2008 by Nixon
Organizacja łańcucha oddechowego
W skład łaocucha oddechowego wchodzą 4 kompleksy:
- 3 pompy protonowe (kompleksy I,III,IV)
- 1 kompleks fizycznie zwiÄ…zany z cyklem krebsa (kompleks II)
Przepływ elektronów przez te kompleksy powoduje przepływ protonów w poprzek błony (od matrix do
przestrzeni międzybłonowej)
NADH
Oksydoreduktaza = kompleks I
NADH-Q
Ubihinon (Q) reduktaza Bursztynian-Q = kompleks II  donorem H i e jest FADH2
Oksydoreduktaza
Q-cytochromC = kompleks III
Cytochrom C
Oksydaza
cytochromu C = kompleks IV
O2
Koenzym Q
- pochodna chinonowa z długim ogonem izoprenowym (liczba jednostek izoprenowych zależna od gatunku,
człowiek ma Q10).
- występuje w 3 stanach utlenienia:
- najbardziej utleniona forma Q ma dwie grupy ketonowe
- dołączenie 1 elektronu i 1 protonu powoduje przejście do semichinonu (QH )
- po dołączeniu kolejnego protonu i elektronu powstaje QH2 - ubichinol
1
2008 by Nixon
ETAPY FOSFORYLACJI OKSYDACYJNEJ
1) Elektrony z NADH wchodzÄ… do Å‚aocucha na poziomie oksydoreduktazy NADH-Q.
- Jest to pompa protonowa, kodowana przez genomy jÄ…drowy i mitochondrialny
(jak pozostałe duże pompy)
- ma ształt litery L
Pierwszy etap polega na przeniesieniu elektronów na grupę prostetyczną kompleksu  mononukleotyd
flawinowy (FMN) który przechodzi w formę zredukowaną (FMNH2) a następnie przekazanie elektronów na
szereg centrów żelazo-siarkowych stanowiących drugi typ grup prostetycznych oksydoreduktazy NADH-Q.
Elektrony z centrów żelazo-siarkowych są następnie przekazywane na koenzym Q.
Przejście 2 elektronów z NADH do koenzymu Q za pośrednictwem oksydoreduktazy NADH-Q powoduje
wypompowanie 4 jonów wodoru z matrix mitochondrialnej
2) przeniesienie FADH2 powstałego przy utlenianiu bursztynianu do fumaranu
(dehydrogenaza bursztynianowa) zachodzi dzięki kompleksowi reduktaza bursztynian-Q (którego
dehydrogenaza bursztynianowa stanowi częśd). FADH2 nie opuszcza kompleksu II, jego elektrony są
przenoszone na koenzym Q który przekształca się w ubichinol. W przeciwieostwie do pozostałych kompleksów
ten nie pompuje protonów, dlatego przy tulenianiu FADH2 powstaje mniej ATP
3) przepływ elektronów z Ubichinolu do cytochromu c (przez oksydoreduktazę Q-cytochrom c)
Cytochrom c to białko zawierające hem jako grupę prostetyczną. Podczas transportu elektronów jon żelaza
przechodzi z +2 na +3. Funkcją oksydoreduktazy Q-cytochrom c jest katalizowanie przeniesienia elektronów z Q
na cyt c oraz wpompowanie protonów do przestrzeni międzybłonowej.
Budowa oksydoreduktazy Q-cyt. C (nazywanej też cytochromem bc1)
- dimer, każdy monomer składa się z 11 podjednostek
- zawiera w sumie 3 hemy wbudowane w 2 podjednostki (połączone z białkiem kowalencyjnie)
- podjednostka b posiada hem typu bL i bH (L-low, H-high powinowactwo substratowe)
- podjednostka c1 posiada hem typu c
- grupÄ… prostetycznÄ… jest protoporfiryna IX
- zawiera centrum żelazo-siarkowe
- zawiera dwa miejsca wiążące ubichinon: Q0 i Qi
CYKL Q (przeniesienie elektronów z Q do cytochromu c)
1) ZwiÄ…zanie Ubichinolu (QH2) z miejscem Q0
a. Ubichinol ma dwa ekektrony które oddaje po kolei:
i. Pierwszy przechodzi najpierw do centrum Fe-S
ii. Z centrum Fe-S do cytochromu c1
iii. Na koocu dociera do miesca docelowego  cytochromu c (przekształca się w formę
zredukowanÄ…)
iv. Drugi przechodzi najpierwdo cytochromu bL, następnie do bH i wreszcie do
ubichinonu zwiÄ…zanego z miejscem Qi  czÄ…steczka ubichinonu (Q) redukuje siÄ™ do
anionu semihinonowego (Q·- )
Podczas utlenienia QH2 do Q zostajÄ… wypompowane z matrix dwa protony
2
2008 by Nixon
Cyt c 2 H+
cyt c1
Fe-S
Q0 QH2
Q wymiana Q na QH2 (w miejscu Q0)
Oddanie kolejnych 2 elektronów do
bL nowego cytochromu c (poprzedni
po przyjęciu e oddysocjował) i Q*-
bH utworzony po przyjęciu tego elektronu
Q Q * - rodnik aniono hinonowy pobiera z matrix 2 H+
Miejsce Qi
2 H+
tu znów następuje
wymiana Q na QH2
(miejsce Q0)
Q QH2
oraz wymiana QH2
w miejscu Qi na Q
cały cykl powtarza się
QH2 Q*-
2 H+
4) Oksydaza cytochromu c katalizuje redukcjÄ™ tlenu do wody
Budowa oksydazy cytochromu c:
- 13 podjednostek (podjednostki I,II i III koduje genom mitochondrialny)
- zawiera dwa hemy
1) hem a
2) hem a3
- zwiera 3 jony miedzi:
1) centrum miedziowe A zawiera dwa jony (centrum CuA/CuA  dwa jony miedzi połączone z
dwoma resztami cysteiny)
2) centrum miedziowe B zawiera jeden jon miedzi skoordynowany z 3 resztami histydyny
(centrum CuB )
3
2008 by Nixon
Cykl:
1) Enzym musi byd w stanie całkowitego utlenienia
2) Cytochrom c przekazuje jeden elektron do CuA/CuA, skÄ…d elektron przemieszcza siÄ™ do hemu a, a
następnie do hemu a3 i wreszcie do CuB gdzie formę miedzi Cu2+ redukuje do Cu+
3) Druga cząsteczka cyt. c przekazuje drugi elektron i wszystko odbywa się dokładnie tak samo ale cały
proces zatrzymuje się na etapie hem a3. Żelazo zawarte w tym hemie redukuje się z Fe3+ do Fe2+ i tym
samym zyskuje możliwośd wiązania tlenu (tak jak w hemoglobinie)
4) Po związaniu tlenu przez żelazo (hem a3) i dzięki fizycznej bliskości CuB w postaci zredukowanej
następuje zredukowanie tlenu do nadtlenku który tworzy mostek nadtlenkowy między Fe3+ a CuB2+
Cyt c nowy cyt c
CuA/CuA
Hem a
Cu+
CuB
Fe
Fe2+
Hem a3
O2
O Cu
OH - Cu OH - Cu O
Fe - OH Fe4+ = 0 Fe
H + H+
2H2O
H+
H +
4
2008 by Nixon
5) Dodanie trzeciego elektronu z cytochromu c a także protonu, powoduje zerwanie wiązania O-O i
powstanie grupy Fe4+ = O (ferrylowej) oraz CuB2+ - OH
a następnie redukcję grupy ferrylowej do Fe3+ - OH
6) Reakcja przyłączenia kolejnych 2 protonów powoduje uwolnienie wody i powrócenie enzymu do stanu
wyjściowego
4 zredukowane cytochromy c + 4H+ matrix + O2 -----------> 4 utlenione cyt c + 2 H2O
UWAGA:
W toku ewolucji oksydaza rozwinęła zdolnośd pompowania 4 dodatkowych jonów H+ z matrix do przestrzeni
międzybłonowej. Sumarycznie więc w równaniu powinno byd:
4 zred. Cyt. c + 8 H+ martix + O2 ------------> 4 utl. Cyt c + 2H2O + 4H+ międzybłon.
Miejsca powstawania energii w łańcuchu oddechowym
Transport elektronów przez łaocuch oddechowy powoduje wypompowanie protonów z matrix do przestrzeni
międzybłonowej. Uzyskany gradient protnowy i potencjał tworzą siłę protonomotoryczną wykożystywaną do
syntezy ATP.
Budowa syntazy ATP:
W skład wchodzą dwie podjednostki:
F 0  fragment przewodzÄ…cy protony
- w jego skład wchodzi pierścien zbudowany z 10-14 podjednostek c   WIRNIK
- do strony zewnętrznej pierścienia przylega jedna podjednostka a.
F1  fragment katalityczny, wystajÄ…cy do matrix
- zbudowany z 3 Å‚aocuchów Ä…, trzech ² ,oraz po jednym Å‚, ", µ (Ä…3²3 Å‚"µ)
- Å‚aocuchy Ä… i ² (uÅ‚ożone naprzemiennie) tworzÄ… główkÄ™ podjednostki F1
- poÅ‚ożony centralnie trzonek zawiera biaÅ‚ka Å‚ i µ (podjednostka Å‚ wchodzi do główki
zbudowanej z podjednostek Ä… i ² tak że każda podjednostka ² oddziaÅ‚ywuje z innÄ…
częścią białka ł
Podjednostki F1 i F0 są ze sobą połączone przez trzonek
zbudowany z Å‚ i µ, oraz mostek zbudowany z dwóch biaÅ‚ek b,
który łączy podjednostke a i podjednostkę "
FRAGMENT F1  skierowany do matrix
FRAGMENT F0  w wew. błonie
5
2008 by Nixon
W jaki sposób przepływ protonów przez F0 napędza obroty podjednostki gamma a tym samym doprowadza do
syntezy ATP?
Struktura podjednostki a nie została do kooca zbadana, lecz przypuszcza się że w jej skład wchodzą dwa
półkanały dla protonów nie przecinające błony. Zatem protony mogą się do kanału dostad, ale nie mogą przejśd
na drugÄ… stronÄ™.
H +
Prowadzi to do tego, że proton musi wejśd do pierścienia zbudowanego z
podjednostek C. W każdej podjednostce C jest obojętna cząsteczka
Asparaginianu, jedynie dwie podjednostki są naładowane ujemnie (te
leżące dokładnie na przeciwko półkanałów (półkanału matrixowego i
cytozolowego /przestrzeni międzybłonowej/). To właśnie ujemny
ładunek tych 2 podjednostek pozwala im na wiązanie protonów i
przejście w formę nienaładowaną
Po wejściu protonu do kanału cytozolowego następuje uprotonowanie reszty ASP. Gdy na skutek protonacji
reszta ASP przejdzie w formę pozbawioną ładunku, pierścieo C może się obrócid o jedną podjednostkę c. W tym
samym czasie obdarzona ładunkiem ujemnym druga podjednostka C (skierowana na wprost półkanału
miatrixowego) przechodzi w pozycję półkanału cytozolowego. Jej miejsce zajmuje inna uprotonowana reszta
Asp, która do tej pory nie miała kontaktu z podjednostką a
W ten sposób ruch obrotowy pierścienia c napędzany
gradientem protonowym powoduje ruch obrotowy
podjednostki gamma, która z kolei przyczynia się do syntezy
ATP
Każdy obrót o 360 stopni powoduje uwolnienie 3 cząsteczek
ATP (3 protony na każdą cz. ATP). ATP jest następnie
wymieniane na ADP przez TRANSLOKAZ
ATP-ADP
]
model dzałania syntazy ATP:
www.sigmaaldrich.com/Area_of_Interest/Life_Science/Metabolomics/Key_Resources/Metabolic_Pathways/ATP_Synthase.html
6
2008 by Nixon
Hipotezy sprzężenia utleniania z fosforylacją
Teoria chemiczna  pierwotnie przypuszczano, że synteza ATP odbywa się podobnie jak w glikolizie, jednak nie
udało sie wyizolowad bogatoenergetycznych pośredników
Teoria chemiosmotyczna  patrz wyżej  działanie syntazy ATP
Inhibitory łańcucha oddechowego i fosforylacji oksydacyjnej - implikacje
kliniczne
Inhibitory łańcucha oddechowego:
1) Blok przepływu elektronów między Fe-S a Konezymem Q
a. Barbiturany
b. Piercydyna A
2) Blok między cytochromem bH a cytochromem c
a. Antymycyna A
b. H2S
c. CO
d. Cyjanki
3) Blok przeniesienia równoważników redukcyjnych z dehydrogenazy bursztynianowej na koenzym Q
a. Karboksyna
b. TTFA
4) Inhibicja kompetycyjna dehydrogenazy bursztynianowej
a. Malonian
Inhibitory fosforylacji oksydacyjnej:
1) Oligomycyna
2) Atraktylozyd (blok transportu nukleotydów przez wew błonę - ADP do wewnątrz, ATP na zew.)
Egzo- i endogenne substancje rozprzęgające łańcuch oddechowy od
fosforylacji oksydacyjnej - implikacje kliniczne
SUBSTANCJE EGZOGENNE
1) 2,3-dinitrofenol  zwiększa przepuszczalnośd wew. błony (dokładnie to przenosi protony)  zaburza
gradient protonowy
2) Dinitrokrezol
3) Kwas bongkrekowy (z pleśni) hamowanie translokazy ATP-ADP
4) Atraktylozyd (glikozyd roślinny)
7
2008 by Nixon
5) Inne substancji termoaktywne - efedryny, kofeiny i aspiryny. Efedryna posiada zdolnośd rozprzęgania
fosforylacji oksydacyjnej, prawdopodobnie poprzez wzrost cAMP. Kofeina hamuje natomiast
fosfodiesterazę - enzym - dezaktywujący cAMP, więc wzmacnia i przedłuża termogeniczne działanie
efedryny
SUBSTANCJE ENDOGENNE
6) Hormony Tarczycy  powodują wzrost przepuszczaloności błony mitochondrialnej
7) Androgeny intensyfikują termogenzę (?) prawdopodobnie poprzez uaktywnienie hormonów tarczycy
(odjodowanie tyroksyny ??)
8) Białko rozprzęgające termogenina (UCP-1) w tkance tłuszczowej brunatnej, które nie występuje w
żadnej innej tkance.
8