Fosforylacja oksydacyjna.
Fosforylacją oksydacyjną nazywamy proces syntezy ATP zachodzący w wyniku przeniesienia elektronów NADH lub FADH2 na tlen przez szereg przenośników elektronów. Ten proces, zachodzący w mitochondriach, jest głównym źródłem ATP u organizmów tlenowych. Przepływ elektronów z NADH lub FADH2 do tlenu przez kompleksy białkowe umiejscowione w wewnętrznej błonie mitochondriów powoduje wpompowanie protonów z matriks mitochondrialnej. Synteza ATP zachodzi na skutek przepływu protonów przez kompleks enzymatyczny z powrotem do matriks. Fosforylacja oksydacyjna stanowi punkt kulminacyjny szeregu przemian nazywanych oddychaniem komórkowym.
Przenośniki elektronów wewnętrznej błony mitochondrium.
Elektrony są przenoszone z NADH do O2 poprzez trzy ustawione w łańcuchu oddechowym wielkie kompleksy białkowe o nazwie:
- oksydoreduktaza NADH-Q
-oksydoreduktaza Q-cytochrom c
- oksydaza cytochromu c (oksydaza cytochromowa)
Przepływ elektronów przez te kompleksy transbłonowe powoduje transport protonów protonów poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej. Czwarty wielki kompleks białkowy o nazwie reduktaza bursztynian-Q zawiera dehydrogenazę bursztynianową, generującą FADH2 w cyklu Krebsa. Elektrony z FADH2 wprowadzane są do łańcucha transportu elektronów na poziomie oksydoreduktazy Q-cytochrom c.
Specjalne nośniki elektronów transportują elektrony z jednego kompleksu na drugi. Elektrony przenoszone są z oksydoreduktazy NADH-Q do drugiego kompleksu łańcucha oksdoreduktazy Q-cytochrom c przez zredukowaną formę koenzymu Q- ubichinon. Cytochrom c, małe rozpuszczalne białko, przerzuca elektrony z oksydoreduktazy Q-cytochrom c na oksydazę cytochromową. Elektrony z FADH2 są najpierw przenoszone na ubichinon, a następnie do kompleksu oksydoreduktazy Q-cytochromu c.
Synteza ATP w mitochondriach.
Syntezę ATP przeprowadza zespół podjednostek umiejscowiony w wewnętrznej błonie mitochondrialnej- syntazę ATP. Katalizuje ona syntezę ATP z ADP i ortofosforanu. ADP i ATP są związane z kationem Mg, końcowy atom tlenu ADP atakuje atom fosforu Pi, wskutek czego powstaje intermediat z pięcioma podstawnikami kowalencyjnymi, z którego następnie tworzy się ATP i H2O.
Procesy metaboliczne zachodzące w mitochondrium.
-cykl kwasu cytrynowego
- oddychanie komórkowe- fosforylacja oksydacyjna
- utlenianie kwasów tłuszczowych
- początkowa faza glukoneogenezy
- synteza karbamoilofosforanu i cytruliny w cyklu mocznikowym
- synteza sterydów
- synteza hemu
Teoria chemiosmotyczna Mitchella.
Zakłada ona, że transport elektronów i synteza ATP są sprzężone dzięki gradientowi protonowemu utworzonemu w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej. Według tego modelu przepływ elektronów przez łańcuch oddechowy powoduje przepompowanie protonów za strony matriksowej na cytoplazmatyczną stronę wewnętrznej błony mitochondrialnej. Idea Mitchella zakłada, że przepływ protonów napędza syntezę ATP katalizowaną przez syntazę ATP. Efekt korzystnego energetycznie nierównomiernego rozłożenia protonów nazwano siłą protonomotoryczną- składa się ona z gradientu chemicznego i gradientu ładunków. Oba te czynniki zasilają syntezę ATP.
Właściwości wewnętrznej błony mitochondrialnej.
Powierzchnia wewnętrznej błony mitochondrialnej jest powiększona o grzebienie ( stwarza więcej miejsc dla fosforylacji oksydacyjnej). Jest nieprzepuszczalna prawie dla wszystkich jonów i cząsteczek. Dwie strony błony wewnętrznej będziemy określić jako stronę matriksową i stronę cytoplazmatyczną. Są one nazywane stroną N i stroną P, ponieważ potencjał błonowy jest ujemny po stronie matrix, a dodatni po stronie cytoplazmatycznej.
Oksydaza cytochromowa
Jest to kompleks cytochromów a i a3 wbudowany w wewnętrzną błonę mitochondrialną. Stanowi ostatnie ogniwo transportu elektronów w łańcuchu oddechowym, w którym pośredniczy w przekazaniu elektronów z cytochromu c na tlen. Zbudowana jest z kilkunastu łańcuchów polipeptydowych, część kodowana jest przez genom mitochondrialny i syntetyzowana na terenie mitochondriów, część natomiast powstaje na bazie genów jądrowych jądrowych cytoplazmie i po syntezie transportowana jest przez błony mitochondrialne. Jej centrum oksydoredukcyjne stanowią cztery układy hemowe, zawierające żelazo dwa atomy miedzi. W przeciwieństwie do pozostałych cytochromów, które są przenośnikami jednoelektrodowymi, oksydaza cytochromowa przenosi na cząsteczkę tlenu jednocześnie cztery elektrony, co prowadzi do wytworzenia bardzo reaktywnego jonu O2-, a ostatecznie, po przyłączeniu protonów, dwóch cząsteczek H2O. Dzięki takiej czteroelektronowej redukcji nie powstają w tym miejscu łańcucha reaktywne formy tlenu, np. anionorodnik ponadtlenkowy i nadtlenek wodoru, które ze względu na wysoką reaktywność mogłyby uszkodzić struktury komórkowe.
Cytochromy.
Cytochrom jest białkiem transportującym elektrony, które zawiera hem jako grupę prostetyczną. Podczas transportu elektronów wartościowość jonu żelaza cytochromu zmienia się, przechodząc ze stanu zredukowanego do stanu utlenionego i odwrotnie. Cytochromy występują w błonach grzebieni mitochondrialnych, stanowiąc ogniwa łańcucha oddechowego, oraz w granach chloroplastów, gdzie uczestniczą w transporcie elektronów w fazie jasnej fotosyntezy.