15. 15. Transport elektrona i Transport elektrona i oksidativna fosforilacija oksidativna fosforilacija

15.1. Transport elektrona15.1. Transport elektrona 15.1.1. Redukcioni potencijali 15.1.1. Redukcioni potencijali

biolobiološških redoks sistemakih redoks sistema 15.2. Fosforilacija u respira-15.2. Fosforilacija u respira-

tornom lancu - tornom lancu - oksidativna oksidativna fosforilacijafosforilacija 15.2.1. Inhibitori procesa 15.2.1. Inhibitori procesa

oksidativne fosforilacije oksidativne fosforilacije i transporta elektrona i transporta elektrona

15.3. Proizvodnja ATP pri 15.3. Proizvodnja ATP pri potpunoj oksidaciji potpunoj oksidaciji glukozeglukoze

Kao Kao ššto je opisano u poglavlju 11.5 redukujuto je opisano u poglavlju 11.5 redukujućći i ekvivalenti ekvivalenti NADHNADH i i FADHFADH22 nastaju u glikolizi i CTK nastaju u glikolizi i CTK ciklusu. Svaka od ovih potencijalno “energijom bogatih ciklusu. Svaka od ovih potencijalno “energijom bogatih molekula” ima par elektrona sa visokim potencijalom molekula” ima par elektrona sa visokim potencijalom prenosa, a slobodna energija nastala za vreme prenoprenosa, a slobodna energija nastala za vreme preno--sa elektrona mosa elektrona možže biti iskorie biti iskorišštena za sintezu tena za sintezu ATPATP. .

EnergijaEnergija - - “upregnuta” u “upregnuta” u anhidridneanhidridne vezeveze molekula molekula ATP se koristi za pokretanje brojnih biohemijskih ATP se koristi za pokretanje brojnih biohemijskih procesa u procesa u ććeliji. Transport elektrona je omogueliji. Transport elektrona je omoguććen en posredovanjem prenosioca elektrona prisutnih u posredovanjem prenosioca elektrona prisutnih u unutraunutraššnjoj membrani mitohondrija. njoj membrani mitohondrija.

Lanac prenosa elektronaLanac prenosa elektrona, druga, drugaččije nazvan ije nazvan respiratorni lanac,respiratorni lanac, ima seriju od ima seriju od ččetiri velika etiri velika proteinska kompleksa kroz koje elektroni prolaze od proteinska kompleksa kroz koje elektroni prolaze od ninižžeg ka vieg ka viššem redoks potencijalu. Samo dva em redoks potencijalu. Samo dva kompleksa, mekompleksa, međđutim, obiutim, običčno oksiduju oba NADH i no oksiduju oba NADH i FADHFADH22..

Tok elektronaTok elektrona izaziva protonska pumpa iz matriksa izaziva protonska pumpa iz matriksa uu memeđđumembranskumembranskii prostor. Ovaj tok elektrona sna prostor. Ovaj tok elektrona snažžno no izaziva nastajanje protonskog gradijenta (pH-gradijent) izaziva nastajanje protonskog gradijenta (pH-gradijent) i membranskog potencijala. Proton tei membranskog potencijala. Proton tečče nazad u e nazad u matriks razlimatriks različčitim putevima ali naroitim putevima ali naroččito kroz ATP-ito kroz ATP-sintetazni kompleks ugrasintetazni kompleks ugrađđen u membranu za vreme en u membranu za vreme sinteze ATP. Glavna karakteristika ovog procesa je sinteze ATP. Glavna karakteristika ovog procesa je oksidativna fosforilacijaoksidativna fosforilacija generisana protonskim generisana protonskim gradijentom pragradijentom praććenim membranskim potencijalom.enim membranskim potencijalom.

S obzirom da se S obzirom da se procesi transporta elektronaprocesi transporta elektrona i i oksidativna fosforilacijaoksidativna fosforilacija odvijaju u odvijaju u mitohondrijamamitohondrijama, , na slici na slici 15-115-1 dat je prikaz ove dat je prikaz ove ććelijske organele kao i elijske organele kao i nanaččin formiranja pH-gradijenta. Evidentno je da razlika in formiranja pH-gradijenta. Evidentno je da razlika u koncentraciji Hu koncentraciji H++ jona dovodi do uspostavljanja jona dovodi do uspostavljanja gradijenta tzv. gradijenta protona.gradijenta tzv. gradijenta protona.

Slika 15-1. Gradijent protona- (pH-gradijent) kao rezultatSlika 15-1. Gradijent protona- (pH-gradijent) kao rezultat ttransporta elektrona kroz unutraransporta elektrona kroz unutraššnju membranu mitohondrija.nju membranu mitohondrija.

15.1. Transport elektrona15.1. Transport elektrona

Transport elektrona od NADH ili FADHTransport elektrona od NADH ili FADH22 do Odo O22 kao krajnjeg akceptora preko kao krajnjeg akceptora preko citohrom-oksidaze veoma je slicitohrom-oksidaze veoma je sliččan kod an kod biljaka i biljaka i žživotinja. Glavne komponente ivotinja. Glavne komponente respiratornog lanca su organizovane kao respiratornog lanca su organizovane kao ččetiri multi-proteinske jedinice etiri multi-proteinske jedinice (kompleksa) koje su inkorporirane u (kompleksa) koje su inkorporirane u strukturu unutrastrukturu unutraššnje membrane nje membrane mitohondrija i prikazane su na slici 15-2.mitohondrija i prikazane su na slici 15-2.

Slika 15-2. Slika 15-2. Rasporeda redoks komponenata Rasporeda redoks komponenata nana unutra unutraššnjnjojoj membran membranii mitohondrija mitohondrija

A.

B.

Prvi kompleksPrvi kompleks u respiratornom lancu u respiratornom lancu (slika 15-2) je unutra(slika 15-2) je unutraššnja nja NADH-NADH-dehidrogenazadehidrogenaza ili NADH-ubihinon ili NADH-ubihinon (UQ) oksidoreduktaza; koja je (UQ) oksidoreduktaza; koja je odgovorna za oksidaciju NADH i odgovorna za oksidaciju NADH i redukciju ubihinona redukciju ubihinona

KompleksKompleks II - - kao najve kao najvećći, smei, smeššten je ten je poprepopreččno kroz celu unutano kroz celu unutaššnju nju membranu mitohondrija. Njegov membranu mitohondrija. Njegov aktivni centar smeaktivni centar smeššten je u prostoru ten je u prostoru MM (prostor matriksa), gde se kao prva (prostor matriksa), gde se kao prva odvija reakcija oksidacije NADH u odvija reakcija oksidacije NADH u NAD+. Posebnom tunelskom NAD+. Posebnom tunelskom jedinicom, koja se protejedinicom, koja se protežže od prostora e od prostora M do prostoraM do prostora C C (prostor izmedju (prostor izmedju krista, mekrista, međđumembranski prostor) u umembranski prostor) u isto vreme dolazi do prelaska H+ iz isto vreme dolazi do prelaska H+ iz prostora M u prostor C. prostora M u prostor C.

Prenos elektrona odvija se preko Prenos elektrona odvija se preko kompleksa gvokompleksa gvožđžđe-sumpor proteina e-sumpor proteina (Fe-S protein) na ubihinon (UQ). (Fe-S protein) na ubihinon (UQ). Ubihinon prihvaUbihinon prihvaććene elektrone ene elektrone prenosi sa enzimskih kompleksa I i II prenosi sa enzimskih kompleksa I i II na kompleks III.na kompleks III.

(b) (b) Kompleks IIKompleks II Predstavlja sukcinat-Predstavlja sukcinat-

dehidrogenazu (sukcinat-UQ dehidrogenazu (sukcinat-UQ reduktaza; EC 1.6.2.4) koja ima reduktaza; EC 1.6.2.4) koja ima ulogu prenosioca vodonika sa ulogu prenosioca vodonika sa sukcinata na ubihinon. Imajusukcinata na ubihinon. Imajućći u i u vidu da je redoks potencijal vidu da je redoks potencijal isuviisuvišše mali nije mogue mali nije mogućć prenos prenos H+ iz prostora M u prostor C kao H+ iz prostora M u prostor C kao ššto je to sluto je to sluččaj sa enzimskim aj sa enzimskim kompleksom I.kompleksom I.

Kompleks II sadrKompleks II sadržži dva glavna i dva glavna subkompleksasubkompleksa ( (SDHCSDHC i i SDHDSDHD)). . Subjedinice obezbedjuju vezivaSubjedinice obezbedjuju veziva--nje sukcinat-dehidrogenaze za nje sukcinat-dehidrogenaze za membranu i redukciju ubihinona. membranu i redukciju ubihinona. Elektroni se prenose od FADHElektroni se prenose od FADH22 do ubihinona prema reakcijido ubihinona prema reakciji::

Sukcinat + UQ Sukcinat + UQ Fumarat + Fumarat + UQHUQH22

(c) (c) Kompleks IIIKompleks III The The coenzyme Q : cytochrome coenzyme Q : cytochrome cc

— oxidoreductase— oxidoreductase, sometimes , sometimes called the called the cytochrome cytochrome bcbc1 1 complexcomplex, and at other times , and at other times complex IIIcomplex III, is the third complex in , is the third complex in the the electron transport chainelectron transport chain ( (ECEC 1.10.2.21.10.2.2). It is a transmembrane ). It is a transmembrane lipoproteinlipoprotein, and it catalyzes the , and it catalyzes the reduction of reduction of cytochromecytochrome cc by by oxidation of oxidation of coenzyme Qcoenzyme QHH22 (CoQ): (CoQ):

QQHH22 + 2 cyt + 2 cyt cc (Fe (Fe+3+3) + 2 ) + 2 HH++inin → →

QQ + 2 cyt + 2 cyt cc (Fe (Fe+2+2) + 4 ) + 4 HH++outout

In the process called In the process called Q cycleQ cycle, two , two protons are consumed from the protons are consumed from the matrix (M), four protons are matrix (M), four protons are released into the inter membrane released into the inter membrane space (IM) and two electrons are space (IM) and two electrons are passed to cytochrome passed to cytochrome cc..

C

C

(d) Kompleks IV(d) Kompleks IV The The enzymeenzyme cytochromecytochrome c c oxidaseoxidase ( (

ECEC 1.9.3.11.9.3.1) is a large ) is a large transmembranetransmembrane protein protein complex complex found in the found in the mitochondrionmitochondrion. It is the . It is the terminal electron acceptor in the terminal electron acceptor in the electron transport chainelectron transport chain. It recieves . It recieves an electron from each of four an electron from each of four cytochromecytochrome c c molecules, converting molecules, converting molecular molecular oxygenoxygen to two molecules to two molecules of water. In the process, it of water. In the process, it translocates four protons, helping to translocates four protons, helping to establish a establish a chemiosmoticchemiosmotic potential potential that the that the ATP ATP synthasesynthase then uses to then uses to synthesize synthesize ATPATP..

Summary reactionSummary reaction:: 4 Fe4 Fe2+2+-cyt -cyt cc + 8 H + 8 H++

inin + O2 → + O2 → 4 Fe4 Fe3+3+-cyt -cyt cc + 2 H2O + 4 H + 2 H2O + 4 H++

outout

The complex is a large lipoprotein The complex is a large lipoprotein composed of several metal composed of several metal prosthetic prosthetic centrecentre and 13 protein and 13 protein subunits. The complex contains two subunits. The complex contains two cytochromes, the cytochromes, the aa and and aa33 cytochromes, and two copper cytochromes, and two copper centers, the centers, the CuACuA and and CuBCuB centers. centers.

15.1.1. Redukcioni potencijali 15.1.1. Redukcioni potencijali biolo biološških redokskih redoks sistema sistema

1/2O2

H2O

Cyt a3red

Cyt a3ox

Cu(I)

Cu(II)Cyt ared

Cyt aox

Cyt cox

Cyt cred

Fe-Sred

Fe-Sox

Cyt c1ox

Cyt c1red

Cyt bred

Cyt box

CoQ

CoQH2

Fe-Sred

Fe-Sox

E-FMN

E FMNH2

NADH

NAD+

Eo'(V)

-0.32

Kompleks INADH-(UQ)-oksidoreduktaza

0.0

ATP

+0.25

+0.82

ATP

Kompleks III UQH2 citohrom c

reduktaza-

Kompleks IVcitohrom-oksidaza

ATP

FADH2 FAD

Fe Sox Fe Sred

Sukcinat-UQ reduktaza

- -

Kompleks II

15.2. Fosforilacija u respiratornom 15.2. Fosforilacija u respiratornom lancu - lancu - oksidativna fosforilacijaoksidativna fosforilacija

Oxidative phosphorylationOxidative phosphorylation - - is the is the terminal process of cellular respiration terminal process of cellular respiration in eukaryotes. During oxidative in eukaryotes. During oxidative phosphorylation electrons are phosphorylation electrons are transferred from NADH or FADH2 — transferred from NADH or FADH2 — created in glycolysis, fatty acid created in glycolysis, fatty acid metabolism and the Krebs cycle — to metabolism and the Krebs cycle — to molecular oxygen, via a series of molecular oxygen, via a series of protein complexes located in the inner protein complexes located in the inner mitochondrial membrane. mitochondrial membrane.

Protons are pumped from the Protons are pumped from the mitochondrial matrix into the mitochondrial matrix into the intermembrane space as a result of this intermembrane space as a result of this flow of electrons. This generates a flow of electrons. This generates a pH pH gradientgradient. The protons flow back into the . The protons flow back into the mitochondrial matrix via a large protein mitochondrial matrix via a large protein complex, complex, ATP synthaseATP synthase. This is how . This is how most of the ATP is created in a most of the ATP is created in a eukaryotic cell. This is the reaction that eukaryotic cell. This is the reaction that ATP synthase catalyses:ATP synthase catalyses:

ADP + HADP + H++ + Pi ↔ ATP + H2O + Pi ↔ ATP + H2O

M

C

ATP synthaseATP synthase

Mehanizam sinteze Mehanizam sinteze ATPATP

Znatan deo oslobođene enrgije u oksidacionim procesima pri Znatan deo oslobođene enrgije u oksidacionim procesima pri prenosu elektrona tokom respiracije koristi se za fosforilaciju ADP. prenosu elektrona tokom respiracije koristi se za fosforilaciju ADP. Ova funkcija mitohondrija je jedna od najvažnijih jer predstavlja Ova funkcija mitohondrija je jedna od najvažnijih jer predstavlja osnovni bioenergetski sistem.osnovni bioenergetski sistem.

Dokazano je da postoje tri mesta u respiratornom lancu gde gde Dokazano je da postoje tri mesta u respiratornom lancu gde gde se vrši fosforilacija ADP do ATP: pri prelazu elektrona, odn se vrši fosforilacija ADP do ATP: pri prelazu elektrona, odn vodonika sa NADH na ubihinon (prvi ATP), pri prelazu sa vodonika sa NADH na ubihinon (prvi ATP), pri prelazu sa ubihinona na cit c (drugi) i nakon prelaza elektrona sa cit c na Oubihinona na cit c (drugi) i nakon prelaza elektrona sa cit c na O22 (treći)(treći)

U mitohondrijama postoji i veoma efikasna enzimska struktura U mitohondrijama postoji i veoma efikasna enzimska struktura koja katalizuje sintezu ATP. Ona obuhvata ATP-sintetazu koja koja katalizuje sintezu ATP. Ona obuhvata ATP-sintetazu koja katalizuje oksidativnu fosforilaciju, odn. fosforilaciju ADP sa Pi do katalizuje oksidativnu fosforilaciju, odn. fosforilaciju ADP sa Pi do ATP. U sastavu ovog kompleksa pojavljuju se faktori kopulacije ATP. U sastavu ovog kompleksa pojavljuju se faktori kopulacije označeni sa Foznačeni sa F00 i F1. i F1.

Slika 15-10. Slika 15-10. Energetsko-zavisni mehanizam promenjenog vezivanja pri sintezi ATPEnergetsko-zavisni mehanizam promenjenog vezivanja pri sintezi ATP. .

Mehanizam se odvija prenosom protona, regulisanom aktivnoMehanizam se odvija prenosom protona, regulisanom aktivnošćšću enzima u enzima ATP-sintaze.ATP-sintaze. Kopulacioni faktor F1 ima tri hemijski identiKopulacioni faktor F1 ima tri hemijski identiččna, ali konformaciono razlina, ali konformaciono različčita ita protomera: O protomera: O - otvorene konformacije, sa malim afinitetom za ligande (kataliti- otvorene konformacije, sa malim afinitetom za ligande (katalitiččki neaktivan); L - sa ki neaktivan); L - sa labavim vezivanjem liganda (katalitilabavim vezivanjem liganda (katalitiččki neaktivan) i T - sa ki neaktivan) i T - sa ččvrstim vezivanjem liganda vrstim vezivanjem liganda (kataliti(katalitiččki aktivan) (ki aktivan) (D.Voet, J.Voet, Biochemistry, 2nd ed. John Wiley and Sons, Inc., New D.Voet, J.Voet, Biochemistry, 2nd ed. John Wiley and Sons, Inc., New York, 1995. str.590; sl.20.31).York, 1995. str.590; sl.20.31).

Slika 15-11. Uloga unutraSlika 15-11. Uloga unutraššnje membrane pri stvaranju protonskog gradienta nje membrane pri stvaranju protonskog gradienta uu sintez ATP. sintez ATP.

15.2.1. Inhibitori procesa oksidativne 15.2.1. Inhibitori procesa oksidativne fosforilacije i transporta elektronafosforilacije i transporta elektrona

U idealnim uslovima tok reakcija respiratornog lanca, uz aktivno U idealnim uslovima tok reakcija respiratornog lanca, uz aktivno katalitikatalitiččko delovanje enzimskih kompleksa, odvija se prema veko delovanje enzimskih kompleksa, odvija se prema većć pomenutim reakcionim putevima. Oksidativna fosforilacija, kao pomenutim reakcionim putevima. Oksidativna fosforilacija, kao proces stvaranja hemijskih veza bogatih energijom u vidu ATP, proces stvaranja hemijskih veza bogatih energijom u vidu ATP, takotakođđe se u ovim uslovima odvija prema prikazanim reakcijama, e se u ovim uslovima odvija prema prikazanim reakcijama, dok se prenos elektrona u elektron-transportnom lancu odvija bez dok se prenos elektrona u elektron-transportnom lancu odvija bez zastoja. zastoja.

Medjutim, ukoliko su u sredini u kojoj se odvijaju ovi procesi Medjutim, ukoliko su u sredini u kojoj se odvijaju ovi procesi prisutna sredstva koja imaju inhibirajuprisutna sredstva koja imaju inhibirajućće dejstvo na pojedine faze e dejstvo na pojedine faze reakcije, doreakcije, doćći i ćće do blokade i prekida ovih procesa. U ulozi e do blokade i prekida ovih procesa. U ulozi inhibitora fosforilacije ADP javljaju se inhibitora fosforilacije ADP javljaju se dinitrofenoldinitrofenol, supstituisani , supstituisani fenilhidrazonifenilhidrazoni (karbonilcijanid - p-trifluormetoksi-fenilhidrazon ), (karbonilcijanid - p-trifluormetoksi-fenilhidrazon ), karbonilcijanid-m-hlorfenilhidrazonkarbonilcijanid-m-hlorfenilhidrazon (CCCP)) i dr. (CCCP)) i dr.

Slika 15-12. Slika 15-12. MoguMogućća mesta inhibicije u a mesta inhibicije u

respiratorespiratornrnom lancu prenosa om lancu prenosa eelektrona.lektrona.

NADH

FMN

Inhibicija pomo}urotenona i amitala

CoQ

Citohrom b

Citohrom c1

Inhibicija pomo}uantimicina A

Citohrom c

Citohromi aa3

Inhibicija pomo}ucijanida (CN-), azida (N3

-),i ugljen monoksida (CO)

O2

IzvodIzvod Mitohondrije su }elijske organele u kojima se odvijaju procesi respiracije i oksidativne Mitohondrije su }elijske organele u kojima se odvijaju procesi respiracije i oksidativne

fosforilacije.fosforilacije. Lanac prenosa elektronLanac prenosa elektron, poznatiji kao , poznatiji kao respiratorni lanacrespiratorni lanac ima seriju od ~etiri velika ima seriju od ~etiri velika

proteinska kompleksa kroz koje elektroni prolaze shodno redukcionim potencijalima ekvivalenata u prenosu.proteinska kompleksa kroz koje elektroni prolaze shodno redukcionim potencijalima ekvivalenata u prenosu. Kompleks IKompleks I, druga~ije nazvan kao NADH-dehidrogenazni kompleks ili NADH-ubihinon (UQ) , druga~ije nazvan kao NADH-dehidrogenazni kompleks ili NADH-ubihinon (UQ)

oksidoreduktaza; oksidoreduktaza; Kompleks IIKompleks II, poznatiji kao sukcinat-dehidrogenazni kompleks ili sukcinat-UQ reduktaza; , poznatiji kao sukcinat-dehidrogenazni kompleks ili sukcinat-UQ reduktaza; Kompleks IIIKompleks III, referisan kao citohrom b/c1 kompleks ili UQH2 -citohrom c reduktaza; , referisan kao citohrom b/c1 kompleks ili UQH2 -citohrom c reduktaza; Kompleks IVKompleks IV, u literaturi , u literaturi poznatiji kao citohrom c oksidaza.poznatiji kao citohrom c oksidaza.

Tok elektrona izaziva protonska pumpa iz matriksa do me|umem-branskog prostora. Ovaj tok Tok elektrona izaziva protonska pumpa iz matriksa do me|umem-branskog prostora. Ovaj tok elektrona sna`no izaziva nastajanje proton-gradijenta (pH-gradijent) i membranskog potencijala. Proton te~e elektrona sna`no izaziva nastajanje proton-gradijenta (pH-gradijent) i membranskog potencijala. Proton te~e nazad u matriks razli~itim putevima ali naro~ito kroz ATP-sintezni kompleks ugra|en u membranu za vreme nazad u matriks razli~itim putevima ali naro~ito kroz ATP-sintezni kompleks ugra|en u membranu za vreme sinteze ATP. Glavna karakteristika ovog procesa je sinteze ATP. Glavna karakteristika ovog procesa je oksidativna fosforilacijaoksidativna fosforilacija generisana proton-gradijentom generisana proton-gradijentom pra}en membranskim potencijalom.pra}en membranskim potencijalom.

Kompleks VKompleks V - obuhvata ATP-sintetazu - obuhvata ATP-sintetazu (EC 3.6.1.3) koja katalizuje oksidativnu fosforilaciju, (EC 3.6.1.3) koja katalizuje oksidativnu fosforilaciju, odnosno fosforilaciju ADP sa Pi do ATP. U sastavu ovog kompleksa pojavljuju se i faktori kopulacije ozna~eni odnosno fosforilaciju ADP sa Pi do ATP. U sastavu ovog kompleksa pojavljuju se i faktori kopulacije ozna~eni kao Fo i F1.kao Fo i F1.

Mehanizam sinteze ATPMehanizam sinteze ATP - Iako mehanizam stvaranja ATP jo{ uvek nije u potpunosti - Iako mehanizam stvaranja ATP jo{ uvek nije u potpunosti razja{njen, verovatno je hipoteza o konformacijskoj promeni proteinske strukture faktora kopulacije F1 pri razja{njen, verovatno je hipoteza o konformacijskoj promeni proteinske strukture faktora kopulacije F1 pri sintezi ATP najpribli`nija.sintezi ATP najpribli`nija.

S’ obzirom da su kopulacioni faktori Fo i F1 sme{teni u popre~noj strukturi unutra{nje S’ obzirom da su kopulacioni faktori Fo i F1 sme{teni u popre~noj strukturi unutra{nje membrane mitohondrija, odnosno na strani matriksa, to se i biosinteza ATP odvija u prostoru matriksamembrane mitohondrija, odnosno na strani matriksa, to se i biosinteza ATP odvija u prostoru matriksa

Oksidativnu fosforilaciju i transport elektrona inhibiraju razli~ite supstance kako organskog Oksidativnu fosforilaciju i transport elektrona inhibiraju razli~ite supstance kako organskog ( dinitrofenol, fenilhidrazin, aurovertin, rotenon, amital i dr.) tako i neorganskog porekla ( CN, N3, CO itd.).( dinitrofenol, fenilhidrazin, aurovertin, rotenon, amital i dr.) tako i neorganskog porekla ( CN, N3, CO itd.).

Potpunom oksidacijom jednog molekula glukoza izdvaja se 38 molekula ATP.Potpunom oksidacijom jednog molekula glukoza izdvaja se 38 molekula ATP.