Oxidativní fosforylace a fotosyntéza
Oxidace proteinů, tuků a cukrů jako zdroj energie v živých organismech 1. stupeň: OXIDACE cukrů, tuků a některých aminokyselin tvorba Acetyl-CoA a akumulace elektronů v NADH a FADH 2 2. stupeň: OXIDACE acetátu v citrátovém cyklu a akumulace elektronů v NADH a FADH 2 3. stupeň: elektrony z NADH a FADH 2 vstupují do elektrontransportního řetězce a jejich postupný tok až k O 2 vede k akumulaci energie a tvorbě ATP
Produktem oxidace organických látek je CO 2 a elektrony ve formě redukčních ekvivalentů NADH a FADH 2
Oxidativní fosforylace je proces, při kterém se energie elektronů akumulovaných v redukčních ekvivalentech využije k tvorbě ATP
Jak se dá v přírodě akumulovat energie a posléze kontrolovaně využít?
Chemiosmotická teorie Jednotný princip tvorby ATP Chemiosmotickou hnací silou je gradient koncentrace protonů na biologické membráně Jak dosáhnout rozdílné koncentrace protonů na membráně? Speciální membránové proteinové komplexy přenášejí protony z jedné strany na druhou proti koncentračnímu gradientu Energie je získána biologickou oxidací redukovaných NADH a FADH 2
Oxidativní fosforylace Elektrony z redukčních ekvivalentů NADH a FADH 2 přecházejí na proteiny dýchacího řetězce a putují ke konečnému akceptoru elektronů U eukaryot je konečným akceptorem elektronů kyslík Energie získaná oxidací redukčních ekvivalentů je použita k transportu protonů přes membránu A následně využita k fosforylaci ADP na ATP
Fotosyntéza Tvorba ATP ve fotosyntetických organismech koncentrační gradient na thylakoidní membráně Světlem indukovaná extrakce elektronu z molekuly chlorofylu Přenos elektronů řetězcem membránových proteinů za současného přenosu protonů přes membránu a tvorby protonového koncentračního gradientu Konečným akceptorem elektronů je NADP + Energie protonového gradientu pohání syntézu ATP
Oxidativní fosforylace
Struktura Mitochondrie Protonový gradient se tvoří na vnitřní membráně Útvary zvané kristy jsou vchlípeniny vnitřní membrány zvětšující její povrch
Zdroj redukčních ekvivalentů
Struktura vnitřní mitochondriální membrány a elektron transportní řetězec
(Citric acid cycle)
NADH:Ubiquinone Oxidoreduktáza (Komplex I) Jeden z největších komplexů v savčích buňkách Přes 40 různých polypeptidových řetězců kódovaných jak v jádře, tak v mitochondrii NADH vazebné místo na vnitřní straně membrány Nekovalentně vázaný flavin mononucleotid (FMN) přebírá dva elektrony z NADH Několik iron-sulfur center předává postupně po jednom elektronu dál na ubiquinone
FMN a Flavoproteiny Mohou přijímat jeden nebo dva elektrony Jejich redoxní potendćiál závisí na charakteru proteinového okolí
Iron-Sulfur Centra Vyskytují se v proteinech přenášejících elektrony (elektrontransportní řetězce) Přenášejí jeden elektron v čase
Koenzym Q neboli Ubichinon Konečný akceptor elektronů z Komplexu I Mobilní přenašeč rozpuštěný v mitochondriální membráně Přijímá dva elektrony a současně dva protony za vzniku alkoholu, ubichinolu Ubichinol volně difunduje membránou a transportuje elektrony ke Komplexu III Společně s tím se podílí na transportu protonů přes membránu
NADH:Ubiquinone Oxidoredukáza je Protonová Pumpa Přenos dvou elektronů (oxidace) z NADH na ubichinon je doprovázen přenosem protonů z matrix do mezimemránového prostoru Na jedno NADH se přenáší přibližně čtyři protony NADH + Q + 5H + N = NAD + + QH 2 + 4 H + P Redukovaný ubichinon přijímá navíc další dva elektrony z prostoru matrix
Sukcinátdehydrogenáza (Komplex II) Enzym Citrátového cyklu FAD přijímá dva elektrony ze sukcinátu Elektrony jsou dále přenášeny přes iron-sulfur centra na ubichinon, který redukují na ubichinol
Succinate Dehydrogenase - structure
Komplex I a Komplex II redukují ubichinon na ubichinol QH 2 Ubichinol přenáší elektrony a protony na Komplex III
Komplex I a II - hlavní donory elektronů na ubichinon nicméně řada dalších metabolických procesů na vnitřní mitochondriální membráně může redukovat ubichinon b oxidace mastných kyselin NADH neprochází mitochondriální membránou Přenos elektronů z cytosolu do mitochondrie pomocí glycerol-3-fosfátu (dihydroxyacetonfosfát <-> Glycerol-3-fosfát) Alternativní rostlinné NAD(P)H dehydrogenázy
Cytochrom bc 1 komplex (Komplex III) Přijímá dva elektrony od QH 2 a redukuje dvě molekuly cytochromu c Ubichinon:cytochrom c oxidoreduktáza Dimer cytochromů b, Rieske iron-sulfur protein, Cytochrom c 1 Ve středu je vazebné místo pro ubichinon
Cytochrom bc 1 komplex
Q cyklus Dvouelektronový přenašeč - QH 2 musí předat elektrony jednoelektronovému přenašeči cytochromu (hemu) Experimentálně - transportovány čtyři protony přes membránu na dva elektrony, které jsou přeneseny na cytochrom c Dva z těchto protonů pocházejí z QH 2 Q cyklus dobrý model vysvětlující jak mohou být další dva protony přeneseny přes membránu
Cytochrom c Cytochrom c je vodorozpustný protein obsahující hem, vyskytuje se v mezimembránovém prostoru Hemové železo může být v oxidované nebo redukované formě (Fe 3+, Fe 2+ ) Cytochrom c přenáší jeden elektron z komplexu cytochromu bc 1 na cytochromoxidázu, Komplex IV
Cytochromoxidáza (Komplex IV) Savčí cytochromoxidáza je membránový protein se 13 podjednotkami Obsahuje dva hemy Tři meděné ionty Dva ionty (Cu A ) tvoří binukleární centrum Jeden iont (Cu B ) je vázaný k hemu a tvoří Fe-Cu centrum
Cytochromoxidáza přenáší elektrony na kyslík Elektron je přenesen z Cyt c na Cu A centrum, na hem a, dále na hem a 3 -Cu B centra a nakonec na kyslík Čtyři elektrony redukují jednu molekulu kyslíku za vzniku jedné molekuly vody Čtyři protony jsou spotřebovány při tvorbě vody Čtyři protony jsou přeneseny přes membránu (Stechiometricky jsou na jednu molekulu NADH přeneseny pouze dva protony)
Summary of the Electron Flow in the Respiratory Chain
Energetika přenosu elektronů v dýchacím řetězci NADH + H + + 1 / 2 O 2 NAD + + H 2 O DG o = -nfde o NADH/NAD + = -0.32V O 2 /H 2 O = 0.816 DE o = 1.14V DG o = 220 kj/mol (NADH)
Proton-motorická síla Energie oxidace NADH (FADH 2 ) je využita k: tvorbě elektrochemicému protonovému gradientu s pomocí tří procesů: aktivní transport protonů přes membránu redukovaný koenzym Q váže protony z matrix a oxidovaný je uvolňuje v mezimembánovém prostoru reakce redukce kyslíku na vodu spotřebovává protony v prostoru matrix
Proton-motorická síla Energie chemického potenciálu v důsledku rozdílné koncentrace protonů na membráně Energie elektrického potenciálu v důsledku rozdílného náboje na membráně
Energie proton-motorické síly NADH + 11H + + 1 / 2 O 2 NAD + + 10H + + H 2 O DG o = 2.3RT DpH + FDy DpH = 0.75 Dy = 0.15 V DG o = 19 kj/mol (mol protonů) 10 protonů / 1 NADH 190 (z 220) kj/mol je akumulováno
Chemiosmotický model syntézy ATP Energie oxidace během elektronového transportu se přemění na proton-motorickou sílu Energie proton-motorické síly žene syntézu ATP
Mitochondriální ATP syntáza
Mitochondriální ATP syntáza Proton-motorická síla pohání rotaci zahnuté centrální hřídele To má za následek konformační změny v oblasti třech b dimerů F 1 podjednotky Konformační změny v jedné ze tří podjednotek b působí kondenzaci ADP a P i na ATP
Průchod protonů ATP syntázou pohání tvorbu ATP Válec c podjednotek, e a se otáčí vůči a, b 2, d a, b podjednotkám Na každých 120 o přijde do kontaktu s b podjednotkou, změní její konformaci a vypudí ATP z vazebného místa To působí konformační změnu na vedlejších podjednotkách b kde dojde: i) k vazbě ADP a Pi a ii) k syntéze ATP Na jednu 360 o rotaci vzniknou tři ATP
Točivý moment F1 je přibližně 4000 Nm To odpovídá příkladu: stojíte na dně bazénu napuštěného vodou, v ruce máte tyč dlouhou 500 m a musíte s ní točit stejnou rychlostí jako je na obrázku
Stechiometrie syntézy ATP Pomět P/O (ATP k 1 / 2 O 2 ) původní předpoklad celočíselného poměru ATP na jeden atom kyslíku Experimentální P/O mezi 2 a 3 pro NADH (1 a 2 pro sukcinát) Na vznik 1 ATP potřeba 4 protony 3 pro 120 o F 1 rotaci a 1 pro transport ADP do mitochondriální matrix 1 NADH (dává 2 elektrony k redukci 1 / 2 O 2 ) produkce 10 protonů, succinate produkce 6 protonů P/O je 2.5 pro NADH a 1.5 pro sukcinát
ATP výtěžek z kompletní oxidace glukózy
NADH neprochází mitochondriální membránou Malát Aspartát shuttle
Glycerol-3-fosfát donor elektronů do dýchacího řetězce NADH neprochází mitochondriální membránou Přenos elektronů z NADH cytosolu do mitochondrie pomocí glycerol-3-fosfátu
Energy Transformation in Plants by Photosynthesis
Energie světelného záření je přeměněná na ATP v chloroplastech
Fotosyntéza produkuje cukry z oxidu uhličitého za pomoci energie ze světla ve dvou krocích Světelná energie je zachycena a použita k syntéze NADPH a tvorbě protonového gradientu pro syntézu ATP NADPH a ATP jsou následně využity k asimilaci uhlíku a tvorbě cukrů
Pigmenty absorbují světelnou energii
Light-Induced Redox Reactions and Electron Transfer Protonový gradient tvořený během fotosyntézy dává energii k syntéze ATP
Světlem indukované redoxní reakce a elektronový transport V reakčních centrech je ze specifické molekuly chlorofylu extrahovaný elektron pomocí světelné energie Takto oxidovaný chlorofyl je zpětně redukovaný elektronem z vody za tvorby molekulárního kyslíku Elektrony dále putují elektron-transportním řetězcem a jejich energie je využita k přenosu protonů přes membránu a tvorbě protonového gradientu Konečným akceptorem elektronů je NADP +
ATP a NADPH jsou využity k fixaci CO 2 a tvorbě cukrů Ribulosa-1,5-bisfosfát-karboxyláza/oxygenáza (Rubisco) Fixace oxidu uhličitého na ribulosa-1,5-bisfosfát (5 uhlíků) za tvorby dvou molekul 3-fosfoglycerátu (3 uhlíky) ATP je potřeba k tvorbě ribulosa-1,5-bisfosfátu a 1,3-bisfosfoglycerátu NADPH k následné redukci 1,3-bisfosfoglycerátu
Calvinův cyklus
Tři fáze Calvinova cyklu Fixační fáze: fixace CO 2 na enzymu Rubisco Redukční fáze: tvorba 1,3-bisfosfoglycerátu a jeho redukce na glyceraldehyd-3-fosfát Regenerační fáze: tvorba ribulosa-1,5-bisfosfátu z glyceraldehyd-3-fosfátu
Tok protonů v mitochondriích, chloroplastech a baktériích Společný princip tvorby ATP pomocí protonového gradientu na mebráně Podle endosymbiotické teorie vznikly mitochondrie a chloroplasty pohlcením bakterií Bakteriální cytosol se stal: mitochondrial matrix chloroplast stroma
Co musím znát Princip tvorby ATP protonový gradient Elektron-transportní řetězec v mitochondriích Redukční ekvivalenty slouží k přenosu elektronů z metabolismu do mitochondriálního dýchacího řetězce Sluneční energie indukuje oddělení elektronu z chlorofylu Elektron-transportní řetězec thylakoidní membrány chloroplastů Tok elektronů pohání transport protonů přes membránu a tvorbu koncentračního gradientu Elektrochemická energie protonového gradientu je využita k syntéze ATP Tvorba ATP je poháněna tokem elektronů skrz ATP syntázu a konformačními změnami v aktivním místě tohoto enzymu