Upload
gusty
View
81
Download
6
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Elektronide ülekandeahel. Hingamine. 12.09.2005. Oksüdatiivne katabolism. AcCoA moodustumine -Glükoos -Aminohapped -Rasvhapped. AcCoA oksüdeerimine (TCA tsükkel). Elektronide transportahel ja oksüdatiivne fosforüülimine. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Elektronide ülekandeahel. Hingamine
12.09.2005
Oksüdatiivne katabolism
AcCoA moodustumine-Glükoos-Aminohapped-Rasvhapped
AcCoA oksüdeerimine(TCA tsükkel)
Elektronide transportahel ja oksüdatiivne fosforüülimine
Hingamine- orgaaniliste molekulide oksüdatsioon kasutades elektronide akseptorina anorgaanilist ühendit
• Mitokondri sisemembraan– Barjäär metaboliitidele – Sisaldab suurel hulgal valke, mille
funktsiooniks on metaboliitide transport
• Rakus toimuvad kataboolsed reaktsioonid välja arvatud glükolüüs toimuvad mitokondris
ATP saagis otseselt glükolüüsi ja TCA tsükli reaktsioonides madal:Substraadi tasemel fosforüülimisel saadakse
4ATPd tekib 2GA3P ->2püruvaati2 ATP kulub glükoos -> Fru-1,6-bisP
2ATP(GTP) tekib püruvaat ->2AcCoA ->4CO2
Summaarselt, 4 ATP sünteesitakse glükoosi kohta otseselt substraadi tasemel fosforüülimise reaktsioonides
Ülejäänud vabanenud energia salvestatakse redutseeritud kofaktorite kujul
10 NADH2 FADH2
Redutseeritud kofaktorite oksüdatsioonil vabaneb energia:
NADH + H+ + 1/2O2 -> NAD+ + H2OGo´= -220 kJ/mol
FADH2 + 1/2O2 -> FAD + H2OGo´= -182 kJ/mol
NB! Flaviini standardne redokspotentsiaal sõltub oluliselt keskkonnast, ehk valgust, millega ta seotud on
Glükoosi oksüdatsioon C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O Go´= -2870 kJ/mol
10x220kJ + 2x182kJ = 2563 kJ, mis on 90% summaarsest glükoosi oksüdatsioonil vabanevast energiast
• Elektronid loovutatakse NADH ja FADH2 koosseisust molekulaarsele hapnikule (toimub oksüdatsioon)
• Protsess on vahendatud mitmete vaheühendite kaudu (kinoonid, tsütokroomid, Fe-S valgud)
• Eksergoonne elektronide liikumine on seotud H+ transpordiga, mille tulemusel moodustub membraanipotentsiaal
• See võimaldab H+ voo tekkimist spetsiifiliste kanalite kaudu, mille tagajärjel on võimalik ATPd sünteesida.
ATP süntees mitokondrites- oksüdatiivne fosforüülimine
Redoksreaktsioonid
Redokspaar- ühendite paar, millest üks on redutseerunud, teine oksüdeerunud Näit. Laktaat-püruvaat, NADH-NAD+
Iga redokspaar moodustab poolreaktsiooni
Redoksreaktsioon koosneb kahest poolreaktsioonist, milles üks paar loovutab elektrone ja teine paar liidab elektrone
Red1 + Ox2 Ox1 + Red2
Laktaat + NAD+ Püruvaat + NADH
Redokspotentsiaal Eo - väljendab seda, kui hästi on üks ühend võimeline teisi redutseerima (elektrone loovutama)
EO:
• Standardne redokspotentiaalide vahe kahe poolreaktsiooni vahel
• Sarnaneb GO (standardne vabaeneria muut)
• EO on positiivne iseeneslike protsesside korral (GO on iseeneslike reaktsioonide korral negatiivne)
Oksüdeerija Redutseerija Eo
Püruvaat Laktaat ‑0.19 V
NAD+ NADH ‑0.32 V
Eo = (-0.19 V) - (-0.32 V) = +0.13 V
Püruvaat + NADH Laktaat + NAD+
Näide 2. Redokspaaride H2O/½O2 ja NADH/NAD+ redokspotentsiaal.
Oksüdeerija Redutseerija Eo
½O2 H2O +0.82 V NAD+ NADH ‑0.32 V
Potentsiaalide vahe:
Eo = (0.82 V) - (-0.32 V) = +1.14 V.
NADH + H+ + ½O2 H2O + NAD+
Vabaenergia muutus: Go´= -nFEo´
n- elektronide arv
F=96.4 kJ/molV
Eo´= EAo´- EB
o´
Eo' = 0.10V
Eo' = -0.32V
Eo' = 0.03V
Eo' = 0.42V
Eo' = 0.07V Eo
' = 0.19V
Eo' = 0.29V
Eo' = 0.53V
Eo' = 0.82V
Mitokondriaalne hingamisahel1. Reoksüdeerib kofaktorid2. Konverteerib selle energia sellisele kujule, mis on kasutatav ATP sünteesiks (jt ülesannete täitmiseks)
1, 2 funktsioon on osaliselt lahutatavadreoksüdatsioon kulgeb mitmeetapilisena- elektronid kantakse hapnikule vahendajate kaudu. Elektronide ülekandeahel sisaldab intermediaate, mis jaotavad
oksüdatsiooni osadeks. Mõned etapid on seotud ATP sünteesiga
Elektronide ülekandeahela ja ATP sünteesi side ei ole otsene, vaid toimub vahendatuna elektrokeemilise gradiendi poolt.Samal ajal koos elektronide ülekandeprotsessidega pumbatakse prootoneid läbi membraani (välja mitokondri maatriksist). Prootonite kontsentratsioni erinevus erinevatel membraani külgedel ja laengute eraldumine neutraliseeritakse ATP süntaasi töö tulemusel ADP fosforüülimise protsessis.
•Defineeritud redokspotentsiaaliga, liidavad-loovutavad hüdriidiooni (2 elektroni ja prootoni), ei saa osaleda 1 elektronilistes reaktsioonides •NAD-seoselised dehüdrogenaasi reaktsioonid•Vabanev prooton (H+) vabaneb solventi •Vees lahustuvad ja ainult nõrgalt ensüümiga seotud, seega elektronide ülekande ahelasse sisenevad elektronid difusiooni teel •Ei ole võimelised membraane läbima
NAD+ and NADP+ - püridiinukleotiidi sisaldavad koensüümid
FMN ja FAD flaviini sisaldavad koensüümid
•Redokspotentsiaal varieerub sõltuvalt valgust, millega nad on tugevalt seotud•Võivad osaleda nii 1 kui 2 elektroni ülekannetes
Elektronide ülekandeahela redokstsentrid
Aminohapped- viletsad ühendid redoksreaktsioonides asalemiseks
Redoksreaktsioonide kofaktoridanorgaanilisedhübriidsedorgaanilised
Jaotatakse vastavalt difusioonilemobiilsedtugevalt ensüümidega seotud
KinoonidKinoonid sisaldavad p-bensokinooni ja on enamuses seotud elektronide transpordiga bioloogilistes süsteemidesSisaldavad pikka hüdrofoobset saba (isoprenoidne) 2 positsioonis, mis hoiab neid lipiidses kaksikkihis. Membraani sees võivad vabalt difundeeruda ühe valgu juurest teise juurde
Kinoonid ja flaviinid saavad aksepteerida 1 või 2 elektroni korraga, samuti 1 või 2 prootonit1 elektroni liitmine tekitab semikinoonradikaali, mis võib olla anioon või protoneeritud2 elektroni liitmine tekitab kinooli (dihüdrokinoon)Erinevalt flaviinidest on kinoonid stabiilsed, membraanides difundeeruvad ja seega ideaalsed mobiilsed elektronide kandjad nii elektronide kui prootonite jaoksKasutatavad elektronide ülekande ja prootonite pumpamise sidumiseks
TsütokroomidVäikesed valgud, sisaldavad tugevalt seotud kofaktorit heemi. Heem- tetrapürrool, seotud koordinatiivselt Fe aatomiga. Fe iooni viies
koordinatiivne side moodustub valguga, kuues tavaliselt substraadiga3 klassi heeme1. Fe-protoporfüriin IX: lihtsaim heem, biosünteesi raja esimene produkt.
Esineb b-tüüpi tsütokroomides2. Heem A: üks Me oksüdeeritud formüüliks, vinüülrühm seotud
isoprenoidiga. Esineb a-tüüpi tsütokroomides3. Heem C: Mõlemad vinüülid on seotud tsõsteiinide kaudu valgu külge.
Esineb c-tüüpi tsütokroomides
a ja b tsütokroomid- integraalsed membraanivalgud c tsütokroom- integraalne või perifeerne
Redutseeritud Fe2+ jälgitav tsütokroomides adsorbtsioonspektriga (neelab 550-600 nm juures)
Fe-S klastrid2 põhilist klassi:
2Fe-2S: 2 Fe aatomit seotud 2 sulfiidsillaga ja iga Fe koordineeritud 2 Cys väävliga
4Fe-4S: 4 Fe aatomit seotud 4 sulfiidiga, 4 Cys valgu koosseisust samuti seotudMõlemis klastris Fe koordineeritud 4 S poolt
Fe-S klastrid on 1 elektronilise ülekandeprotsessi kandjadFe-S klastrid ei eksisteeri iseseisvalt vaid ainult valgu koosseisus
Fe-S klastri redokspotentsiaal varieerub suures ulatuses sõltudes konkreetsest keskkonnast (-650 mV ... +450 mV)
Elektronide liikumine on soodustatud madala potentsiaaliga doonoritelt (NADH; Eo´= -320 mV) kõrge potentsiaaliga akseptoritele (O2; Eo´=+820 mV)
Kasutades standardpotentsiaalide väärtusi on võimalik ennustada, kuidas elektronid liiguvad
Redokspotentsiaalid määravad ära ka elektronide liikumise hingamisahelas
NADH-> UQ-> cytb -> cytc1 -> cytc -> cyt (a/a3) -> O2
Sama järjekord on määratud eksperimentaalselt, kasutades inhibiitoreid, mis blokeerivad elektronide ülekandeahela konkreetses etapis
Elektronide ülekandeahel4 integraalset membraanikompleksi elektronide ülekande D/A
Kompleks I: NADH dehüdrogenaas NADH ubikinoonKompleks II: suktsinaadi dehüdrogenaas suktsinaat (FAD) ubikinoonKompleks III: tsütokroom bc1 ubikinoon tsütokroomcKompleks IV: tsütokroomi oksüdaas tsütokroomC O2
Kahes esimeses kompleksis on elektronide akseptoriks ubikinool. NADH on tugevam redutseerija, seetõttu on NADH dehüdrogenaasi reaktsioon seotud prootonite pumpamisega, suktsinaadi dehüdrogenaas pole võimeline seda tegema. Seetõttu on ATP saagis vastavate substraatide oksüderimisel erinev (2.5 ja 1.5 vastavalt)
Järgnevalt kantakse elektronid üle tsütokroom c hapnikule. Prootonite pumpamine toimub ka 2 viimase kompleksi töö tulemusel, iga kahe e- läbimisel on võimalik sünteesida 1.5 ATPd
NADH dehüdrogenaas (kompleks I)
Katalüüsitav reaktsioon:NADH + H+ +UQ -> NAD+ + UQH2
Samal ajal toimub prootonite pumpamine:Redoksring: 2 NADH oksüdeerimisel saadavat prootonit vabanevad intermembraansesse ruumi. 2 prootonit, mida on vaja UQ redutseerimisel tulevad maatriksist. Siit tuleb H+/e- suhe 1
Lisaks peab toimuma täiendav prootonite pumpamine, kokku elektronipaari kohta 4 prootonit
Kompleks I kasutab sisemist kofaktorite ahelat elektronide viimiseks NADH-lt UQ-leNADH -> FMN -> 2Fe-2S -> 2Fe-2S -> UQ
NB! Flaviin seob 2 ja 1 elektroni ülekande protsessid. UQH2 prootonid on pärit maatriksist
Suktsinaadi dehüdrogenaas (kompleks II)Katalüüsitav reaktsioon:Suktsinaat + UQ -> fumaraat + UQH2
Ei ole seotud prootonite pumpamisega, ehkki prootonid, mida seob UQ tulevad maatriksist. (vabanevad intermembraansesse ruumi tsütokroomil bc1)
Kasutatakse sisemist kofaktorite ahelat, kus elektronid liiguvad suktsinaadilt UQ-le
Suktsinaat -> FAD -> 2Fe-2S -> 4Fe-4S -> 4Fe-4S ->UQ
Kompleks II- TCA tsükli membraaniseoseline ensüüm
AtsüülCoA dehüdrogenaasid- osalevad rasvhapete-oksüdatsioonil. Loovutavad elekronid samuti UQ-le
G3P dehüdrogenaas- analoogiliselt, paikneb ainult tsütosooli poolelFLAVOPROTEIINID
Kompleks II struktuur on lihtsam kui kompleks I-l.
4 subühikut, neist 2 integraalsed membraanivalgud, 2 mitokondri maatriksis
5 prosteetilist rühma (FAD, 3 Fe-S klastrit, CoQ)
Elektronide ülekanne läbib 40 Å pikkuse tee, 5 elementaarülekannet
Tsütokroom bc1 (kompleks III)Katalüüsitav reaktsioon: UQH2 + 2cytc(Fe3+) -> UQ + 2H+ + 2cytc(Fe2+)Kompleks III pumpab samaaegselt prootoneid
1. Redoksring: 2 UQH2 oksüdeerimisel vabanevat prootonit lähevad intermembraansesse ruumi. Et kompleksis I või II saadi need prootonid maatriksist, on kokkuvõttes toimunud prootonite pumpamine maatriksist välja.
2. Täiendav prootonite pumpamine toimub Q tsükli abilN- membraani negatiivne pool (maatriks)P- positiivne pool (intermembraanne ruum)cytbL madala potentsiaaliga tsütokroom b (QP läheduses)cytbH kõrge potentsiaaliga tsütokroom b (QN läheduses)
Kompleks III 250 kDa, 9 – 10 polypeptides
Science (1998) v.281 p.64
Q tsükkel
Kompleksis III on kaks sisemist elektronide ülekandeahelat
1. UQH2 -> 2Fe-2S -> cyt c1 -> cyt c2. UQH• -> cyt bL -> cyt bH -> UQ
Mõlemad ahelad algavad kinooni oksüdeerimisega intermembraanse ruumi läheduses (QP)
Esimene elektron liigub tsütokroomile c üle Rieske valgu 2Fe-2S klastri, tekib semikinoon UQH• . Semikinooni redokspotentsiaal on madalam kui UQH2-l ja ta on võimeline redutseerima cyt bL , millelt elektronid liiguvad kiiresti cyt bH –le, mis asub membraani teisel küljel kinooni redutseerimissaidi QN juures maatriksi pool. Selles QN saidis toimub 2 etapiline UQ redutseerimine UQH2-ks.
Igas Q tsüklis toimub:
1. 2 UQH2 oksüdeerimine UQ-ks QP saidis, tekib 2 UQ, 4 H+ vabaneb intermembraansesse ruumi
2. 2 cyt c (Fe3+) redutseeritakse 2 cyt c (Fe2+), paiknevad intermembraanses ruumis
3. 1 UQ redutseeritakse UQH2-ks QN saidis, võttes 2 H+ maatriksist
2 UQH2 -> 2UQ + 4H+ + 4e-
1 UQ + 2H+ + 2 e- -> 1UQH2
2 cyt c (Fe3+) + 2e- -> 2 cyt c (Fe2+)
UQH2 + 2cyt c (Fe3+) -> UQ + 2H+ + 2 cyt c(Fe2+)Tsükliga kaasneb 2 prootoni pumpamine maatriksist intermembraansesse
ruumi iga bc1 kompleksi poolt oksüdeeritud ubikinooli kohta
Tsütokroomi oksüdaas (Kompleks IV)Katalüüsitav reaktsioon:4cyt c (Fe2+) + 4H+ + O2 -> 4 cyt c (Fe3+) + 2H2O
Samal ajal toimub prootonite pumpamine1. Redoksring : 4 hapniku redutseerimiseks vajalikku prootonit võetakse maatriksist2. Täiendavalt 4 prootonit pumbatakse iga redutseeritud O2 kohta
O2 redutseeritakse heemi a3 ja CuB läheduses. Heem a ja 2 CuA kasutatakse1. Tsütokroom c oksüdeerimiseks2. Elektronide ülekandeks O2 redutseerimissaiti (heem a3/CuB)
SCIENCE (1997) V. 280 p.1723
Kompleks IV-Tsütokroomi oksüdaas
170kDa dimeer, 13 polüpeptiidi
Elektrokeemiline gradient
Iga NADH oksüdeerimisega on seotud 10 prootoni pumpamine maatriksist välja: (NADH + H+) + ½ O2 + 10 H+
N -> NAD+ + H2O + 10 H+P
Elektrokeemililse gradiendi energia:G= RTln([M+]P/[M+]N) + ZF
Antud juhul G= RTln([H+]P/[H+]N) + ZF = =5.7 kJ/mol (pH) + 96.5 kJ/Vmol ()
Aktiivsete mitokondrite korral
pH = 0.75 = 150-200 mV
= 0.15-0.2 V
0.75 pH ühikut kõrgem kui P poolel
Järelikult, G= 4.3 kJ/mol + 14.5-23.6 kJ/mol = 18.8-23.6 kJ/mol
St. on vaja umbes 20 kJ energiat selleks et pumbata 1 mool prootoneid vastu elektrokeemilist gradienti mitokondrist välja, 10 prootoni pumpamiseks on vaja ligi 200 kJ energiat, mis on praktiliselt võrdne energiaga, mis vabaneb NADH oksüdeerimisel