Transcript elektronide liitmine

Loeng 18
Mitokondriaalne hingamisahel.
1. Mitokondriaalne elektronide transpordi ahel
2. Oksüdatiivne fosforüleerimine
3. Tsütoplasmaatilise NADH retsükleerimine
Glükolüüs, TCA tsükkel:
substraatide oksüdeerimine (elektronide loovutamine),
NAD+ redutseerimine NADH-ks (elektronide liitmine)
FAD redutseerimine FADH2-ks
Kuidas redutseeritud koensüümides salvestatud energiat
kasutada?
NADH oksüdeeritakse, elektronide lõplikuks akseptoriks on O2
Elektronide loovutamine toimub üle elektronide ülekande ahela,
mis paikneb mitokondri sisemembraanis.
Vabanev energia kasutatakse prootongradiendi tekitamiseks,
selle energia rakendatakse omakorda oksüdatiivseks
fosforüleerimiseks- ATP sünteesiks
Süsivesikute metabolismi erinevad staadiumid on
lokaliseeritud eukarüootses organismis raku erinevatesse
kompartmentidesse
Polüsahhariidide
lagundamine
Glükolüüs
TCA tsükkel
Elektronide
transportahel
Oksüdatiivne
fosforüleerimine
Mitokondriaalne elektronide transportahel
•Mitokondri sisemembraan on sopistunud: suur pindala ja lokaalne
isolatsioon
•Membraan ebahariliku lipiidse koosseisuga ja valgurikas
•Hingamisahela komponendid isoleeritavate komplekside kujul
•Identifitseeritavad nn. F1 partiklid- vastutavad ATP sünteesi eest
HINGAMINE- orgaaniliste ühendite oksüdatsioon (elektronide
loovutamine) protsessis, kus oksüdeerijaks (elektronide
akseptoriks) on anorgaaniline ühend (molekulaarne hapnik)
Respiratsioon=Hingamine
Redutseeritud koensüümid NADH ja FADH2 tuleb retsükleerida!
Retsükleerimine toimub elektronide hapnikule ülekandega
ADP + Pi
ATP
NADH + H+ + 1/2O2 Z NAD+ + H20
ADP + Pi
ATP
FADH2 + 1/2O2 Z FAD + H20
TULEMUSEKS:
1. Kofaktorid retsükleeritud, oksüdatiivne metabolism
võib jätkuda
2. Kofaktorite oksüdatsioonil vabanev energia seotud
ATP sünteesiprotsessiga
Elektronide ülekandeahela struktuur: 4 suurt valkkompleksi
Kompleks I-
NADH - KoensüümQ reduktaas
Kompleks II-
Suktsinaat – KoensüümQ reduktaas
Kompleks III- TsütokroomC reduktaas
Kompleks IV- TsütokroomC oksüdaas
Komplekside koosseisu kuulub rida integraalseid
membraanivalke
Elektronide ülekandel osalevad mitmed prosteetilised
rühmad ja mobiilsed redutseeritavadoksüdeeritavad komponendid
Millised protsessid toimuvad hingamisahelas?
Spontaanne elektronide ülekanne ühelt kompleksilt teisele
Ülekanne toimub vastavalt kandjate afiinsusele elektronide suhtes
Nii kandjate järjekord kui ka protsessis vabanev energia
on määratud ära redokspotentsiaaliga
E0, V
-0.4
NADH
Elektronide
liikumine
-0.2
NAD+
Kompleks I
0.0
suktsinaat
0.2
fumaraat
Kompleks II
Q
Kompleks III
CytC
0.4
Kompleks IV
0.6
½ O2 + 2H+
0.8
H 2O
Kui palju vabaneb hingamisahelas energiat?
Vabaneva energia hulk DG0´ on arvutatav vastavalt
redokspotentsiaalidele
NADH + H+ + 1/2O2 Z NAD+ + H20
DG0´ = -220 kJ/mol
FADH2 + 1/2O2 Z FAD + H20
DG0´ = -152 kJ/mol
NB! ATP sünteesireaktsiooni jaoks
ADP + Pi Z ATP DG0´ =+30.5 kJ/mol
Elektronide transportahela komponendid
KompleksI
•Esmalt liiguvad elektronid NADH-lt flaviin mononukleotiidile,
mis struktuurilt sarnaneb FAD-d
•Järgmisena liiguvad elektronid Fe-S klastri prosteetilisele
rühmale, kus muutuv Fe oksüdatsiooniaste on kas 3+ või 2+
•Viimasena kantakse elektronid üle koensüümile Q ehk
ubikinoonile
2H+
QH2
FMN
FMNH2
2 ühe elektroni
ülekannet
Fe-S 2 ühe elektroni
Fe-S
ülekannet
Q
NADH
H+
NAD+
2H+
Flavoproteiin
Fe-S klastrid
Koensüüm Q ehk ubikinoon
See molekuli osa vastutab
membraaniga seostumise eest
CoQ võib loovutada-liita
elektrone ühekaupa
Kompleks II
Koensüüm Q tasemel sisenevad elektronid nii kompleksI-st kui ka FADH2
oksüdatsioonist
Suktsinaadi dehüdrogenaas
Tsitraaditsükli osa. Juhib suktsinaadi osküdeerimisel tekkivad
elektronid CoQ-le FADH2 kaudu
AtsüülCoA dehüdrogenaas
Rasvhapete b-oksüdatsioonil tekkivad elektronid juhitakse CoQ-le
FADH2 kaudu
Mõlemad ensüümid
-on integraalsed membraanikompleksid
-sisaldavad Fe-S klastreid
Kompleks III Funktsioon: elektronide üle kandmine
ubikinoolilt tsütokroomC-le
TsütokroomC- teine mobiilne
elektronide kandja
Sisaldab heemi prosteetilist rühma
Kompleks III struktuur
Kompleksis III ei toimu elektronide
ülekanne lihtsalt lineaarset rada
järgides vaid nn. Q tsüklit
Kompleks IV Funktsiooniks redutseerunud tsütokroom C
elektronide ülekanne hapnikule
•Sisaldab 10 valgulist subühikut ja 2 liiki prosteetilisi rühmi,
2 heemi ja 2 Cu aatomit
•Koosseisu kuuluvad tsütokroom a ja a3, mis on ainukesed
elektronide kandjad, kust toimub elektronide vahetu
loovutamine hapnikule
Oksüdatiivne fosforüleerimine
Elektronide transportahelas toimub NADH ja FADH2
oksüdatsioon redutseeritava O2 arvel
Vabanev energia kasutatakse ATP sünteesiks
Protsessi katalüüsib mitokondri sisemembraani valk
ATP süntaas
Elektronide transportahel ja ATP süntees on seotud
(coupled)- elektronide voog lakkab kui ATP süntees ei
toimu
ATP saagis
1 NADH - 2.5 ATP
1 FADH2 – 1.5 ATP
Millise mehhanismiga on seotud elektronide transpordi ahel
ja ATP süntees?
Kemoosmootse seotuse mehhanism, Michell 1964
•Elektronide transport põhjustab prootonite suunatud
liikumise maatriksist intermembraansesse ruumi
•Tulemusena tekib prootonite gradient
•Tekkinud gradiendi potentsiaalset energiat kasutatakse
ATP sünteesiks
Millise mehhanismiga on seotud elektronide transpordi ahel
ja ATP süntees?
•ATP süntaas koosneb 2 komponendist
•F0 moodustab membraani läbiva H+ kanali
•F1 on ATP sünteesi eest vastutav katalüütiline osa,
paikneb mitokondri maatriksis
F0
F1
Millise mehhanismiga on seotud elektronide transpordi ahel
ja ATP süntees?
•ATP süntaas koosneb 2 komponendist
•F0 moodustab membraani läbiva H+ kanali
•F1 on ATP sünteesi eest vastutav katalüütiline osa,
paikneb mitokondri maatriksis
•F1F0 ATPaas seob omavahel prootonigradiendi ja
ATP sünteesi
Oksüdatiivne fosforüleerimine on
Reguleeritud protsess
•Elektronide voog lakkab kui ADPd ei ole
•Kõrgenenud ADP tase põhjustab rea
kataboolsete ensüümide hulga suurenemise
•Glükogeeni fosforülaas
•Fosfofruktokinaas
•Tsitraadi süntaas
Elektronide transpordi ja oksüdatiivse fosforüleerimise
lahutamine (uncoupling)
•Teatud erijuhtudel on võimalik nende kahe protsessi lahutamine
•Avaldub: ATPd ei produtseerita, ehkki O2 tarbimine jätkub
•Looduses: vastsündinud ja talveunes loomad sooja saamiseks
•Pruun rasv- sisaldab mitokondreid
•Sisemembraanis valk termogeniin, mis laseb välja pumbatud
prootonid maatriksisse tagasi
•Protsessis tekib soojus
Kuidas saadakse ATP glükoosi kataboliseerimisel
Kui palju ATPd on võimalik sünteesida
glükoosi kataboliseerimisel?
Glükolüüs
2ATP
2NADH
2ATP
5ATP (6)
2.5 (3) ATP/NADH
Püruvaadi dehüdrogenaasi kompleks
2NADH
2.5 (3) ATP/NADH
5ATP (6)
Tsitraaditsükkel
2GTP
6NADH
2FADH2
1ATP/1GTP
2.5 (3)ATP/NADH
1.5ATP (2)/FADH2
2ATP
15ATP (18)
3ATP (4)
32ATP (38ATP)
•Lihastes ja ajus on see number 2 võrra väikesem
•Arvestuse aluseks on 3 prootonit ATP süntaasi ühe tsükli
jaoks pluss 1 prooton fosfaadi transpordiks mitokondrisse
•Hingamisahelas pumbatakse: kompleks I – 4 prootonit,
kompleks III – 2 prootonit ja kompleks IV – 4 prootonit ühe
paari elekronide kohta
Kuidas retsükleerida tsütoplasmaatilist NADH-d?
•2 erinevat süstikmehhanismi võimaldavad glükolüüsil
tekkinud NADH oksüdeerimiseks viia mitokondrisse
•Glütserool 3-fosfaadi süstik on kasutusel lihasrakkudes
ja ajus
•Malaadi-aspartaadi süstik on kasutusel südames ja
maksas
Glütserool-3-fosfaadi süstik
Malaadi-aspartaadi süstik