background image

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA  

 

 

Proces  syntezy  ATP  zachodzący  w  wyniku  przeniesienia  elektronów  z  NADH  lub 

FADH2 na tlen przez szereg przenośników elektronów nazywamy fosforylacją oksydacyjną. 
Przepływ elektronów z NADH i FADH2 na tlen przez kompleksy białkowe umiejscowione w 
wewnętrznej  błonie  mitochondriów  powoduje  wypompowanie  protonów  z  matriks 
mitochondrialnej.  Wytworzona  siła  protonomotoryczna  składa  się  z  gradientu  pH  i 
transbłonowego  potencjału  elektrycznego.  Synteza  ATP  zachodzi  na  skutek  przepływu 
protonów przez kompleks enzymatyczny z powrotem do matrix.  
 

 

Utlenianie  jednostek  węglowych  w  cyklu  kwasu  cytrynowego  daje  elektrony  o  wysokim 
potencjale  przenoszenia.  Następnie  siła  elektromotoryczna  zostaje  przekształcona  w  siłę 
protonomotoryczną  potem  zostaje  przekształcona  w  potencjał  przenoszeniu  fosforanów. 
Przekształcenie siły elektromotorycznej w siłę protonomotoryczną zachodzi z udziałem trzech 
pomp  protonowych  napędzanych  elektronami:  oksydoreduktaza  NADH-Q,  oksydoreduktaza 
Q- cytochrom c i oksydazy cytochromu c. w skład tych wielkich kompleksów transbłonowych 
wchodzą  złożone  centra  oksydoredukcyjne  zawierające  chinony,  flawiny,  centra  żelazo  – 
siarkowe, hemy i jony miedzi. W końcowej fazie uczestniczy syntaza ATP.  
 
Elektrony  z  NADH  wprowadzone  są  do  łańcucha  oddechowego  na  poziomie 
oksydoreduktazy NADH – Q. Oksydoreduktaza ma kształt litery L, jej ramię poziome leży w 
błonie, a ramię pionowe skierowane jest do matriks. Pierwszym etapem jest związanie NADH 
i  przeniesienie  jego  dwóch  elektronów  o  wysokim  potencjale  na  grupę  prostetyczną  FMN, 
który  przechodzi  w  formę  zredukowaną  FMNH2.  Flawiny  i  chinony  wiążą  protony  gdy 
ulegają  redukcji.  FMN  może  też  przyjmować  jeden  elektron  zamiast  dwóch,  tworząc 
pośrednią  formę  rodnika  semichinonowego.  Akceptorem  elektronów  w  FMN  jest  pierścień 
izoalloksazynowy.  Elektrony  z  FMNH2  zostają  następnie  przekazane  na  szereg  centrów 
żelazo – siarkowych stanowiących drugi typ grup prostetycznych oksydoreduktazy NADH-Q. 

 

Elektrony  z  centrów  żelazo  –  siarkowych  oksydoreduktazy  NADH-Q  są  następnie 
przekazywane  na  koenzym  Q.  Przejście  dwóch  elektronów  z  NADH  do  koenzymu  Q  za 
pośrednictwem  oksydoreduktazy  NADH-Q  powoduje  wypompowanie  czterech  jonów 
wodorowych  z  matriks  mitochondrialnej.  Elektrony  te  przechodzą  wewnątrz  ramienia 
pionowo przez trzy centra 4Fe-4S, a następnie przez Q związany z białkiem. Redukcja Q do 
QH2  powoduje  pobranie  dwóch  protonów  z  matriks.  Para  elektronów  przechodzi  z  QH2 
związanego z białkiem do centrum  2Fe-2S, a protony uwalniane są po stronie cytozolowej. 
Następnie elektrony te zostają przeniesione do ruchomej puli Q czyli cząsteczek znajdujących 

background image

się w hydrofobowym rdzeniu błony co powoduje pobranie dwóch dodatkowych protonów z 
matriks.  

 

 

Dehydrogenaza  bursztynianowa,  enzym  cyklu  kwasu  cytrynowego  który  tworzy  FADH2 
podczas  utleniania  bursztynianu  do  fumaranu  stanowi  część  kompleksu  reduktazy 
bursztynianQ.  Kompleks  ten  jest  integralną  częścią  wewnętrznej  błony  mitochondrialnej. 
FADH2  nie  opuszcza  kompleksu  II.  Jego  elektrony  przenoszone  są  przez  centra  Fe-S,  a 
następnie na Q który przekazuje je dalej. Kompleks reduktaza bursztynian-Q oraz pozostałe 
enzymy przenoszące elektrony z FADH2 na Q nie pompują protonów.  
Drugą  z  trzech  pomp  protonowych  jest  oksydoreduktaza  Q  cytochrom  c.  Cytochrom  jest 
białkiem  transportującym  elektrony,  które  zawiera  hem  jako  grupę  prostetyczną.  Podczas 
transportu  elektronów  jon  żelaza  cytochromu  przechodzi  ze  stanu  zredukowanego  do  stanu 
utlenionego  +3.  Funkcją  oksydoreduktazy  Q-cytochrom  c  jest  katalizowanie  przeniesienia 
elektronów  z  QH2  do  utlenionego  cytochromu  c,  białka  rozpuszczalnego  w  wodzie,  oraz 
równoczesne wypompowanie protonów z matriks mitochondrialnej.  
Oksydoreduktaza  Q  cytochrom  c  jest  dimerem  a  każdy  jej  monomer  składa  się  z  11 
podjednostek. Enzym ten zawiera trzy hemy wbudowane w dwie podjednostki w cytochromie 
b  znajdują  się  dwa  hemy  bL  i  bH,  a  w  cytochromie  c1  znajduje  się  jeden  typ  hem  typu  c. 
Grupą prostetyczną cytochromów b, c i c1 jest żelazoporfiryna IX. Hemy cytochromów c i c1 
są związane z białkiem kowalencyjnie. Są to  wiązania tioestrowe, które  powstają na skutek 
połączenia grupy hydrosulfidowych dwóch reszt cysteinowych z grupami winylowymi hemu. 
Poza cytochromami zawiera również białko żelazo – siarkowe 2Fe-2S, w którym wyjątkowo 
jeden  z  jonów  żelaza  jest  skoordynowany  z  dwiema  resztami  histydyny  zamiast  z  dwoma 
resztami  cysteiny.  Oksydoreduktaza  Q  cytochrom  c  ma  dwa  odrębne  miejsca  wiązania 
ubichinonu.  
 
Mechanizm  sprzęgający  przeniesienie  elektronów  z  Q  do  cytochromu  c  z  transportem 
protonów  przez  błonę  określa  się  mianem  cyklu  Q.  cykl  Q  ułatwia  elektronom  przejście  z 
ubichinolu  czyli  nośnika  dwuelektronowego  do  nośnika  jednoelektronowego  jakim  jest 
cytochrom  c.  Cykl  rozpoczyna  się  od  związania  ubichinolu  z  miejscem  Qo.  Ubichinol 
przenosi elektrony pojedynczo.  
Pierwszy  z  nich  przechodzi  najpierw  do  centrum  Fe  –  S  następnie  do  cytochromu  c1  i  w 
końcu do cząsteczki utlenionego cytochromu c, który przekształca się w formę zredukowaną. 
Cząsteczka zredukowanego cytochromu c swobodnie odłącza się od enzymu.  

background image

Drugi  eletkron  przechodzi  najpierw  do  cytochromu  bL  następnie  do  cytochromu  bH  i 
wreszcie do utlenionego ubichinonu związanego w miejscu Qi. Ta cząsteczka chinonu ulega 
redukcji do anionu semichinowego. Gdy QH2 zostaje w miejscu Qo utleniony do Q protony 
są  uwalniane  po  cytozolowej  stronie  błony.  Natomiast  cząsteczka  Q  swobodnie  opuszcza 
miejsce  Qo.  Na  tym  etapie  anion  Q  zatrzymuje  się  w  miejscu  Qi.  Druga  cząsteczka  QH2 
wiąże  się  z  miejscem  Qo  i  działa  w  taki  sam  sposób  jak  pierwsza.  Jeden  z  jej  elektronów 
przenoszony  jest  przez  centrum  Fe-S  i  cytochrom  c1  będzie  redukować  drugą  cząsteczkę 
cytochromu  c.  natomiast  drugi  elektron  przechodzi  przez  cytochromy  bL  i  bH  do  anionu 
związanego w miejscu Qi. Utworzony po przyjęciu tego elektronu rodnik anionowy pobiera 
dwa protony z matriks żeby mógł powstać QH2. Usunięcie tych dwóch protonów z matriks 
przyczynia się do tworzenia gradientu protonowego.  

 

W  ostatniej  fazie  łańcucha  oddechowego  transport  elektronów  zachodzi  utlenianie 
cytochromu c, zredukowanego na skutek działanie kompleksu III, sprzężone z redukcją tlenu 
do  dwóch  cząsteczek  wody.  Tę  reakcję  katalizuje  oksydaza  cytochromu  c  (kompleks  IV). 
Czteroelektronowa  redukcja  tlenu  bezpośrednio  do  wody  bez  uwalniania  intermediatów  nie 
jest bezpieczna, jednakże termodynamicznie reakcja te jest korzystna. Oksydaza cytochromu 
c  zawiera  dwa  hemy  A  i  trzy  jony  miedzi  rozmieszczone  w  dwóch  centrach  miedziowych. 
Hem A różni się od hemu cytochromu c i c1 trzema cechami  

1.  Grupa formylowa zastępuje grupę metylową 
2.  Łańcuch węglowodorowy zastępuje jedną z grup winylowych  
3.  Hem nie jest związany z białkiem kowalencyjnie  

 

 

background image

Dwie  cząsteczki  hemu  A  (hem  a  i  hem  a3)  mają  odmienne  właściwości.  Hem  a  przenosi 
elektrony z CuA/CuA, natomiast hem a3 przekazuje elektrony do CuB. Hem a3 i CuB tworzą 
razem centrum aktywne w którym tlen zostaje zredukowany do wody.  
 
Cykl  katalityczny  rozpoczyna  się  kiedy  enzym  jest  w  stanie  całkowicie  utlenionym.  Jedna 
cząsteczka  zredukowanego  cytochromu  c  przekazuje  elektron  najpierw  do  CuA/CuA.  Stąd 
elektron  przemieszcza  się  do  hemu  a,  następnie  do  hemu  a3  i  wreszcie  do  CuB,  gdzie 
utlenioną formę Cu2+ redukuje do Cu+.  
Druga cząsteczka cytochromu c wprowadza drugi elektron tą samą drogą ale zatrzymuje się 
bezpośrednio  przy  hem  a3  który  ulega  redukcji  do  formy  Fe2+.  Bliskość  CuB  w  postaci 
zredukowanej  i  kompleksu  hem  a3  tlen  pozwala  zredukować  do  nadtlenku  który  tworzy 
mostek między Fe3+ hemu a3 a CuB2+. Dodanie trzeciego elektronu z cytochromu c a także 
protonu  powoduje zerwanie wiązania O  – O i powstanie grupy ferrylowej  w hemie a3 oraz 
CuB2+  -  OH.  Dołączenie  ostatniego  elektronu  z  cytochromu  c  i  drugiego  protonu  redukuje 
grupę ferrylową.  
Cztery protony uczestniczące w reakcji pochodzą wyłącznie z matriks. Oksydaza cytochromu 
c  rozwijała  w  toku  ewolucji  zdolność  do  pompowania  czterech  dodatkowych  protonów  z 
matriks  na  cytoplazmatyczną  stronę  błony  podczas  każdej  reakcji  cyklu  tak  aby  całkowita 
liczba usuniętych protonów z matriks wyniosła osiem.