Fosforylacja oksydacyjna

Fosforylacja oksydacyjna

i transport elektron

i transport elektron

ó

ó

w

w

Przepływ elektronów przez transbłonowe kompleksy białkowe powoduje

pompowanie protonów w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej.

• Funkcją transportu elektronów i fosforylacji oksydacyjnej

jest utlenianie NADH i FADH

2

oraz zatrzymywanie

uwolnionej energii w cząsteczkach ATP.

• U

eukariotów

transport elektronów i fosforylacja

oksydacyjna zachodzą w błonie mitochondrialnej, u

prokariotów

procesy te zachodzą w błonie komórkowej.

Elektrony są przenoszone z NADH do O2 poprzez ustawione w łańcuch trzy

wielkie kompleksy białkowe o nazwie:

reduktaza NADH-Q

,

reduktaza

cytochromowa

i

oksydaza cytochromowa

.

Do grup przenoszących elektrony

należą

flawiny

,

centra żelazowo-

siarczkowe

,

hemy

i

jony miedzi

.

Ubichinon również przenosi elektrony z
FADH2 (wytworzonego np.podczas
utleniania bursztynianu w cyklu kw.
cytrynowego) do reduktazy
cytochromowej

.

Małe białko, cytochrom c, przerzuca

elektrony z reduktazy cytochromowej

na oksydazę cytochromową będąca

końcowym składnikiem łańcucha

.

Reduktaza NADH-Q, reduktaza bursztynian-Q,
reduktaza cytochromowa oraz

oksydaza cytochromowa noszą

również odpowiednio nazwy:

kompleks I, II,

III i IV

.

FMN

FMNH

2

NADH + H

+

+ FMN → FMNH

2

+ NAD

+

Elektrony przenoszone są z reduktazy NADH-Q do drugiego kompleksu

białkowego, reduktazy cytochromowej, przez zredukowana formę

ubichinonu ( koenzymu Q)

.

Zredukowana forma

koenzymu Q

10

(zredukowany CoQ

10

)

Utleniona forma

koenzymu Q

10

(utleniony CoQ

10

)

Cytochrom b

Cytochrom c

1

, c

W cytochromie c i c

1

hem wiąże się

kowalencyjnie z 2 bocznymi

łańcuchami reszt cysteinowych

Cytochromy a, a

3

2 Cu

+2

Łańcuch transportu elektronów

(łańcuch oddechowy)

Elektrony są przekazywane z NADH na

FMN

, grupę prostetyczną reduktazy

NADH-Q, pierwszego z trzech kompleksów. Reduktaza ta zawiera również
centra

Fe-S

. Następnie elektrony te pojawiają się w

QH

2

, zredukowanej

formie ubichinonu (Q). Ten bardzo ruchliwy hydrofobowy przenośnik oddaje
swoje elektrony na reduktazę cytochromową, kompleks, w którego skład
wchodzą cytochromy b i c1 oraz centrum Fe-S. Ten drugi kompleks
redukuje cytochrom c, peryferyczne białko błonowe rozpuszczalne w
wodzie.

Etap 1

Etap 2

Cytochrom c, podobnie jak Q, jest ruchliwym przenośnikiem elektronów,
przenoszącym elektrony na oksydazę cytochromową.

Ten trzeci kompleks zawiera cytochromy a i a

3

oraz dwa jony miedzi.

Znajdujące sie w oksydazie żelazo niehemowe i jon miedzi, przekazują
elektrony na końcowy akceptor, którym jest O

2

, i tworzy się H

2

O.

Etap 3

Przepływ elektronów przez każdy z trzech kompleksów prowadzi do pompowania
protonów ze strony matriksowej na cytoplazmatyczna stronę wewnętrznej błony
mitochondrialnej. W wyniku tego tworzy się siła protonomotoryczna złożona z
gradientu pH (strona cytoplazmatyczna jest kwaśna) i potencjału błonowego
(strona cytoplazmatyczna ma ładunek dodatni). Powrotny przepływ protonów
przez syntazę ATP do matriks jest siła napędową syntezy ATP.

Kompleks enzymatyczny

syntazy ATP

składa się z hydrofobowej podjednostki

F

0

, przewodzącej protony przez błonę i hydrofilowej podjednostki F

1

katalizującej

syntezę ATP kolejno w trzech miejscach. Protony przepływające przez syntazę
ATP uwalniają ściśle z nią związaną cząsteczkę ATP.

Czółenko

glicerolo-3-fosforanowe

•

Przenośnikiem elektronów jest

glicerolo-3-fosforan

, związek łatwo dyfundujący

przez kanały poryny w zewnętrznej błonie mitochondrialnej.

•

Pierwszym etapem tego dwukierunkowego procesu jest przeniesienie elektronów z

NADH na fosfodihydroksyaceton i przeksztalcenie go w cytoplazmie w glicero-3-

fosforan (

enzym: dehydrogenaza glicerolo-3-fosforanowa

).

•

Glicerolo-3-fosforan zostaje ponownie utleniony do fosfodihydroksyacetonu na

zewnętrznej stronie wewnętrznej błony mitochondrialnej, w rezultacie przeniesienia

pary elektronów z glicerolo-3-fosforanu na FAD - grupę prostetyczna dehydrogenazy

glicerolowej.

•

Fosfodihydroksyaceton utworzony podczas utleniania glicerolo-3-fosforanu

dyfunduje następnie z powrotem do cytoplazmy i w ten sposób cykl się zamyka.

Czółenko

glicerolo-3-fosforanowe

Ceną za możliwość użycia takiego transportu jest jedna cząsteczka ATP na dwa
elektrony.

Czółenko glicerolo-fosforanowe

jest szczególnie aktywne w

mięśniach skrzydłowych owadów, które mogą utrzymywać bardzo dużą
szybkość fosforylacji oksydacyjnej.

W sercu i w wątrobie elektrony z cytoplazmatycznego NADH są
przenoszone do mitochondriów za pomocą

czółenka jabłczanowo-

asparaginianowego

, w którym uczestniczą dwa nośniki błonowe i cztery

enzymy.

Przepływ dwóch elektronów przez:

• reduktazę NADH-Q

• reduktazę cytochromową

• oksydazę cytochromową

generuje gradient wystarczający do syntezy –odpowiednio

1

;

0,5

i

1

cząsteczki ATP.

• Podczas utleniania jednej cząsteczki NADH w matriks

mitochondrialnej,tworzą się

2,5

cząsteczki ATP.

• 1,5

cząsteczki ATP powstaje podczas utleniania FADH

2

, ponieważ

oddaje on elektrony na łańcuch oddechowy przy QH

2

, a wiec za

pierwszym miejscem pompowania protonów.

• Podczas utleniania cytoplazmatycznego NADH również

syntetyzowane jest tylko

1,5

cząsteczki ATP, ponieważ elektrony

przenoszone przez czółenko glicerolo-fosforanowe wchodzą na

łańcuch oddechowy przy drugim miejscu pompowania protonów.

Miejsce działania wybranych inhibitorów

transportu elektronów

Struktury wybranych inhibitorów

transportu elektronów

Podsumowanie

• W procesie fosforylacji oksydacyjnej synteza ATP jest sprzężona z

przepływem elektronów od NADH lub FADH

2

do O

2

, poprzez gradient

protonowy wytworzony w poprzek wewnętrznej błony
mitochondrialnej

.

• Przepływ elektronów przez trzy asymetrycznie zorientowane

kompleksy transbłonowe powoduje wypompowywanie protonów z
matriks mitochondrialnej i prowadzi do tworzenia się potencjału
błonowego.

• Synteza ATP zachodzi wtedy, gdy protony przepływają z powrotem

do matriks przez kanał w kompleksie syntetyzującym ATP,
nazywanym

syntazą ATP (ATPazą).

• Podczas całkowitego utleniania cząsteczki glukozy do CO

2

i H

2

O

tworzy się

30 cz

30 cz

ą

ą

steczek ATP

steczek ATP.