OXIDATIVNÍ FOSFORYLACE NADH a FADH2 vytvořené při glykolýze, oxidaci mastných kyselin a cyklu trikarboxylových kyselin jsou molekuly bohaté na energii. Při jejich oxidaci za tvorby vody se uvolňuje energie, která se ukládá ve formě ATP. Oxidativní fosforylace je proces tvorby ATP při přenosu elektronů z NADH a FADH2 na kyslík přes řadu přenašečů elektronů. Oxidativní fosforylace je hlavním zdrojem energie aerobních organismů.

Oxidace a syntéza ATP jsou spojeny transmembránovým tokem protonů

Zařízení pro měření standardního redukčního (oxidačně-redukčního) potenciálu.

Redukční potenciál páru H+ : H2 je definován jako O voltů. Např. NADH jako silné redukční činidlo předává elektrony a má tak negativní redukční potenciál. Silné oxidační činidlo jako je O2 přijímá elektrony a má tak pozitivní redukční potenciál. V BIOCHEMII: V biochemických textech je redukční potenciál uváděn při koncentraci H+ = 10-7M (pH 7), zatímco v chemických 1 M (pH O) Redukční potenciál v biochemii je tak označen jako Eo´ (obdobně jako D Go´) Vztah mezi změnou standardní volné (Gibbsovy) energie a změnou redukčního potenciálu: D Go´ = - nFDEo´ n = počet přenášených elektronů, F je Faradayův náboj 96, 48 kJ.mol-1.V-1) a DEo´ ve voltech.

Sekvence elektronových přenašečů v dýchacím řetězci

Struktura NADH-Qoxidoreduktasy (Komplex I) Skládá se z části lokalizované v membráně a ramene v matrix. NADH se oxiduje v rameni a elektrony jsou přeneseny do membrány, kde redukují Q.

Reakce katalyzovaná NADH-Q oxidoreduktasou. NADH + Q + 5 H+matrix NAD+ + QH2 + 4 H+cytoplasma První krok: vazba NADH a přenos dvou elektronů na FMN (FMNH2). Druhý krok: elektrony jsou přeneseny na soustavu sloučenin železo – síra. Třetí krok: Elektrony jsou přeneseny na vázaný Q. Tok dvou elektronů z NADH na vázaný Q přes komplex I pumpuje čtyři elektrony z matrix. Redukce Q na QH2 vyžaduje další dva protony z matrix. Čtvrtý krok: Pár elektronů z vázaného QH2 se přenáší na 4Fe – 4S a protony se uvolňují do cytoplasmy. Pátý krok: Elektrony z 4Fe – 4S se přenáší na mobilní Q v hydrofobní části membrány. To vede k odebrání dalších dvou protonů z matrix.

Nehemové železnaté proteiny Iont železa vázaný čtyřmi cysteiny

2Fe – 2S „cluster“ seskupení s ionty železa vázanými sulfidovými ionty.

4Fe – 4S „cluster“ seskupení.

Spojení přenosu elektron – proton Spojení přenosu elektron – proton. Redukce chinonu (Q) na QH2 vede k odčerpání dvou protonů z matrix

Ubichinol - vstup elektronů z FADH2. Sukcinátdehydrogenasa tvořící FADH2 v citrátovém cyklu je součástí sukcinát-Q reduktasového komplexu (Komplex II). Komplex II je integrální součástí vnitřní mitochondriální membrány. FADH2 komplex neopouští. Elektrony jsou přenášeny na Fe – S komplex a poté na ubichinon za tvorby ubichinolu. Další dva enzymy přenášející své elektrony také na FADH2 a poté na komplex II. a) Glycerolfosfátdehydrogenasa b) AcylCoAdehydrogenasa (mastné kyseliny) Sukcinát-Q-reduktasový komplex netransportuje protony!!!! Získá se méně ATP !!!!

Q-cytochrom c oxidoreduktasa (Komplex III) Druhá protonová pumpa. Funkcí komplexu III je katalyzovat přenos elektronů z QH2 na oxidovaný cytochrom c za současného pumpování protonů z matrix. QH2 + 2 Cyt cox + 2 H+matrix Q + 2 Cyt cred + 4 H+cytoplasma

Vazba Cyt c na protein. Vazba vzniká adicí SH skupiny Cys na vinylskupiny protoporfyrinu

Q cyklus. Přechod od dvouelektronového přenosu na jednoelektronový. Dva elektrony z vázaného QH2 jsou přeneseny takto: Jeden na cyt c a druhý na vázaný Q za tvorby semichinonu. Nově vytvořený Q oddisociuje a je nahrazen druhým QH2, který obdobně poskytne své dva elektrony. Přenos druhého elektronu na semichinon vede k pumpování dvou protonů z matrix.

Stryer – Conc. Insights 18. ATPasa-19

Transmembránový protonový transport. Q cyklus.

Cytochrom c oxidasa (Komplex IV) Oxidace redukovaného cyt c spojená s redukcí O2 na 2 H2O. Rovnice: 4 cyt cred + 8 H+matrix + O2 4 cyt cox + 2 H2O + 4 H+cytoplasma Všech osm protonů je z matrix !! Enzym neuvolňuje částečně oxidované kyslíkaté meziprodukty !! Brání tak vzniku reaktivních kyslíkatých radikálů.

Transport protonů z matrix cytochrom c oxidasou Transport protonů z matrix cytochrom c oxidasou. Čtyři protony do cytoplasmy a čtyři na tvorbu vody.

Conceptual Insights

Protonový gradient pohání syntézu ATP. Chemiosmotická hypotéza.

Důkaz chemiosmotické hypotézy (Autor hypotézy Peter Mitchel, 1961).

Procesy oxidace NADH a tvorby ATP NADH + ½ O2 + H+ H2O + NAD+ D Go´ = - 220, 1 kJ/mol ADP + Pi + H+ ATP + H2O D Go´ = + 30, 5 kJ/mol

Struktura ATPsynthasy (mitochondriální ATPasa nebo F1FoATPasa) Struktura ATPsynthasy (mitochondriální ATPasa nebo F1FoATPasa). Dvě části – protonvodivá (Fo) a katalytická (F1). Fo je v membráně a F1 v matrix.

Mechanismus syntézy ATP Role protonového gradientu nespočívá v syntéze ATP, ale v jeho uvolnění ze synthasy !!!

Tok protonů přes ATPsynthasu vede k uvolnění pevně vázaného ATP. Rotace g podjednotky o 120o proti směru hodinových ručiček mění strukturu tří b podjednotek. Podjednotka s nově syntetizovaným ATP je ve formě T (tight) – nemůže uvolnit ATP. Pohybem podjednotky g se převede na O formu, uvolní ATP a váže nové ADP a Pi)

ATP se tvoří i bez protonmotivní síly, ale neuvolňuje se (hydrolyzuje)

Přímé pozorování ATP poháněné rotace ATPsynthasy (nanomotor) Přímé pozorování ATP poháněné rotace ATPsynthasy (nanomotor). Na g podjednotku je připevněno aktinové vlákno – pozorovatelné fluorescenčním mikroskopem.

Jak se dostává cytoplasmatické NADH do matrix mitochondrie ??

Glycerol-3-fosfátový člunek ve svalech(shuttle) Glycerol-3-fosfátový člunek ve svalech(shuttle). Redukce dihydroxyacetonfosfátu na glycerol-3-fosfát a poté mitochondriální glycerol-3-fosfátdehydrogenasa. Tvoří se pouze 1, 5 ATP !!!

Malát – aspartátový člunek (srdce a játra) Malát – aspartátový člunek (srdce a játra). Reversibilní – závisí na poměru NADH/NAD+ v cytoplasmě a matrix.

Mechanismus mitochondriální ATP-ADPtranslokasy (14 % proteinů mitochondriální membrány) ANTIPORTER. ATP je transportován 30 x rychleji ven, než ADP dovnitř. Čtvrtina energie získaná ox. fosforylací jde na konto exportu ATP. Inhibice – atraktylosid (rostlinný glykosid) a bongkreková kyselina (antibiotikum z plísně).

Mitochondriální přenašeče

Respirační kontrola. Elektrony jsou trasportovány na O2 tehdy, když je současně ADP fosforylováno na ATP. Kontrolováno hladinou ADP.

Inhibitory oxidativní fosforylace.

Rotenon – inhibitor mitochondriální oxidace na straně nehemového železa NADH dehydrogenasy. Insekticid

AMYTAL – barbiturát, inhibuje elektronový transportní řetězec mezi flavoproteiny a ubichinonem

Odpojovače(uncouplers) oxidatívní fosforylace

Funkce odpojovacího proteinu UCP-1 (thermogenin) – hnědá adiposní tkáň bohatá na mitochondrie (zazimující živočichové, novorozenci, zvířata adaptovaná na zimu)