1 / 31

Elektronide ülekandeahel. Hingamine

Elektronide ülekandeahel. Hingamine. 12.09.2005. Oksüdatiivne katabolism. AcCoA moodustumine -Glükoos -Aminohapped -Rasvhapped. AcCoA oksüdeerimine (TCA tsükkel). Elektronide transportahel ja oksüdatiivne fosforüülimine.

gusty
Download Presentation

Elektronide ülekandeahel. Hingamine

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Elektronide ülekandeahel. Hingamine 12.09.2005

  2. Oksüdatiivnekatabolism AcCoA moodustumine -Glükoos -Aminohapped -Rasvhapped AcCoA oksüdeerimine (TCA tsükkel) Elektronide transportahel ja oksüdatiivne fosforüülimine Hingamine- orgaaniliste molekulide oksüdatsioon kasutades elektronide akseptorina anorgaanilist ühendit

  3. Mitokondri sisemembraan • Barjäär metaboliitidele • Sisaldab suurel hulgal valke, mille funktsiooniks on metaboliitide transport • Rakus toimuvad kataboolsed reaktsioonid välja arvatud glükolüüs toimuvad mitokondris

  4. ATP saagis otseselt glükolüüsi ja TCA tsükli reaktsioonides madal: Substraadi tasemel fosforüülimisel saadakse 4ATPd tekib 2GA3P ->2püruvaati 2 ATP kulub glükoos -> Fru-1,6-bisP 2ATP(GTP) tekib püruvaat ->2AcCoA ->4CO2 Summaarselt, 4 ATP sünteesitakse glükoosi kohta otseselt substraadi tasemel fosforüülimise reaktsioonides Ülejäänud vabanenud energia salvestatakse redutseeritud kofaktorite kujul 10 NADH 2 FADH2

  5. Redutseeritud kofaktorite oksüdatsioonil vabaneb energia: NADH + H+ + 1/2O2-> NAD+ + H2O DGo´= -220 kJ/mol FADH2 + 1/2O2-> FAD + H2O DGo´= -182 kJ/mol NB! Flaviini standardne redokspotentsiaal sõltub oluliselt keskkonnast, ehk valgust, millega ta seotud on Glükoosi oksüdatsioon C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O DGo´= -2870 kJ/mol 10x220kJ + 2x182kJ = 2563 kJ, mis on 90% summaarsest glükoosi oksüdatsioonil vabanevast energiast

  6. ATP süntees mitokondrites- oksüdatiivne fosforüülimine • Elektronid loovutatakse NADH ja FADH2koosseisust molekulaarsele hapnikule (toimub oksüdatsioon) • Protsess on vahendatud mitmete vaheühendite kaudu (kinoonid, tsütokroomid, Fe-S valgud) • Eksergoonne elektronide liikumine on seotud H+ transpordiga, mille tulemusel moodustub membraanipotentsiaal • See võimaldab H+voo tekkimist spetsiifiliste kanalite kaudu, mille tagajärjel on võimalik ATPd sünteesida.

  7. Redoksreaktsioonid Redokspaar- ühendite paar, millest üks on redutseerunud, teine oksüdeerunud Näit. Laktaat-püruvaat, NADH-NAD+ Iga redokspaar moodustab poolreaktsiooni Redoksreaktsioon koosneb kahest poolreaktsioonist, milles üks paar loovutab elektrone ja teine paar liidab elektrone Red1 + Ox2 Ox1 + Red2 Laktaat + NAD+ Püruvaat + NADH

  8. Redokspotentsiaal Eo - väljendab seda, kui hästi on üks ühend võimeline teisi redutseerima (elektrone loovutama) • EO: • Standardne redokspotentiaalide vahe kahe poolreaktsiooni vahel • SarnanebGO (standardne vabaeneria muut) • EOon positiivne iseeneslike protsesside korral(GOon iseeneslike reaktsioonide korral negatiivne) Püruvaat + NADH  Laktaat + NAD+ OksüdeerijaRedutseerijaEo Püruvaat Laktaat ‑0.19 V NAD+ NADH ‑0.32 V Eo = (-0.19 V) - (-0.32 V) = +0.13 V

  9. Näide 2. Redokspaaride H2O/½O2 ja NADH/NAD+ redokspotentsiaal. OksüdeerijaRedutseerijaEo ½O2 H2O +0.82 V NAD+ NADH ‑0.32 V NADH + H+ + ½O2H2O + NAD+ Vabaenergia muutus: DGo´= -nFDEo´ n- elektronide arv F=96.4 kJ/molV DEo´= EAo´- EBo´ Potentsiaalide vahe: Eo = (0.82 V) - (-0.32 V) = +1.14 V.

  10. Eo' = 0.29V Eo' = 0.10V Eo' = 0.42V Eo' = 0.53V Eo' = 0.07V Eo' = 0.19V Eo' = 0.82V Eo' = 0.03V Eo' = -0.32V

  11. Mitokondriaalne hingamisahel 1. Reoksüdeerib kofaktorid 2. Konverteerib selle energia sellisele kujule, mis on kasutatav ATP sünteesiks (jt ülesannete täitmiseks) 1, 2 funktsioon on osaliselt lahutatavad reoksüdatsioon kulgeb mitmeetapilisena- elektronid kantakse hapnikule vahendajate kaudu. Elektronide ülekandeahel sisaldab intermediaate, mis jaotavad oksüdatsiooni osadeks. Mõned etapid on seotud ATP sünteesiga Elektronide ülekandeahela ja ATP sünteesi side ei ole otsene, vaid toimub vahendatuna elektrokeemilise gradiendi poolt. Samal ajal koos elektronide ülekandeprotsessidega pumbatakse prootoneid läbi membraani (välja mitokondri maatriksist). Prootonite kontsentratsioni erinevus erinevatel membraani külgedel ja laengute eraldumine neutraliseeritakse ATP süntaasi töö tulemusel ADP fosforüülimise protsessis.

  12. NAD+ and NADP+ - püridiinukleotiidi sisaldavad koensüümid • Defineeritud redokspotentsiaaliga, liidavad-loovutavad hüdriidiooni (2 elektroni ja prootoni), ei saa osaleda 1 elektronilistes reaktsioonides • NAD-seoselised dehüdrogenaasi reaktsioonid • Vabanev prooton (H+) vabaneb solventi • Vees lahustuvad ja ainult nõrgalt ensüümiga seotud, seega elektronide ülekande ahelasse sisenevad elektronid difusiooni teel • Ei ole võimelised membraane läbima FMN ja FAD flaviini sisaldavad koensüümid • Redokspotentsiaal varieerub sõltuvalt valgust, millega nad on tugevalt seotud • Võivad osaleda nii 1 kui 2 elektroni ülekannetes

  13. Elektronide ülekandeahela redokstsentrid Aminohapped- viletsad ühendid redoksreaktsioonides asalemiseks Redoksreaktsioonide kofaktorid anorgaanilised hübriidsed orgaanilised Jaotatakse vastavalt difusioonile mobiilsed tugevalt ensüümidega seotud

  14. Kinoonid Kinoonid sisaldavad p-bensokinooni ja on enamuses seotud elektronide transpordiga bioloogilistes süsteemides Sisaldavad pikka hüdrofoobset saba (isoprenoidne) 2 positsioonis, mis hoiab neid lipiidses kaksikkihis. Membraani sees võivad vabalt difundeeruda ühe valgu juurest teise juurde Kinoonid ja flaviinid saavad aksepteerida 1 või 2 elektroni korraga, samuti 1 või 2 prootonit 1 elektroni liitmine tekitab semikinoonradikaali, mis võib olla anioon või protoneeritud 2 elektroni liitmine tekitab kinooli (dihüdrokinoon) Erinevalt flaviinidest on kinoonid stabiilsed, membraanides difundeeruvad ja seega ideaalsed mobiilsed elektronide kandjad nii elektronide kui prootonite jaoks Kasutatavad elektronide ülekande ja prootonite pumpamise sidumiseks

  15. Tsütokroomid • Väikesed valgud, sisaldavad tugevalt seotud kofaktorit heemi. • Heem- tetrapürrool, seotud koordinatiivselt Fe aatomiga. Fe iooni viies koordinatiivne side moodustub valguga, kuues tavaliselt substraadiga • 3 klassi heeme • Fe-protoporfüriin IX: lihtsaim heem, biosünteesi raja esimene produkt. Esineb b-tüüpi tsütokroomides • Heem A: üks Me oksüdeeritud formüüliks, vinüülrühm seotud isoprenoidiga. Esineb a-tüüpi tsütokroomides • Heem C: Mõlemad vinüülid on seotud tsõsteiinide kaudu valgu külge. Esineb c-tüüpi tsütokroomides • a ja b tsütokroomid- integraalsed membraanivalgud • c tsütokroom- integraalne või perifeerne • Redutseeritud Fe2+ jälgitav • tsütokroomides adsorbtsioonspektriga • (neelab 550-600 nm juures)

  16. Fe-S klastrid 2 põhilist klassi: 2Fe-2S: 2 Fe aatomit seotud 2 sulfiidsillaga ja iga Fe koordineeritud 2 Cys väävliga 4Fe-4S: 4 Fe aatomit seotud 4 sulfiidiga, 4 Cys valgu koosseisust samuti seotud Mõlemis klastris Fe koordineeritud 4 S poolt Fe-S klastrid on 1 elektronilise ülekandeprotsessi kandjad Fe-S klastrid ei eksisteeri iseseisvalt vaid ainult valgu koosseisus Fe-S klastri redokspotentsiaal varieerub suures ulatuses sõltudes konkreetsest keskkonnast (-650 mV ... +450 mV)

  17. Elektronide liikumine on soodustatud madala potentsiaaliga doonoritelt (NADH; Eo´= -320 mV) kõrge potentsiaaliga akseptoritele (O2; Eo´=+820 mV) Kasutades standardpotentsiaalide väärtusi on võimalik ennustada, kuidas elektronid liiguvad Redokspotentsiaalid määravad ära ka elektronide liikumise hingamisahelas NADH-> UQ-> cytb -> cytc1 -> cytc -> cyt (a/a3) -> O2 Sama järjekord on määratud eksperimentaalselt, kasutades inhibiitoreid, mis blokeerivad elektronide ülekandeahela konkreetses etapis

  18. Elektronide ülekandeahel 4 integraalset membraanikompleksi elektronide ülekande D/A Kompleks I: NADH dehüdrogenaas NADH ubikinoon Kompleks II: suktsinaadi dehüdrogenaas suktsinaat (FAD) ubikinoon Kompleks III: tsütokroom bc1 ubikinoon tsütokroomc Kompleks IV: tsütokroomi oksüdaas tsütokroomC O2 Kahes esimeses kompleksis on elektronide akseptoriks ubikinool. NADH on tugevam redutseerija, seetõttu on NADH dehüdrogenaasi reaktsioon seotud prootonite pumpamisega, suktsinaadi dehüdrogenaas pole võimeline seda tegema. Seetõttu on ATP saagis vastavate substraatide oksüderimisel erinev (2.5 ja 1.5 vastavalt) Järgnevalt kantakse elektronid üle tsütokroom c hapnikule. Prootonite pumpamine toimub ka 2 viimase kompleksi töö tulemusel, iga kahe e- läbimisel on võimalik sünteesida 1.5 ATPd

  19. NADH dehüdrogenaas (kompleks I) Katalüüsitav reaktsioon: NADH + H+ +UQ -> NAD+ + UQH2 Samal ajal toimub prootonite pumpamine: Redoksring: 2 NADH oksüdeerimisel saadavat prootonit vabanevad intermembraansesse ruumi. 2 prootonit, mida on vaja UQ redutseerimisel tulevad maatriksist. Siit tuleb H+/e- suhe 1 Lisaks peab toimuma täiendav prootonite pumpamine, kokku elektronipaari kohta 4 prootonit Kompleks I kasutab sisemist kofaktorite ahelat elektronide viimiseks NADH-lt UQ-le NADH -> FMN -> 2Fe-2S -> 2Fe-2S -> UQ NB! Flaviin seob 2 ja 1 elektroni ülekande protsessid. UQH2 prootonid on pärit maatriksist

  20. Suktsinaadi dehüdrogenaas (kompleks II) Katalüüsitav reaktsioon: Suktsinaat + UQ -> fumaraat + UQH2 Ei ole seotud prootonite pumpamisega, ehkki prootonid, mida seob UQ tulevad maatriksist. (vabanevad intermembraansesse ruumi tsütokroomil bc1) Kasutatakse sisemist kofaktorite ahelat, kus elektronid liiguvad suktsinaadilt UQ-le Suktsinaat -> FAD -> 2Fe-2S -> 4Fe-4S -> 4Fe-4S ->UQ Kompleks II- TCA tsükli membraaniseoseline ensüüm AtsüülCoA dehüdrogenaasid- osalevad rasvhapete b-oksüdatsioonil. Loovutavad elekronid samuti UQ-le G3P dehüdrogenaas- analoogiliselt, paikneb ainult tsütosooli poolel FLAVOPROTEIINID

  21. Kompleks II struktuur on lihtsam kui kompleks I-l. 4 subühikut, neist 2 integraalsed membraanivalgud, 2 mitokondri maatriksis 5 prosteetilist rühma (FAD, 3 Fe-S klastrit, CoQ) Elektronide ülekanne läbib 40 Å pikkuse tee, 5 elementaarülekannet

  22. Katalüüsitav reaktsioon: • UQH2 + 2cytc(Fe3+) -> UQ + 2H+ + 2cytc(Fe2+) • Kompleks III pumpab samaaegselt prootoneid • Redoksring: 2 UQH2 oksüdeerimisel vabanevat prootonit lähevad intermembraansesse ruumi. Et kompleksis I või II saadi need prootonid maatriksist, on kokkuvõttes toimunud prootonite pumpamine maatriksist välja. • Täiendav prootonite pumpamine toimub Q tsükli abil • N- membraani negatiivne pool (maatriks) • P- positiivne pool (intermembraanne ruum) • cytbL madala potentsiaaliga tsütokroom b (QP läheduses) • cytbH kõrge potentsiaaliga tsütokroom b (QN läheduses) Tsütokroom bc1 (kompleks III)

  23. Kompleks III 250 kDa, 9 – 10 polypeptides Science (1998) v.281 p.64

  24. Q tsükkel • Kompleksis III on kaks sisemist elektronide ülekandeahelat • UQH2-> 2Fe-2S -> cyt c1-> cyt c • UQH•-> cyt bL-> cyt bH-> UQ • Mõlemad ahelad algavad kinooni oksüdeerimisega intermembraanse ruumi läheduses (QP) • Esimene elektron liigub tsütokroomile c üle Rieske valgu 2Fe-2S klastri, tekib semikinoon UQH• . Semikinooni redokspotentsiaal on madalam kui UQH2-l ja ta on võimeline redutseerima cyt bL , millelt elektronid liiguvad kiiresti cyt bH–le, mis asub membraani teisel küljel kinooni redutseerimissaidi QN juures maatriksi pool. Selles QN saidis toimub 2 etapiline UQ redutseerimine UQH2-ks.

  25. Igas Q tsüklis toimub: • 2 UQH2 oksüdeerimine UQ-ks QP saidis, tekib 2 UQ, 4 H+ vabaneb intermembraansesse ruumi • 2 cyt c (Fe3+) redutseeritakse 2 cyt c (Fe2+), paiknevad intermembraanses ruumis • 1 UQ redutseeritakse UQH2-ks QN saidis, võttes 2 H+ maatriksist • 2 UQH2-> 2UQ + 4H+ + 4e- • 1 UQ + 2H+ + 2 e--> 1UQH2 • 2 cyt c (Fe3+) + 2e--> 2 cyt c (Fe2+) • UQH2 + 2cyt c (Fe3+) -> UQ + 2H+ + 2 cyt c(Fe2+) • Tsükliga kaasneb 2 prootoni pumpamine maatriksist intermembraansesse ruumi iga bc1 kompleksi poolt oksüdeeritud ubikinooli kohta

  26. Tsütokroomi oksüdaas (Kompleks IV) • Katalüüsitav reaktsioon: • 4cyt c (Fe2+) + 4H+ + O2-> 4 cyt c (Fe3+) + 2H2O • Samal ajal toimub prootonite pumpamine • Redoksring : 4 hapniku redutseerimiseks vajalikku prootonit võetakse maatriksist • Täiendavalt 4 prootonit pumbatakse iga redutseeritud O2 kohta • O2 redutseeritakse heemi a3 ja CuB läheduses. • Heem a ja 2 CuA kasutatakse • 1. Tsütokroom c oksüdeerimiseks • 2. Elektronide ülekandeks O2 redutseerimissaiti • (heem a3/CuB)

  27. Kompleks IV-Tsütokroomi oksüdaas170kDa dimeer, 13 polüpeptiidi SCIENCE (1997) V. 280 p.1723

  28. Elektrokeemiline gradient Iga NADH oksüdeerimisega on seotud 10 prootoni pumpamine maatriksist välja: (NADH + H+) + ½ O2 + 10 H+N-> NAD+ + H2O + 10 H+P Elektrokeemililse gradiendi energia: DG= RTln([M+]P/[M+]N) + ZF Antud juhul DG= RTln([H+]P/[H+]N) + ZF = =5.7 kJ/mol (pH) + 96.5 kJ/Vmol () Aktiivsete mitokondrite korral pH = 0.75  = 150-200 mV

  29. Dy = 0.15-0.2 V 0.75 pH ühikut kõrgem kui P poolel Järelikult, DG= 4.3 kJ/mol + 14.5-23.6 kJ/mol = 18.8-23.6 kJ/mol St. on vaja umbes 20 kJ energiat selleks et pumbata 1 mool prootoneid vastu elektrokeemilist gradienti mitokondrist välja, 10 prootoni pumpamiseks on vaja ligi 200 kJ energiat, mis on praktiliselt võrdne energiaga, mis vabaneb NADH oksüdeerimisel

More Related