BiokemijaII oksidativna fosforilacijaibk.mf.uni-lj.si/people/zakeljm/OF.pdf · Oksidativna...
Transcript of 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
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
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
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
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
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
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
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
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
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
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
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
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
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
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+++
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
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
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
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
oksidacija ubikinola ���� ���� ����redukcija citokroma c
kompleks 3 ADP + Pi ����ATP
Fe++ Fe+++Fe++ Fe+++non-haem iron
proteinci tokrom b
semikinon ubikinolubikinon
Fe+++Fe++ Fe+++
Fe++ ci tokrom c1ci tokrom c1
Fe++ Fe+++Fe++ Fe+++
ci tokrom c ci tokrom c
����
nehemsko
železo
4
Complex 4computing
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
oksidacija citokroma c ���� ���� ����redukcija O2 ���� H2O
kompleks 4 ADP + Pi ����ATP
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
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
oksidacija of NADH + H+ ���� ���� ����redukcija ubikinona
kompleks 1 ADP + Pi ����ATP
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
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
membrana kristemedmembranskiprostor
mitohondrijski matriks
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
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
H+
H2O
ADP + Pi
ATP
ATP
mesto A
mesto B
mesto C
ATP
����
The ATP synthase reaction - 2computing
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
ADP + Pi
H+
����
The ATP synthase reaction - 3computing
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
H+
H2O
ATP
����
The ATP synthase reaction - 4computing
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
ATP
ATP
H+
����
The ATP synthase reaction - 5computing
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
ATP
ADP + Pi
����
The ATP synthase reaction - 6computing
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
H2O
ADP + Pi
ATP
ATP
mesto A
mesto B
mesto C
ATP
H+
����
8
The ATP synthase reaction - 8computing
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
ADP + Pi
H2O
ATP
ATP
mesto A
mesto B
mesto C
H+
����
The ATP synthase reaction - 7computing
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
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
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
membrana kristemedmembranski prostor
mitohondrijski matriks
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
Presentation copyright © 2002 David A Bender and some images copyright © 2002 Taylor & Francis Ltd
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
- ..........