BIOENERGETICS - biochem.md.chula.ac.thbiochem.md.chula.ac.th/Data/s/AJ Jiraphan... · •...

Prof.Dr. Jerapan Krungkrai 1

Bioenergeticsพลงงานชวภาพ

Fundamentals of Cell and Molecular Biology (3000109)Academic Year 2013

Prof.Dr.Jerapan Krungkrai [email protected]

Http://biochem.md.chula.ac.th

(ศ.ดร.จระพนธ กรงไกร)

Prof.Dr.Jerapan Krungkrai 2

Learning contents • Metabolism, metabolic pathway, catabolism &

anabolism• Thermodynamics of biochemical reactions:

endergonic / exergonic reactions• Biochemical coupled reactions• High-energy compounds• Cellular ATP synthesis• Oxidation-reduction reactions• Mitochondrial ATP synthesis• Mitochondria: electron transport system,

oxidative phosphorylation (ox-phos), chemiosmotic theory, inhibitor, respiratory control, utilization of NADH

• oxygen toxicity/protection

ergon=work


Metabolism (เมตาบอลสม,เมแทบอลซม) วถเมตาบอลสม (Metabolic pathway)

metabolas (Greek) = changeable

• sequential reaction catalyzed by enzyme

• metabolite or metabolic intermediate, precursor & end product

• complex and order

• regulation by allosteric enzyme

(rate limiting enzyme): feedback inhibition

A

E1

B

E2

C

E3

D

E4

E

4bacterial amino acids pathway

Phosphofructokinase

Glycolysis: Glycolytic pathway(Embden-Meyerhof, NP 1922)


Metabolism

Metabolic Map

Metabolic map of 500 reactions

Cholesterol metabolic pathway

HMG CoAreductase


Coordination of catabolism and anabolism

(=throwing down) (=rising up)

Reducing power/equivalent

(Degradation)


การเปลยนแปลงของชวโมเลกลและพลงงานใน catabolism

Step 1

Step 2

Step 3


• A human cell has 2709 enzymes, contains 135 metabolic pathways,operates 896 reactions,has 2,645 metabolites.

Metabolism + Omics

[Metabolomics of a superorganism (human), database 2007]

9

Biological order is made possible by the release of energy from cells as heat (thermal energy)

disorder

order

chemical energy

Entropy, S

Laws of Thermodynamics:1. Energy conservation 2. Universe constantly changes so as to become more disordered (increase entropy, S)(system + environment = universe)

Gibbs free energy, G

heat

(system)

10

Thermodynamics of biochemical reaction

• อธบายการเกดปฏกรยาชวเคมภายในสงมชวตโดยอาศย

Laws of Thermodynamics ดงตอไปน

First law

พลงงานในระบบ (system) ใดๆ จะไมถกสรางขนหรอถกทาลายไป

แตจะสามารถเปลยนแปลงไปมาระหวางพลงงานรปแบบตางๆ ได -conserve

Second law

กระบวนการใดๆ ทมการเปลยนแปลงของพลงงานจะเกดขนได เมอ

entropy (randomness or disorder) ของระบบและสงแวดลอม (environment) มคาเพมขน-energy loss

Third law-there is zero entropy at absolute zero (-273 oC)


• H2O, CO2 และความรอนทเกดขน จะทาให randomness ของระบบและสงแวดลอมเพมขน (increase entropy, s)

• สามารถทานายวา ปฏกรยาชวเคมตางๆ ในสงมชวต จะเกดขนเอง (spontaneity) ไดหรอไมและเกดในทศทางใด โดยอาศยคา potential energy ทเรยกวาGibbs free energy หรอ G ซงจะใชเปรยบเทยบคากอนและหลงเกดปฏกรยา นนคอ free energy change หรอ ∆G

A <---- B

ในปฏกรยาทมทศทาง A--->B และม ∆G = +a kcal/molหมายความวาในปฏกรยาทศทางตรงขาม

B--->A จะม ∆G = -a kcal/mol


• ถา ∆G < 0

ปฏกรยาจะเกดขนเอง และมการปลอยพลงงานออกมา (exergonic

หรอ energy releasing reaction)

• ถา ∆G > 0

ปฏกรยาจะไมสามารถเกดขนเองถาไมมการใหพลงงานจากภายนอกเขา

ไป (endergonic หรอ energy consuming reaction)


• ถา ∆G = 0 ปฏกรยาสมดล (equilibrium) โดยกาหนดให

G = H - TS เมอ H = Heat energy or enthalpy S = Entropy

(degree of randomness or disorder)

T = Temperature in Kelvin (K = 273 + oC) ดงนน

∆G = ∆H-T∆S _________________(1)


• แตการวด ∆G โดยตรงหรอวดจาก ∆H และ ∆S ยงยากไมสะดวก

วธการวดทางออมซงอาศยปจจยสาคญทควบคม ∆G ไดแก

ความเขมขนของ reactant และ product อณหภม และความดน

เปนตน ดงความสมพนธตอไปน

A <---- B


• ดงนนความเขมขนของ reactant และ product ท equilibrium ทาใหสามารถหา ∆Go’ ไดจาก Keq แตปฏกรยาชวเคมตางๆ จะเกดขนทสภาวะแตกตางไปจาก standard condition โดยเฉพาะปฏกรยาเหลานมกจะมความเขมขนของ reactant และ product ทแตกตางไปจาก 1 M เมอสามารถหาคา ∆Go’ ได กสามารถ

หา ∆G ไดจาก สมการ

∆G = ∆Go’ + RT ln [product]

[reactant]


Biochemical coupled reactions

• ปฏกรยาทม ∆G เปนบวกหรอ endergonic reaction ไมสามารถเกดขนไดเอง แตเซลลสามารถทาให endergonic reaction เกดขนไดโดยกลไกทเรยกวา

‘coupling of reaction’

โดยแบงออกเปน 2 ประเภทดงน


Coupled reaction ประเภทแรก

• เกดขนโดยทปฏกรยาชวเคมภายในเซลลไมไดเกดเองตามลาพง แตเกดขนเปน

sequential reaction ใน metabolic pathway ซง product ของปฏกรยาทนามาจะทาหนาทเปน substrate ของ

ปฏกรยาถดไป

ยกตวอยาง

Phosphohexose isomerase Glucose 6-phosphate ---------> fructose 6-phosphate ปฏกรยานม ∆Go’ = +0.4 kcal/mol ไมสามารถเกดเองตามลาพง


• แตภายในเซลลมปฏกรยาซงเปลยน fructose 6-phosphate ไปเปน fructose 1,6-bisphosphate ดงน

Phosphofructokinase (PFK)

Fructose 6-phosphate --------> fructose 1,6 -bisphosphate

ATP ADP

ปฏกรยานม ∆Go’ = -3.4 kcal/mol ซงเกดเองได

∆Go’ สาหรบปฏกรยาทงสอง ซงคอผลรวมของ ∆Go’ ของแตละปฏกรยา

จะมคาเทากบ +0.4 +(-3.4) = -3.0 kcal/mol


• ภายในเซลล ปฏกรยาทงสองสามารถเกดขนตอเนองกน เนองจากปฏกรยา

หลง (Rx 2)ใช product ของปฏกรยาแรกเปน substrate ผลกดนใหปฏกรยาแรก (Rx 1) เกดขนไดจากความเขมขนของ

substrate ทมคามากกวา product

Rx 1 Rx 2

[A] ----- [B] ---- [C] S1 P1=S2 P2

∆Go’ = -ve


Coupled reaction ประเภทสอง

• เกดขนเนองจาก endergonic และ exergonic reaction เกดขนโดยมเอนไซมเดยวกนเรงปฏกรยา

ยกตวอยาง

Glucose + phosphate -----> glucose 6-phosphate + H2O

• ปฏกรยานม ∆Go’= +3.3 kcal/mol ไมสามารถเกดขนเอง


• จะเกดขนควบคไปกบปฏกรยา ATP + H2O ------> ADP + phosphate

ปฏกรยานม ∆Go’ = -7.3 kcal/mol สามารถเกดเองได

ภายในเซลลจะม coupling ของปฏกรยาทงสองโดยเอนไซมglucokinase

ดงน

Glucokinase Glucose + ATP ------------> glucose 6-phosphate + ADP

∆Go’ สาหรบปฏกรยาทงสอง จะมคาเทากบ

+ 3.3 +(-7.3) = -4.0 kcal/mol นนคอพลงงานทไดจาก exergonic reaction จะผลกดนให endergonic reaction

เกดขนได


High energy compounds • เซลลเกบพลงงานทไดจากการสลายสารอาหารในรปของพนธะเคมของ ATP (adenosine

triphosphate) ซงทาหนาทเปนสารตวกลางในการถายทอดพลงงาน (energy carrier) จาก exergonic reaction ไปส endergonic reaction

• โครงสรางของ ATP ประกอบดวยพนธะ phosphoanhydride 2 พนธะ

• มกจะใชสญลกษณ Ap~p~p แทนโดยสญลกษณ ~ หมายถงพนธะ phosphoanhydride ซงเปน high energy bond เนองจากปฏกรยา hydrolysis ของพนธะดงกลาว จะได ∆Go’

ทเปนลบมากดงน

ATP + H2O ----> ADP + Pi ∆Go’ = -7.3 kcal/molATP + H2O ----> AMP + PPi ∆Go’ = -7.3 kcal/mol

ADP + Pi ----> ATP ∆Go’ = +7.3 kcal/mol


Function of ATP (F. Lipmann, NP 1953); Structure of ATP (A. Todd, NP1957)

In cell, most ATP is present as the [MgATP]2- complex, and it has kinetic stability in water. ATP concentration = 109 molecules/human cell.

[MgATP]2- complex

[ATP]4-


• Energy compound แบงออกเปน 2 ประเภทตามคาของ

∆Go' hydrolysis คอ

–high energy compound

ม ∆Go'hydrolysis เปนลบมากกวา ∆Go' hydrolysis ของ ATP (> -7.3 kcal/mol)

– low energy compoundม ∆Go' hydrolysis เปนลบนอยกวา ∆Go' hydrolysis ของ ATP (< -7.3 kcal/mol)

Prof.Dr.Jerapan Krungkrai 25-1.8Triacylglycerol

-2.2Glycerol 3-phosphate

-3.3Glucose 6-phosphate

-3.8Fructose 6-phosphate

-5.0Glucose 1-phosphate

-7.3ATP + H2O ---> ADP + Pi

-7.5Acetyl CoA

-7.6Arginine phosphate

-10.3Creatine phosphate

-11.81,3-Bisphosphoglycerate

-12.3Carbamoyl phosphate

-14.8Phosphoenolpyruvate

∆Go’ hydrolysis (kcal/mol)Compounds

High

Low


ATP/ADP cycle in

cell

ATP:ADP=10:1

Muscle cell

Phosphagen (storage form)


แหลงทมการสราง ATP ของเซลล

เซลลสตวมกลไกในการเกบพลงงานจากสารอาหารในรปของ ATP อย 3

ประเภทคอ

• Substrate level phosphorylation

• Phosphorylation

• Electron transport chain- oxidative phosphorylation

ATP + H2O ----> ADP + Pi ∆Go’= - 7.3 kcal/mol

ADP + Pi ----> ATP ∆Go’ = +7.3 kcal/mol


1.Substrate level phosphorylation

• คอการสราง ATP ทไดจาก exergonic reaction ในระหวางท

เกด substrate oxidation ในกระบวนการ glycolysis และ

TCA or Krebs’ cycle ปฏกรยาทจะทาใหม

phosphorylation ของ ADP เปน ATP ไดแก

– Glycolysis

- Krebs’ cycle


• ใน glycolysis ม 2 ปฏกรยาดงน

Phosphoglycerate kinase

1,3-Bisphosphoglycerate ---------> 3-phosphoglycerate

ADP ATP

Pyruvate kinase Phosphoenolpyruvate --------> pyruvate

ADP ATP


• ใน Krebs’ cycle ไดแกปฏกรยา

Succinyl CoA synthetase Succinyl CoA ----------------->succinate + CoASH

GDP+Pi GTP

GTP ทไดจะเปลยนแปลงเปน ATP ดงตอไปน

nucleoside diphosphate kinaseGTP + ADP -----------------------> GDP + ATP


2.Phosphorylation

• โดยอาศยสารประเภท phosphagen หรอสาร high energy phosphate ชนดทเกบสะสมไว

ไดแกการสราง ATP จาก creatine phosphate ในเซลล

กลามเนอ

Creatine phosphate + ADP ----------> creatine + ATP

Creatine phosphokinase (creatine kinase)


3.Electron transport chain/oxidative phosphorylation

• คอการสราง ATP โดยอาศยพลงงานทไดจากการสงผาน electron ใน respiratory chain (electron transport chain) ท inner membrane ของmitochondrial organelle


Oxidation reduction reactions

• ปฏกรยา oxidation reduction หรอปฏกรยา redox

คอปฏกรยาทมการใหและการรบ electron หรอ hydrogen atom ตามลาดบ ประกอบดวย oxidation half-reaction และ reduction half-reaction ดงน

Reduction half-reaction Xox + ne------> Xred Oxidation half-reaction Yred ----------> Yox + ne-

Overall reaction Xox + Yred -----> Xred + Yox

เรยก Xox/Xred และ Yox/Yred วา redox couple


Table: Reduction potential of some redox couples

Xox + ne----->Xred n Eo’(V)

Redox couple = Xox/Xred

Succinate +CO2/α-ketoglutarate 2 -0.67

Acetate/acetaldehyde 2 -0.60

Ferridoxin:Fe+3/Fe+2 1 -0.43

2H+/H2 2 -0.42

NAD+/NADH ** 2 -0.32

NADP+/NADPH 2 -0.32

Fumarate/succinate (FAD/FADH2) ** 2 0.03

Cytochrome b; Fe+3/Fe+2 1 0.08

Ubiquinone; Ox/Red 2 0.10

Cytochrome c; Fe+3/Fe+2 1 0.22

Cytochrome a: Fe+3/Fe+2 1 0.291/2 O2/H2O * 2 0.82

Reductant

Oxidant

Electron flow

** electron donors in electron transporting system (ETS)* final electron acceptor in ETS


• ในปฏกรยา redox ใดๆ net reduction potential หรอ ∆Eo’ มคาเทากบ

ผลรวมของ Eo’ ของ oxidation half-reaction และ reduction half-reaction และเนองจากพลงงานในรปตางๆ สามารถเปลยนแปลงไปมาได ดงนน

∆Eo’ จงมความสมพนธกบ ∆Go’ ดงน

∆Go’ = -nF ∆Eo’ ________________________(3)

เมอ n = number of electron transferred F = Faraday constant [23.061 kcal/V/mol]


• ดงนนปฏกรยา redox จะเกดขนไดเมอ ∆Eo’ เปนบวกซงจะทาให ∆Go’ มคาเปนลบนนเอง ยกตวอยางเชนปฏกรยา oxidation ของ NADH และปฏกรยา reduction ของ O2 ดงน

NADH---> NAD+ + H+ + 2e- Eo’ =+0.32 V 1/2O2 + 2H+ + 2e- ----> H2O Eo’ = +0.82 V

NADH + 1/2O2 + H+ ---> NAD+ + H2O ∆Eo’= +1.14 V

∆Go’ = -(2)(23.061)(1.14) kcal/mol = -52.7 kcal/mol

Thus, ∆Go’ NADH oxidation = -53 kcal/mol


Part II

Mitochondrial ATP synthesis


Mitochondria(mitos=thread; chondros=granule, grain)

Size=1-2 micron x 0.1-0.5 micron

• Mitochondria ประกอบดวย

-outer membrane ซงยอมใหสารตาง ๆ ผานเขาออกอยางอสระ (protein-> porin) (aquaporin)

-inner membrane ทขดพบเปน cristae ซงยอมใหสารบางชนดผานเขาออก (H2O, O2) โดย selectivetransport system (transporter) ตาง ๆ ไดแก

- transport system สาหรบ ATP, ADP (translocase) และ Pi

- transport system สาหรบ pyruvate, succinate, α-ketoglutarate, malate และ citrate- transport system สาหรบ CTP, CDP, GTP และ GMP

- ชองวางระหวางเยอหมทงสองคอ intermembrane space

- สวนชองทอยภายใน inner membrane คอ matrix (location : DNA, Krebs cycle, etc.)


Shape and characteristics (George Palade’s Baffle model, 1952, NP 1974)

Liver cell

Plasticity

Localization of mitochondria


3-D structure (using electron tomography) of liver mitochondrion: the inner membrane (cristae) are sheet-like and tubular structures (Manella, 1997)

(Crista junction model, 1997)

(Baffle model, 1952)


5.7Human mitochondrial genome (2 rRNA genes, 22 tRNA genes, 13 protein-coding sequences)


• การสราง ATP โดยอาศยพลงงานทไดจากการสงผาน electron หรอ oxidationของ NADH และ succinate (FADH2) ดวย O2 น เรยกวา oxidative phosphorylation ซงเปนแหลงสาคญในการสราง ATP ของเซลลทใช oxygen (aerobic cell) ในภาวะปกตกระบวนการทงสองจะเกดขนควบคกนไปเรยกวา “coupling process of oxidative phosphorylation”

• ความผดปกตของ mitochondria หรอสารบางอยางจะทาใหการสงผาน electron เกดขนลาพงโดยไมมการสราง ATP เรยกวามภาวะ uncoupling สารทมคณสมบตดงกลาวเรยกวา uncoupler


Organization of electron transport chain/system-ETS

Mitochondrial ETSประกอบดวยโปรตนหลายชนดทเปน

electron carrier ทาหนาทสงผาน

electron จาก NADH หรอ

succinate (FADH2)ไปส O2

โปรตนเหลานมการจดเรยงตวดวย

ลาดบทแนนอนเปน complex หรอ

component เดยว

All cytochromes contain iron-heme groups

44

สวนประกอบของ mitochondrial electron transport system

Complex Subunits (Mass) Enzymatic function/ Component

Electron carrier

I >40 (>700 kDa) NADH-Q reductase FMN, FeS Flavoprotein II 4 (97 kDa) Succinate-Q reductase FMN, FeS (Warburg,NP1931)

III >11 (>300 kDa) Q-cytochrome c reductase Cytochrome b, c1, FeS

IV 13 (200 kDa) Cytochrome oxidase Cytochrome a-Fe, a3-Cu

- Q (involves complex I, II, III) Ubiquinone-50 or CoQ10

- Cytochrome c (involves complex IV) Cytochrome c

FeS = iron-sulfur cluster, All cytochromes contain iron-heme groups, Q= non-protein component


การเรยงตวของ electron transport chain,complex I-IV และ ATP synthase complex (V)-how do electrons flow?

FADH2

NADH

I

III

IV

Proton pumps


• การเรยงตวของ complex และ component ตางๆ ของ electron transport chain ดงกลาว จะทาให electron ถกสงผานจาก electron carrier ทม reduction potential ตากวาไปสทสงกวาตามลาดบ จนกระทงใหกบO2 ซงเปนตวรบ electron สดทายท reduction potential สงสด

Complex I

Complex III

Complex IV


Site of ATP synthesis in oxidative phosphorylation

∆Go’ ทเกดขนจากการสงผาน electron:

• จาก NADH ไปส O2 โดยผาน electron transport chain มคาเทากบ -52.7kcal/mol

แตมตาแหนงหรอ site of ATP synthesis เพยงสามตาแหนงใน electron transport chain ซงสามารถใชพลงงานทเกดขนในการสราง ATP ซงตองการเพยง 7.3 kcal/mol ไดแกcomplex I, complex III และ complex IV =3x7.3 kcal/mol= 21.9 kcal/3 mol ATP

• จาก FADH2ไปส O2 , ∆Go’ = -36.6 kcal/mol, site of ATP synthesis เพยงสองตาแหนง ไดแก complex III และ complex IV =2x7.3 kcal/mol= 14.6 kcal/ 2 mol ATP

• Efficiency = 22/53x100 = ~40% <--- NADH oxidation (15/37x100 = ~40%) <--- FADH2 oxidation


ตาแหนงการสราง ATP ใน oxidative phosphorylation

II

Complex II, FADH2

4 H+ 4 H+ 4 H+

2e-

2e-

12 H+

3 ATP

(1 H+ = 5.2 kcal)


• ถา electron ผานเขาส electron transport chain ทาง complex I จะทาใหเกดการสราง ATP 3 mol ตอ electron 1 ค หรอ ตอ O2 ½ mol (=1 atom)

(P:O ratio = 3) for NADH

?? 1 NADH = 2.5 ATP

• แตถา electron ผานเขาทาง complex II จะทาใหสราง ATP ไดเพยง 2 mol ตอ electron 1 ค

(P:O ratio = 2) for FADH2

?? 1 FADH2 = 1.5 ATP

ATP synthesis (phosphorylation) and O2 consumption (oxidation)


Efficiency of ATP production from mitochondrial ETS

Mitochondrial ETS:

Each complex has rate of electron transfer~ 10 milliseconds per electron.

In 1 sec. ~ 100 electrons will be transferred per complex.

Mitochondrial ATP synthesis:Generally, 2 electrons (from 1 NADH) will give ~ 3 ATP synthesis.

Thus, in 1 sec ATP will be produced ~ 150 ATP molecules from the 4 ETS complexes/ATP synthase complex.


Coupling of oxidative phosphorylation

Chemiosmotic coupling hypothesis

(Peter Mitchell, 1961; NP 1978)

เมอมการสงผาน electron ใน electron transport chain จะทาใหเกด proton transport (= proton pump) จากmatrix ผาน inner membrane ท complex I, III, IV ออกส intermembrane space ซงเปนผลใหเกด transmembrane electrochemical proton gradient (= proton motive force = PMF) ท inner membrane นน

PMF เปนแรงผลกดนใหเกดการสราง ATP จาก ADP และ Pi โดย ATP synthase (complex V)


Coupling process of oxidative phosphorylation (P.Mitchell,1961; NP 1978): (E. Racker,1974)


• Proton pump mechanism อธบายการเกด proton transport วา redox center ของ complex I, III และ IV ใน electron transport chain ทาหนาทเปน proton pump สงผาน proton (by conformational change: P. Boyer) จาก matrix ออกส inter membrane space

การสงผาน electron จะเกดการสงผาน proton (proton pump) ขนเปนผลใหเกด transmembrane electrochemical proton gradient (proton motive force) ขน


2.9

[E. Racker et al. (1974). J.Biol.Chem. 249, 662-3]


ATP synthase สราง ATP โดยใชพลงงานจาก proton motive force ประกอบดวย functional units คอ

F0 และ F1

• Fo (F oh) ทาหนาท translocate proton จาก

intermembrane space กลบส matrix

• F1 ทาหนาทเรงปฏกรยาการสราง ATP จาก ADP และ Pi

ATP synthase (complex V)Isolation by E. Racker 1980; Structure by J. Walker 1990;

Mechanism of catalysis by P. Boyer 1979 (Boyer & Walker, NP1997)

56

F0F1–ATP synthase complex: bacteria

Stalk

3 units each

Beta subunit = catalytic subunit; Alpha, beta, a subunits = stators;

Gamma. delta, epsilon, b, c subunits = stalk; Gamma. Epsilon, c subunits = rotor

a b

c

1 unit each

many units

1-6 units each


(JE Walker, 1990-1994; NP 1997): ATP synthase has 22 subunits

F0F1–ATP synthase complex: mitochondria


F0F1–ATP synthase complex: bacteria (cell membrane), mitochondria, chloroplast


ATP synthase interconverts energies of proton motive forces and chemical bonds

ATP synthase compositions, F1 ATPase and F0 ATPase: P. Boyer rotation of F1-ATPase and also by JE Walker

(clockwise rotation)

Rotation catalysis & binding change mechanism (P Boyer,1979)

Kinosita et al 1997:

Each ATP production, it will rotate 120 degree. In one round of rotation, it will produce 3 ATP.

In 1 sec, it will rotate ~50 rounds, this will synthesize ~150 molecules per ATP synthase.


ATP hydrolysis-counter clockwise


Rotation catalysis & binding change mechanism (P. Boyer, 1979; NP1997)

ATP hydrolysis-counter clockwise

ATP synthesis-cclockwise: beta-E->beta-DP -> beta-TP.


Model of ATP synthasome:

(ATP synthase / phosphate carrier-PIC /

adenine nucleotide carrier complex-ANC)


ATP synthase dimer, a crystal structure of row formation (2010)


Model of respirasomes of mitochondrial respiratory chain II


Model of respirasomes (supercomplexes or supramolecular structures) of mitochondrial respiratory chain, I. J. Biol. Chem. (Jan 5, 2007)

I+2(III)+IV, I+ 2(III)+2(IV)


Inhibitor of mitochondrial oxidative phosphorylation

O2

Fe


Uncoupler thermogenin protein in adipose tissue of the newborn human infants generate heat energy, this is required to maintain body temperature (= thermogenesis).


Respiratory control

• Mitochondrial respiration หมายถง กระบวนการใช O2

โดย electron transport chain ดงนน respiratory control จงหมายถงการควบคม oxidative phosphorylation เนองจากการสงผาน electron ไปส O2

โดย electron transport chain นนจะตองเกดขนควบคกบ

การสราง ATP เสมอ

• ADP เปนปจจยสาคญทควบคมกระบวนการดงกลาว เนองจากการสราง

ATP ตองการ ADP และ Pi ปฏกรยา oxidation ของ NADH หรอ FADH2 จะไมสามารถดาเนนไปได ถาไมม ADP ใน

mitochondria


• ในภาวะปกต (ATP:ADP = 10:1)เซลลจะควบคมการสราง ATP โดย mitochondria ให

เพยงพอกบ metabolic activity เทานน

ในระยะพก (resting state, mitochondrial state 4) การใช O2 ในการสราง ATP จะตาสด เนองจากม ADP

สาหรบสราง ATP ในปรมาณจากด ([ADP ]) ทาให

electrochemical proton gradient เพมมากขนจน

ยบย งการสงผาน electron ใหเกดนอยทสด

เมอมความตองการใช ATP เพมขน เชนกลามเนอหดตวซงมการสลาย

ATP จะทาใหระดบ ADP สงขน ([ADP ]) กระตนให

mitochondria มการใช O2 เพมขน เพอสราง ATP ใหเพยงพอ

ตอไป (active state, mitochondrial state 3)


Control of mitochondrial respiration by [ADP]

การใช O2


Mitochondrial utilization of cytosolic NADH

NADH ทเกดขนใน cytosol (Glycolysis) ไมสามารถผานinner mitochondrial membrane ได แตreducing equivalent นสามารถสงผาน electron ใหกบelectron transport chain โดยกลไกการขนสงทเรยกวาshuttle ไดแก

• glycerol phosphate shuttle และ

• malate shuttle

ซงจะให reducing equivalent ใน mitochondria ในรป ของ FADH2 และ NADH ตามลาดบ


Mitochondrial shuttles for cytosolic NADH

Glycerol phosphate shuttle:

1 NADH = 2 ATP muscle cell (white)

Malate shuttle:

1 NADH = 3 ATP liver, heart, brain, red muscle cell


ATP synthesis

1 Glucose

2 ATPGlucose

36-38 ATP

Versus

??31-32 ATP

2 NADH

2 NADH

6 NADH

2 FADH2

cytosol

mitochondria

(General, NADH=3 ATP; FADH2=2ATP)

(If NADH = 2.5 ATP, FADH2 = 1.5 ATP)


Oxygen toxicity

• ในภาวะปกตอาจเกดพษจากออกซเจนโดยเมตาบอลสมของรางกายจาก mitochondrial electron transport หรอจากเอนไซม เชน xanthine oxidase และ amine oxidase ททาใหเกด reduction ของ molecular oxygen ได reductive intermediateห หรอ oxygen free radicals ชนดตาง ๆ ขนดงน

+1e- +1e- +1e- +1e-1/2O2 -----> 1/2O2 ---> 1/2H2O2 -----> OH- -----> H2O

H+ H+

molecular superoxide hydrogen hydroxyl water

oxygen radical peroxide radical

.


• Intermediates เหลานเปนอนตรายตอเซลลเนองจากเปน oxidizing agent ทรนแรงจะทาใหเกดปฏกรยา peroxidation ของ

คารโบไฮเดรต ลปด โปรตน กรดนวคลอก และทาใหเซลลแตก

• ความสามารถของ intermediates ในการทาใหเกดปฏกรยา peroxidation เรยงตามลาดบคอ

OH- > O2 > H2O2

• รางกายมกลไกในการปองกนอนตรายทอาจเกดขนโดย oxido-reductive enzyme ทเปลยนแปลง intermediates เหลานใหเปนพษนอยลง

หรอไมมพษ เรยกเอนไซมกลมนวา oxygen radical scarvengers ไดแก superoxide dismutase, peroxidase และ catalase ดงน

.


• Superoxide dismutase กาจด superoxide radical ดงน

Superoxide dismutase O2 + O2 + 2H+ ------------------> H2O2 + O2

• Peroxidase Peroxidase

H2O2 + AH2 -----------> 2H2O + A • Catalase Catalase

H2O2 + H2O2-------------> 2H2O + O2

• Vitamin E (α-Tocopherol),• Q-10

เปนสารสาคญทชวยกาจด oxygen radical ทเกดขนใน lipid phase ของเซลล ชวยลดอนตรายทเกดจาก oxygen radical ไดเชนกน

• Vitamin C

Free radical diseases

.

.

.


Insights into human ATP utilization and production

Puzzle and Huge Numbers on ATPIn 1 sec, 100 electrons flow into each the ETS complexes/ATP synthase complex, ATP will be produced ~ 150 molecules. (1 NADH = 2 electrons)

In general, 1 mitochondrion has ~10,000 complexes/copies. Thus. ATP will be produced ~ 106 molecules/mitochondrion/sec.

In 1 liver cell, it has ~1,000-2,000 mitochondria (1/3 of cell volume). The liver cell can synthesize 109 ATP/cell/sec or 1014 ATP/cell/day.

[ATP] in human cell ~ 2-5 mM or 109 ATP/cell, this ATP can be synthesized in 1 sec.

By theory, in our body we have ~1014-1016 cells, these (as liver cell) can produce 1028

ATP/day, which is excess ~104 ATP.

We have stored or reserved ATP/ADP~ 100 mmol (50 g)/body, its turnover = 103

cycle/molecule/day- new synthesis = 50 kg per day.

Bioenergetics-ภาคสดทาย-พสดาร

In 70-kg human, ATP is utilized by 40-50 kg per day (or ~ 1024 ATP, or 7.3x1024 kcal) or glucose is then oxidized ~ 50 g.

In strenuous exercise, ATP is utilized at 0.5 kg per min—This is enough for 100 min.


END

BIOENERGETICS - biochem.md.chula.ac.thbiochem.md.chula.ac.th/Data/s/AJ Jiraphan... · •...

Documents

Transcript of BIOENERGETICS - biochem.md.chula.ac.thbiochem.md.chula.ac.th/Data/s/AJ Jiraphan... · •...