ŁAŃCUCH ODDECHOWY
FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA
ŁAŃCUCH ODDECHOWY
FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA
MECHANIZM MOLEKULARNY
• Utworzone podczas glikolizy oraz w cyklu kwasu
cytrynowego cząsteczki NADH i FADH
2
są bogate
energetycznie, ponieważ zawierają pary elektronów o
wysokim potencjale przenoszenia.
• Energia swobodna uwalniana podczas przenoszenia tych
elektronów na tlen cząsteczkowy zostaje
wykorzystywana do syntezy ATP
• Proces syntezy ATP, zachodzący w wyniku przeniesienia
elektronów z NADH lub FADH
2
na O
2
przez szereg
przenośników elektronów nazywamy
fosforylacją
oksydacyjną
.
• Jest ona głównym źródłem ATP w organizmach
oddychających tlenowo.
• Spośród 30 cząsteczek ATP syntetyzowanych w czasie
całkowitego utlenienia glukozy do CO
2
i H
2
O, 26 powstaje
w wyniku fosforylacji oksydacyjnej.
MECHANIZM MOLEKULARNY
• Przepływ elektronów z NADH lub FADH
2
do tlenu przez
kompleksy białkowe umiejscowione w wewnętrznej błonie
mitochondrialnej powoduje wypompowywanie protonów z
matriks mitochondrialnej
• Wytworzona siła protonomotoryczna składa się z
gradientu pH i transbłonowego potencjału elektrycznego.
• Synteza ATP zachodzi na skutek powrotnego przepływu
protonów przez kompleks enzymatyczny do matriks
mitochondrialnej.
• Tak więc, utlenianie sprzężone jest z fosforylacją dzięki
gradientowi protonowemu wytworzonemu w poprzek
błony mitochondrialnej.
• Istotę procesu fosforylacji oksydacyjnej stanowi
przekształcenie siły elektronomotorycznej w siłę
protonmotoryczną, a następnie w potencjał fosforylacyjny.
Teoria chemiosmotyczna
• Błony przekształcające
energię mają liczne
cechy wyróżniające
• W skład każdej z tych
błon wchodzą dwa
odrębne rodzaje pomp
protonowych
• Charakter pierwotnej
pompy protonowej
zależy od źródła energii
zasilającej błonę
Mitochondrium lub oddychająca bakteria
• W przypadku
mitochondrium lub
oddychającej bakterii
pierwotną pompą
protonową jest
łańcuch oddechowy
katalizujący
przeniesienie
elektronów „w dół”
od substratu do
końcowego
akceptora, którym
jest O
2
TEORIA CHEMIOSMOTYCZNA
• Metabolizm pierwszej (
przepływ elektronów)
i drugiej
(
fosforylacja)
pompy protonowej jest ściśle sprzężony z
translokacją protonów:
jeden proces nie może występować w oderwaniu od drugiego
• Co jest istotą gradientu protonów?
Termodynamiczną miarą ilościową jest
elektrochemiczny
gradient protonowy
Δμ
H+
składający się z dwóch komponentów:
ΔpH
(powstaje na skutek różnicy stężeń protonów po obu
stronach błony)
Δψ; błonowy potencjał elektryczny (tworzony przez różnicę
potencjału elektrycznego między dwoma fazami wodnymi
oddzielonymi błoną)
TEORIA CHEMIOSMOTYCZNA
Według konwencji bioenergetycznej przyjęto wyrażać ΔμH+ w jednostkach
potencjału elektrycznego (mV) wobec czego przyjęto określać się jako
siłę protonmotoryczną (Δp)
• Oba łańcuchy transportu
elektronów – oddechowy i
fotosyntetyczny powinny
przemieszczać protony
• Zależne od energii
przemieszczanie protonów
zaobserwowano po raz
pierwszy w preparatach
„rozbitych” chloroplastów
(Neumann i Jagendorf 1964)
• Mitochondrialne
przemieszczanie protonów
wykazali Mitchell i Moyle
(1965).
POSTULATY MITCHELLA
• Syntaza ATP powinna
działać jako odwracalna
ATPaza przemieszczająca
protony
• Wprowadzenie małych ilości
ATP do beztlenowej
zawiesiny mitochondriów
powodowało wyrzucanie
protonów, a następnie
powolne odwracanie tego
zjawiska
• Oczyszczona i
zrekonstruowana syntaza
ATP katalizuje podobne
przemieszczanie protonów
Synteza ATP versus hydroliza ATP
• Błony przekształcające
energię powinny mieć małe
przewodnictwo protonowe
• O małej przepuszczalności
błony dla protonów można
wnioskować na podstawie
równoległego działania
czynników, które pobudzają
przepuszczalność dla
protonów w sztucznych
dwuwarstwach, a
równocześnie rozprzęgają
mitochondria
• Pomiary przepuszczalności
dla protonów przeprowadzili
Mitchell i Moyle (2967)
badając z jaką szybkością
gradient pH malał w miarę
wnikania protonów do
matrix mitochondrialnej
POSTULATY
MITCHELLA
• Błony przekształcające
energię powinny zawierać
specyficzne nośniki
prowadzące wymianę,
które w obecności dużego
potencjału błonowego
pozwalają na przenikanie
metabolitów i utrzymanie
stabilności osmotycznej
TRANSPORT JONÓW PRZEZ BŁONY PRZEKSZTAŁCAJĄCE
ENERGIĘ
• Teoria chemiosmotyczna
zakłada, że transport
jonów przez błony
stanowi integralną
część bioenergetyki
• Przetransportowanie
jonu przez błonę
wymaga zarówno drogi
jak i siły napędowej
• Siłą napędową może
energia metaboliczna
np. hydroliza ATP,
gradienty stężeń,
potencjały elektryczne.
• UNIPORT
• Transport pojedynczego
jonu nazywamy
uniportem
Do uniportu zaliczamy:
• drogę pobierania jonów
wapnia poprzez
wewnętrzna błonę
mitochondrialną
• Przepuszczalność dla
protonu wyindukowaną
w dwuwarstwie przez
jego przenośniki
MOLEKULARNY MECHANIZM
TRANSPORTU
MOLEKULARNY MECHANIZM TRANSPORTU
• Symport
• Transport wymagający
sprzężenia ruchu dwóch
lub więcej jonów w jednym
kierunku nazywamy
symportem lub
kotransportem
• ANTYPORT
• Równoważny, ściśle
sprzężony proces, gdzie
transport jednego jonu
jest sprzężony z
transportem drugiego
jonu jest związany z
transportem drogiego
jonu przechodzącego w
odwrotnym kierunku
MOLEKULARNY MECHANIZM
TRANSPORTU
• Hydrofobowy rdzeń
dwuwarstwy lipidowej
tworzy efektywną barierę
uniemożliwiającą przejście
naładowanym cząsteczkom
• Dwuwarstwa jest
nieprzepuszczalna dla
anionów i kationów
• Nieprzepuszczalność
dwuwarstwy obejmuje
również protony
• Pole elektryczne przy
potencjale 200 mV
przekracza 300 000 V/cm w
poprzek ich hydrofobowego
rdzenia
TRANSPORT PRZEZ
DWUWARSTWĘ
TRANSPORT KATALIZOWANY PRZEZ BIAŁKA
• Białka transportujące
mają cechy wspólne z
enzymami
:
• Mogą one wykazywać
wysoką
stereospecyficzność
• Mogą być specyficznie
hamowane
• Zdeterminowane
genetycznie
Figure 15.7: Standard reduction potentials of the major respiratory electron carriers.
W skład łańcucha oddechowego wchodzą
trzy pompy protonowe połączone dwoma
ruchomymi przenośnikami elektronów
• NADH →
reduktaza NADH-Q
→
• →Q→
reduktaza cytochromowa
→cyt
c
• →
oksydaza cytochromowa
→O
2
.
Figure 15.11: Shuttles for transfer of reducing equivalents from cytosol into mitochondria.
UTLENIANIE JEST SPRZĘŻONE Z FOSFORYLACJĄ
PRZEZ SIŁĘ PROTONOMOTORYCZNĄ
• Syntezę ATP przeprowadza zespół
podjednostek umiejscowiony w
wewnętrznej błonie mitochondrialnej.
Ten kompleks enzymatyczny
nazwano mitochondrialną ATPazą lub
ATPazą H
+
, ponieważ został on
wykryty na podstawie reakcji
hydrolizy. Obecnie preferuje się
nazwę
syntaza ATP
comlex.
Reprinted with permission from W. Junge, H. Lill, and S. Engelbrecht,
Trends Biochem. Sci. (1997) 22:420. © 1997 with permission of Elsevier Science.
BUDOWA SYNTAZY ATP
Figure 15.15: Vectorial transport of protons by complexes of the respiratory chain.
BILANS ENERGETYCZNY W
WARUNKACH BEZTLENOWYCH
Podstawową zasada bioenergetyki jest zasilanie
przez gradienty protonowe
TRANSPORT ATP
FOSFORYLACJE
SPRZĘŻENIE ODDYCHANIA Z FOSFORYLACJĄ
WYTWARZANIE GRADIENTU PROTONOWEGO
ŁAŃCUCH ODDECHOWY
ODWROTNY TRANSPORT ELEKTRONÓW
Alternatywna droga
oddechowa
BUDOWA OKSYDAZY
ALTERNATYWNEJ
REGULACJA AKTYWNOŚCI OKSYDAZY
ALTERNATYWNEJ
ORGANIZACJA ŁAŃCUCHA
ROŚLINNEGO
REGULACJA ŁAŃCUCHA
ROŚLINNEGO
REGULACJA ŁAŃCUCHA
ROŚLINNEGO
