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 wewn

ę

trznej błony mitochondrialnej.

• Funkcj

ą

transportu elektronów i fosforylacji oksydacyjnej

jest utlenianie NADH i FADH

2

oraz zatrzymywanie

uwolnionej energii w cz

ą

steczkach ATP.

• U

eukariotów

transport elektronów i fosforylacja

oksydacyjna zachodz

ą

w błonie mitochondrialnej, u

prokariotów

procesy te zachodz

ą

w błonie komórkowej.

Elektrony s

ą

przenoszone z NADH do O2 poprzez ustawione w ła

ń

cuch trzy

wielkie kompleksy białkowe o nazwie:

reduktaza NADH-Q

,

reduktaza

cytochromowa

i

oksydaza cytochromowa

.

Do grup przenosz

ą

cych elektrony

nale

żą

flawiny

,

centra

ż

elazowo-

siarczkowe

,

hemy

i

jony miedzi

.

Ubichinon równie

ż

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 oksydaz

ę

cytochromow

ą

b

ę

d

ą

ca

ko

ń

cowym składnikiem ła

ń

cucha

.

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

oksydaza cytochromowa nosz

ą

równie

ż

odpowiednio nazwy:

kompleks I, II,

III i IV

.

NADH + H

+

+ FMN

→

FMNH

2

+ NAD

+

FMN

FMNH

2

Utleniona forma

koenzymu Q

10

(utleniony CoQ

10

)

Zredukowana forma

koenzymu Q

10

(zredukowany CoQ

10

)

Elektrony przenoszone s

ą

z reduktazy NADH-Q do drugiego kompleksu

białkowego, reduktazy cytochromowej, przez zredukowana form

ę

ubichinonu ( koenzymu Q)

.

Cytochrom b

reduktaza cytochromowa

Cytochrom c

1

, c

W cytochromie c

1

i c hem wi

ąż

e si

ę

kowalencyjnie z 2 bocznymi

ła

ń

cuchami reszt cysteinowych

Cytochromy a, a

3

2 Cu

+2

1) grupa formylowa

2) Ła

ń

cuch w

ę

glowodorowy C

15

3) Hem nie jest kowalencyjnie

zwi

ą

zany

Hem a
Hem a

3

oksydaza cytochromowa

Ła

ń

cuch transportu elektronów

(ła

ń

cuch oddechowy)

Elektrony s

ą

przekazywane z NADH na

FMN

, grup

ę

prostetyczn

ą

reduktazy

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

ż

centra

Fe-S

. Nast

ę

pnie elektrony te pojawiaj

ą

si

ę

w

QH

2

, zredukowanej

formie ubichinonu (Q). Ten bardzo ruchliwy hydrofobowy przeno

ś

nik oddaje

swoje elektrony na reduktaz

ę

cytochromow

ą

, kompleks, w którego skład

wchodz

ą

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 przeno

ś

nikiem elektronów,

przenosz

ą

cym elektrony na oksydaz

ę

cytochromow

ą

.

Ten trzeci kompleks zawiera cytochromy a i a

3

oraz dwa jony miedzi.

Znajduj

ą

ce sie w oksydazie

ż

elazo niehemowe i jon miedzi, przekazuj

ą

elektrony na ko

ń

cowy akceptor, którym jest O

2

, i tworzy si

ę

H

2

O.

Etap 3

Przepływ elektronów przez ka

ż

dy z trzech kompleksów prowadzi do pompowania

protonów ze strony matriksowej na cytoplazmatyczna stron

ę

wewn

ę

trznej błony

mitochondrialnej. W wyniku tego tworzy si

ę

siła protonomotoryczna zło

ż

ona z

gradientu pH (strona cytoplazmatyczna jest kwa

ś

na) i potencjału błonowego

(strona cytoplazmatyczna ma ładunek dodatni). Powrotny przepływ protonów
przez syntaz

ę

ATP do matriks jest siła nap

ę

dow

ą

syntezy ATP.

Kompleks enzymatyczny

syntazy ATP

składa si

ę

z hydrofobowej podjednostki

F

0

, przewodz

ą

cej protony przez błon

ę

i hydrofilowej podjednostki F

1

katalizuj

ą

cej

syntez

ę

ATP kolejno w trzech miejscach. Protony przepływaj

ą

ce przez syntaz

ę

ATP uwalniaj

ą ś

ci

ś

le z ni

ą

zwi

ą

zan

ą

cz

ą

steczk

ę

ATP.

•

Przeno

ś

nikiem elektronów jest

glicerolo-3-fosforan

, zwi

ą

zek łatwo dyfunduj

ą

cy

przez kanały poryny w zewn

ę

trznej 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
zewn

ę

trznej stronie wewn

ę

trznej błony mitochondrialnej, w rezultacie przeniesienia

pary elektronów z glicerolo-3-fosforanu na FAD - grup

ę

prostetyczna dehydrogenazy

glicerolowej.

•

Fosfodihydroksyaceton utworzony podczas utleniania glicerolo-3-fosforanu

dyfunduje nast

ę

pnie z powrotem do cytoplazmy i w ten sposób cykl si

ę

zamyka.

Czółenko

glicerolo-3-fosforanowe

Czółenko

glicerolo-3-fosforanowe

Cen

ą

za mo

ż

liwo

ść

u

ż

ycia takiego transportu jest jedna cz

ą

steczka ATP na dwa

elektrony.

Czółenko glicerolo-fosforanowe

jest szczególnie aktywne w

mi

ęś

niach skrzydłowych owadów, które mog

ą

utrzymywa

ć

bardzo du

żą

szybko

ść

fosforylacji oksydacyjnej.

W sercu i w w

ą

trobie elektrony z cytoplazmatycznego NADH s

ą

przenoszone do mitochondriów za pomoc

ą

czółenka jabłczanowo-

asparaginianowego

, w którym uczestnicz

ą

dwa no

ś

niki błonowe i cztery

enzymy.

Przepływ dwóch elektronów przez:

•

reduktaz

ę

NADH-Q

•

reduktaz

ę

cytochromow

ą

•

oksydaz

ę

cytochromow

ą

generuje gradient wystarczaj

ą

cy do syntezy –odpowiednio

1

;

0,5

i

1

cz

ą

steczki ATP.

•

Podczas utleniania jednej cz

ą

steczki NADH w matriks

mitochondrialnej,tworz

ą

si

ę

2,5

cz

ą

steczki ATP.

• 1,5

cz

ą

steczki ATP powstaje podczas utleniania FADH

2

, poniewa

ż

oddaje on elektrony na ła

ń

cuch oddechowy przy QH

2

, a wiec za

pierwszym miejscem pompowania protonów.

•

Podczas utleniania cytoplazmatycznego NADH równie

ż

syntetyzowane jest tylko

1,5

cz

ą

steczki ATP, poniewa

ż

elektrony

przenoszone przez czółenko glicerolo-fosforanowe wchodz

ą

na

ła

ń

cuch oddechowy przy drugim miejscu pompowania protonów.

Miejsce działania wybranych inhibitorów

transportu elektronów

Struktury wybranych inhibitorów

transportu elektronów

•

W procesie fosforylacji oksydacyjnej synteza ATP jest sprz

ęż

ona z

przepływem elektronów od NADH lub FADH

2

do O

2

, poprzez gradient

protonowy wytworzony w poprzek wewn

ę

trznej błony

mitochondrialnej

.

•

Przepływ elektronów przez trzy asymetrycznie zorientowane

kompleksy transbłonowe powoduje wypompowywanie protonów z

matriks mitochondrialnej i prowadzi do tworzenia si

ę

potencjału

błonowego.

•

Synteza ATP zachodzi wtedy, gdy protony przepływaj

ą

z powrotem

do matriks przez kanał w kompleksie syntetyzuj

ą

cym ATP,

nazywanym

syntaz

ą

ATP (ATPaz

ą

).

•

Podczas całkowitego utleniania cz

ą

steczki glukozy do CO

2

i H

2

O

tworzy si

ę

30 cz

30 cz

ą

ą

steczek ATP

steczek ATP.

Podsumowanie