biokemijaii oksidativna fosforilacijaibk.mf.uni-lj.si/people/zakeljm/of.pdf · oksidativna...

1

Oksidativna fosforilacija

Elektronska transportna veriga

Fosforilacija ADP

Delovanje odklopnikov in ionoforov

Oksidativna razgradnja glukoze- uravnavanje

Pasteurjev efekt

Fosforilacija ADP do ATP

1. oksidativna fosforilacija

(fosforilacija ADP povezana s prenosom

elektronov v dihalni verigi)

2. fosforilacija na ravni substrata

fosfoenolpiruvat + ADP piruvat + ATP

1,3-bisfosfoglicerat + ADP 3-fosfoglicerat + ATP

sukcinil-CoA + GDP + Pi sukcinat + GTP + CoA

Substrate-level phosphorylationcomputing

Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd

Primera fosforilacije na ravni substrata

CH2

C

COOH

O P

CH3

C

COOH

O

fosfoenolpiruvat pi ruvat

pi ruvat - kinaza

ADPATP

CH2

C

COOH

OH

enolpi ruvat

HC OH

CH2

CH2 O

O P

P

ADPATP

HC OH

CH2

CH2 OH

O P

bisfosfoglicerat 3-fosfoglicerat

fosfoglicerat-kinaza

P O

OH

OH

P

predstavlja :

��

Linkage between ATP utilization and

oxidation of metabolic fuels

computing


metabolična goriva

CO2

oksidiranikoencimi

reduciranikoencimi

mitohondrijskadihalna veriga

H2O

½ O2

ADP (adenozin-difosfat)

+ fosfat

ATP (adenozin- trifosfat)

fizično in kemično delo

Povezava med uporabo ATP in oksidacijo metaboličnih goriv

��

Oksidativna fosforilacija

• Nastanek ATP povezan z

• oksidacijo NADH in FADH2

• redukcijo kisika do vode

Proces poteka v nepoškodovanih mitohondrijih.

MITOHONDRIJ

zunanja membrana

notranja membrana

medmembranski

prostor

matriks

matriks

CITOSOL

kriste

2

Membranes of the mitochondrioncomputing


zu

na

nja

me

mb

ran

a

no

tra

nja

me

mb

ran

acitosol medmembranski prostor

matriks

kriste

Mitohondrijske membrane

��

Kakšne so lastnosti mitohondrijskih

membran?

Kako je s prehodnostjo mitohondrijskih

membran?

Oxygen consumption by

mitochondria with varying ADP

computing


čas

% n

as

iče

nje

s k

isik

om

mitohondriji + dodani substrat

dodan ADP

500 nmol ADP

1500 nmol ADP

Poraba kisika v mitohondrijih ob dodatku malata in različnih količin ADP

��

Overview of the electron

transport chain

computing


flavoprotein

ubikinon

ci tokrom - c1

ADP + Pi

ADP + Pi

ADP + Pi

ATP

ATP

ATP

NADH, H+

NAD+

flavinH2

flavin

½O2

H2O

oksidiranisubstrat

oksidiranisubstrat

CO2

CO2

ci tokrom-b

ci tokrom - c

ci tokrom - oksidaza(ci tokroma a in a3)

Shematični prikaz dihalne verige

��

Proteinske komponente elektronske transportne verige

KompleksM število

podenot

prostetične

skupine

-NADH-

dehidrogenaza

sukcinat-

dehidrogenaza

ubikinon:

citokrom c-

oksidoreduktaza

citokrom c

citokrom-

oksidaza

hem,

hem

hem,

The nicotinamide nucleotide

coenzymes

computing

Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd ��

Koencima NAD and NADP

O

OH OH

N

N

N

N

NH2

OHOH

O

CH2 O P O

O

OH

P O

OH

O

CH2

N

CONH2

fosforilirana pri NADP

nikotinamid - adenin - dinukleotid (NAD)

N

CONH2

N

CONH2

H HXH2

X

oksidiran koencim

NAD+

aliNADP+

reduciran koencimNADH aliNADPH

+ H+

3

Oxidation and reduction of the

flavin coenzymes

computing

Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd ��

Oksidacija in redukcija FAD in FMN

NH

NN

N

O

O

H3C

H3C

CH2 CH

OH

CH

OH

CH

OH

CH2OH

oxidized riboflavin

riboflavin semiquinone radical

NH

NN

N

O

O

H3C

H3C

CH2 CH

OH

CH

OH

CH

OH

CH2OH

H

NH

NN

N

O

O

H3C

H3C

CH2 CH

OH

CH

OH

CH

OH

CH2OH

H

H

fully reduced riboflavin

2H

H

H

Oxidation and reduction of

ubiquinone

computing


Oksidacija in redukcija ubikinona (koencima Q)

CH3H3CO

H3CO

O

O10

OH

CH3H3CO

H3CO

O

10

half-reduced semi-quinone radical

oxidized ubiqinone

H3CO

10

fully reduced ubiquinol

H3CO

OH

OH

CH3

H+, e-

H+, e-

��

Iron-containing carriers of the

electron transport chain

computing


Komponente dihalne verige, ki vsebujejo železo

N

N

N

N

H3CCH

CH3

CH2CH2COOH

CH2CH2COOHH3C

H3C

CH

CH3

CH3

SCH2HC

CO

NH

Fe

S CH2 CH

CO

NH

Fe

OH

CH2

H3C

CH2CH2COOH

CH2CH2COOH

CH3

CHH3C

N

N

N

N

HC

O

Fe

CH2

CH2

HC

H3C

H3CCH2CH2COOH

CH2CH2COOH

CH3

CHH3C

N

N

N

N

haem(protoporphyrin IX)

haem C

haem A

S

OC NHCH

CH2

S

Fe

OC NHCH

S

CH2

S

OC NHCH

CH2

S

Fe

OC NHCH

S

CH2

non-haem iron protein (iron sulphur protein)

��

Complexes of the electron

transport chain

computing


NAD+

flavin

Fe++ Fe+++

ubiqinone ubiquinol

flavin H2

semiquinone

Fe++ Fe+++Fe++ Fe+++

Fe+++Fe++ Fe+++

Fe++


Fe++ Fe++Fe+++ Fe+++

Fe+++ Fe+++Fe++

Fe++

½ O2 H2O

non-haem ironprotein

non-haem ironprotein

cytochrome b

cytochrome c1cytochrome c1

cytochrome c cytochrome c

cytochrome a cytochrome a

cytochrome a3cytochrome a3

Fe++ Fe+++

semiquinone

NADH, H+

complex I

complex III

complex IV

Kompleksi elektronske transportne verige

Kako poteka prenos elektronov v posameznih kompleksih?

��

ubikonon

citokrom c

kompleks 1

kompleks 3

kompleks 4

Complex 1computing


oksidacija NADH + H+ �� redukcija ubikinona

kompleks 1 ADP + Pi ��ATP

NAD+NADH, H+

flavin flavin H2

Fe++ Fe+++

non-haem ironprotein Fe++ Fe+++

semi k inon

ubikinon ubikinolsemikonon

��

nehemsko

železo

Complex 3computing


oksidacija ubikinola �� redukcija citokroma c


Fe++ Fe+++Fe++ Fe+++non-haem iron

proteinci tokrom b

semikinon ubikinolubikinon

Fe+++Fe++ Fe+++

Fe++ ci tokrom c1ci tokrom c1


ci tokrom c ci tokrom c

��

nehemsko

železo

4

Complex 4computing


oksidacija citokroma c �� redukcija O2 �� H2O


Fe++ Fe++Fe+++ Fe+++ci tokrom a ci tokrom a

ci tokrom cci tokrom c Fe+++Fe++Fe+++

Fe++

Fe+++ Fe+++Fe++Fe++ ci tokrom a3ci tokrom a3

½ O2 H2O

��

Na koencim Q se prenesejo še elektroni iz razgradnje MK

preko acil-CoA-dehidrogenaze in elektroni s citosolnega

NADH (glicerolfosfatni prenašalni sitem!)

cyt b FeS cyt c1

Kompleks III

CoQ

Kompleks II

FADH2

FAD

sukcinat-

dehidrogenaza

(ciklus TKK)

sukcinat

sukcinil-CoA

fumarat

malat 2e-

Zakaj se elektroni prenašajo v smeri proti kisiku?.

tok elektronov

∆∆∆∆Eo' = 0.42V

INADH koencim QEo

' = -0.32V Eo' = 0.10V

∆∆∆∆Eo' = 0.19V

III citokrom cEo

' = 0.29V

∆∆∆∆Eo' = 0.53V

IV ½ O2Eo

' = 0.82V

∆∆∆∆Eo' = 0.07V

Eo' = 0.03V

II

sukcinat

Oksidoredukcijski potenciali kompleksov v

elektronski transportni verigi

Kako bi napisali enačbo dihalne verige???

NADH + H+ + 1/2 O2 NAD+ + H2O

FADH2 + 1/2 O2 FAD + H2O

in/ali

Klinične korelacije

identificirali so okvare v kompleksih

dihalne verige

povezane so med drugim z laktatno

acidozo ZAKAJ????

5

Inhibitorji dihalne verige

rotenon

antimicin A

V kakšni obliki se ohrani energija, ki se

sprosti pri prenosu elektronov v dihalni

verigi?

"for his contribution to the understanding of biological energy transfer through the formulation of the chemiosmotictheory"

Peter Mitchell Nobel Prize in Chemistry, 1978

It ain’t a theory, it’s a fact.

Complex 1 – formation of a

proton gradient

computing


oksidacija of NADH + H+ �� redukcija ubikinona


notranja membranamedmembranskiprostor

mitohondrijski matriks

NADH, H+

NAD+

prenašalec H atomov

H+, e-

e -

prenašalec elektonov

prenašalec H atomov

H+, e-

H+

OH-

H2O

��

15

FADH2

FAD

električni

pecil

medmembranski

prostor

sukcinatfumarat

visoka [H+]

nizka [H+]

--

--- - -

--

+ + +++

++ ++

__

+ +

-

medmembranski

prostor

notranja

membrana

matriks H+H+

H+

zunanja

membrana

citoplazma + + ++ + +

+ + ++ + +

H+

H+

visoka[H+]

kemijski

potencial

∆∆∆∆pH

električni

potencial

sinteza

ATP

elektrokemijski gradient protonov

6

Re-entry of protons down the

gradient drives phosphorylation

computing


membrana kristemedmembranskiprostor


H2O

H+ H+

ADP+ Pi

ATP + H2O

H+

dihalna verigaOH-

H+

��

Vračanje protonov v matriks omogoča fosforilacijo ADP ATP-sintaza

matriks

medmembranski prostor

16

F0

F1

Kristalna struktura

katalitske domene

ATP-sintaze je bila

rešena leta 1994

Paul D. Boyer John E. Walker

"for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate

(ATP)"

Nobel Prize in Chemistry, 1997

malo

AK ostanki

O O-

O OH

+ H+

medmembranski prostor

Asp ali Glu?

(nizek pH)

membrana

Sklopitev prenosa

protonov s krožnim

gibanjem

prebitek

podenote cpodenota a

7

The ATP synthase reaction - 1computing


H+

H2O

ADP + Pi

ATP

ATP

mesto A

mesto B

mesto C

ATP

��



ADP + Pi

H+

��



H+

H2O

ATP

��



ATP

ATP

H+

��



ATP

ADP + Pi

��



H2O

ADP + Pi

ATP

ATP

mesto A

mesto B

mesto C

ATP

H+

��

8



ADP + Pi

H2O

ATP

ATP

mesto A

mesto B

mesto C

H+

��



ADP + Pi

ATP

H2O

ATP

mesto A

mesto B

mesto C

H+

��

Kako bi napisali enačbo oksidativne fosforilacije???

NADH + H+ + 1/2 O2 + 3ADP + 3Pi

NAD+ + 3 ATP + 4H2O

Uncoupling of electron transport

and phosphorylation

computing


membrana kristemedmembranski prostor


dihalna verigaOH-

H+

O2N NO2

O-

O2N NO2

OH

O2N NO2

O-

H+

H2O

Odklop dihalne verige od oksidativne fosforilacije

��

2,4-dinitrofenol

Oxygen consumption of

mitochondria with and without an

uncoupler

computing


čas

% n

as

iče

nje

s k

isik

om

mitohondriji + dodan substrat

1000 nmol ADP ± dodan odklopnik

kontrola

+ odklopnik

Poraba kisika v mitohondrijih, inkubiranih z malatom in ADPbrez ali v prisotnosti odklopnika

��

Valinomicin je prenašalec K+ ionov. Je krožna

molekula

N CH C OHC

CH

CH3H3C

O

C N

CH

CH3H3C

O

HC

CH

CH3H3C

C O CH

CH3

C

O

H

O

H

3

Valinomicin

L-valin D-hidroksi-- D-valin L-mlečnaizovalerijanska k. kislina

9

Valinomicin

O

O O

O O

hidrofobna zunanjost

O

K+

Val Val

Val-K+

Val-K+

K+

membrana

K+

odprt zaprt kanal

Predlagani mehanizem

prepuščanja ionov

Delovanje UCP1 (termogenina)

• Vpliv na prenos elektronov in sintezo ATP???

notranja membrana mitohondrijev

protonski gradient

UCP

UCP-ji

• UCP1 - Termogenin– prvi odkrit

– najdemo ga v rjavem maščevju

• UCP2– po AK sestavi podoben UCP1

– najden v številnih tkivih

• UCP3– po AK sestavi podoben UCP1

– najdemo ga v mišicah

Zakaj so zanimivi UCP-ji??????

10

Mesta delovanja nekaterih strupov

Figure 6.13

Rotenon Cianid,CO

OligomIcin

ELEKTRONSKA TRANSPORTNA VERIGA ATP- SINTAZA

Kako vplivajo na nastanek

protonskega gradienta, porabo

kisika in sintezo ATP

inhibitorji dihalne verige

odklopniki

oligomicin

Kaj pomeni razmerje P/O?

Uravnavanje procesa oksidativne

fosforilacije

Omejujoči dejavniki za dihalno verigo so:

koncentracija NADH, Pi

ADP

O2

kapaciteta dihalne verige

Izmenjava ATP in ADP

fig. 19-25

mitohondrijski

matriks

medmembranski

prostor

ATP-sintaza

kodira mitohondrijska DNA število

proteinski kompleks (število podenot) vseh podenot

__________________________________________________________

NADH-dehidrogenaza 7 43sukcinat-dehidrogenaza 0 4citokrom - reduktaza 1 11citokrom-c-oksidaza 3 13ATP-sintaza 2 8

Mitohondrijska DNA nosi informacijo za 13 proteinov,

podenot kompleksov dihalne verige.

Kakšne bodo posledice mutacij mitohondrijske DNA?

11

Koliko ATP se sprosti pri

razgradnji glc do CO2 in

H2O?

Kaj je Pasteurjev efekt ?Ali drži trditev:“Kisik inhibira glikolizo.”

glukozaglikoliza

kompleks PDH

ciklus TKK

oksidativna

fosforilacija

????

Kaj za celico pomeni:

-visoka koncentracija AMP,

ADP in NAD+

-visoka koncentracija ATP,

NADH, citrata in alanina??

38 ATP/glc

2 ATP/glc

pH pade

Koliko glukoz moramo razgraditi,

da dobimo toliko ATP kot pri

aerobni glikolizi??

Koncentracija kisika se močno zmanjša. Kako bo celica pridobila dovolj ATP?

Ali veste, ....- kakšna je vloga kisika v našem organizmu

(neto enačba)

- od kod izvirajo elektroni, ki jih v dihalno

verigo prinašata NADH (FADH2)

- kakšne so posledice inhibicije dihalne verige

- katere procese vključuje proces

oksidativne fosforilacije (neto enačba)

- kako je oksidativna fosforilacija uravnavana

- zakaj 2,4-dinitrofenola ne uporabljajo več

kot pomoč pri hujšanju

- kaj je Pasteurjev efekt in v katerih tkivih ima

praktičen pomen -.................

Se še spomnite ....

- koliko elektronov prenašata

NADH in FADH2

-katere prostetične skupine v kompleksih

dihalne verige omogočajo prenos

elektronov

- v kakšni obliki se lahko prenašajo

elektroni

- zakaj se elektroni po dihalni verigi

spontano prenašajo proti kisiku

- ..........

biokemijaii oksidativna fosforilacijaibk.mf.uni-lj.si/people/zakeljm/of.pdf · oksidativna...

Documents