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