BIOΛ154 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ (Lubert Stryer)
ΠΕΡΙΓΡΑΜΜΑ 18.1 H οξειδωτική φωσφορυλίωση στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς λαμβάνει χώρα στα μιτοχόνδρια. 18.2 H οξειδωτική φωσφορυλίωση εξαρτάται από τη μεταφορά Ηλεκτρονίων 18.3 H αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων ή αναπνευστική αλυσίδα αποτελείται από τέσσερα σύμπλοκα: τρεις αντλίες πρωτονίων και μία φυσική σύνδεση με τον κύκλο του κιτρικού οξέος 18.4 H σύνθεση της ATP ωθείται από μια βαθμίδωση συγκέντρωσης Πρωτονίων 18.5 Πολλά συστήματα μεταφοράς επιτρέπουν τη μετακίνηση ουσιών διά μέσου των μιτοχονδριακών μεμβρανών 18.6 H ρύθμιση της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης καθορίζεται κυρίως από τις ανάγκες σε ATP Μτχ συνολικη εικονα
18.1 Η οξειδωτική φωσφορυλίωση στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς λαμβάνει χώρα στα μιτοχόνδρια Συνολική εικόνα της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης: Η οξείδωση καύσιμων μορίων και η σύνθεση της ΑΤΡ είναι συζευγμένες μέσω της διαμεμβρανικής ροής πρωτονίων. Τα ηλεκτρόνια ρέουν από NADH/FADH2 διά μέσου πρωτεϊνικών συμπλόκων ανάγοντας τελικά το οξυγόνο σε νερό (κίτρινο). Τρία από τα σύμπλοκα αντλούν πρωτόνια από τη μιτοχονδριακή μήτρα προς τον διαμεμβρανικό χώρο. Τα Η+ επιστρέφουν στη μήτρα, μέσω ενός τέταρτου πρωτεϊνικού συμπλόκου, της συνθάσης της ΑΤΡ (κόκκινη δομή), ωθώντας τη σύνθεση ΑΤΡ. ΔG ʹ
18.2 Η οξειδωτική φωσφορυλίωση εξαρτάται απο τη μεταφορά ηλεκτρονίων Η διαφορά δυναμικού μεταξύ NADH/FADH2 και O2 ωθεί τη μεταφορά ηλεκτρονίων και ευνοεί τη βαθμίδωση συγκέντρωσης πρωτονίων. Αναγωγή του O2 από το NADH: NADH NAD+ + H+ + 2 e (Α) ½ O2 + 2 H+ + 2 e H2O (Β) Συνδυασμός των δύο ημιαντιδράσεων μεταφοράς ηλεκτρονίων: ½ O2 + NADH + H+ H2O + NAD+ (Γ) ΔG ʹ 52,6 kcal mol 1 Η ενέργεια που απελευθερώνεται χρησιμοποιείται για τη δημιουργία βαθμίδωσης συγκέντρωσης πρωτονίων και στη συνέχεια τη σύνθεση ΑΤΡ (ΔG ʹ σύνθεσης ΑΤΡ= 7,3 kcal mol 1) και τη μεταφορά μεταβολιτών διά μέσου της μιτοχονδριακής μεμβράνης. 4 σύμπλοκα
18.3 Η αναπνευστική αλυσίδα αποτελείται από τέσσερα σύμπλοκα: τρεις αντλίες πρωτονίων και μία φυσική σύνδεση με τον κύκλο του κιτρικού οξέος Τα ηλεκτρόνια ρέουν σε μια βαθμίδωση ενέργειας από το NADH στο Ο2. Η ροή καταλύεται από τέσσερα πρωτεϊνικά σύμπλοκα και η ενέργεια που απελευθερώνεται χρησιμοποιείται για τη δημιουργία βαθμίδωσης Η+ Q
Εξειδικευμένοι φορείς ηλεκτρονίων μεταφέρουν ηλεκτρόνια από το ένα σύμπλοκο στο επόμενο π.χ. το συνένζυμο Q (ουβικινόνη) Η ουβικινόνη διαχέεται στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη μεταφέροντας ηλεκτρόνια από την οξειδοαναγωγάση του ζεύγους NADH- Q στην οξειδοαναγωγάση του ζεύγους Q-κυτοχρώματος c (το τρίτο σύμπλοκο της αλυσίδας). Στην οξειδωμένη μορφή, το συνένζυμο Q έχει δύο κετονικές ομάδες. Η προσθήκη ηλεκτρονίου και πρωτονίου οδηγεί στη μορφή της ημικινόνης (QH) και στη συνέχεια στηνουβικινόλη (QH2) Οξειδ/αναγ NADH-Q
Η αντίδραση που καταλύεται από το ένζυμο οξειδοαναγωγάση του ζεύγους NADH-Q φαίνεται να είναι NADH + Q + 5 H+ (μήτρας) NAD+ + QH2 + 4 H+ (Κυτταρόπλ.) Η ροή 2e- από το NADH στο συνένζυμο Q οδηγεί στην άντληση 4 Η+ έξω από τη μήτρα του μιτοχονδρίου. Το Q2 προσλαμβάνει 2 Η+ από τη μήτρα καθώς ανάγεται σε QH2. Οξειδ/αναγ Q-κυτοχρ. c
Tα ηλεκτρόνια ρέουν από την ουβικινόλη (QH2) προς το κυτόχρωμα c, μέσω της οξειδοαναγωγάσης του ζεύγους Q- κυτοχρώματος c (Σύμπλοκο ΙΙΙ), τη δεύτερη από τις τρεις αντλίες πρωτονίων της αναπνευστικής αλυσίδας QH2 + 2 Κυτ c οξειδ. + 2 H+ μήτρας Q + 2 Κυτ c ανηγμ. + + 4 H+ κυτταρόπλασμα Τo κυτόχρωμα είναι πρωτεΐνη μεταφοράς ηλεκτρονίων που περιέχει προσθετική ομάδα αίμης. Κατά τη μεταφορά ηλεκτρονίων, το ιόν σιδήρου ενός κυτοχρώματος εναλλάσσεται μεταξύ της κατάστασης αναγωγής, σιδηρο- (+2), και της κατάστασης οξείδωσης, σιδηρι-(+3). Οξειδαση κυτοχρ. c
H οξειδάση του κυτοχρώματος c, το τελευταίο από τα τρία συγκροτήματα άντλησης πρωτονίων της αναπνευστικής αλυσίδας (Σύμπλοκο IV), καταλύει τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το ανηγμένο κυτόχρωμα c στο μοριακό οξυγόνο (τελικό δέκτης ηλεκτρονίων) δηλ. την αναγωγή του Ο2 σε Η2Ο. 4 Κυτ c ανηγμ. + 8 Η+ μήτρας + Ο2 4 Κυτ c οξειδ. + 2 Η2Ο + + 4 Η+ Κυτταρόπλασμα Τέσσερα ηλεκτρόνια διοχετεύονται στο Ο2 για την πλήρη αναγωγή του σε Η2Ο, και παράλληλα 4 πρωτόνια αντλούνται από τη μιτοχονδριακή μήτρα προς τον διαμεμβρανικό χώρο. Η απαίτηση για μοριακό αέριο οξυγόνο σε αυτή την αντίδραση είναι εκείνη που καθιστά τους «αερόβιους» οργανισμούς αερόβιους. συζευξη
18.4 Πώς η σύνθεση ATP ωθείται από την βαθμίδωση συγκέντρωσης Η+ Ροή ηλεκτρονίων από NADH προς το O2 (εξώεργη διεργασία). NADH + ½ O2 + H+ H2O + NAD+, ΔG ʹ = 52,6 kcal/mol Σύνθεση ΑΤΡ (ενδόεργη διεργασία) ADP + Pi + H+ ATP + H2O, ΔG ʹ = +7,3 kcal/mol Πώς γίνεται η σύζευξη της οξείδωσης του NADH με τη φωσφορυλίωση της ADP; Χημειωσμοτικη υποθεση
Η χημειωσμωτική υπόθεση. Η μεταφορά ηλεκτρονίων μέσω της αναπνευστικής αλυσίδας οδηγεί στην άντληση πρωτονίων από τη μήτρα προς τον διαμεμβρανικό χώρο. Ο συνδυασμός βαθμίδωσης ph και ηλεκτρικού δυναμικού της εσωτερικής μεμβράνης αποτελούν μια πρωτονιοκίνητη δύναμη η οποία χρησιμοποιείται για να ωθήσει τη σύνθεση της ΑΤΡ. Πρωτονιοκίνητη δύναμη (Δp) = χημική βαθμίδωση (ΔpH) + βαθμίδωση φορτίου (Δψ) F1F0 ATPάση
H συνθάση ATP ή F1F0 ATPάση (Σύμπλοκο V) αποτελείται από μια μονάδα αγωγής πρωτονίων και μια καταλυτική μονάδα Η+ Η κίνηση Η+ διά μέσου των ημιδιαύλων της F0,από το περιβάλλον υψηλής συγκέντρωσης Η+ του διαμεμβρανικού χώρου, στο περιβάλλον χαμηλής συγκέντρωσης πρωτονίων της μήτρας, ωθεί την περιστροφή του δακτυλίου c, καθώς και των υπομονάδων γ και ε της μονάδα F1. Η περιστροφή της υπομονάδας γ με τη σειρά της προάγει τη σύνθεση της ΑΤΡ μέσω του μηχανισμού αλλαγής της συγγένειας πρόσδεσης του ΑΤΡ, που μπορεί τώρα να απομακρυνθεί από το ένζυμο και να αντικατασταθεί από ADP και Pi. Συστ. μεταφορας
18.5 Συστήματα μεταφοράς επιτρέπουν τη μετακίνηση ουσιών διά μέσου των μιτοχονδριακών μεμβρανών Μηχανισμός της μιτοχονδριακής μετατοπάσης ΑΤΡ-ADP. Η μετατοπάση καταλύει τη συζευγμένη είσοδο ADP και την έξοδο ΑΤΡ. Πρόσδεση ADP (1) από τον διαμεμβρανικό χώρο εκστρέφει τον μεταφορέα (2) απελευθερώνοντας ΑDP στη μήτρα (3). Η μετέπειτα πρόσδεση ΑΤΡ από την μήτρα (4), εκστρέφει τον μεταφορέα πίσω στην αρχική του στερεοδιάταξη (5), απελευθερώνοντας ΑΤΡ στον διαμεμβρανικό χώρο (6). ρυθμιση
18.6 Ρύθμιση της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης Α) O ρυθμός της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης καθορίζεται κυρίως απο τις ανάγκες σε ATP. Επειδή η ΑΤΡ είναι το τελικό προϊόν της κυτταρικής αναπνοής, οι ανάγκες του κυττάρου σε ΑΤΡ είναι ο τελικός καθοριστής της ταχύτητας των αναπνευστικών πορειών και όλων των συνιστωσών τους. Β) Ρυθμιζόμενη αποσύζευξη και παραγωγή θερμότητας. Ορισμένοι οργανισμοί έχουν την ικανότητα να απο-συζευγνύουν την οξειδωτική φωσφορυλίωση από τη σύνθεση ΑΤΡ για την παραγωγή θερμότητας. Τέτοιου είδους αποσύζευξη είναι ένα μέσο για την παραγωγή θερμότητας ώστε να διατηρηθεί η θερμοκρασία του σώματος σε ζώα που βρίσκονται σε χειμερία νάρκη, σε ορισμένα νεογέννητα ζώα (συμπεριλαμβανομένου του ανθρώπου), καθώς και σε πολλά θηλαστικά, ιδίως στα προσαρμοσμένα στο ψύχος. PETCT
Παραγωγή θερμότητας. Ο καστανός λιπώδης ιστός είναι πολύ πλούσιος σε μιτοχόνδρια, (μιτοχόνδρια του καστανού λίπους). Ο καστανός λιπώδης ιστός αποκαλύπτεται με την έκθεση στο κρύο (αποτελέσματα συνδυασμένης τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίων και αξονικής τομογραφίας (PETCT)) UCP-1
Τα μιτοχόνδρια του καστανού λίπους περιέχουν μεγάλη ποσότητα πρωτεΐνης αποσύζευξης (uncoupling protein, UCP-1), ή θερμογενίνης, που αποτελεί αγωγό για τη ροή των Η+ από τον διαμεμβρανικό χώρο προς τη μήτρα με τη βοήθεια λιπαρών οξέων. Η ενέργεια βαθμίδωσης Η+, η οποία φυσιολογικά μετατρέπεται σε ATP, απελευθερώνεται ως θερμότητα. Aυτή η πορεία εκμηδένισης της βαθμίδωσης Η+ ενεργοποιείται όταν η κεντρική θερμοκρασία του σώματος αρχίζει να μειώνεται. Η αποσυζευκτική πρωτεΐνη (UCP-1) παράγει θερμότητα με το να επιτρέπει την είσοδο Η+ στα μιτοχόνδρια χωρίς τη σύνθεση ΑΤΡ. Λιπαρά οξέα
Ως απόκριση σε μείωση της θερμοκρασίας, ορμόνες διεγείρουν την απελευθέρωση ελεύθερων λιπαρών οξέων από τριακυλογλυκερόλες. Λιπαρά οξέα δεσμεύονται στην UCP-1 προκαλώντας αλλαγή στη δομή της UCP-1 με τρόπο ώστε η πρωτονιωμένη καρβοξυλική ομάδα του λιπαρού οξέος να βρίσκεται στο φτωχό σε πρωτόνια περιβάλλον της μήτρας και το πρωτόνιο να απελευθερώνεται.