1

MITOCHONDRIALNY ŁAŃCUCH

ODDECHOWY

2

3

OKSYDACYJNA FOSFORYLACJA

Proces syntezy ATP, zachodzący w wyniku

przeniesienia elektronów z NADH lub FADH

2

na O

2

przez szereg przenośników elektronów

Główne źródło ATP u organizmów oddychających

tlenowo

• Przepływ elektronów z NADH i FADH

2

do O

2

przez

KOMPLEKSY BIAŁKOWE

umiejscowione w

wewnętrznej

błonie mitochondrium powoduje
wypompowanie elektronów z matriks
mitochondrialnej
• Powstaje siła protonomotoryczna składająca się
z gradientu pH i transbłonowego potencjału
elektrycznego
• Synteza ATP zachodzi na skutek powrotnego
przepływu

protonów przez kompleks

enzymatyczny do matriks

mitochondrialnej

4

Mitochondria

zawierają zespoły oddechowe, enzymu cyklu

cytrynowego i enzymy warunkujące utlenianie

kwasów tłuszczowych

Błona zewnętrzna

; łatwo przepuszczalna dla

większości małych cząsteczek i jonów; białko
transbłonowe poryna tworzące kanały o dużych
porach

Błona wewnętrzna

; silnie pofałdowana; tworzy

grzebienie mitochondrialne; nieprzepuszczalna dla
wszystkich jonów i

cząsteczek polarnych; ATP,

cytrynian przenoszone są przy

udziale

nośników;
wyróżnia się dwie strony błony wewnętrznej –

matriksową lub (N; ujemny potencjał

błonowy) i

cytoplazmatyczną (P; dodatni

potencjał błonowy)
Przestrzeń międzybłonowa
Matriks mitochondrialna otoczona błoną
wewnętrzną

5

Transport elektronów przez łańcuch oddechowy

jest wymuszany różnicą potencjałów między

NADH i O

2

= 1,14 V

Sekwencja przenośników elektronów w łańcuchu oddechowym

NADH



Reduktaza NADH-Q


Q  flawoproteiny z

FADH

2



reduktaza cytochromowa


Cyt c


Oksydaza cytochromowa



O

2

6

Składowe łańcucha oddechowego

ułożone wg. ich wzrastającego

potencjału red-ox

• substrat zredukowany ma najniższy

potencjał i jest najsilniejszym
reduktorem

• tlen ma najwyższy potencjał i jest

najsilniejszym utleniaczem

7

Przepływ elektronów przez różne układy redoks

8

Układy enzymatyczne

Substraty pomocnicze

Substraty pomocnicze

Układy enzymatyczne

Układy enzymatyczne

9

SKŁAD ŁAŃCUCHA ODDECHOWEGO

Trzy

pompy protonowe

(wielkie kompleksy

białkowe) połączone dwoma

przenośnikami

elektronów

1.

Reduktaza NADH-Q

(I)

I.

ubichinon

(Q)

2.

Reduktaza cytochromowa

(III)

II.

cyt c

3.

Oksydaza cytochromowa

(IV)

oraz
•

reduktaza bursztynian-Q

(II) (nie pompuje

protonów, ale

przenosi

elektrony)
• Grupy przenoszące elektrony to: flawina,
centra żelazo-
siarkowe, hemy, jony miedzi

10

11

Na tym poziomie wprowadzane są elektrony z NADH

• Enzym; m.cz. 880 kDa; 34 łańcuchy polipetydowe;
większa od

rybosomu

Kodowana wspólnie przez dwa genomy: jądrowy

i mitochondrialny

Choroby mitochondrialne
• mutacja reduktazy NADH-Q powoduje
dziedziczną wzrokową

neuropatię Lebera

; utrata

wzroku dziedziczona na drodze matczynej
pojawiająca się w średnim wieku;
• organy silnie uzależnione od oksydacyjnej
fosforylacji

(nerwowy, serce)

najbardziej podatne na mutacje
mitochondrialnego DNA

Akumulacja mutacji mitochondrialnych przez kilkadziesiąt lat może być

przyczyną starzenia się i zaburzeń zwyrodnieniowych

Reduktaza NADH-Q

; dehydrogenaza NADH lub kompleks I

12

Reakcje

1.

Związanie NADH i przeniesienie 2 elektronów na

grupę

prostetyczną kompleksu – FMN, który

przechodzi w formę

FMNH

2

2.

Przekazanie elektronów na szereg centrów

żelazo-siarkowych (białka z żelazem związanym
niehemowo)
3.

przekazanie elektronów z centrów Fe-S na

koenzym Q zwany też ubichinonem Q

13

Kilka

rodzajów centrów Fe-S

• najprostszy to

[Fe-S]

– atom żelaza tetraedycznie

skoordynowany z grupami

hydrosulfidowymi czterech reszt

cysteinowych

białka;
•

[2Fe-2S]

– zawiera dwa atomy żelaza i oprócz 4

reszt cysteiny,

dodatkowa dwa

nieorganiczne siarczki; [4Fe-4S] -–ma 4

atomy

żelaza - 4 nieorganiczne siarczki + 4 reszty cysteiny

Reduktaza NADH-Q zawiera centra typu

[2Fe-2S] i

[4Fe-4S]

• Atomy Fe tych centrów przechodzą na zmianę ze
stanu Fe

2+

(zredukowany) do Fe

3+

(utlenione)

14

ubichinon Q

• pochodna chinonowa z długim łańcuchem
izoprenowym
• najczęściej 10 jednostek izoprenowych (Q10)
• izoprenowy ogon nadaje Q charakter silnie
niepolarny i

umożliwia ruchliwość w

hydrofobowym rdzeniu błony
• po przyjęciu 1

e

jest redukowany do

anionowej

formy

wolnego rodnika semichinonu

;

redukacja drugim

elektronem daje

ubichinol (QH

2

)

Przejście 2 elektronów z NADH-Q

powoduje

wypompowanie czterech H

+

z matriks na stronę

cytoplazmatyczna wewnętrznej błony

mitochondrialnej

15

KOMPLEKS REDUKTAZA BURSZTYNIAN-Q

(kompleks II)

 Integralne białko błony wewnętrznej
 FADH

2

powstaje w cyklu Krebsa podczas

utleniania

fumaranu przez

dehydrogenazę bursztynianową

;

FADH

2

nie opuszcza kompleksu; jego elektrony
przenoszone są na centra Fe-S a następnie na
Q,

który przekazuje je na łańcuch

oddechowy
 Podobnie przekazują swoje elektrony
cząsteczki FADH

2

współpracujące z

dehydrogenazą glicero-

fosforanową

i dehydrogenazą acyloCoA

 W przeciwieństwie do reduktazy NADH-Q
kompleks

reduktazy bursztynian-Q

nie

jest pompą protonową

 W konsekwencji podczas utlenienia FADH

2

powstaje

mniej ATP niż podczas

utlenienia NADH

16

Reduktaza cytochromowa

; reduktaza

ubichinol-cytochrom C; kompleks cytochromów

bc

1

; kompleks III

17

Cytochromy

białka transportujące elektrony; zawierają

hem

jako

grupę prostetyczną

podczas transportu elektronów żelazo przechodzi z

(2+) do (3+)

 W reduktazie umieszczone są

2 typy cytochromów

– b i c

1

 Grupą prostetyczną cytochromów b, c

1

i c jest

żelazoporfiryna IX,

taka sama jak hem w

hemoglobinie i mioglobinie
 Cytochrom b zawiera dwa hemy

b

L

i b

H

,

różniące się

powinowactwem do elektronów

 Hem cytochromów c i c

1

w przeciwieństwie do b

związany jest z białkiem kowalencyjnie, wiązaniami
tioeterowymi (grupa SH-

cysteiny + reszta

winylowa hemu)
 Reduktaza zawiera białka

Fe-S

i kilka innych

łańcuchów

polipeptydowych

18

Proces

przenoszenia

elektronów przez

reduktazę

cytochromową jest

dość

skomplikowany –

cykl Q

Umożliwia to

przeniesienie

elektronów z

przenośnika

dwuelektronowego

(QH

2

) na

jednoelektronowy

(cyt c)

Cytochrom b

funkcjonuje jako

mechanizm zawracający

elektrony do obiegu i

jest tym składnikiem

reduktazy, który

umożliwia skuteczne

wykorzystanie

elektronów z QH

2

19

cykl Q

 Ubichilol przenosi jeden z dwóch elektronów do
kompleksu FeS; ten elektron przchodzi dalej do
cytochromu c

1

i cytochromu c,

który usuwa

elektron z kompleksu

 Jednoelektronowe przeniesienie powoduje
przeksztłcenie

ubichinolu (QH

2

) w anion

semichinonowy (Q

.-

)

 Q

.-

oddaje elektron na b

L

i wraca do formy Q,

swobodnie

dyfundując w błonie

 b

L

redukuje b

H

, który redukuje Q do Q

.-

 Drugi elektron w postaci Q

.-

jakby czeka “za

kulisami”
 Następnie druga cząsteczka QH

2

wchodzi w reakcję,

tak samo jak

pierwsza czyli 1e

-

zostaje

przeniesiony na centrum Fe-S, dalej

do cytc

1

i c

 Drugi e

-

przechodzi z nowo utworzonego Q

.-

do b

L

a

następnie do

b

H

 Ale tym razem b

H

redukuje Q

.-

a nie Q i zamyka cykl



Sumarycznie dwa QH

2

są utlenione do dwu Q, a

jedna

redukowana do QH

2

20

Oksydaza cytochromowa

 Tworzy ją kompleks składający się z

10

podjednostek

, z których

trzy (podjednostka I, II i

III) są kodowane przez genom
mitochondrialny
 Zawiera

dwa hemy A

(hem a i hem a

3

) i

dwa jony

miedzi (Cu

A

i

Cu

B

);

umieszczone w różnych

częściach oksydazy

cytochromowej;

 jednostki oksydoredukcyjne zwane są cytochromem
a i

cytochromem a

3

i mieszczą się w

podjednostce II i I

 Hem A różni się od hemu cytochromów c i c

1

:

 Grupa formylowa zastąpiona grupą metylową
 Łańcuch węglowodorowy C

15

zastępuje grupę

winylową



Hem nie jest związany kowalencyjnie z

białkiem

21

Oksydaza cytochromowa

PRZENOSI ELEKTRONY Z FERROCYTOCHROMU C

(FORMA ZREDUKOWANA) NA TLEN

CZĄSTECZKOWY

4 cyt c

(+2)

+ 4H

+

+ O

2

 4 cyt c

(+3)

+

2 H

2

O

 tlen przyjmuje 4 elektrony co powoduje jego
całkowitą redukcję

i wpompowanie protonów z

matriks na cytoplazmatyczną

stronę

wewnętrznej błony mitochondrialnej
 Ferrocytochrom c oddaje elektron na centrum
hemu a-Cu

B

;

następnie na hem a

3

-Cu

B

; po

przejściu przez szereg reakcji O

2

ulega redukcji do 2

H

2

O

!!! w procesie redukcji niebezpieczeństwo

;

częściowa redukcja (nie 4 elektronowa) powoduje
powstanie wolnych rodników

O

2

+ e

-

 O

2

-

anion nadtlenkowy

22

Oksydaza cytochromowa

!!! w procesie redukcji

niebezpieczeństwo

Zapobiega temu wiązanie O

2

w centrum a

3

-Cu

B

oksydazy cytochromowej pomiędzy jonami Fe

2+

a

Cu

+

23

24

INHIBITORY TRANSPORTU ELEKTRONÓW W ŁAŃCUCHU ODDECHOWYM



Rotenol

(jad rybi) i

amytal

,

barbiturany

(amobarbital) – w

reduktazie NADH-Q;

uniemożliwiają wykorzystanie

NADH jako

substratu; przepływ elektronów z bursztynianu

jest sprawny



Antymycyna A

,

dimerkaptopropanol

(BAL) –

działa na poziomie cytochromu b

H

w reduktazie

cytochromowej

Inhibitory łańcucha oddechowego

25

INHIBITORY TRANSPORTU ELEKTRONÓW W ŁAŃCUCHU ODDECHOWYM



CN

-

, N

3-

i CO

– na poziomie oksydazy

cytochromowej;

cyjanek i azydek reagują z

formą żelazową hemu a

3

; tlenek

węgla

hamuje formę żelazawą



karboksyna, TTFA

( czynnik chelatujący Fe) - IV

miejsce-

blokowanie przenoszenia

równoważników redukcyjnych z

DH

bursztynianowej na CoQ

Inhibitory łańcucha oddechowego

26

INHIBITORY OKSYDACYJNEJ FOSFORYLACJI

Inhibitory syntazy ATP

wiążą się z kompleksem syntazy ATP i hamują

aktywność

 Dicykoheksylokarbodiimid (DCCP) – przyłącza
się do grup

hydrofobowych białka

 Oligomycyna – blokuje przepływ protonów przez
kanał

protonowy podjednostki F

o

syntazy ATP uniemożliwiając

fosforylację

oksydacyjną.
 Atraktylozyd- inhibitor translokazy ADP/ATP

27

 związki rozprzęgające fosforylację oksydacyjna, a nie
hamujące transportu elektronów (mogą go nawet
przyspieszać)

 likwidują wytwarzane transportem elektronów
różnice stężenia

protonów po obu stronach

wewnętrznej błony

mitochondrialnej.



Wspólnymi cechami

są

niewielkie

rozmiary

i

hydrofobowy

charakter cząsteczki oraz

zdolność do oddysocjowania i

przyłączania

protonu



Działają

– przyłączając protony po jednej strony

błony, w

środowisku o niskim pH, a następnie

przechodzą na drugą

stronę błony, do

środowiska o wysokim pH, gdzie proton ulega
odłączeniu



Niektóre były używane jako środki zapobiegające otyłości (hamowanie

syntezy ATP), ale

ze względu na szkodliwe skutki uboczne zostały

wycofane

.

CZYNNIKI ROZPRZĘGAJĄCE OKSYDACYJNĄ FOSFORYLACJĘ

28

CZYNNIKI ROZPRZĘGAJĄCE OKSYDACYJNĄ FOSFORYLACJĘ

zwarcie gradientu protonowego i wytworzenie ciepła

• Rozłączenie utleniania w łańcuchu oddechowym i
fosforylacji
• niekontrolowane oddychanie (ADP i P

i

nie

ogranicza)



2,4 dinitrofenol (DNP

) i inne związki kwaśne

aromatyczne

rozpuszczalne w lipidach ;

związek ten przenosi protony

przez błonę

mitochondrialną; ATPaza nie syntetyzuje ATP
ponieważ siła protonomotoryczna uległa
rozproszeniu
 dinitrokrezol, dikumarol,


CCCP

(m-

chlorokarabanylocyjanidofenylohydrazon)
 Karbonylocyjanek-p-
trifluorometoksyfenylohydrazon (FCCP)

29

 Utrata kontroli oddechowej prowadzi do zwiększonego
pobierania tlenu i

utleniania NADH

 Rozkojarzona fosforylacja oksydacyjna – zjawisko
biologicznie korzystne –

źródło utrzymania ciepła u

zwierząt hibernujących; przystosowanie do

niskich

temperatur

 Termogeneza – brunatna tkanka tłuszczowa; bardzo bogata
w mitochondria

 błona wewnętrzna tych mitochondriów zawiera dużo
termogeniny

(zw.

białkiem rozprzęgającycm)

dimer podjednostek podobny do

translokazy ATP-

ADP; stanowi ona drogę przepływu protonów z
cytoplazmy do matriks; powoduje zwarcie mitochondrialnej
baterii

protonowej

 Zwarcie przez termogeninę jest aktywowane przez –
kwasy tłuszczowe –

uwalnianie kwasów tłuszczowych

jest kontrolowane przez

noradrenalinę -

kontrola hormonalna

Mitochondria – “mianiaturowe grzejniki”

 Analogiczny mechanizm wykorzystuje brukselka; dostarcza
ciepło do kwiatostanów; bardziej pachnie i przyciąga owady

CZYNNIKI ROZPRZĘGAJĄCE OKSYDACYJNĄ FOSFORYLACJĘ

zwarcie gradientu protonowego i wytworzenie ciepła

30

Hamowanie łańcucha oddechowego przez różne związki

31

INHIBITORY TRANSPORTU ELEKTRONÓW W ŁAŃCUCHU

ODDECHOWYM

CZYNNIKI ROZPRZĘGAJĄCE OKSYDACYJNĄ FOSFORYLACJĘ

32

Przepływ elektronów z NADH do O

2

jest

procesem egzoergicznym

NADH + 1/2 O

2

+ H

+

 H

2

O + NAD+ G =

-220 kJ/mol

Energia swobodna utleniania jest wykorzystana do

procesu

endoergicznego

czyli syntezy ATP

ADP + P

i

+ H

+

 H

2

O G = 30,5 kJ/mol

Syntezę ATP przeprowadza zespół podjednostek w

wewnętrznej błonie mitochondrialnej

Mitochondrialna ATPaza lub

ATPaza H+ lub syntaza ATP

33

Błony mitochondrialne i kompleksy fosforylacyjne

34

Mitochondrialna

ATPaza F

0

F

1

 Składnik F

1

złożony

jest z
podjednostek ,, i .

 F

0

zawiera

podjednostki
a,b,c, które zatopione

są w

dwuwarstwowej
warstwie lipidowej

wewnętrznej

błony
mitochondrialnej.

35

MECHANIZM REAKCJI

 Synteza/hydroliza ATP i translokacja
protonów zachodzą

w dwóch różnych i

dających się rozdzielić częściach enzymu.
 Posiadają 3 pary katalitycznych podjednostek
;

zawierają więc 3 potencjalne centra

aktywne;

współdziałanie tych centrów

stanowi istotny element

procesu syntezy

ATP
 Substraty reakcji (ADP i nieorganiczny
fosforan), ani jej produkt (ATP) nie tworzą
kowalencyjnego wiązania z enzymem.
 Translokacja protonów i synteza/hydroliza
ATP zachodzą

z udziałem dwóch różnych

sektorów enzymu.

36

Translokacja protonów a fragment Fo

.

 Kluczową rolę odgrywa podjednostka c sektora
Fo
 OSCP (oligomycyna B) i DCCD (N,N,-
dicyclophexyl-

carboimide) - inhibitory

translokacji protonów wiążą

się z

aminokwasami w łańcuchu peptydowym
podjednostki C. Łańcuch ten tworzy konformację -

helisy przechodzi dwukrotnie przez całą

szerokość błony tworząc rodzaj kanału w poprzek
błony; polarne reszty aminokwasowe (m.in.kwas
asparaginowy) zwrócone są to

wnętrza

struktury takiego kanału, ułatwiając

przechodzenie protonów.

37

1961 r – hipoteza chemiosmotyczna ; Peter

Mitchell

 transport elektronów i synteza ATP są sprzężone
przez gradient

protonowy utworzony w poprzek

błony mitochondrialnej;
 siła protonomotoryczna jest czynnikiem
napędzającym syntezę

ATP przez kompleks

ATPazy
• synteza ATP widoczna jest w mikroskopie
elektronowym;

sferyczne wypustki (buławki)

po matriksowej stronie błony

wewnętrznej

38

Sprzężenie chemiosmotyczne i synteza ATP

39

Translokaza ATP-ADP

nośnik nukleotydów adeninowych

• ATP i ADP nie mogą swobodnie dyfundować

przez

wewnętrzną błonę

mitochondrialną

Translokaza jest nośnikiem antyportowym

ADP

c

3-

+ ATP

m

4-

 ADP

m

3-

+ ATP

c

4-

c – strona cytoplazmatyczna; m-matriksowa

40

FOSFORYLACJA SUBSTRATOWA

Przykład

1

Glikoliza

Glukoza



aldehyd 3-fosfoglicerynowy + NAD

+

+ P

i



dehydrogenaza aldehydu 3-

fosfoglicerynowego

3-fosfogliceroilo-1-fosforan + NADH + H

+



kwas 1,3 dwu-fosfo-glicerynowy +

ADP



kinaza fosfoglicerynowa

kwas 3-fosfoglicerynowy +

ATP

41

MECHANIZM REAKCJI
 grupa aldehydowa przyłącza się do grupy –SH
enzymu,

następnie ulega odwodorowaniu, a

wodór zostaje

przeniesiony na NAD

+

;

powstaje przy tym makroergiczne wiązanie
tioestrowe, ulegające rozerwaniu w wyniku
fosforolizy. Enzym zostaje odtworzony, jako produkt

pojawia się 3-fosfoglicero-1-fosforan

 makroergicznie związany kwas fosforowy
zostaje

przeniesiony na ATP przez enzym,

kinazę

fosfoglicerolową

; powstaje

przy tym 3-fosfoglicerynian i ATP.

Całkowity ciąg reakcji, w którym w przedstawiony

sposób powstaje ATP nosi nazwę

fosforylacji

substratowej

42

FOSFORYLACJA SUBSTRATOWA

Przykład 2

Glikoliza

Kwas 3-fosfo-glicerynowy



fosfogliceromutaza

kwas 2-fosfo-glicerynowy



hydrataza fosfoenolopirogronianowa

fosfoenolopirogronian + ADP



kinaza pirogronianowa

pirogronian +

ATP

43

FOSFORYLACJA SUBSTRATOWA

Przykład 3 z cyklu Krebsa

Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu

Kompleks –

dehydrogenaza -ketoglutaranu

12 podjednostek dekarboksylazy oksoglutaranowej; 24

sukcynylotransferazy z grupą lipoamidową i 12

dehydrogenazy amidu

kwasu liponowego

-ketoglutaran + NAD

+

+ CoA 

bursztynyloCoA

+ CO

2

+ NADH+H

+

44

syntaza bursztynylo CoA

COOH

COOH





CH

2

GDP+ P

i

GTP CH

2





+ HSCoA

CH

2

CH

2





COSCoA

COOH

Sukcynylo-CoA

bursztynian

Bursztynylo-CoA

GTP + ADP  GDP + ATP

Dwufosfokinaza nukleozydów = kinaza nukleotydylofosforanowa

Wiązanie tioestrowe G=-8kcal/mol

FOSFORYLACJA SUBSTRATOWA