Transport elektronów i fosforylacja oksydacyjna.

• Funkcją transportu elektronów i fosforylacji oksydacyjnej jest utlenianie NADH (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy) i FADH₂ (di nukleotyd flawinoadeninowy zredukowany) oraz zatrzymywanie uwolnionej energii w cząsteczce ATP.

• U eukariotów transport elektronów i fosforylacja oksydacyjna zachodzą w wewnętrznej błonie mitochondrialnej, u prokariotów zaś procesy te przebiegają w błonie komórkowej.

Potencjał oksydoredukcyjny (E)

• Jest to miara powinowactwa substancji do elektronów

Transport elektronów z NADH

• Elektrony są transportowane z NADH do atomów tlenu przez łańcuch transportu elektronów.

• NADH przenosi elektrony do dehydrogenazy NADH, dużego kompleksu białkowego zawierającego FMN (mononukleotyd flawinowy utleniony) i dwa typy centrów żelazowo-siarkowych (Fe-S) umieszczonych w białkach żelazowo-siarkowych.

• FMN przyjmuje elektrony przechodząc w FMNH2 (mononukleotyd flawinowy zredukowany) i przekazuje je dalej do centrum Fe-S, gdzie atom żelaza odbiera i oddaje elektrony oscylując między stanem Fe³⁺ a stanem Fe²⁺.

• Z dehydrogenazy NADH elektrony są przenoszone do ubichinonu (koenzym Q, CoQ), przekształcają go w ubichinol (czyli CoQH2) i przechodzą dalej do kompleksu III cytochromów bc1. Ten ostatni obejmuje cytochrom b i cytochrom c1, a także białko Fe-S.

• Każdy cytochrom zawiera grupę hemową z umieszczonym w centrum atomem żelaza, który w trakcie przyjmowania elektronu przechodzi ze stanu Fe³⁺ do stanu Fe²⁺. Po oddaniu elektronu do następnego przenośnika atom żelaza powraca do stanu Fe³⁺

• Kompleks cytochromów bc1 przenosi elektrony do cytochromu c, który z kolei przekazuje je do oksydazy cytochromowej, kompleksu IV zawierającego dwa cytochromy (cytochrom a i cytochrom a3), związane z dwoma atomami miedzi (odpowiednio Cu A i Cu B). Podczas przenoszenia elektronów atomy miedzi oscylują między stanem Cu²⁺ a stanem Cu⁺.

• W końcu oksydaza cytochromowa przenosi 4 elektrony do tlenu cząsteczkowego, z utworzeniem dwóch cząsteczek wody. Uwolniona w wyniku tych procesów energia i atomy wodoru uczestniczą w chemiosmozie

Transport elektronów z FADH₂

• FADH₂ zostaje utleniony do FAD gdy oddaje dwa elektrony do reduktazy bursztynian -CoQ, kompleksu białkowego zawierającego centra Fe-S.

• Kompleks ten przenosi elektrony do ubichinonu znajdującego się w głównym łańcuchu transportu elektronów gdzie ich dalszy transport prowadzi do tworzenia gradientu H+ i syntezy ATP.

• Sama reduktaza bursztynian-CoQ nie pompuje jonów H+

Inhibitory transportu elektronów

• Rotenon i amytal hamują transport elektronów przez dehydrogenazę NADH,

• Antymycyna A hamuje kompleks cytochromów bc1

• Cyjanek, azydek i tlenek węgla hamują oksydazę cytochromową

Fosforylacja oksydacyjna

• Mitochondrialny proces wytwarzania wysokoenergetycznego ATP sprzężony z oddychaniem

• Proces dzięki któremu uwolniona entalpia swobodna jest gromadzona w postaci wysokoenergetycznego wiązania fosforanowego.

• Enzymy tego łańcucha znajdują się w wewnętrznej błonie mitochondrialnej jako jej białka śródbłonowe i są niezbędne do tlenowej fosforylacji

• Kulminacją procesu jest synteza ATP z wysokoenergetycznym wiązaniem.

• Synteza ta odbywa się z udziałem kompleksu enzymatycznego - syntetaza ATP- który znajduje się w wewnętrznej błonie mitochondrialnej jako śródbłonowy kompleks białkowy.

• Jest to proces łączący syntezę ATP z utlenianiem NADH i FADH2 poprzez transport elektronów przebiegający wzdłuż łańcucha oddechowego.

• Proces ten oparty jest na mechanizmie przedstawionym ogólnie jako hipoteza chemiosmotyczna.

• Energia uwalniana podczas transportu elektronów zostaje wykorzystana do pompowania jonów wodorowych na zewnątrz mitochondrium, w celu utworzenia elektrochemicznego gradientu protonowego.

• Protony przedostają się z powrotem do mitochondrium poprzez syntazę ATP umieszczoną w wewnętrznej błonie mitochondrialnej i tak napędzają syntezę ATP.

• Podczas utleniania cząsteczki NADH syntetyzowane są 2,5 cząsteczki ATP a podczas utleniania FADH2 syntetyzowane jest 1,5 cząsteczki ATP

Sprzężenie i kontrola oddechowa

• Transport elektronów zazwyczaj jest ściśle sprzężony z syntezą ATP

• Elektrony nie przepływają przez łańcuch transportu elektronów do tlenu, jeżeli równocześnie ADP nie jest fosforylowany do ATP.

• Gdy ADP jest za dużo to transport elektronów przebiega i powstaje ATP

• Gdy ADP jest za mało to szybkość transportu elektronów zmniejsza się

• Proces ten nazywamy kontrolą oddechową zapewnia on występowanie przepływu elektronów tylko wtedy kiedy istnieje zapotrzebowanie na syntezę ATP.

Łańcuch oddechowy

• To jeden z etapów oddychania komórkowego;

• Zbiera i transportuje równoważniki redukujące (energia uwolniona podczas utleniania węglowodanów, kwasów tłuszczowych i aminokwasów dostępna jest w postaci równoważników redukujących wewnątrz mitochondriów), kieruje je do ich ostatecznej reakcji z tlenem, z której powstaje woda.

• Praktycznie cała entalpia swobodna uwalniana podczas utleniania węglowodanów, tłuszczów i białek jest gromadzona w mitochodriach w postaci równoważników redukujących, są one kierowane do łańcucha oddechowego, w którym wędrują zgodnie z rosnącym potencjałem oksydoredukcyjnym przenośników do końcowego akceptora tj. tlenu. W reakcji z tlenem powstaje woda

• Przenośniki redoks są zgrupowane w wewnętrznej błonie mitochondrialnej w cztery kompleksy łańcucha oddechowego

• Trzy z czterech kompleksów, zużywając energię uwalnianą podczas transportu elektronów przepompowują protony na zewnątrz błony mitochondrialnej - powstaje transbłonowa różnica potencjału elektrochemicznego

• Wewnętrzna błona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla protonów i innych jonów, w błonie znajdują się przenośniki wymieniacze, które umożliwiają przejście jonom np. OH- , metabolitom bez rozładowania transbłonowego gradientu elektrochemicznego

• Wiele znanych trucizn np. cyjanki zatrzymują oddychanie przez hamowanie łańcucha oddechowego