VERIGE ZA PRENOS ELEKTRONOV IN OKSIDATIVNA FOSFORILACIJA NAMEN KATABOLNIH REAKCIJ GLIKOLIZA + CCK ENERGETSKA BILANCA NA 1 MOLEKULO GLUKOZE + 2 H 2

Transcript

1 VERIGE ZA PRES ELEKTRV I KSIDATIVA FSFRILACIJA AME KATABLI REAKCIJ Glikoliza, β-oksidacija maščobnih kislin, CCK: - postopna oksidacija substratov - zbiranje elektronov na reduciranih koencimih (AD, FAD 2 ) - nastanek ATP (fosforilacija na ravni substrata) Prisotnost molekularnega kisika: - nadaljnja poraba proste energije iz reduciranih koencimov - elektroni iz AD, FAD 2 se na verigah za transport elektronov preko vrste prenašalcev (proteinov in koencimov) prenesejo do končnega akceptorja kisika GLIKLIZA + CCK EERGETSKA BILACA A 1 MLEKUL GLUKZE GLUKZA + 10 AD FAD + 4 ADP + 4 P i C AD FAD ATP

2 β-ksidacija + CCK EERGETSKA BILACA A 1 MLEKUL PALMITATA PALMITAT + 31 AD FAD + 6 ADP + 6 P i C AD + 15 FAD ATP KATABLIZEM - FAZE Faza 1: Razgradnja makromolekul na enostavne podenote (hidroliza) Faza 2: Razgradnja enostavnih podenot do acetil CoA, ob iztočasni produkciji ATP in AD Faza 3: Popolna oksidacija Ac- CoA do 2 in C 2, tvorba ATP (elektronski transport) ASTAEK ATP V CELICI 1. Fosforilacija na ravni substrata (glikoliza, CCK...) Primeri: 3-fosfoglicerat kinaza 1,3-bifosfoglicerat + ADP 3-fosfoglicerat + ATP Piruvat kinaza fosfoenolpiruvat + ADP + + Piruvat + ATP Sukcinil-CoA sintetaza Sukcinil-CoA + ADP + Pi Sukcinat + CoA + ATP 2. ksidativna fosforilacija

3 RECIKLIRAJE AD I FAD 2 ADP + Pi ATP AD ½ 2 AD FAD 2 + ½ 2 FAD + 2 ADP + Pi ATP VERIGE ZA PRES ELEKTRV a notranji mitohondrijski membrani (evkarionti), oz. na celičnih membranah (prokarionti). ameščene so v obliki respiratornih kompleksov. Rastline dodatna veriga za prenos elektronov v kloroplastih (zbiranje energije za fotosintezo) Del energije, ki nastaja v verigi za transport elektronov, se porabi za črpanje protonov skozi notranjo mitohondrijeko membrano nastanek protonskega gradienta, ki se porablja za sintezo ATP Veriga za prenos elektronov + sinteza ATP = KSIDATIVA FSFRILACIJA RESPIRATRI KMPLEKSI Deli verige za prenos elektronov na notranji mitohondrijski membrani. Sestava: - integralni ali periferni membranski proteini -ATP-sintaznikompleksi Celično dihanje poteka, ko je na voljo kisik, ADP, Pi, oksidirani koencimi (AD + in FAD) ter substrat (piruvat, maščobne kisline, intermediati CCK).

4 PRES ELEKTRV V MITDRIJI otranja membrana 2 ADP + Pi Kriste Matriks ksidativna fosforilacija FAD 2 AD CCK Zunanja membrana β-oksidacija ATP + 2 C 2 Medmembranski glikoliza Glukoza Piruvat hidroliza Mašč. kisline Maščobe STADARDI KSIDREDUKCIJSKI PTECIAL Ε ο Merilo, ki pove, kako rada se neka snov reducira (kako dober oksidant je). REDUCIRA DR KSIDIRA AKCEPTR ne- KSIDIRA DR REDUCIRA AKCEPTR ΔG o = nfδeo n = število prenešenih elektronov F = Faradayeva konstanta (96.5 kj/v*mol) ΔE o = Razlika v oksidoredukcijskima potencialoma dveh oksidoredukcijskih dvojic (prenašalcev elektronov): ΔE o akceptor - ΔE o donor (V) STADARDI KSIDREDUKCIJSKI PTECIAL (E o ) Merilo, ki pove, kako rada se neka snov reducira v fizioloških razmerah (kako dober oksidant je). E o za par + / 2 = 0.0 V E o > 0 = večja afiniteta za elektrone od + E o < 0 = lažje oddajanje elektronov od 2

5 MERJEJE E o Tok elektronov Etanol acetaldehid ( V) Potenciometer Tok elektronov Etanol Acetaldehid e - Fumarat sukcinat ( V) Fumarat e - Sukcinat Fe 3+ Fe 2+ ( V) Fe e - Fe 2 + E o ZA MITDRIJSKE PREAŠALCE ELEKTRV Redoks reakcija: E o (V) AD e - AD FM e - FM FAD e - FAD Ubikinon e - Ubikinol 0.05 Citokrom b (ox.) + e - Citokrom b (red.) 0.08 Citokrom c1 (ox.) + e - Citokrom c1 (red.) 0.22 Citokrom c (ox.) + e - Citokrom c (red.) 0.25 Citokrom a (ox.) + e - Citokrom a (red.) 0.29 Citokrom a3 (ox.) + e - Citokrom a3 (red.) 0.55 ½ e STADARDI KSIDREDUKCIJSKI PTECIALI V VERIGI ZA TRASPRT ELEKTRV 2 + AD + + AD Spontana reakcija: elektroni bodo tekli iz polovične reakcije z bolj negativnim ε o proti polovični reakciji z bolj pozitivnim ε o. AD e - AD ΔE o = V e ΔE o = V ΔE o = ΔE o akc. e- - ΔE o don. e- = V -( V) = V ΔG o = - n.f.δe o = kj/mol

6 KLIČIA EERGIJE, KI SE SPRSTI MED PRESM ELEKTRV ΔG 0 = -nfδe 0 Prenos elektronov od AD na 2 : ΔG 0 = 218 kj/mol Prenos elektronov od FAD 2 na 2 : ΔG 0 = 152 kj/mol Energija, ki se sprošča pri prenosu elektronov, se pretvori v energijo transmembranskega protonskega gradienta, ki poganja sintezo ATP! PTEK ELEKTRV V VERIGI ZA PRES ELEKTRV Standardni redukcijski potencial (V) RESPIRATRI KMPLEKSI A VERIGI ZA PRES ELEKTRV Veriga je sestavljena iz 4 proteinskih kompleksov: 1. Kompleks I (AD-koencim Q reduktaza) 2. Kompleks II (sukcinat-koencim Q reduktaza) 3. Kompleks III (citokrom c-reduktaza) 4. Kompleks IV (citokrom c-oksidaza) Prenašalci so razporejeni tako, da afiniteta do elektronov vzdolž verige narašča. Elektroni, vezani na AD, imajo najvišjo energijsko raven!

7 KSIDREDUKCIJSKI CETRI V VERIGI ZA PRES ELEKTRV -AD -FAD2 -FM -Fe-S kompleksi -CoQ (ubikinon) -Citokromi (b, c, c 1, a, a 3 ) -Cu AD + in ADP + Piridinska nukleotida, prenašata 2 elektrona in en proton Prenašata hidridni anion ( - ) od substrata do substrata AD + in ADP + sta prosta in mobilna P P + 2 C C C 2 hidridni ion + + AD + AD oksidirana oblika reducirana oblika ikotinamid (niacin) 2 C ADP + ima tukaj vezan P! FAD I FM 3 C C 3 C 2 C C C Izoaloksazin (flavin) Ribitol Riboflavin (vitamin B2) FM FAD C 2 P P 2 C 2 AMP

8 FAD I FM Prenašata dva elektrona in dva protona FAD in FM sta trdno vezana na encime 3 C + + e e - 3 C 3 C C 3 C 3 C 3 R R R FAD (rumen) FAD + semikinon (rdeč ali moder) FAD 2 (brezbarven) KECIM Q (UBIKI) ajmanjši in najbolj hidrofoben prenašalec elektronov Del elektronske transportne verige na notranji membrani mitohondrija in v kloroplastih 3 C C 3 C 3 3 C C 2 C CC 2 Ubikinon (CoQ) + + e e - 3 C C 3 3 C C 3 C 3 C 3 R 3 C C 2 C CC 2 R 3 C C 2 C CC 2 R Semikinonski intermediat (Q. ) Ubikinol (Q 2 ) Fe-S KMPLEKSI [Fe 4 S 4 ](S Cys ) 4 [Fe 2 S 2 ](S Cys ) 2 ( is ) 2

9 CITKRMI em b hemoglobin, mioglobin, citokromi b em c citokrom c em a - citokromi a E + E E + E Fe 2+ Fe 3+ Fe 3+ Fe 2+ em b em c em a PTEK ELEKTRV V VERIGI ZA PRES ELEKTRV AD 0 Standardni redukcijski potencial (V) AD + sukcinat FAD 2 fumarat Kompleks I (AD-koencim Q reduktaza) Kompleks II (sukcinatkoencim Q reduktaza) CoQ Kompleks III (citokrom c reduktaza) cyt c Tok elektronov Kompleks IV (citokrom c oksidaza) ½ čas KMPLEKS I (AD CoQ REDUKTAZA) Transfer elektronov z AD na CoQ (ubikinon) Več kot 30 proteinskih podenot (številni vsebujejo FM in Fe-S centre) Pot: AD FM Fe S UQ FeS UQ 4 + se transportirajo iz matriksa v intermembranski / 2 e-

10 KMPLEKS I (AD CoQ REDUKTAZA) Intermembranski otranja mitohondrijska membrana matriks AD + AD KMPLEKS II (SUKCIAT CoQ REDUKTAZA) Sukcinat dehidrogenaza (iz CCK) in acil-coa dehidrogenaza usmerjata elektrone iz substratov, ki jih oksidirata! Je flavoprotein - FAD kovalentno vezan 4 podenote, vsebujejo 2 Fe-S proteina 3 tipi Fe-S centrov: 4Fe-4S, 3Fe-4S, 2Fe-2S Pot: sukcinat (acil-coa) FAD 2 2Fe 2+ UQ 2 eto reakcija: sukcinat + UQ fumarat + UQ 2 CIKLUS CITRSKE KISLIE (CCK) A ELEKTRSK TRASPRT VERIG Fumaraza C4 Fumarat Sukcinat FAD 2 dehidrog. C4 C4 Sukcinat GTP Malat Iz glikolize Malat dehidrog. Sukcinil-SCoA sintetaza GDP C4 C2 Piruvat ksaloacetat AD + + Acetil-SCoA Citrat sintaza C4 AD + + C3 AD + + Iz β-oksidacije Citrat C6 Akonitaza Izocitrat Izocitrat dehidrogen. C5 α-ketoglutarat α-kg dehidrogen. Sukcinil-SCoA C6

11 CIKLUS V β-ksidaciji β-ketotiolaza β-keto-acil-scoa L-hidroksiacil-SCoA dehidrogenaza Razcep ksidacija Acil-SCoA Acil-SCoA krajša za 2-C ksidacija aslednji cikli idratacija Acil-SCoA dehidrogenaza A ELEKTRSK TRASPRT VERIG trans Δ 2 -enoil-scoa Enoil-SCoA hidrataza (krotonaza) L-β-hidroksi-acil-SCoA KMPLEKSA II I III Kompleks III Kompleks II Intermembranski matriks sukcinat fumarat KMPLEKS III (CoQ CITKRM c REDUKTAZA) CoQ oddaja elektrone na Cyt c in prenaša + skozi mitohondrijsko membrano v t.i. redoks-ciklu: Q-ciklu Citokromi proteinski prenašalci elektronov, ki imajo kot prostetično skupino hem! Poglavitni transmembranski protein v kompleksu III je citokrom b - s hemoma b L in b Citokromi, kot tudi Fe in Fe-S centri, so eno-elektronski prenašalci Cyt c je vodotopen elektronski prenašalec

12 Q CIKLUS CoQ 2 lahko odda dva elektrona hkrati, citokromi pa lahko sprejmejo samo enega elektroni se v kompleksu III razdelijo na dve ločeni, a vseeno povezani poti, ki sestavljata Q-ciklus. Iz 2 CoQ 2 : 2 elektrona za redukcijo 2 molekul citokroma c 2 elektrona za regeneracijo ene molekule CoQ 2. 2 CoQ cit c (ox.) + CoQ 2 CoQ + 2 cit c (red.) + CoQ Q-ciklus vzdržuje protonski gradient! 1. polovica Q-cikla Intermembranski Qp Q CIKLUS matriks 2. polovica Q-cikla Intermembranski Qn Qp matriks Qn

13 KMPLEKS IV (CITKRM c KSIDAZA) Elektroni s citokroma c se uporabijo v 4-elektronski redukciji 2 za tvorbo proteinski kompleks Kisik je končni akceptor za elektrone v verigi! Citokrom c oksidaza uporablja 2 hema (citokroma a in a 3 ) in dvoje bakrovih redoks-centrov Samo citokroma a in a 3 lahko neposredno preneseta elektrone na kisik! Kompleks IV transportira tudi + skozi notr.mitohondrijsko membrano KMPLEKS IV Intermembranski Matriks TVRBA METABLE VDE A KMPLEKSU IV

14 KSIDATIVA FSFRILACIJA Kombinacija dveh procesov: 1. Toka elektronov od AD (ali FAD 2 ) do 2 : 2. Fosforilacije ADP z Pi v ATP, ki jo poganja encim ATP-sintaza Procesa sta povezana eden z drugim in sta soodvisna. eto reakcija mitohondrijske oksidacije AD: AD ADP + 3 Pi + ½ 2 AD ATP (FAD = nastanek 2 ATP!) SKLPITEV TRASPRTA ELEKTRV S SITEZ ATP Sklopitvena mesta: 1. a AD-CoQ reduktazi (kompleks I) 2. a citokrom c-reduktazi (kompleks III) 3. a citokrom c-oksidazi (kompleks IV) Potovanje 2 elektronov prek vsakega sklopitvenega mesta omogoči nastanek ene molekule ATP s fosforilacijo ADP. SKLPITEV ELEKTRSKEGA TRASPRTA I SITEZE ATP Intermembranski Matriks sukcinat fumarat MEST 1 MEST 2 MEST 3 ATP ATP ATP

15 KAK PTEKA SKLPITEV? Teorije: 1. Slater, Visokoenergijski intermediati, ki nastanejo pri prenosu elektronov, posredujejo energijo za nastanek ATP 2. Boyer - Visokoenergijske strukturne oblike proteinov ujamejo energijo, nastalo ob prenosu elektronov 3. Peter Mitchel (1961.) Kemiosmozna sklopitev: Pri prenosu elektronov po členih verige za prenos elektronov v notranji mitohondrijski membrani prihaja do usmerjenega črpanja protonov prek notranje mitohondrijske membrane iz matriksa v medmembranski. KEMISMZA SKLPITEV- ASTAEK PRTSKEGA GRADIETA Matriks 4 Medmembranski Δp = 1.4 ATP SITAZA (F 0 -F 1 ATPaza) Encimski kompleks, vsajen v notranjo mitohondrijsko membrano. Povezuje transmembranski protonski tok s sintezo ATP. Enote: F 0 zasidrana v membrano, nosi podenoto F 1. Tvori transmembranski kanal, skozi katerega potujejo protoni. Je iz 3 hidrofobnih podenot (a, b, c) v kombinaciji a 1 b 2 c F 1 periferna enota, vsebuje katalitično mesto. Sestavljena iz več podenot (α, β, γ, δ, ε) v kombinaciji α 3 β 3 γδε. Energija, ki se sprosti zaradi porušenja protonskega gradienta, se prenese na ATP sintazo.

16 DELVAJE ATP SITAZE Matriks F 1 F 0 Stator Rotor Medmembr. Vezava + na Asp61 DELVAJE ATP SITAZE Medmembr. F 0 F 1 Matriks REGULACIJA KSIDATIVE FSFRILACIJE Uravnavanje toka elektronov po verigi: koncentracija ADP! Veliko ADP: aktivacija encimov (glikogen-fosforilaza, fosfofruktokinaza, citrat-sintaza).

17 PRUČEVAJE VERIGE ZA TRASPRT ELEKTRV 1. Primerjave absorpcijskih spektrov prenašalcev v oksidirani in reducirani obliki 2. Meritve standardnih oksidoredukcijskih potencialov za posamezne člene prenašalne verige 3. Inhibicija mitohondrijskega prenosa elektronov IIBITRJI KSIDATIVE FSFRILACIJE Rotenon Amital Demerol 2-tenoiltrifluoroaceton Antimicin A1 Karboksin Dicikloheksilkarbodiimid (DCCD) ligomicin A TARČE IIBITRJEV KSIDATIVE FSFRILACIJE

18 METILFEILPIRIDI - IIBITR AD CoQ REDUKTAZE C 3 eroin + Monoamin oksidaza C 3 + MPTP MPP + Celična smrt (substantia nigra) RAZKLPITEV TKA ELEKTRV I FSFRILACIJE ADP Razklopitveni protein (termogenin) Medmembr. toplota Matriks Lysichiton americanum DIITRFEL Razklopnik verige za prenos elektronov Uporabljan kot shujševalno sredstvo v 1. polovici 20. stoletja

19 EKSPRT ATP UCUPLERS ATP/ADP TRASLKAZA (SVI, KI Matriks DKLPIJ ELEKTRSKI TRASPRT D SITEZE ATP) Intermembranski RECIKLIRAJE CITPLAZEMSKEGA AD AD iz citoplazme ne more potovati neposredno skozi notranjo mitohondrijsko membrano v matriks. Prenašalni sistemi za AD, nastal v citoplazmi skeletnih mišic in možganov : glicerol-3-fosfatni prenašalni sistem. ksidacija vsake molekule AD da 2 molekuli ATP (popolna oksidacija glukoze da 36 molekul ATP). Jetra, srčna mišica: malat-aspartatni prenašalni sistem. ksidacija vsake molekule AD da 3 molekule ATP (popolna oksidacija glukoze da 38 molekul ATP). 1. EKSKIAZA 2. FSFGLUK- IZMERAZA REAKCIJE V GLIKLIZI Glukoza Dihidroksiadeton fosfat 5. TRIZAFSFAT- IZMERAZA Gliceraldehid 3- fosfat 6. GLICERALDEID 3-FSFAT DEIDRGEAZA 1,3-Bifosfoglicerat 10. PIRUVAT KIAZA Glukoza 6-fosfat 4. ALDLAZA Fruktoza 6-fosfat 3. FSF- FRUKTKIAZA 7. FSFGLICERAT KIAZA Fruktoza 1,6-bifosfat 9. ELAZA 3-Fosfoglicerat 8. FSFGLICERAT MUTAZA Piruvat Fosfoenolpiruvat 2-Fosfoglicerat

20 GLICERL-3-FSFAT PREAŠALI SISTEM citosolna glicerol 3-fosfat dehidrogenaza Dihidroksiaceton fosfat Glicerol 3-fosfat Mitohondrijska glicerol 3-fosfat dehidrogenaza TRAJA MITDRIJSKA MEMBRAA MALAT-ASPARTATI PREAŠALI SISTEM glukoza malat malat Gliceraldehid 3-fosfat mitohindrijska malat dehidrogenaza 1,3-BPG piruvat TRAJA MITDRIJSKA MEMBRAA

21 IZKRISTEK EERGIJE PRI PPLI KSIDACIJI GLUKZE metabolična stopnjaad FAD 2 fosforilacija na ravni substrata glikoliza 2(cit) 0 2(ATP) oksidacija piruvata 2(mit) 0 0 citratni ciklus 6(mit) 2 2(GTP) skupaj 2(cit) 2 4 8(mit) ksidativna fosforilacija: Mehanizem glicerol-3-fosfata 2 cit. AD x 2 ATP = 4 ATP 8 mit. AD x 3 ATP = 24 ATP 2 FAD 2 X 2 ATP = 4 ATP direktna fosforilacija sub. = 4 ATP (ali GTP) Skupaj 36 ATP Malat-aspartatni prenašalni sistem 2 cit. AD x 3 ATP = 6 ATP 8 mit. AD x 3 ATP = 24 ATP 2 FAD 2 X 2 ATP = 4 ATP fosforilacija na ravni sub. = 4 ATP (ali GTP) Skupaj 38 ATP EAČBA ZA PPL KSIDACIJ GLUKZE V SKELETI MIŠICI Glukoza + 36 ADP + 36 Pi C ATP IZKRISTEK EERGIJE PRI PPLI KSIDACIJI PALMITATA metabolična stopnja AD FAD 2 fosforilacija na ravni substrata (ATP ali GTP) aktivacija s CoA β-oksidacija (sedem obratov) 7 (mitohondriji) 7 0 citratni ciklus (osem obratov) 24 (mitohondriji) 8 8 vsota oksidativna fosforilacija 31 AD x 3 ATP...= 93 ATP 15 FAD 2 x 2 ATP... = 30 ATP fosforilacija na ravni substrata = 6 ATP vsota 129 ATP