2.
Fosforylacja oksydacyjna - proces syntezy ATP, zachodzący w wyniku przeniesienia elektronów NADH lub FADH2 na O2 przez szereg przenośników elektronów (w łańcuchu oddechowym).
Główne źródło ATP w organizmach tlenowych.
Z 30 ATP powst. Podczas utleniania glukozy 26 pochodzi z fosforylacji oksydacyjnej.
3.
Przebieg:
Przepływ elektronów z NADH i FADH2 do O2 przez kompleksy białkowe w wewn błonie mitochondriów, powoduje wypompowanie protonów z matriks mitochondrialnej powstaje siła protomotoryczna składająca się z: gradientu pH i transbłonowego potencjału elektrycznego. Synteza ATP zachodzi na skutek powrotnego przepływu protonów przez kompleks enzymatyczny do matriks mit.
Utlenianie sprzężone jest z fosforylacją dzięki gradientowi protonowemu wytworzonemu w poprzek błony mit.
Istotę fosforylacji Oks stanowi przekształcenie siły elektromotorycznej w siłę protonomotoryczną, a następnie w potencjał fosforylacyjny.
4.
W pierwszej fazie biorą udział 3 pompy protonowe napędzane elektronami: reduktaza NADH-Q, reduktaza cytochromowa i oksydaza cytochromowa. W ich skład wchodzą złożone centra oksydoredukcyjne zaw.flawiny, chinony, centra żelazowo-siarkowe, hemy, jony miedzi.
5.
W drugiej fazie uczestniczy synteza ATP, która syntetyzuje ATP w następstwie przepływu protonów z powrotem do matriks mit.
Fosf Oks stanowi dobitny przykład, że gradienty protonowe odpowiedają w układach biologicznych za odwracalny przepływ energii swobodnej.
Fosforylacja Oks u org tlenowych zachodzi na went błonie mitochondriom - mało przepuszczalna, ma stronę cytoplazmatyczna i matriksową
W org prokariotycznych pompy protonowe napędzanie elektronami i kompleks syntetyzujący ATP są umiejscowione w błonie cytoplazmatycznej, wewnętrznej z dwóch błon.
Podczas fosf Oks potencjał przenoszenia elektr NADH lub FAD2 ulega przekształceniu w potencjał przenoszenia fosforanów ATP(potencjał fosforanowy ATP)
6.
Silne reduktory, jak NADH wykazują ujemny potencjał redukcyjny, a silne utleniacze, jak O2 mają potencjał dodatni.
Transport elektronów przez łańcuch oddechowy jest wymuszony różnicą potencjału między NADH i O2 wynoszącą 1,14V.
7.
W skład łań odd wchodzą 3 pompy protonowe połaczone dwoma ruchomymi przenośnikami elektronów: reduktaza NADH-Q, reduktaza cytochromowa i oksydaza cytochromowa. Przepływ elektronów przez te transbłonowe kompleksy powoduje pompowanie protonów w poprzek wewn błony mit. Do grup przenoszących elektrony należą: flawiny, centra żelazo-siarkowe, hemy i jony miedzi.
8.
-Elektrony przenoszone są z reduktazy NADH-Q do drugiego kompleksu łańcucha-reduktazy cytochromowej, przez zredukowaną formę ubichinonu (Q), hydrofobowego chinonu szybko dyfundującego w błonie mit.
- Ubichinon również przenosi elektrony z FADH2(wytworzonego na przykład podczas utleniania bursztynianu w cyklu kwasu cytrynowego) do reduktazy cytochromowej.
- Małe białko - cytochrom c- przerzuca elektrony z reduktazy cytochromowej na oksydazę cytochromową będącą końcowym składnikiem łańcucha.
9.
Reduktaza NADH-Q nazywana kompleksem I - przejście 2 elekt z NADH-Q powoduje wypompowanie 4 H+ z matriks na cytoplazmatyczną stronę wewn błony mit.
Choroby: kilka rodzajów mutacji reduktazy NADH-Q powouje dziedziczną wzrokową neuropatię Lebera- utrata wzroku dziedziczona na drodze matczynej, pojawiająca się zazwyczaj w wieku średnim.
Reduktaza bursztynian-Q - kompleks II (nie pompuje protonów) - miejsce wejścia także dla elektronów z FADH2, FADH2 nie opuszcza kompleksu
Reduktaza cytochromowa - kompleks III - hem jako grupa prostetyczna, przejście pary elektr przez ten kompleks powoduje przetransportowanie netto 2H+ na str cytoplazmatyczną.
Oksydaza cytochromowa - kompleks IV - kat. Przeniesienie elektr z ferro-cytochromu c (forma zredukowana) do akceptora końcowego, którym jest tlen cząsteczkowy. Przyjęcie 4 elektr przez O2 powoduje jego całkowitą redukcję do H2O z równoczesnym wypompowaniem protonów z matriks na cytoplazmatyczną stronę wewn błony mit. Podczas przejścia pary elektr przez oksydazę przepompowywane są 4 protony.
Nie znany jest mechanizm przekształcający potencjał elektronów w siłę protonomotoryczną.
Transport elektronów w łań odd jest hamowany przez specyficzne inhibitory. (rys str 580)
10.
Utlenianie jest sprzężone z fosforylacją przez siłę protonomotoryczną. Energia swobodna utleniania jest wykorzystywana do procesu endoergicznego, jakim jest synteza ATP
ADP + Pi + H+ > ATP + H2O
Syntezą ATP przeprowadza zespół podjednostek umiejscowiony w wewnętrznej błonie mit. Ten kompleks enzymatyczny nazwano: mitochondrialną ATPazą lub ATPazą H+, obecnie nazywa się go syntetaza ATP.
11.
W jaki sposób utlenianie NADH sprzężone jest z fosforylacją ATP?
12.
Początkowo sądzono, że transport elektronów prowadzi do utworzenia kowalencyjnego intermedia tu wysokoenergetycznego, który miałby służyć jako prekursor ATP. Próbowano wyizolować domniemane intermedia ty, ale ich nie znaleziono.
W 1961r. Peter Mitchell przedstawił hipotezę chemiosmotyczną.
Mówił on, że: Siła protonomotoryczna jest czynnikiem napędzającym syntezę ATP przez kompleks ATPazy. Istotę jego koncepcji można tak przedstawić w skrócie: pierwszym stadium zachowania energii jest wytworzenie siły protonomotorycznej w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej, indukowane przez transport elektronów.
Czyli sprzężenie utleniania z fosforylacją przez gradient protonowy.
13.
ATP jest syntetyzowany przez kompleks enzymatyczny złożony z kanałowej podjednostki F0 przewodzącej protony i katalitycznj podjednostki F1.
14
F1:
-katalizuje syntezę ATP
- zawiera 5 rodzajów łańcuchów polipeptydowych
- masa cząst. 387kDa
F0:
- hydrofobowy segment zakotwiczony w błonie mitochondrialnej stanowiący kanał protonowy kompleksu
- 4 rodzaje łańcuchów polipeptydowych
15
Trzonek łączący F0 i F1 zawiera jeszcze kilka innych białek. Jedno z nich decyduje o wrażliwości kompleksu na oligomycynę, antybiotyk, który przeszkadzając w wykorzystaniu gradientu protonowego, hamuje syntezę ATP.
16
RYSUNEK I OMÓWIONY PRZEBIEG
Przepływ protonów przez syntazę ATP powoduje uwolnienie ściśle związanego ATP.
Syntaza ATP katalizuje reakcję: ADP3- + Pi2- + H+ > ATP4- + H2O
W rzeczywistości ADP i ATP występują w formie skompleksowanej z Mg2+. Końcowy atom tlenu ADP atakuje atom fosforu Pi, wskutek czego powstaje intermedia pentakowalencyjny, który nastepnie dysocjuje do ATP i H2O (RYS)
Paul Boyer odkrył że: Rolą gradientu protonowego nie jest udział w syntezie ATP, lecz odłączenie nukleotydu od syntazy, bo ATP tworzy się również podczas nieobecności siły protonomotorycznej.
Miejsca wiążące nukleotydy w tym enzymie oddziałują na siebie. Wiąznie ADP i Pi do jednego miejsca pobudza usunięcie ATP z drugiego miejsca, czyli synteza ATP wykazuje tzw. kooperatywność kataboliczną.
17
Boyer zaproponował model konformacyjnego mechanizmu syntezy ATP napędzanej przez protony. (RYS.)
3 miejsca katalityczne:
O- forma otwarta - ma znikome powinowactwo do substratów
L - wiąże substraty luźno i nie wykazuje aktywności katalitycznej
T - wiąże substraty bardzo silnie i jest aktywne
Rozważmy cząst enzymu, w której ATP związany jest z miejscem T. W tym czasie ADP i Pi związane są z miejscami L. Energia wniesiona przez przepływ protonów przemienia miejsce T w O, L w T, a O w L. Protony przepływają przez błonę F0 do miejsca katalitycznego F1, tylko wtedy, gdy O, L i T wzajemnie w siebie przechodzą! Te przejścia są powiązane najprawdopodobniej przez zmiany w oddziaływaniu między podjednostkami.
18.
-Siła protonomotoryczna napędzająca syntezę ATP jest sumą dwóch składowych: gradientu pH i potencjału błonowego.
-Dodatni potencjał błonowy przyczynia się do syntezy ATP dzięki tworzeniu lokalnie dużego stężenia H+ w miejscu połączenia F0 z F1 stanowiącego dla nich barierę: jest charakterystyczne, że 0,18V prowadzi do powstania takiego samego gradientu stężeń, jak różnica 3 jednostek pH pomiędzy obu stronami.
- Przeniesienie 3 H+ przez syntezę powoduje utworzenie 1 cząsteczki ATP. (RYS)
19
Skąd ADP? translokaza ATP-ADP w błonie mit - umożliwia transport ADP do środka jedynie w powiązaniu transportu ATP na zewn.
Skąd Pi? Przenośnik di karboksylowy umożliwia przechodzenie jabłczanu, bursztynianu i Dumaranu przez wewn bł mit na wymianę z Pi.
20.
O szybkości fosforylacji oksydacyjnej decyduje zapotrzebowanie na ATP.
Decyduje tu głównie poziom ADP - regulacja szybkości fosforylacji oksydacyjnej przez poziom ADP nazywa się kontrolą oddechową.
Takie związki jak np. DNP, które przenoszą protony w poprzek wewn błony mit, niszczą gradient protonowy.