaną również kompleksem III. Zadaniem kompleksu III
katalizowanie przeniesienia 2e
–
na cytochrom c
protonów do matriks mitochondrialnej. Kompleks III jest o połowę mniej wydajny w przenoszeniu protonów niż
oksydoreduktaza NADH – koenzym Q.
QH
2
+ 2cyt c
utl
+ 2H
+
matriks
Q + 2cyt c
Ostatnią pompą protonową jest
zredukowanego cytochromu c na cząsteczkę O
Oksydaza cytochromowa składa się z 13 jednostek (z cz
zawiera dwa hemy A (a i a
3
) oraz 3 jony miedzi( Cu
Cytochrom c przekazuje e
–
na Cu
przeniesiony na Cu
B
, który przenosi go na O
zredukowany do H
2
O. Aby tego dokonać
także zaangażowane musi być 4H
+
, powstaje
kolejnych 4 protonów dają H
2
O. Oksydaza cytochromowa
H
+
do cytozolowej części błony –
te H
+
podwajają wydajność magazynowania energii swobodnej,
w postaci gradientu protonowego na końcowym etapie
łańcucha transportu elektronów.
4cyt c
zred
+ 8H
+
matriks
+ O
2
4cyt c
kompleksem reduktazy bursztynian – Q – II
(w skład którego wchodzi enzym cyklu Krebsa = dehydrogenaza bursztynianowa),
ałkiem błony wew mitochondrium;
S a na następnie na Q, który dalej przekazuje
HQ
2
+ FUMARAN + FAD
w przeciwieństwie do kompleksu I
nie przenosi protonów, wobec czego powstaje mniej cz ATP,
łączy się z kolejną pompą protonową łańcucha oddechowego
, zwaną również kompleksem III. Zadaniem kompleksu III – oksydoreduktazy Q
cytochrom c (cyt c – białka rozpuszczalnego w wodzi
matriks mitochondrialnej. Kompleks III jest o połowę mniej wydajny w przenoszeniu protonów niż
Q + 2cyt c
zred
+ 4H
+
cytozol
Ostatnią pompą protonową jest oksydaza cytochromowa – kompleks IV.
zredukowanego cytochromu c na cząsteczkę O
2
.
składa się z 13 jednostek (z czego 3 koduje genom mitochondrialny). Pompa ta
) oraz 3 jony miedzi( Cu
A
/Cu
A
oraz Cu
B
).
na Cu
A
/Cu
A
, następnie na hem a, następnie na hem
, który przenosi go na O
2
. Hem a
3
oraz Cu
B
tworzą centrum aktywne enzymu, w którym O
O. Aby tego dokonać oksydaza cytochromowa musi związać kolejno 4 cząsteczki
powstaje przejściowo najpierw nadtlenek O
2
2-
następnie OH
Oksydaza cytochromowa przenosi „nadmiarowe”
podwajają wydajność magazynowania energii swobodnej,
w postaci gradientu protonowego na końcowym etapie
4cyt c
utl
+ 2H
2
O + 4H
+
cytozol
łączy się z kolejną pompą protonową łańcucha oddechowego – oksydoreduktazą Q –
oksydoreduktazy Q – cytochrom c jest
białka rozpuszczalnego w wodzie) oraz wypompowanie
matriks mitochondrialnej. Kompleks III jest o połowę mniej wydajny w przenoszeniu protonów niż
kompleks IV. Pompa ta przenosi e
–
ze
ego 3 koduje genom mitochondrialny). Pompa ta
, następnie na hem a
3
, by z niego został
tworzą centrum aktywne enzymu, w którym O
2
zostaje
musi związać kolejno 4 cząsteczki cytochromu c a
następnie OH
-
, które po związaniu
Ostatnim, końcowym elementem fosforylacji oksydacyjnej jest kompleks V – syntaza ATP. Na podstawie
badań nad bakteriorodopsyną wysnuto wniosek, że łańcuch oddechowy oraz synteza ATP są biochemicznie
oddzielnymi układami, związanymi jedynie poprzez siłę protonomotoryczną.
ADP + P
i
+ 4H
+
cytozol
ATP + H
2
O + 4H
+
matriks
Związana z enzymem – syntazy ATP – cząsteczka ATP tworzy się pod nieobecność siły protonomotorycznej. Tak
więc rolą gradientu protonowego nie jest udział w syntezie ATP, lecz dysocjacja ATP od enzymu.
Syntaza ATP – ATPaza F
0
F
1
Podjednostkę
F
1
buduje pięć rodzajów łańcuchów polipeptydowych:
α
3
β
3
γ δ ε
α i β są względem siebie homologiczne – należą do NTPaz typu P
γ – ma długą α–heliakalną część sięgająca środka heksametru α
3
β
3
,
co narusza jego symetrię: każda z podjednostek β oddziałuje z inną
stroną γ, dzięki czemu każda β ma inną konformację.
Podjednostka
F
0
jest segmentem hydrofobowym, zakotwiczonym w
błonie mitochondrialnej. Zawiera kanał protonowy. Składa się on z
pierścienia 10 – 14 zanurzonych w błonie podjednostek c, od strony
zew pierścienia przylega jedna podjednostka a.
Segmenty F
0
i F
1
połączone są za pomocą centralnego trzonka γε oraz
przez zew kolumnę zbudowaną z 1 podjednostki a, 2 podjednostek b
i podjednostki δ.
Pierścień podjednostek c oraz trzonek γε tworzą specyficzny rotor –
wirnik – jednostkę ruchomą syntazy ATP. Ruch obrotowy tej części
odpowiada za syntezę ATP.
Jedna z podjednostek syntazy ATP – γ obraca się oddziałując na 3 podjednostki β:
β przyjmuje konformację L – luźną – która wiąże ADP i P
i
.
β w konformacji T – ściśniętej – tak mocno wiąże ATP, że z ADP i P
i
powstaje właśnie ATP.
β w konformacji O – otwartej – wypuszcza nowopowstałą cz ATP i umożliwia ponowne związanie ADP i P
i
.
Podjednostka γ obracając się o 120
o
zmienia konformacje 3 podjednostek β:
β – L
ó
β – T
ó
ż
β – O
ó
ż
β – L
Synteza i odłączanie ATP zachodzi tylko wtedy, gdy podjednostka γ obraca się w odpowiednim kierunku.
Energii do obrotu o 120
o
dostarcza hydroliza 1 cz ATP, bądź też przepływ H
+
– gradient protonowy.
Ruch obrotowy podjednostki γ wywołany jest obracającym się pierścieniem podjednostek
c
(których jest 10 –
14), w którym kluczową role odgrywa reszta asparaginianu 61, która w środowisku hydrofilowym za pomocą półkanału
w podjednostce
a
oddaje protony. Dzięki temu protony po stronie cytozolowej (zgromadzone tam za pomocą
łańcucha transportu e
–
) wchodzą do półkanału strony cytozolowej – hydrofilowej – w podjednostce a i wiążą się z Asp
61 – podjednostka związana z protonem obraca się tak długo, dopóki nie przejdzie on do drugiego półkanału –
matriksowego – który leży w środowisku ubogim w protony, następuje uwolnienie H
+
do matriks mitochondrium.
Każdy obrót podjednostki γ o 360
o
powoduje syntezę i uwolnienie 3 cz ATP. Zatem jeśli w pierścieniu znajduje
się 10 podjednostek c , to każda wytworzona cz ATP wymaga transportu – 10/3 ≈ 3,33 protonów.