ZESTAW 46

1. Łańcuch oddechowy - lokalizacja, funkcje, inhibitory

2. Metabolizm leucyny

3. Transport przez błony biologiczne

Łańcuch oddechowy - lokalizacja, funkcje, inhibitory

(na podst „Biochemii” Stryera, rozdz 21)

To układ trzech kompleksów białkowych (pomp protonowych), połączonych dwoma ruchomymi przenośnikami elektronów. Te kompleksy to

- reduktaza NADH-Q, kompleks I, dehydrogenaza NADH

- reduktaza cytochromowa, kompleks III, reduktaza ubichinol-cytochrom c,

kompleks cytochromów bc1

- oksydaza cytochromowa, kompleks IV

Reduktaza bursztynian-Q (kompleks II), w przeciwieństwie do pozostałych kompleksów nie pompuje elektronów.

Ogólnie: z reduktazy NADH-Q elektrony sa przenoszone na reduktazę cytochromową przez zredukowana formę ubichinonu, a na osydaze cytochromową elektrony przenosi małe białko - cytochrom c.

Miejscem wejścia elektronów na łańcuch jest reduktaza NADH-Q. NADH zostaje związane, a jego 2e są przenoszone na grupę prostetyczną kompleksu-FMN z wytworzeniem FMNH2. Dalej elektrony sa przekazywane szereg centrów żelazowo-siarkowych (Fe-S), stanowiących drugi typ grup prostetycznych kompleksu I. Centra te sa elementem białek z żelazem niehemowym (białek żelazowo-siarkowych). Reduktaza NADH-Q zawiera centra [2Fe-2S] i [4Fe-4S]. Atomy Fe oscyluja między stanem 2+ a 3+.

Z centrów elektrony sa przekazywane na koenzym Q zw. Ubichinonem. Przyjęcie jednego e tworzy semiubichinol, a następie, przyjecie nastepnego e przekształaca go w ubichinol (QH2).

Przejście dwóch e przez kompleks I powoduje wypompowanie 4 H+ z matriks na cytoplazmatyczna strone wewnętrznej błony mitochondrialnej.

Kompleks I ma kształt litery L. NADH łączy się z miejscem wiązania na ramieniu pionowym i oddaje elektronu na FMN. Dalej są one przemieszczane wzdłuż ramienia pionowego przez 3 centra [4Fe-4S], a nstepnie przez Q związany z białkiem. Para e jest przenoszona ze związanego QH2 do centrum [2Fe-2S] i wreszcie do ruchomej puli Q w hydrofobowym rdzeniu w błonie.

Ubichinol (QH2) jest także miejscem wejscia elektronów z FADH2 zawartego w flawoproteinach (z pominięciem pierwszej pompy łańcucha, a więc kompleksu I). FADH2 tworzy sie w cyklu Krebsa i stanowi część kompleksu reduktazy bursztynian-Q (kompleks II) - integralnego białka błonowego wewnętrznej błony mitochondrialnej. Jego elektrony sa przenoszone na centra Fe-S a następnie na Q, który przekazuje je na łańcuch oddechowy. Zmiana energii swobodnej jest zbyt mala, by kompleks II dzialal, jako pompa protonowa.

Drugą pompa jest reduktaza cytochromowa (cytochromy to białka transportujące elektrony, zawierające hem jako grupe prostetyczną). Katalizuje ona przeniesienie elektronów z QH2 do cytochromu c z jednoczesnym pompowaniem protonów wpoprzek błony mitochondrialnej (2H+ - połowa wydajnościreduktazy NADH-Q). W reduktazie cytochromowej występują dwa typy cytochromów b oraz c1. Zawiera tez białka Fe-S. Grupa prostetyczną cytochromów b, c1 oraz c jest żelazoporfiryna IX (jak w hemie). Hemy w c oraz c1 sa związane kowalencyjnie (tioeterowo), w przeciwieństwie do hemu w cytochromie b. Ubichinol przenosi jeden z dwóch elektronów do Fe-S reduktazy. Elektron ten przechodzi kolejno do cytochromu c1 i cytochromu c, który usuwa elektron z kompleksu. Powstaje semiubichinon (Q·¯). Co się dzieje z drugim elektronem? Tu zaczyna sie rola cytochromu b z dwoma grupami hemowymi:

Oba hemy mają różne powinowadztwo do elektronów. Hem bL - (blisko cytoplazmatycznej powierzchni błony) ma mniejsze powinowadztwo niz hem bH (bliżej powierzchni matriksowej).

Semiubichinon Q·¯ oddaje 1e na bL, wracając do postaci ubichinonu Q

Hem bL redukuje hem bH

Hem bH redukuje związany Q do semiubichinonu Q·¯

Elektron został więc zawrócony na związany Q i „czeka” w postaci semiubichinonu Q·¯.

Następnie druga cząsteczka QH2 wchodzi w reakcję z kompleksem. Jeden z jej elektronów jest przenoszony do centrum Fe-S i dalej na cytochrom c1 i c. Drugi przechodzi do bL a następnie do bH. Tym razem bH redukuje związany semiubichinon Q·¯, a nie Q, przez co zamyka cykl (powstaje QH2). Podczas całego cyklu dwie czasteczki QH2 sa utleniane do dwóch czasteczek Q, a jedna Q redukowana do QH2.

POLECAM Rys. 21-13 Sryer

Oksydaza cytochromowa, ostatnia z trzech pomp, katalizuje przeniesienie elektronów z ferrocytochromu c (forma zredukowana) do akceptora końcowego, którym jest tlen cząsteczkowy. Przyjecie 4e przez O2 powoduje jego całkowita redukcję do H2O.

Oksydaza cytochromowa zawiera dwa hemy A (o różnych właściwościach, hem a, hem a3) i dwa jony miedzi CuA, CuB. Różnica we właściwościach wynika z ich różnego umiejscowienia (różnego związania) w kompleksie. Podczas przeniesienia tylko jedengo e tworzyłby się destrukcyjny anion nadtlenkowy. Temu zapobiega wiązanie O2 w centrum a3-CuB, pomiędzy jonami Fe2+ a Cu+. Cykl rozpoczyna się w centrum całkowicie utlenionym (Fe3+, Cu2+). Pierwszy e z ferrocytochromu c redukuje Cu2+, drugi redukuje Fe3+. Nastepnie jon żelaza wiąze O2, który usuwa elektron z każdego z jonów, powstaje nadtlenej jako intermediat. Wejście elektronu i pobranie dwóch H+ powoduje rozłożenie związanego nadtlenku. Jeden atom tlenu zostaje związany w postaci -2 do żelaza tworząc ferryl +4, a drugi atom tlenu zostaje przyłączony w postaci H2O do Cu2+. Wejscie 4 e i pobranie kolejnych 2H+ pozwala na uwolnienie 2 cząsteczek H2O.

Lokalizacja: wewnętrzna błona mitochondrialna.

Funkcje Wytworzenie gradientu chemicznego (gradient protonów) i elektrochemicznego (różnica potencjału błony), potrzebnych do ruchu protonów przez syntazę ATP, niezbędna do fosforylacji ADP do ATP.

Inhibitory:

Rotenon i amytal hamują transport elektronów przez dehydrogenazę NADH; utlenianie FADH2 zachodzi bez zmian

antamycyna A hamuje kompleks cytochromów bc1,

cyjanek CN-, azydek N3-, tlenek węgla CO hamują oksydazę cytochromową

Metabolizm leucyny

(na podst „Biochemii” Stryera, rozdz 21)

Leucyna należy do aminokwasów ketogennych. Etapy jej metabolizmu to głównie tworzenie pochodnych acylowych CoA (1-5) i ostateczne rozszczepienie na acetyloCoA i acetooctan.

Najogólniej, wyróżnia się etapy:

1. transaminacja Leu do kwasu α-ketoizokapronowego

2. dekarboksylacja oksydacyjna do izowalerylo-CoA

3. odwodornienie do β-metokrotonylo-CoA

4. karboksylacja do β-metyloglutakonylo-CoA

5. uwodnienie do HMG-CoA

6. rozszczepienie na acetylo-CoA i acetooctan

ad1

powstały kwas α-ketoizokapronowy może być rozkładany zgodnie z reakcjami β oksydacji kwasów tłuszczowych i cylku Krebsa

ad2.

!!! Enzym katalizujący - dehydrogenaza α-ketokwasów o rozgałęzionych łańcuchach (!!!)

- to kompleks enzymatyczny

- substratami sa też cząsteczki rozgałęzionych α-ketokwasów powstających z rozkładu Val,Ile

- reakcje katalizowane przez enzym są analogiczne do dekarboksylacji oksydacyjnej pirogronianu, w wyniku której powstaje acetylo-CoA i α-ketoglutaran (identyczny składnik E3 : czyli ten, odpowiedzialny za regenerację utlenionej formy lipoamidu w dehydrogenazie α-ketokwasów o rozgałęzionych łańcuchach, w dehydrogenazie pirogronianowej i α-ketoglutaranowej)

ad3.

Enzym: dehydrogenaza izowalerylo-CoA, FAD -> FADH2 (FAD jest akceptorem elektronów, analogicznie, jak w reakcji utleniania kwasów tłuszczowych katalizowanej przez dehydrogenazę acylo-CoA)

ad4.

Mechanizm karboksylacji bardzo podobny do działania karboksylazy pirogronianowej lub karboksylazy acetylo-CoA

!!! W metaboliźmie Leu bierze udział 7 koenzymów !!!

transaminacja: PLP (fosforan pirydoksalu)

dekarboksylacyjna oksydacja: TPP, lipoamid, FAD, NAD+

odwodornienie: FAD

karboksylacja: biotyna

nośnik grupy acetylowej: CoA

Transport przez błony biologiczne:

(wykład dr. G. Tomaszewskiej, Biologia - Alberts, „Krótkie wykłady” E3, E4, „Biochemia” Stryer)

Bazuję na notatkach, bo niestety nigdzie nie znalazlam dobrego opracowania tematu, poruszajacego zagadnienia, ktore byly na wykladzie.

Transport

1. bez zmian w strukturze błony : dyfuzja, transport bierny nośnikowy, transport aktywny nośnikowy

2. ze zmianami w strukturze błony: ego/endocytoza

ad. 1

Transport dyfuzyjny:

Zgodnie z gradientem stężeń. Nie wymaga energii ani białek nośnikowych.

- osmoza - transport rozpuszczalnika (wody), przez stale otwarte kanały wodne;

- dyfuzja prosta - wypadkowa przemieszczania cząsteczek zgodnie z gradnientem stężeń; szybkość zależy przede wszystkim od wielkości i kształtu cząsteczek; też od temperatury otoczenia i od ładunku na powierzchni cząstki;

- dyfuzja złożona

Dyfuzji prostej/złożonej podlegają niewielkie cząsteczki bez ładunku lub z niewielkim ładunkiem, np. gazy O2, CO2, NH3;

Transport ułatwiony ( syn. : dyfuzja ułatwiona, transport bierny):

Również odbywa się zgodnie z gradientem stężeń, ale wymaga obecności przenośników. Cząsteczka wiąże się z białkiem po jednej stronie błony, po czym białko ulega zmianie konformacyjnej, transportuje substancję poprzez błonę i uwalnia ją po drugiej stronie. W ten sposób transportowane sa cząstki hudrofilowe, jak glukoza i inne cukry, aminokwasy.

- transport pojedynczy -uni port, transport jednej cząsteczki (jedego typu cząsteczek) niezależnie od innych

- transport złożony

synport - transport co najmniej 2 cząstek

antyport - transport 2 cząstek w przeciwnych kierunkach

Czynnikiem napędzającym jest gradient stężeniowy i elektrochemiczny (!);

Np. nośnik dla glukozy - gł. na powierzchni komórek watroby; występuje w dwóch konformacjach, z których jedna eksponuje miejsca wiązania glukozy po stronie zewnętrznej błony, druga po stronie wewnętrznej. Białko oscyluje między konformacjami odwracalnie i przypadkowo. Połączenie się glukozy zmienia konformację przenośnika i powoduje transport związanej glukozy. Wewnatrz glukoza ulega fosforylacji do glukozo-6-fosforanu działaniem glukokinazy lub heksokinazy, przez co przestaje być substratem dla przenośnika. Choć bierny, transport ten jest bardzo selektywny. O kierunku transportu decyduje gradient stężenia glukozy.

Transport aktywny:

Energia jest potrzebna zazwyczaj do wytworzenia wiązania z nosnikiem; Odbywa się wbrew gradientowi stężeń.

Np. Pompa Na/K (występuje w dwóch konformacjach; I wykazuje wieksze powinowadztwo do Na+ i ATP; po związaniu Na+ następuje deadenylacja, której towarzyszy zmiana konformacjna II - ufosforylowaną; otwiera sie ona uwalniając Na+; ma ona zwiększone powinowadztwo do K+; Po związaniu z K+ uwidacznia się aktywność fosforylazy, która odłącza fosforan powodując powrót do konformacji I o zwiększonym powinowadztwie do Na+ i ATP, a uwalniającej K+)

Transport aktywny wtórny:

Aktywny transport jednego substratu tworzy gradient stężenia napędzający przenoszenie drugiego związku;

Np. Nośnik transportujący na zasadzie symportu glukozę i Na+ do komórek nabłonka jelita (jony sodu napędzają transport glukozy); czynnikiem napędzającym jest ATPaza, wypompowująca Na+ do środowiska zewnętrznego i powodująca powstanie niedoboru Na+; Ten niedobór stymuluje przenoiśnik transportujący Na+ i glukozę do wnętrza komórki; ATPaza wykorzystuje ATP do zmiany konformacji;

Translokacja grupowa:

Rodzaj transportu aktywnego; Enzym transportujący to enzym potrzebny do wytworzenia wiązania kowalencyjnego w transportowanej cząsteczce.

Nosniki błonowe:

- ruchome (przenośniki, permeazy) - struktury transbłonowe, integralne, silnie połączone z błoną

- nieruchome (kanały):

To jedno białko transbłonowe lub ich grupa; maja postać wąskiej szczeliny umożliwiającej transport substancji: o bardzo drobnych cząstkach, w tym jonów i cząstek obojętnych. Związki o charakterze hydrofilowym ulegają hydratacji, a w czasie ich przejścia przez kanał podlegają stopniowemu zdjęciu płaszcza cząsteczek wody. Przy wejściu silnie hydrofilowe struktury kanału zatrzymuja otoczkę wodną (wnetrze kanału jaest wąskie i woda uniemozliwiałaby transport)

ROZRÓŻNIENIE:

Pory wodne - brak selektywności; otwarte cały czas

Kanały- selektywne (zależność od średnicy, kształtu kanału jonowego i charakterystycznego rozmieszczenia aminokwasów w strukturze kanału); otwierane okresowo

Szybkość transportu przez kanały zależy od stopnia uwodnienia substancji transportowanej. Najpier transport nastepuje szybko. Z czasem dochodzi do wysycenia kanału i spadku szybkości transportu!!!

Bramkowanie:

- napięciem (zależnośc transportu od potencjału błonowego); np. przekazywanie impulsu przez komórki nerwowe

- ligandem; np, receptor dla acetylocholiny

- stresem, np. komórki słuchowe - kontrola na zasadzie oddziaływania mechanicznego (drgania akustyczne)

ad.2

Transport związany ze zmianami w błonie

- egzocytoza - w celu pozbycia się związków odpadowych, wydzielin; związana z tworzeniem pęcherzyków, które zlepiają się z błoną (następuje powiększenie błony komórkowej o błonę pęcherzyka); Białka, które mają zostać wydzielone są syntetyzowane na rybosomach związanych z RER, a następnie przenoszone pęcherzykami transportującymi do aparatu Golgiego, gdzie są sortowane i zakowane w pęcherzyki wydalnicze (sekrecyjne).

- endocytoza - proces odwrotny do egzocytozy; wnikanie substancji do komórki lub do kompartmentów; w zalezności od wielkości wchłanianych cząsteczek oraz od udziału receptorów wyróżnia sie: fagocytozę (wchłanianie dużych cząsteczek jak bakterie i resztki komórkowe z utworzeniem fagosomu), pinocytozę (proces konstytutywny-stale przebiegający; niespecyficzne pobieranie płynu zewnątrzkomórkowego przez małe pęcherzyki), endocytozę kierowaną receptorami; Endocytoza:

receptorowa- zwiazanie ligandu z biłkiem powierzchniowym lub receptorem; stopniowe powstawanie pęcherzyka (wnika lub zlewa się ze strukturą błony)

bezreceptorowa - reakcja ze swoistymi białkami (np. wirus HIV); interakcja białek tworzących szkielet wewnętrzny komórki;

Białkiem uczestniczącym w tworzeniu pęcherzyka jest klatryna.

Stryer: Klatryna tworzy strukturę klatki wokół dołka i wycina go z błony komórkowej w postaci pęcherzyka opłaszczonego. Taki pecherzyk może ulec fuzji z endosomem.

Klatryna składa się z trzech łańcuchów cięzkich i trzech lekkich (struktura zwana triskelionem). Końce C trzech łańcuchów ciężkich schodzą się w osi struktury. Łańcuchy cięzkie zaginają się na końcach tworząc tz główki mogace oddziaływać ze sobą. Zagięcie łańcucha cięzkiego dzieli go na dwa odcinki: ramie proksymalne, bliższe osi, i ramię dystalne. Każdy łańcuch lekki ułożony jest wzdłuz proksymalnego wgłębienia.

Klatryna występuje w dołkach opłaszczonych (zagłebienia opłaszczone); w tych miejscach najczęściej występują receptory błonowe; na skutek oddziaływania ligandu na receptor zachodzą zmiany w strukturze klatryny, przenoszone na główki, które zbliżają się do siebie tworząc siatkę klatryn (20-ścian) od cytozolowej strony błony komórkowej. Triskeliony oddziałuja z białkami adaptorowymi, które dokonują selekcji zawartości ładunku, jaka będzie umieszczona w klatce klatrynowej. Adaptory te są kompleksami złozonymi z dwóch podjednostek adaptyny i dwóch innych białek. Rozpoznają one zawierającą tyrozynę sekwencję w cytozolowej domenie receptora, ulegającego wchłonięciu do wnętrza komórki. Następnym etapem jest uwolnienie klatryny z uformowanych pęcherzyków opłaszczonych. Zdjęcie płaszcza klatrynowego zachodzi za pomoca ATPazy usuwającej klatrynę. Enzym ten nalezy do rodziny białek szoku termicznego hsp70 i hydrolizuje 3 cząsteczki ATP na każdy triskelion usuniety z poliedralnej siatki.

Tworzenie siatki przez interakcje niekowalencyjne jest termodynamicznie spontaniczne, natomiast jej rozerwanie wymaga dostarczenia swobodnej energii.

Łańcuchy lekkie klatryny regulują dynamikę pęcherzyków opłaszczonych, kontrolując program czsowy ich składania i rozmontowywania.

Wykład: Oderwanie pęcherzyka nastepuje, gdy klatryna działa na dynaminę (dyneinę) która ma właściwości GTPazy; Energia z hydrolizy GTP jest wykorzystywana do zniszczenia struktury błony komórkowej w miejscu połączenia pęcherzyka z błoną z jednoczesnym zabudowaniem ubytku przez lipidy; brak zabudowy powodowałby niekorzystne dla komórki nieszczelności.

---