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Lecture Notes for Chapter 15 Oxidative Phosphorylation Essential Biochemistry Third Edition Charlotte W. Pratt | Kathleen Cornely Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved.

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Lecture Notes for

Chapter 15 Oxidative Phosphorylation

Essential Biochemistry Third Edition

Charlotte W. Pratt | Kathleen Cornely

Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved.

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15-1 The Thermodynamics of Oxidation-Reduction Reactions

oxidant reductant

還原 = 獲得電子 = 與氫鍵結增加

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Reduction potential indicates a substance’s

tendency to accept electrons

Half reaction

將還原電位量化 還原 = 分子接受電子 電位 = 伏特的改變 還原電位 = 分子接受電子後伏特的改變

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The free energy change can be

calculated from the change in

reduction potential

Rule

• 不同分子有不同還原電位

• 還原電位高 = 分子拉電子力強

• Δ ε °’ = ε °’ acceptor – ε °’

donor

• 為方便記憶,均以獲得電子方向

之還原電位進行計算

• Donor : NADH,ε °’ = -0.315

• Acceptor : Q,ε °’ = +0.045

• 故Δ ε °’ =0.045 – (-0.315) =

0.36

• 淨反應如下:

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The actual reduction potential depends on

the actual concentrations of oxidized and

reduced species.

The Nernst Equation

R = Gas Constant = 8.3145 J‧mol-1‧K-1 T = temperature in Kelvin

n = # of electrons F = Faraday’s constant = 96,485 J‧V-1‧K-1

實際還原電位受氧化態與還原態濃度影響,以Nernst equation計算之,其中:

換算為自由能:

亦即還原電位為正值時,Δ G°’為負值,可自發之放熱反應

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Δ ε °’= +0.360

Δ ε °’= +0.190

Δ ε °’= +0.580

15-2 Mitochondrial Electron Transport

• Respiration: 還原能最終傳遞至氧氣,使其還原為H2O,因此消耗氧氣而獲得能量,稱之為呼吸作用

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Electron transport takes place in the

mitochondrion.

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粒線體結構 可通透

不可通透

生產ATP所必需原料: • NADH • ADP • Pi

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The malate-aspartate shuttle

transports reducing agents across

the inner mitochondrial membrane.

何種運送機制可使NADH由粒線體外轉移至粒線體內?

NADH除了由TCA生產,亦可由粒線體外轉換而補充:

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A different transport system is used to

move ATP from the matrix to the cytosol.

ATP translocase

:負責ATP換出,ADP換入

Symport protein

:利用H+的濃度差同向運送Pi進入

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Oxidative phosphorylation

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Complex I 接受來自NADH之電子,排出H+

Complex II 接受來自FADH2之電子

Complex III 匯整電子流,排出H+

Complex IV 將O2還原為水,排出H+

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Complex I binds ubiquinone.

• Complex I 結構解析

– 使電子由NADH轉移到輔酶Q

– 主要利用FMN(B2)與Fe-S 為輔因子

– 嵌在粒線體內膜中,故結構上有許多α -helix二級結構

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FMN can pick up two electrons from

NADH.

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第一步:FMN由NADH+H+獲得2電子形成FMNH2

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Iron-sulfur clusters

undergo

one-electron

transfer reactions.

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第二步:一系列的Fe-S輔因子協助電子傳送

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第三步:輔酶Q接過2電子,形成QH2

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Proton wire (質子線路)

a series of hydrogen-bonded protein groups plus water molecules that form a

chain through which a proton can be rapidly relayed.

Complex I Function

移出2H+

移出2H+

共計4H+

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Structure of Complex II

(succinate dehydrogenase)

Succinate dehydrogenase,即為TCA循環中的一個產生FADH2之enzyme FAD接收 Succinate之電子,產生FADH2

FADH2之電子經由Fe-S傳至CoQ使其還原為CoQH2

但FADH2還原電位幾乎為0,故淨反應放熱不足以產生ATP,亦無法排出質子

Complex I電子來自____,而Complex II電子來自____,主要都傳給______

TCA循環中哪一個酶與氧化磷酸化有關?

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Complex III transfers electrons from

ubiquinol to cytochrome c

Heme prosthetic group One-electron reduction

Cytochrome 細胞色素

• 利用含鐵血紅素(Heme b)輔基傳送電子之蛋白

• 鐵離子可於還原態Fe2+與氧化態Fe3+切換,傳送一個電子

• QH2有兩個電子,故需要 2 Cytochrome c

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cytochrome b

Iron–Sulfur Protein

(2Fe–2S cluster)

cytochrome c1

Structure of Mammalian Complex III

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The Q cycle

• 由QH2傳進2個電子,但cytochrome c一次只能收1個電子,故由cytochrome b保留,再傳回Q形成‧Q-

• 另一個QH2再傳進2個電子

,由 cytochrome b再傳至‧Q-,與2H+形成新的QH2

移出2H+ (屬於I)

移出2H+

移出2H+ 共計4H+

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Summary for Complex III function

• 每Round釋出2H+,兩Round釋出4H+,運送2電子

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Complex IV oxidizes cytochrome c

and reduces O2.

• Cytochrome c 一次轉移1個電子至Complex IV

• Complex IV 將O2還原為水,使Cytochrome c氧化,故又稱為Cytochrome c oxidase

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氧化磷酸化反應中,最終的電子接受者為何?

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More on Complex IV Function

• 1NADH轉移2個電子,最終使Cyto c轉移2個質子出去

• 另外2個質子與氧結合,

½ O2 H2O

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質子梯度(Proton gradient)的形成

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Complex I排出4質子 Complex III排出4質子

1分子NADH+H+ 提供2電子

Complex IV排出2質子

[H+]↑,pH↓

[H+]↓,pH↑

1分子NADH參與呼吸鏈,可由粒線體基質排出多少質子?

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15-3 Chemiosmosis

ADP + Pi ATP

Δ G°’= +30.5kJ/mol

如何轉移能量形成ATP?

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Chemiosmosis links electron transport

and oxidative phosphorylation

• Chemiosmotic theory 化學滲透假說:

粒線體內膜內外的質子梯度 proton gradient 推動反應

• Proton-motive force :

質子梯度差趨使質子由高濃度往低濃度移動,產生之動能進而合成ATP

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Computing the free energy change

for the imbalance of protons.

化學能推動 電位差推動

Z = Ion’s Charge

Δy = Membrane Potential

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整合

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15-4 ATP Synthase (Complex V)

ATP synthase

F1球體:伸進粒線體基質

F0 跨膜結構

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ATP synthase rotates as it translocates

protons

a subunit

b subunit

c subunit X 12

F1:α *3, β *3, γ *1, δ *1, ε *1

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ATP synthase rotates as it

translocates protons.

• H+ 由a subunit通道進入c subunit.

• 結構誘導H+單方向轉動,帶動整個c subunit單方向旋轉

• 每個c subunit有1個H+

結合位,1個H+進入即帶動旋轉1個c subunit而釋出1個H+

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ATP synthase rotates as it translocates

protons

1個質子轉動30°,4個質子轉動1/3圈,帶動γ subunit轉動120°

γ rotates in steps of 120° 4 proton = 1 ATP

僅β subunit具催化活性

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The binding change mechanism explains

how ATP is made

• Binding change mechanism: 隨著γ subunit的轉動,αβ subunit有三種構型,要ADP與Pi結合才使結構得以旋轉,稱之Binding change mechanism

• Loose-binding (L): 疏鬆結構,此時ADP與Pi可就定位

• Tight-binding (T): 緊密結構,此時將ADP與Pi壓縮為ATP

• Open (O): 開放結構,此時ATP釋出

ADP與Pi於α β subunit處於何種狀態才可接上ATP synthase?

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O: Open T: Tight L: Loose

Step 1 Loose state ADP and Pi bind to β

Step 2 Tight state ADP+Pi → ATP

Step 3 Open state ATP release

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Quantifying Oxidative Phosphorylation

• 氧化磷酸化反應,以P:O敘述氧消耗與磷酸化的比例

• P:O ratio = # phosphorylation of ADP per # of oxygen

atoms reduced (每個氧原子還原使ADP磷酸化比例)

– 1原子氧還原等於產生10個H+

– 1ADP磷酸化需要4個H+

– 同樣以H+計算,則使氧消耗與磷酸化得到共同的換算依據

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• ADP phosphorylation ∝ Oxygen atoms reduced

1 NADH (2e-)

→Complex I(4H+ out)

→Complex III(4H+ out)

→Complex IV(2H+ out) and ½ O2 reduced

4H+ = 1ATP, 10H+ = 2.5 ATP, Oxygen atom = 1

• So the P:O ratio of 1NADH = 2.5

The P:O ratio describes the stoichiometry of

oxidative phosphorylation

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The P:O ratio describes the stoichiometry of

oxidative phosphorylation

• 1 QH2 (2e-)

→Complex II

→Complex III(4H+ out)

→Complex IV(2H+ out) and ½ O2 reduced

4H+ = 1ATP, 6H+ = 1.5 ATP, Oxygen atom = 1

So the P:O ratio of 1QH2 = 1.5

一分子NADH/QH2分別可產生多少ATP? NADH/NADPH/QH2/FADH2何者不使用於呼吸鏈反應?

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The rate of oxidative phosphorylation

depends on the rate of fuel catabolism

•Reduced cofactors - (NADH and QH2) 不足

•Binding change mechanism – ADP與Pi不足

•pH調控之ATP synthase inhibitor

•基質內pH值偏高→失去與ATP synthase結合之能力→質子濃度差促進ATP合成