FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA

ŁAŃCUCH TRANSPORTU e

Proces syntezy ATP zachodzący w wyniku przeniesienia e

cytrynowego – cyklu Krebsa) na O

2

przez szereg przenośników

Błona zewnętrzna jest łatwo przepuszczalna dla większości zw, cząsteczek i jonów ze względu na obecność

białka tworzącego por – mitochondrialnej poryny

Błona wewnętrzna jest nieprze

przenoszone jedynie przez rodziny transbłonowych kompleksów błonowych

Dwie błony określamy mianem:

Matriks ma ładunek ujemny ponadto wykazuje pH zasadowe.

U prokariontów syntaza ATP jest umiejscowiona w błonie matriksowa

Mitochondria u eukariontów powstały na drodze endosymbiozy z

prowazekii – zawierają własne DNA, kodujący własne białka, RNA i rybosomy 70S

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA –

ŁAŃCUCH TRANSPORTU e

–

– ODDYCHANIE KOMÓRKOWE

Proces syntezy ATP zachodzący w wyniku przeniesienia e

–

z NADH lub FADH

2

przez szereg przenośników e

–

. Zachodzi w mitochondrium

Błona zewnętrzna jest łatwo przepuszczalna dla większości zw, cząsteczek i jonów ze względu na obecność

mitochondrialnej poryny – kanał anionowy zależny od potencjału

jest nieprzepuszczalna prawie dla wszystkich jonów i cz polarnych, które mogą być

przenoszone jedynie przez rodziny transbłonowych kompleksów błonowych – nośników.

Strona cytoplazmatyczna, strona P

Strona matriksowa, strona N

ma ładunek ujemny ponadto wykazuje pH zasadowe.

TP jest umiejscowiona w błonie matriksowa, czyli bardziej wewnętrznej.

Mitochondria u eukariontów powstały na drodze endosymbiozy z bakteriami purpurowymi

zawierają własne DNA, kodujący własne białka, RNA i rybosomy 70S.

–

ODDYCHANIE KOMÓRKOWE

2

(wytworzone w cyklu kwasu

w mitochondrium.

Błona zewnętrzna jest łatwo przepuszczalna dla większości zw, cząsteczek i jonów ze względu na obecność

kanał anionowy zależny od potencjału – VDAC.

puszczalna prawie dla wszystkich jonów i cz polarnych, które mogą być

Strona cytoplazmatyczna, strona P – positive

matriksowa, strona N – negative

, czyli bardziej wewnętrznej.

bakteriami purpurowymi – Rickettsia

Podczas fosforylacji oksydacyjnej potencjał przenoszenia e

–

NADH lub FADH

2

ulega przekształceniu w potencjał

przenoszenia fosforanów ATP. Miarą tego przenoszenia jest ΔG

o

’ hydrolizy zaktywowanego zw fosforanowego.

Wartością określającą potencjał przenoszenia e

–

jest potencjał redoks – oksydoredukcyjny = E

0

’.

ΔG

o

’ = - nF ΔE

0

’

n – liczba przeniesionych e

–

F – stała Faradaya = 96,48 kJ/mol ∙V

Substancja o + potencjale redukcyjnym E

0

’ wykazuje większe powinowactwo do e

–

niż H

2

.

Substancja o – potencjale redukcyjnym E

0

’ wykazuje mniejsze powinowactwo do e

–

niż H

2

.

Zatem silne reduktory (np. NADH) wykazują ujemny E

0

’.

A silne utleniacze(np. O

2

) mają E

0

’ dodatni.

Zmianę energii swobodnej ΔG

o

’ można wyliczyć z potencjałów redukcyjnych reaktantów:

A

Pirogronian + NADH + H

+

mleczan + NAD

+

Pirogronian + 2H

+

+ 2e

–

mleczan

E

0

’ = -0,19V

B

NAD

+

+ H

+

+ 2e

–

NADH

E

0

’ = -0,32V

C

Ponieważ C w reakcji A biegnie w przeciwnym kierunku, po dodaniu obu reakcji B + (-C) otrzymamy reakcję A


Wartość energii swobodnej dla B:

ΔG

o

’ = -2 ∙ 96,48kj/mol∙V ∙ (-0,19V) = +36,7 kJ/mol

Wartość energii swobodnej dla -C:

ΔG

o

’ = -2 ∙ 96,48kj/mol∙V ∙ (+0,32V) = -61,8 kJ/mol

Wartość energii swobodnej dla A:

ΔG

o

’ = ΔG

o

’

B

+ ΔG

o

’

-c

=

+36,7 + (-61,8) = -25,1 kJ/mol (-6,0 kcal/mol)

Siłą napędzającą fosforylację oksydacyjną jest potencjał przenoszenia e

–

NADH lub FADH

2

do O

2

,

który wynosi -220,1 kJ/mol.



Natomiast energia swobodna przeniesienia 1 H

+

z matriks do cytozolu wynosi 21,8 kJ/mol

W skład łańcucha oddechowego wchodzą 4

I, III, IV tworzą kompleks supramolekularny zwany

e

–

przenoszone są z I - oksydoreduktazy NADH

ubichinonu (jego zredukowaną formę
wewnętrznej błonie mitochondrium. Następnie małe białko
cytochrom c na oksydazę cytochromu c
redukcję O

2

.

Ubichinon występuje w 3 formach utlenienia:

e

–

z FADH

2

(generowane przez dehydrogenazę bursztynianową

następnie do kompleksu oksydoreduktazy Q

Oksydoreduktaza NADH – Q = kompleks I
Zawiera 2 grupy prostetyczne

FMN

Centra żelazowo

e

–

pochodzące z NADH wprowadzane są na

następnie przez szereg centrów Fe – S do koenzymu Q.
Przeniesione zostaje 2 e

–

oraz zostają wypompowane 4H

i ulega redukcji do QH

2

.

NADH + Q + 5H

+

matriks

QH

2

opuszcza enzym i przechodzi do hydrofobowego wnętrza błony.

Utlenienie 1 cz NADH dostarcza 2,5 cz ATP

W skład łańcucha oddechowego wchodzą 4 kompleksy:

3 pompy protonowe

I

– Oksydoreduktaza NADH

III

– Oksydoreduktaza Q

IV

– Oksydaza cytochromu c (cytochromowa)

kompleks fizycznie związany z cyklem Krebsa

II

– reduktaza bursztynian

I, III, IV tworzą kompleks supramolekularny zwany - respirasomem

oksydoreduktazy NADH – Q na III – oksydoreduktazę Q –

(jego zredukowaną formę – koenzym Q

10

– u ssaków) – jako hydrofobowy szybko dyfunduje w

wewnętrznej błonie mitochondrium. Następnie małe białko – cytochrom c przerzuca

oksydazę cytochromu c, która jest ostatnim składnikiem łańcucha oddechowego, katalizującym

Ubichinon występuje w 3 formach utlenienia:

Całkowicie utleniony ubichinon – Q

Koenzym Q – QH∙

Dwie grupy ketonowe – ubichinon – QH

2

zez dehydrogenazę bursztynianową – cykl Krebsa) są najpierw przenoszo

oksydoreduktazy Q – cytochrom c.

Q = kompleks I – kodowany przez geny mitochondrialne i jądrowe.

FMN
Centra żelazowo – siarkowe:

2Fe – 2S

4Fe

pochodzące z NADH wprowadzane są na MA – FMN oksydoreduktazy NADH

S do koenzymu Q.

wypompowane 4H

+

z matriks mitochondrialnej. Koenzym Q pobiera 2H

NAD

+

+ QH

2

+ 4H

+

cytozol

opuszcza enzym i przechodzi do hydrofobowego wnętrza błony.

Utlenienie 1 cz NADH dostarcza 2,5 cz ATP

Oksydoreduktaza NADH – Q
Oksydoreduktaza Q – cytochrom c
Oksydaza cytochromu c (cytochromowa)

kompleks fizycznie związany z cyklem Krebsa

a bursztynian – Q

– cytochrom c za pomocą Q –

jako hydrofobowy szybko dyfunduje w

przerzuca e

–

z oksydoreduktazy Q –

łańcucha oddechowego, katalizującym

cykl Krebsa) są najpierw przenoszone na Q, a

kodowany przez geny mitochondrialne i jądrowe.

4Fe – 4S

NADH – Q (powstaje FMNH

2

) a

z matriks mitochondrialnej. Koenzym Q pobiera 2H

+

oraz 2e

–

Ponadto FADH

2

łączy się z kompleks

(w skład którego wchodzi enzym cyklu Krebsa
który jest integralnym białkiem błony wew mitochondrium;
przekazuje swoje 2e

–

na centra Fe – S a na następnie na Q, który dalej przeka

je na łańcuch oddechowy.

BURSZTYNIAN + Q + FADH

2

HQ

Kompleks reduktazy bursztynian – Q

w przeciwieństwie do kompleksu I

nie przenosi protonów, wobec czego powstaje mniej cz ATP,
niż podczas utleniania NADH.

Z 1 cz FADH

2

powstaje 1,5 cz ATP

Cykl Q

Następnie QH

2

łączy się z kolejną pompą protonową łańcucha oddechowego

cytochrom c, zwaną również kompleksem III. Zadaniem kompleksu III
katalizowanie przeniesienia 2e

–

na cytochrom c

protonów do matriks mitochondrialnej. Kompleks III jest o połowę mniej wydajny w przenoszeniu protonów niż
oksydoreduktaza NADH – koenzym Q.



QH

2

+ 2cyt c

utl

+ 2H

+

matriks

Q + 2cyt c

Ostatnią pompą protonową jest

zredukowanego cytochromu c na cząsteczkę O

Oksydaza cytochromowa składa się z 13 jednostek (z cz

zawiera dwa hemy A (a i a

3

) oraz 3 jony miedzi( Cu

Cytochrom c przekazuje e

–

na Cu

przeniesiony na Cu

B

, który przenosi go na O

zredukowany do H

2

O. Aby tego dokonać

także zaangażowane musi być 4H

+

, powstaje

kolejnych 4 protonów dają H

2

O. Oksydaza cytochromowa

H

+

do cytozolowej części błony –

te H

+

podwajają wydajność magazynowania energii swobodnej,

w postaci gradientu protonowego na końcowym etapie
łańcucha transportu elektronów.



4cyt c

zred

+ 8H

+

matriks

+ O

2

4cyt c

kompleksem reduktazy bursztynian – Q – II

(w skład którego wchodzi enzym cyklu Krebsa = dehydrogenaza bursztynianowa),

ałkiem błony wew mitochondrium;

S a na następnie na Q, który dalej przekazuje

HQ

2

+ FUMARAN + FAD

w przeciwieństwie do kompleksu I

nie przenosi protonów, wobec czego powstaje mniej cz ATP,

łączy się z kolejną pompą protonową łańcucha oddechowego

, zwaną również kompleksem III. Zadaniem kompleksu III – oksydoreduktazy Q

cytochrom c (cyt c – białka rozpuszczalnego w wodzi

matriks mitochondrialnej. Kompleks III jest o połowę mniej wydajny w przenoszeniu protonów niż

Q + 2cyt c

zred

+ 4H

+

cytozol

Ostatnią pompą protonową jest oksydaza cytochromowa – kompleks IV.

zredukowanego cytochromu c na cząsteczkę O

2

.

składa się z 13 jednostek (z czego 3 koduje genom mitochondrialny). Pompa ta

) oraz 3 jony miedzi( Cu

A

/Cu

A

oraz Cu

B

).

na Cu

A

/Cu

A

, następnie na hem a, następnie na hem

, który przenosi go na O

2

. Hem a

3

oraz Cu

B

tworzą centrum aktywne enzymu, w którym O

O. Aby tego dokonać oksydaza cytochromowa musi związać kolejno 4 cząsteczki

powstaje przejściowo najpierw nadtlenek O

2

2-

następnie OH

Oksydaza cytochromowa przenosi „nadmiarowe”

podwajają wydajność magazynowania energii swobodnej,

w postaci gradientu protonowego na końcowym etapie

4cyt c

utl

+ 2H

2

O + 4H

+

cytozol

łączy się z kolejną pompą protonową łańcucha oddechowego – oksydoreduktazą Q –

oksydoreduktazy Q – cytochrom c jest

białka rozpuszczalnego w wodzie) oraz wypompowanie

matriks mitochondrialnej. Kompleks III jest o połowę mniej wydajny w przenoszeniu protonów niż

kompleks IV. Pompa ta przenosi e

–

ze

ego 3 koduje genom mitochondrialny). Pompa ta

, następnie na hem a

3

, by z niego został

tworzą centrum aktywne enzymu, w którym O

2

zostaje

musi związać kolejno 4 cząsteczki cytochromu c a

następnie OH

-

, które po związaniu

Ostatnim, końcowym elementem fosforylacji oksydacyjnej jest kompleks V – syntaza ATP. Na podstawie

badań nad bakteriorodopsyną wysnuto wniosek, że łańcuch oddechowy oraz synteza ATP są biochemicznie
oddzielnymi układami, związanymi jedynie poprzez siłę protonomotoryczną.

ADP + P

i

+ 4H

+

cytozol

ATP + H

2

O + 4H

+

matriks

Związana z enzymem – syntazy ATP – cząsteczka ATP tworzy się pod nieobecność siły protonomotorycznej. Tak

więc rolą gradientu protonowego nie jest udział w syntezie ATP, lecz dysocjacja ATP od enzymu.

Syntaza ATP – ATPaza F

0

F

1

Podjednostkę

F

1

buduje pięć rodzajów łańcuchów polipeptydowych:

α

3

β

3

γ δ ε

α i β są względem siebie homologiczne – należą do NTPaz typu P
γ – ma długą α–heliakalną część sięgająca środka heksametru α

3

β

3

,

co narusza jego symetrię: każda z podjednostek β oddziałuje z inną
stroną γ, dzięki czemu każda β ma inną konformację.

Podjednostka

F

0

jest segmentem hydrofobowym, zakotwiczonym w

błonie mitochondrialnej. Zawiera kanał protonowy. Składa się on z
pierścienia 10 – 14 zanurzonych w błonie podjednostek c, od strony
zew pierścienia przylega jedna podjednostka a.

Segmenty F

0

i F

1

połączone są za pomocą centralnego trzonka γε oraz

przez zew kolumnę zbudowaną z 1 podjednostki a, 2 podjednostek b
i podjednostki δ.

Pierścień podjednostek c oraz trzonek γε tworzą specyficzny rotor –
wirnik – jednostkę ruchomą syntazy ATP. Ruch obrotowy tej części
odpowiada za syntezę ATP.

Jedna z podjednostek syntazy ATP – γ obraca się oddziałując na 3 podjednostki β:

β przyjmuje konformację L – luźną – która wiąże ADP i P

i

.

β w konformacji T – ściśniętej – tak mocno wiąże ATP, że z ADP i P

i

powstaje właśnie ATP.

β w konformacji O – otwartej – wypuszcza nowopowstałą cz ATP i umożliwia ponowne związanie ADP i P

i

.

Podjednostka γ obracając się o 120

o

zmienia konformacje 3 podjednostek β:

β – L

ó 
 
  



౥

β – T

ó 
 
  



౥

  ż 

౥



β – O

ó 
 
  



౥

  ż 

౥



β – L

Synteza i odłączanie ATP zachodzi tylko wtedy, gdy podjednostka γ obraca się w odpowiednim kierunku.

Energii do obrotu o 120

o

dostarcza hydroliza 1 cz ATP, bądź też przepływ H

+

– gradient protonowy.

Ruch obrotowy podjednostki γ wywołany jest obracającym się pierścieniem podjednostek

c

(których jest 10 –

14), w którym kluczową role odgrywa reszta asparaginianu 61, która w środowisku hydrofilowym za pomocą półkanału

w podjednostce

a

oddaje protony. Dzięki temu protony po stronie cytozolowej (zgromadzone tam za pomocą

łańcucha transportu e

–

) wchodzą do półkanału strony cytozolowej – hydrofilowej – w podjednostce a i wiążą się z Asp

61 – podjednostka związana z protonem obraca się tak długo, dopóki nie przejdzie on do drugiego półkanału –
matriksowego – który leży w środowisku ubogim w protony, następuje uwolnienie H

+

do matriks mitochondrium.

Każdy obrót podjednostki γ o 360

o

powoduje syntezę i uwolnienie 3 cz ATP. Zatem jeśli w pierścieniu znajduje

się 10 podjednostek c , to każda wytworzona cz ATP wymaga transportu – 10/3 ≈ 3,33 protonów.