ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11. Βιοενεργητική & Μεταβολισμός: Μιτοχόνδρια, Χλωροπλάστες & Υπεροξειδιοσώματα. Μέρος Γ

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11 Βιοενεργητική & Μεταβολισμός: Μιτοχόνδρια, Χλωροπλάστες & Υπεροξειδιοσώματα Μέρος Γ

2 Εισαγωγή των μιτοχονδριακών πρωτεϊνών στο μιτοχόνδριο - I Τα χαρακτηριστικά του κωδικοποιού δυναμικού των μιτοχονδρίων είναι: Α. Κωδικοποιούν: 13 πολυπεπτίδια & τα rrna & trna του μεταφραστικού μηχανισμού, αλλά Β. Όχι όμως τα ένζυμα/πρωτεϊνες: α. της αντιγραφής (DNA πολυμεράση), β. μεταγραφής (RNA πολυμεράση) και γ. μετάφρασης (ριβοσωματικές πρωτεϊνες) Γ. Μιτοχονδριακές πρωτεϊνες/ένζυμα κωδικοποιούνται από γονίδια του ΠΥΡΗΝΑ, όπως: 1. πρωτεϊνες της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης 2. ένζυμα μεταβολισμού των μιτοχονδρίων / ένζυμα κύκλου του κιτρικού οξέος * Φαίνεται ότι αυτά τα πυρηνικά γονίδια μεταφέρθηκαν με οριζόντια μεταφορά: από το αρχικό προκαρυωτικό κύτταρο στο ΠΥΡΗΝΑ του ευκαρυωτικού κυττάρου

3 Εισαγωγή των μιτοχονδριακών πρωτεϊνών στο μιτοχόνδριο - IΙ Τα χαρακτηριστικά των μιτοχονδριακών πρωτεϊνών: Α. ~ μιτοχονδριακές πρωτεϊνες (>95% του συνόλου) είναι ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ προέλευσης & συντίθενται σε ελεύθερα ριβοσώματα του κυτταροπλάσματος Β. ΕΙΣΑΓΟΝΤΑΙ / ΜΕΤΑΦΕΡΟΝΤΑΙ στα μιτοχόνδρια ως πλήρεις πολυπεπτιδικές αλυσίδες Γ. Η ύπαρξη 2 μιτοχονδριακών μεμβρανών απαιτεί ειδικούς μηχανισμούς μεταφοράς: γ1. η μεταφορά στο στρώμα απαιτεί διέλευση 2 μεμβρανών γ2. η πρωτεϊνική μεταφορά πρέπει να συνδέεται και με διαλογή: είτε για το διαμεμβρανικό χώρο ή για κάθε μία από τις μεμβράνες Για την μιτοχονδριακή πρωτεϊνική μεταφορά: 1. υπάρχουν τουλάχιστον 4 κατηγορίες ειδικών σημάτων στόχευσης, ενώ 2. η εξωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη φέρει σύμπλοκα μεταφοράς ή τρανσλοκόνια για τη διέλευση των πρωτεϊνών στα διαμερίσματα του μιτοχονδρίου

4 1. Η εισαγωγή των πρωτεϊνών στο Στρώμα - Ι - Αποτελεί τον καλύτερα κατανοητό μηχανισμό μεταφοράς πρωτεϊνών ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ & ΠΡΟΫΠΟΘΕΣΕΙΣ -Οι πρωτεϊνες πρέπει να είναι σε μερικώς ξεδιπλωμένη μορφή. Αυτό διευκολύνεται από Μοριακούς Συνοδούς ή τις πρωτεϊνες του Θερμικού Σοκ (Hsp: Heat shock proteins, π.χ. Hsp70 & Hsp90) - Οι πρωτεϊνες στοχεύονται από αλληλουχίες-οδηγούς, που είναι αμινοτελικές αλληλουχίες αμινοξέων - Οι αλληλουχίες-οδηγοί φέρουν πολλαπλά θετικά φορτισμένα αμινοξέα σε δομή αμφιπαθούς α-έλικας (στη μία πλευρά θετικά, ενώ στην άλλη αρνητικά αμινοξέα) - Οι αλληλουχίες-οδηγοί απομακρύνονται με πρωτεόλυση μετά την εισαγωγή τους στο Στρώμα - Η εισαγωγή γίνεται μετά από πρόσδεση τους σε Σύμπλοκα Υποδοχέων 2 πρωτεϊνικών Τρανσλοκασών ή Συμπλόκων Μεταφοράς, στην μιτοχονδριακή μεμβράνη: 1. Tom (Translocase of outer mitochondrial membrane complex) και 2. Tim (Translocase of inner mitochondrial membrane complex)

5 1. Η εισαγωγή των πρωτεϊνών στο Στρώμα - ΙΙ Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ 1.Στόχευση με αλληλουχίες-οδηγούς & πρόσδεση με πρωτείνες Hsp70, στο κυτταρόπλασμα -Δέσμευση στην Επιφάνεια με υποδοχείς Tom: πρώτα με τον Tom20 και μετά με τον Tom5 -Κατανάλωση ATP, μετατόπιση μέσα στην μεμβράνη & μεταφορά στο πόρο Tom40 εσωτερικά της μεμβράνης Μεταφορά στο Tim της Εσωτερικής μεμβράνης: α. πρωτεϊνες με άλλες υδρόφοβες αλληλουχίες στόχευσης, μέσω του διαύλου Tim23, ενσωματώνονται στην εσωτερική μεμβράνη β. το ηλεκτροχημικό δυναμικό προωθεί την μετατόπιση στο αρνητικά φορτισμένο στρώμα Άρα, για την εισαγωγή - παρουσία απαιτούνται: μοριακών συνοδών Hsp70 - κατανάλωση ATP (κυτταρόπλασμα & στρώμα) - αρνητικό ηλεκτρικό δυναμικό

6 1. Η εισαγωγή των πρωτεϊνών στο Στρώμα - ΙΙΙ Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ - Στο ΣΤΡΩΜΑ ο μοριακός συνοδός Hsp70: συνδέεται με την Tim 44 που λειτουργεί ως οδοντωτή τροχαλία εισάγοντας την πρωτεϊνη με κατανάλωση ενέργειας (ATP: προς ADP+ Pi + ενέργεια) - Οι αλληλουχίες-οδηγοί: απομακρύνονται με πρωτεόλυση από την πεπτιδάση σήματος MMP (Matrix Processing Pep dase) του μιτοχονδρίου - Οι πρωτεϊνες: συνδέονται με άλλες υδατοδιαλυτές μιτοχονδριακές πρωτεϊνες Hsp70 του στρώματος που συμβάλλουν στην αναδίπλωσή τους

7 Ο κύκλος λειτουργίας ενός μοριακού συνοδού Hsp70 στο Στρώμα -Το μερικό ξεδίπλωμα είναι απαραίτητη προϋπόθεση μεταφοράς μιας πρωτεϊνης (κυτταρόπλασμα) -Το ξεδίπλωμα αυτό πραγματοποιείται από πρωτεϊνες της οικογένειας Hsp70 -Στο Στρώμα: οι Hsp70 συνδέονται με το Tim44, που ως οδοντωτή τροχαλία μεταφέρει τις πρωτεϊνες στο κυτταρόπλασμα με κατανάλωση ATP Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ 1 2: 2 3 θύλακας κλειστός θύλακας ανοικτός θύλακας κλειστός εισαγωγή 1. Οι Hsp70: προσδένονται αντιστρεπτά με υδρόφοβα τμήματα πρωτεϊνών αλλά και με τον Tim44 2. Οταν οι Hsp70 συνδέονται με ADP ο θύλακας πρόσδεσης της πρωτείνης είναι κλειστός & η πρωτεϊνη είναι σταθερά προσδεδεμένη 3. Η εκτόπιση του ADP από ATP: ανοίγει τον θύλακα και επιτρέπει στη Hsp70 να αποδεσμεύσει τη πρωτεϊνη. Η επανάληψη μεταφέρει την πρωτεϊνη στο Στρώμα

8 2. Η εισαγωγή των πρωτεϊνών της Eσωτερικής μεμβράνης -Πολλές πρωτεϊνες της ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ είναι πολυτοπικές και μεταφέρουν ή ανταλλάσουν: μεταβολίτες, νουκλεοτίδια & ιόντα μεταξύ Μιτοχονδρίων και Κυτταροπλάσματος -ΔΕΝ ΔΙΑΘΕΤΟΥΝ αλληλουχίες-οδηγούς αλλά πολλαπλά σήματα εισαγωγής που ΔΕΝ είναι αναγνωρίσιμα από το υποδοχέα Tom20 -Συνδέονται με το συνοδό Hsp90 & αναγνωρίζονται στην εξωτερική μεμβράνη από τον υποδοχέα Tom70 που τις μεταφέρει στην άλλη πλευρά της μεμβράνης, με κατανάλωση ΑΤΡ -Στο Διαμεμβρανικό χώρο: αναγνωρίζονται από κινητά στοιχεία ενός διαφορετικού συμπλόκου (δίαυλου) Tim22, που ονομάζονται «Tiny Tim» -Τα Tiny Tim είναι μοριακοί συνοδοί & παλινδρομικές πρωτεϊνες που συνοδεύουν τις πρωτεϊνες στο δίαυλο Tim22 - Στον Tim22, εσωτερικά σήματα τερματισμού προκαλούν την πλευρική έξοδο και την ενσωμάτωσή τους στην εσωτερική μεμβράνη

9 Η διαλογή των μιτοχονδριακών πρωτεϊνων στα μιτοχόνδρια - I -Μερικές μιτοχονδριακές πρωτεϊνες για την εξωτερική ή εσωτερική μεμβράνη ή το διαμεμβρανικό χώρο φέρουν: εσωτερικές αλληλουχίες σήματος και αλληλουχίες-οδηγούς -Το χαρακτηριστικό αυτό συμβάλει στο προορισμό/διαλογή για ΜΕΜΒΡΑΝΙΚΗ ΑΝΑΔΟΜΗΣΗ Έτσι, ο προορισμός τους επιλέγεται: Για την ΕΞΩΤΕΡΙΚΗ μεμβράνη - Με την αλληλουχία οδηγό αναγνωρίζονται από τον Tom20, μετατοπίζονται στον δίαυλο Tom40 και η διέλευσή τους διακόπτεται - Μέσω διαμεμβρανικών περιοχών α-έλικας εξέρχονται πλευρικά από τον Tom40 και ενσωματώνονται στη εξωτερική μεμβράνη Για το ΔΙΑΜΕΜΒΡΑΝΙΚΟ ΧΩΡΟ - Πρωτεϊνες με σύνθετες αλληλουχίες σήματος: α. διασχίζουν την εξωτερική μεμβράνη, β. αναγνωρίζονται από κυστεϊνοειδικούς συνοδούς & γ. παραμένουν στον διαμεμβρανικό χώρο χωρίς να μπαίνουν στον Tim23

10 Η διαλογή των μιτοχονδριακών πρωτεϊνων στα μιτοχόνδρια - II Για την ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ - Οι πρωτεϊνες του διαμεμβρανικού χώρου, που προορίζονται για την εσωτερική μεμβράνη: α. διασχίζουν την εσωτερική μεμβράνη μέσω Tim23 και μεταφέρονται στο Στρώμα β. Στο Στρώμα στοχεύονται για μεταφορά από ένα ΔΕΥΤΕΡΟ σήμα διαλογής που αποκαλύπτεται μόνο στο Στρώμα μετά την απομάκρυνση της αλληλουχίας-οδηγού γ. Το δεύτερο σήμα διαλογής προωθεί τις πρωτεϊνες στην τρανσλοκάση Oxa1 δ. Από την Oxa1: είτε μετατοπίζονται στο διαμεμβρανικό χώρο ή διακόπτεται η μεταφορά τους με εσωτερικά τερματικά σήματα μεταφοράς και ενσωματώνονται στην εσωτερική μεμβράνη *Οι πρωτεϊνες του Διαμεμβρανικού χώρου & της Εσωτερικής μεμβράνης που κωδικοποιούνται από το ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑΚΟ γονιδίωμα και συντίθενται σε ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑΚΑ ΡΙΒΟΣΩΜΑΤΑ: μεταφέρονται επίσης από την Oxa1 (δηλ. από μέσα προς τα έξω)

11 Άλλες περιπτώσεις μετατόπισης μιτοχονδριακών πρωτεϊνων Οι πρωτεϊνες της ΕΞΩΤΕΡΙΚΗΣ μεμβράνης (Tom40) & πρωτεϊνες δομής β-βαρελιού (π.χ. πορίνες) μεταφέρονται μέσω του συμπλόκου SAM: Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ SAM (Πορίνη) α. πρωτεϊνες παράγονται στο κυτταρόπλασμα β. μετατοπίζονται στο διαμεμβρανικό χώρο (μέσω Tom) γ. αναγνωρίζονται από τις «Tiny Tim» δ. μεταφέρονται στο τρανσλοκόνιο SAM: σύμπλοκο μηχανισμού διαλογής & συναρμολόγησης (Sor ng and Assemply Machinery complex) ε. εξέρχονται πλευρικά και ενσωματώνονται στην Eξωτερική μεμβράνη

12 Η μεταφορά φωσφολιπιδίων στις μιτοχονδριακές μεμβράνες -Τα φωσφολιπίδια αποτελούν ΣΗΜΑΝΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ των μιτοχονδριακών μεμβρανών - Η φωσφατιδυλο-χολίνη και φωσφατιδυλο-αιθανολαμίνη είναι βασικά φωσφολιπίδια -Συντίθενται στο Ε.Δ & ΜΕΤΑΦΕΡΟΝΤΑΙ στα μιτοχόνδρια από ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΩΣΦΟΛΙΠΙΔΙΩΝ που εξάγουν μονά μόρια από την μεμβράνη του Ε.Δ. - Στο κυτταρόπλασμα: το φωσφολιπίδιο είναι «κρυμένο» σε υδρόφοβο κέντρο δέσμευσης λιποπρωτεϊνικού συμπλόκου που «ελευθερώνεται» μέσα σε μιτοχονδριακή μεμβράνη - Στη συνέχεια, μιτοχονδριακά ένζυμα συνθέτουν: α. φωσφοτιδυλ-σερίνη από φωσφατιδυλ-αιθανολαμίνη & β. καρδιολιπίνη: ένα διπλό φωσφολιπίδιο με 4 αλυσίδες λιπαρών οξέων Κέντρο Η Δομή της Καρδιολιπίνης R1, R2, R3 & R4: οι αλυσίδες της Καρδιολιπίνης - Η καρδιολιπίνη εντοπίζεται στη εσωτερική μεμβράνη & εμπλέκεται: στη γενετική Νόσο Barth: καρδιομυοπάθεια και γενική αδυναμία (λόγω έλλειψης επαρκούς παραγωγής ATP)

13 Μέρος Δ

14 Ο Μηχανισμός της Οξειδωτικής Φωσφορυλίωσης ΓΕΝΙΚΑ - Η αποικοδόμηση υδατανδράκων & λιπών παράγει την περισσότερη ενέργεια & η ενέργεια αυτή προέρχεται από την οξειδωτική φωσφορυλίωση στα μιτοχόνδρια Αποικοδόμηση γλυκόζης - στη γλυκόλυση - στο κύκλο του Κιτρικού οξέος Παραγωγή: 2 ATP 10 NADH + 2 FADH2 Παραγωγή: ATP Οξείδωση & ΜΕΤΑΦΟΡΑ e- σε μοριακό Ο 2 Συνολικά, η αποικοδόμηση γλυκόζης παράγει: = ~36 ATP

15 Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων ΓΕΝΙΚΑ: α. η μεταφορά e- & οξειδωτική φωσφορυλίωση επιτελούνται από πρωτεϊνικά σύμπλοκα στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη β. στην οξειδωτική φωσφορυλίωση τα e- από NADH & FADH 2 : μεταφέρονται στο Ο 2 και η ενέργεια που απελευθερώνεται χρησιμοποιείται για σύνθεση ATP από ADP 1. Τα e- από την οξείδωση του NADH: - Μεταφέρονται μέσω της εσωτερικής μεμβράνης και αποδίδουν μεγάλα ποσά ενέργειας: συνολικά, ΔG 0 = -52.5Kcal/mol για κάθε μεταφερόμενο ζεύγος e- - Η παραγωγή ενέργειας γίνεται μέσω διέλευσης των e- από τέσσερις (4) οξειδοαναγωγικούς φορείς ή σύμπλοκα της εσωτερικής μεμβράνης, προς το Ο 2 - Οι φορείς αποτελούν την αλυσίδα μεταφοράς e- ή αναπνευστική αλυσίδα (ονομάζεται έτσι λόγω κατανάλωσης Ο 2 ) - Η μεταφορά των e- στην σύνθεση ATP συνδέεται με ένα πέμπτο σύμπλοκο, το ένζυμο της ATP συνθάσης (*ΔG ο =ελεύθερη ενέργεια Gibbs)

16 Η μεταφορά e- μέσω συμπλόκων της μεμβράνης - Ι Η αλυσίδα μεταφοράς e- που προέρχονται από το NADH * η Ροτενόνη αναστέλλει την μεταφορά e- από το σύμπλοκο Ι προς το συνένζυμο Q Έτσι, η αναστολή της πορείας μεταφοράς e-χρησιμοποιήθηκε στην επινόηση εντομοκτόνου (συνένζυμο Q ) ** το κυτόχρωμα Cyt c είναι επίσης κεντρικός ρυθμιστής του Προγραμματισμένου Κυτταρικού Θανάτου *Το σύμπλοκο Ι έχει 40 πολυπεπτιδικές αλυσίδες **Το σύμπλοκο ΙΙΙ έχει 10 πολυπεπτίδια & περιέχει το κυτόχρωμα b (μεταφέρει e-) α. Τα e- από το NADH: μεταφέρονται μέχρι το σύμπλοκο IV β. Η μεταφορά e- από το NADH συνδέεται: με μείωση της Ελεύθερης Ενέργειας ΔG 0 & άντληση Η+

17 Μεταφορά e- & Ποσά παραγόμενης ενέργειας - Η μεταφορά για κάθε 2xe- (ζεύγος) που προέρχονται από το NADH: α. από NADH στο συνένζυμο Q (ή ουβικινόνη) αποδίδει: ΔG O = -16.6Kcal/mol β. από το σύμπλοκο ΙΙΙ (ή κυτόχρωμα b) στο κυτόχρωμα C αποδίδει: ΔG O = -10.1Kcal/mol γ. από το κυτόχρωμα C: στο σύμπλοκο IV (ή οξειδάση του κυτοχρώματος C) και στο Ο 2 αποδίδει: ΔG O = -25.8Kcal/mol ΣΥΝΟΛΟ: = Kcal/mol/2e- Για τη μεταβολή της Ελεύθερης Ενέργειας Gibbs (ΔG 0 ): - Με ΔG O = 0, υπάρχει ισορροπία αντιδρώντων και αδυναμία επιτέλεσης μιας αντίδρασης - Σε μία αυθόρμητη αντίδραση, με τελική ΔG < της αρχικής ΔG: έχουμε απόδοση ενέργειας

18 Η διέλευση e- μέσω συμπλόκων της μεμβράνης - ΙΙ 2. Τα e- που προέρχονται από την οξείδωση του FADH 2 -Το σύμπλοκο ΙΙ είναι ένα διακριτό σύμπλοκο που αποτελείται από 4 πολυπεπτίδια -Δέχεται e- από το ηλεκτρικό οξύ (κύκλος Κιτρικού οξέος) & όχι από NADH -Μεταφέρει τα e-: στο συνένζυμο Q και μετά στα σύμπλοκα ΙΙΙ & IV όπως για το NADH * Η μεταφορά e- στο σύμπλοκο ΙΙ, δεν συνδέεται με μείωση της ελεύθερης ενέργειας (Από το κύκλο Krebs) Επομένως, η διέλευση των e- του FADH 2 αποδίδει ελεύθερη ενέργεια μόνο στα σύμπλοκα ΙΙΙ & IV β. Η μεταφορά e- από το FADH 2 στο Q δεν προκαλεί άντληση πρωτονίων α. Τα e- από το FADΗ2: παρακάμπτουν το σύμπλοκο Ι

19 Η διαφορά σύνθεσης ATP: στη Γλυκόλυση & στα Μιτοχόνδρια 1. Παραγωγή ΑΤΡ στη ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ COO - C-O CH2 (P) 2X Φωσφο-ενολπυροσταφυλικό οξύ Κινάση πυροσταφυλικού ADP + (P) ATP COO - C CH2 O 2X Πυροσταφυλικό οξύ + 2Χ ATP κύκλος Κιτρικού οξέος * Στη γλυκόλυση: η φωσφορική ομάδα (Ρi) μεταφέρεται απευθείας στο ADP μέσω μιάς κινάσης 2. Παραγωγή ΑΤΡ στην αλυσίδα μεταφοράς e- - Δεν συμβαίνει απευθείας με μεταφορά της φωσφορικής ομάδας (Ρi) στο ADP - Η ενέργεια που παράγεται δημιουργεί μία διαβάθμιση (Η+) στις πλευρές της μεμβράνης - Η ενέργεια διαβάθμισης χρησιμοποιείται από την συνθάση του ΑΤΡ για ΣΥΖΕΥΞΗ: της αντίστροφης ροής H+ (έξω) προς το Στρώμα (μέσα) & Σύνθεση ATP

20 Ο μηχανισμός: σύζευξης ροής e- & σύνθεσης ATP - I -Ο μηχανισμός σύζευξης e- & σύνθεσης ATP ονομάζεται και Χημειοσμωτική Σύζευξη -Προτάθηκε (1961) από τον Peter Mitchel που υποστήριξε ότι: - η σύνθεση ΑΤΡ δεν παράγεται με άμεση μεταφορά φωσφορικών ομάδων (Pi+ ADP=ATP) αλλά με χρήση ενέργειας από την διαβάθμιση (Η+) στις πλευρές της εσωτερικής μεμβράνης -Έγινε αποδεκτή 10 χρόνια μετά την αρχική της πρόταση -Είναι γενικός μηχανισμός παραγωγής ΑΤΡ στα: μιτοχόνδρια, χλωροπλάστες & βακτήρια Η βάση του μηχανισμού 1. η μεταφορά e- στα σύμπλοκα Ι, ΙΙΙ & IV παράγει ενέργεια 2. η ενέργεια είναι συζευγμένη με την άντληση πρωτονίων (Η+) στο διαμεμβρανικό χώρο *Για κάθε ζεύγος e- που διέρχεται την αναπνευστική αλυσίδα, 10 (Η+) μεταφέρονται από το Στρώμα στο Διαμεμβρανικό χώρο: 4Η+ στο σύμπλοκο Ι, 2Η+ στο ΙΙΙ & 4Η+ στο IV 3. η ενέργεια αποθηκεύεται: ως χημική (Η+) & ηλεκτρική (διαφορά δυναμικού) που ευνοεί την σύνθεση ΑΤΡ

21 Ο μηχανισμός σύζευξης: ροής e- & σύνθεσης ATP - II Στάδιο 1 θετικό φορτίο >> e- e- Ηλεκτροχημική Διαβάθμιση αρνητικό φορτίο >> Η διέλευση e- προκαλεί ηλεκτροχημική διαβάθμιση με: α. διαφορά ph=1 ή 10-φορές λιγότερα Η+ στο στρώμα β. ηλεκτρικό δυναμικό: ~ 0.14 V

22 Ο μηχανισμός: σύζευξης ροής e- & σύνθεσης ATP - III γ. η διαφορά ph & το ηλεκτρικό δυναμικό επαναφέρουν τα Η+ στο στρώμα δ. η μη διαπερατότητα της μεμβράνης σε ιόντα επιτρέπει τη διέλευση Η+ ΜΟΝΟ μέσα από ένα δίαυλο του συμπλόκου V ή τη συνθάση ΑΤΡ ε. η ενέργεια από την διέλευση των Η+, ευνοεί η σύνθεση ΑΤΡ Στάδιο 2 Η ΣΥΝΘΑΣΗ ΑΤΡ -αποτελείται από δύο περιοχές: Fo και F1 - οι περιοχές Fo και F1 συνδέονται με λεπτό μίσχο - η Fo αποτελεί ηλεκτροκίνητο κινητήρα, διαπερνά την εσωτερική μεμβράνη & δρά ως δίαυλος Η+ προς το στρώμα - Η διέλευση Η+ στην Fo περιστρέφει τμήμα της F1, που δρά σαν περιστροφικός κινητήρας - Η περιστροφή ωθεί την σύνθεση ΑΤΡ στο τμήμα F1

23 Η διέλευση e- στα σύμπλοκα, στην F1 & ενεργειακός απολογισμός ΑΤΡ Για κάθε 4 Η+, που διέρχονται από την Fo, η F1 παράγει 1 μόριο ΑΤΡ Άρα: 1. η οξείδωση 1Χ NADH με άντληση 10Η+, 4 στο σύμπλοκο Ι, 2 στο ΙΙΙ & 4 στο IV παράγει: = 2.5 μόρια ΑΤΡ 2. η οξείδωση 1Χ FADH 2 με άντληση 6Η+ (εισέρχεται στο σύμπλοκο ΙΙ), 2 στο ΙΙΙ & 4 στο IV, παράγει: = 1.5 μόρια ΑΤΡ Επομένως: η οξείδωση του NADH παράγει περισσότερο ΑΤΡ, από το FADH2

24 ΠΕΙΡΑΜΑ ΣΤΑΘΜΟΣ - Ι Coupling of Phosphoryla_on to Electron and Hydrogen Transfer by a Chemiosmo_c Type of Mechanism Dr. Peter Mitchel University of Edinburgh, Edinburgh, Scotland Nature, 1961, vol. 191, p.p Βραβείο Nobel 1978 Μέχρι το 1950 ήταν γνωστό ότι στην οξειδωτική φωσφορυλίωση : - γίνεται μεταφορά e- στο οξυγόνο μέσω ενδιάμεσων φορέων αλλά - ο μηχανισμός παραγωγής ενέργειας από τις αντιδράσεις μεταφοράς e-, ήταν ΑΓΝΩΣΤΟΣ - Η Αρχική Υπόθεση ήταν ότι: το ADP μετατρέπεται σε ΑΤΡ από κάποιο ενδιάμεσο μόριο μεταφοράς φωσφορικών ομάδων όπως στη γλυκόλυση - Έτσι, διατυπώθηκε η θεωρία ότι ενδιάμεσα μόρια ωθούν την σύνθεση ΑΤΡ με μεταφορά των φωσφορικών τους ομάδων (δηλ. άμεση φωσφορυλίωση ADP προς ATP) - Πλήν όμως, μέχρι το1960, δεν ταυτοποιήθηκαν τέτοια ενδιάμεσα - Βρέθηκε όμως ότι η οξειδωτική φωσφορυλίωση είναι στενά συνδεδεμένη με τις μεμβράνες και αναστέλλεται από χημικές ουσίες αποδιοργάνωσης της ΔΟΜΗΣ των

25 ΠΕΙΡΑΜΑ ΣΤΑΘΜΟΣ - ΙΙ Ο Peter Mitchel πρότεινε ένα νέο μηχανισμό σύνθεσης ΑΤΡ: 1. δεν υπάρχουν ενδιάμεσα μόρια που άλλοι ερευνητές προσπαθούσαν να ταυτοποιήσουν 2. η σύνθεση του ΑΤΡ ωθείται από μια Ηλεκτροχημική Διαβάθμιση μεταξύ των 2 πλευρών της εσωτερικής μεμβράνης 3. Η ακεραιότητα της μεμβράνης αποτελεί προϋπόθεση στη σύνθεση ΑΤΡ Η χημειωσμωτική θεωρία Τα 2 συζευγμένα συστήματα ενσωματωμένα στην εσωτερική μεμβράνη Το σύστημα μεταφοράς e- (αναπνοή) προκαλεί: η διέλευση Η+ (έξω) & ηλεκτροχημική διαβάθμιση Το ένζυμο ΑΤΡ συνθάση μέσω: αντίστροφης ροής Η+ (μέσα), συμβάλλει στη φωσφορυλίωση του ADP προς ΑΤΡ *Σχηματική απόδοση από τον Mitchell

26 Κύκλος Krebs Η ΟΞΕΙΔΩΤΙΚΗ ΦΩΣΦΟΡΥΛΙΩΣΗ: Συνοπτικά (τα 2 συζευγμένα συστήματα) NADH FADH 2 Οξείδωση NADH Οξείδωση FADH 2 e- + NAD + e- + FAD + II e- Η + Η + Η + e- e- e- I Q III Cyt C Αναπνευστική αλυδίδα e- Συνθάση IV ATP e- Ο 2 Φωσφορυλίωση (ADP+ Pi=ATP)

27 Η δινιτρο-φαινόλη (DNP) υποστηρίζει την Xημειο-Oσμωτική σύζευξη 2,4-Dinitrophenol (C 6 H 4 N 2 O 5 ) - η DNP είναι μικρό μόριο που αυξάνει την διαπερατότητα των μεμβρανών σε πρωτόνια (Η+) αλλά χωρίς παραγωγή ΑΤΡ - η χρησιμοποιήθηκε ( ) σε ασθενείς για απώλεια σωματικού βάρους Η DNP προκάλεσε: 1. ελάττωση στα αποθέματα λίπους αλλά & 2. αύξηση θερμοκρασίας & έντονη εφίδρωση ΠΩΣ ερμηνεύονται αυτά τα βιολογικά αποτελέσματα / συμπτώματα?

28 * Η περίπτωση της δινιτρο-φαινόλης στην απώλεια σωματικού βάρους ΑΠΑΝΤΗΣΗ Η 2,4-DNP προκαλεί ΑΠΟΣΥΖΕΥΞΗ της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης και έτσι: 1. μεταφέρει μεν πρωτόνια διαμέσω της μιτοχονδριακής μεμβράνης που οδηγεί σε ταχεία κατανάλωση ενέργειας (ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΛΙΠΟΥΣ) αλλά 2. χωρίς όμως παραγωγή ATP (Άρα: ΑΥΞΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ & ΕΝΤΟΝΗ ΕΦΙΔΡΩΣΗ) * Η 2,4 DNP σήμερα χρησιμοποιείται μόνο για ερευνητικούς σκοπούς

29 Η ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΓΟΝΙΝΗΣ - Όλα τα νεογέννητα θηλαστικά διαθέτουν τον εξειδικευμένο ιστό, ΦΑΙΟ λίπος - Τα μιτοχόνδρια του φαιού λίπους έχουν μία αποσυζευτική πρωτεϊνη της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης, την ΘΕΡΜΟΓΟΝΙΝΗ - Η πρωτεϊνη αυτή συμβάλλει σε διαβάθμιση Η+, χωρίς όμως την παραγωγή ΑΤΡ - Έτσι η δράση της οδηγεί σε παραγωγή θερμότητας και στην θερμο-ρύθμιση των νεογνών Παρόμοια φαινόμενα παρουσιάζονται και στις αρκούδες: -το συσσωρευμένο φαιό λίπος του καλοκαιριού χρησιμοποιείται για θερμο-ρύθμιση το χειμώνα κατά τη Xειμερία Nάρκη

30 Η μεταφορά μεταβολιτών μέσω της εσωτερικής μεμβράνης - Ι - Η ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΗ ΔΙΑΒΑΘΜΙΣΗ ωθεί επίσης και την μεταφορά μικρών μορίων μέσα & έξω της μεμβράνης - Το νεοσυντιθέμενο ΑΤΡ πρέπει να εξαχθεί στο κυτταρόπλασμα για ανάγκες του κυττάρου -Τα: ADP & Pi πρέπει να εισέλθουν στο Στρώμα για την συνέχεια της σύνθεσης ATP (Pi = φωσφορικές ομάδες H 2 PO4 - ) - Το πυροσταφυλικό οξύ πρέπει να εισέλθει στο Στρώμα για το κύκλο του Κιτρικού οξέος 1. Το ΑΤΡ & ADP εισάγονται μέσω της μεμβράνης από πρωτεϊνη-μεταφορέα ATP/ADP που ανταλλάσει ATP με ADP μεταφέροντας: 1 ADP για κάθε ΑΤΡ που εξάγει 2. Οι Pi εισάγονται μέσω της μεμβράνης από άλλη πρωτεϊνη-μεταφορέα ομάδων Η 2 PO4-3. Το πυροσταφυλικό οξύ εισάγεται επίσης από άλλη πρωτεϊνη-μεταφορέα ανταλλαγής ιόντων ΟΗ-

31 Η μεταφορά μεταβολιτών μέσω της εσωτερικής μεμβράνης -ΙΙ Μηχανισμοί μεταφοράς μικρών μορίων θετικό φορτίο >> 1. Η ανταλλαγή ΑΤΡ/ ADP μέσω μεταφορέα: - Ωθείται από την ηλεκτρική συνιστώσα της διαβάθμισης - Το Αρνητικό Φορτίο του ΑΤΡ είναι > ADP (ATP = -4, ADP= -3) 2. Η μεταφορά H 2 PO4 - -Εισάγονται H 2 PO4 - με εξαγωγή ΟΗ- -H ανταλλαγή είναι ουδέτερη (ίσα φορτία) -Η ανταλλαγή ωθείται από τη μεγαλύτερη συγκέντρωση ΟΗ- στο στρώμα (ph 8) Περιπτώσεις διαμεμβρανικών πρωτεϊνών μεταφοράς μικρών μορίων 3. Η εισαγωγή πυροσταφυλικού -Γίνεται με ανταλλαγή ιόντων ΟΗ-

32 Η ΥΛΗ για τις Εξετάσεις: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11 - σελ