Lehninger Principles of Biochemistry

Full text

LEHNINGER
PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY
Fifth Edition
David L. Nelson and Michael M. Cox
©
2008 W. H. Freeman and Company
CHAPTER 19
Oxidative Phosphorylation

Cellul
Cellulæ
ær
r
respirasjon
respirasjon:
: siste
siste
trinn
trinn
Elektronoverføring
og
oksidativ
fosforylering

Oksidativ
fosforylering
Oksidativ
Oksidativ
fosforylering
fosforylering
syntese
av
ATP fra
ADP og
Pi
oksidasjon
av
NADH og
FADH2 generert
fra
oksidering
av
brenselsmolekyler

Mitokondrier
Mitokondrier
•To
membraner
•Ytre
membran:
•permeabel
for små
molekyler
•Indre
membran:
•
ikke
permeabel
for de fleste
molekyler
og
ioner
•
rommer
elektron-transport kjedens
komponenter
og
ATP synthase
•Matrix
inneholder:
-PDH kompleks
-CAC enzymer
-β-oksidasjon
enzymer
+++

B
Bæ
ærere av elektroner
rere av elektroner
•
NADH, NADPH, FADH2
og FMNH2
–
Dehydrogenaser i katabolske pathways overfører e-
til NAD+
og
NADP+
–
Flavoproteiner har FAD el. FMN som prostetisk gruppe,
aksepterer også
e-
fra katabolske pathways
•
Ubiquinone (Q)
–
Lite, fettløselig molekyl i indre mitokondrielle membran
•
Cytochromer
–
Proteiner med prostetisk heme gruppe
•
Jern-svovel proteiner
–
Proteiner med jern-svovel sentre

Prostetiske
Prostetiske
grupper
grupper
p
på
å
cytochromer
cytochromer

Jern
Jern-
-svovel sentre p
svovel sentre på
å
jern
jern-
-svovel proteiner
svovel proteiner
Fe-S senter 2Fe-2S senter 4Fe-4S senter

Elektrontransportkjeden
Elektrontransportkjeden
Elektrontransportkjedens
proteiner
pumper protoner
ut
av
den mitokondrielle
matrix mens
elektroner
strømmer
fra
FADH2
og
NADH til
O2

Kompleks
Kompleks
I (NADH
I (NADH dehydrogenase
dehydrogenase)
)
Katalyserer 2 koblede prosesser:
1)
Overføring av hydrid ion (1H+
+ 2e-) fra NADH og 1H+
fra
matrix til Q
2)
Overføring av 4H+
fra matrix
til intermembran rommet
→Protonpumpen drives av
elektronoverføring
Reaksjonen er vektoriell: flytter
protoner i en spesifikk retning
Netto likning:
NADH + 5HN+
+ Q →NAD+
+ QH2
+ 4HP+

Kompleks I overf
Kompleks I overfø
ører
rer e
e-
-
til Q
til Q

Q (ubiquinone)
Q (ubiquinone)
•Også
kalt coenzym Q
•
Benzoquinone med
isoprenoid sidekjede
•
Kan akseptere e-
for å
danne
semiquinone radikal eller 2e-
for å
danne ubiquinol

Overf
Overfø
øring
ring
av
av
elektroner
elektroner
til
til
ubiquinone
ubiquinone
(Q)
(Q)
Q kan motta e-
fra:
1)
NADH (Kompleks I)
2)
Succinat (Kompleks II, CAC)
3)
Fatty acyl-CoA (Acyl-CoA
dehydrogenase (β-
oksidasjon)
overfører e-
via
ETF og ETF:Q
oksidoreduktase)
4)
Glycerol 3-fosfat (direkte fra
glycerol 3-fosfat
dehydrogenase)

Q overf
Q overfø
ører
rer e
e-
-
til Kompleks III
til Kompleks III

Cytochrome
Cytochrome
bc
bc1
1
kompleks
kompleks
(Kompleks
(Kompleks
III)
III)
Katalyserer koblede prosesser:
1)
Overføring av e-
fra QH2
til
Cyt c
2)
Overføring av H+
fra matrix
til intermembran rommet
Dimer: 2 monomerer

Q
Q
syklusen
syklusen
Netto likning:
QH2
+ 2 cyt c
(oksidert) + 2HN+
→Q + 2 cyt c
(redusert) + 4HP+

Cyt C overf
Cyt C overfø
ører
rer e
e-
-
til Kompleks IV
til Kompleks IV

Cytochrome
Cytochrome
c
c (Cyt
(Cyt c
c)
)
•Løselig protein i intermembran rommet
•En prostetisk gruppe: heme
•Aksepterer et e-
av gangen fra Kompleks III
•Overfører e-
til Kompleks IV
•
Beveger seg mellom Kompleks III og
Kompleks IV for å
akseptere og avlevere
elektroner

Cytochrome
Cytochrome
oksidase
oksidase
(Kompleks
(Kompleks
IV)
IV)
•Aksepterer e-
fra Cyt c
•Katalyserer reduksjon av O2
:
•4e-
overført fra Cyt c
•4H+
fra matrix
→danner 2H2
O
•
Reduksjonen av O2
er koblet med
overføring av 4H+
fra matrix til
intermembran rommet
Netto likning:
4 cyt c
(redusert) + 8HN+
+ O2
→4 cyt c
(oksidert) + 4HP+
+ 2H2
O

Str
Strø
øm
m
av
av
elektroner
elektroner
og
og
protoner
protoner
Netto
vektoriell
likning:
NADH + 11HN+
+ ½
O2
→NAD+
+ 10HP+
+ H2
0
Netto reaksjon: ½
O2
+ 2H+
+ 2e-
→
H2
O

Elektrontransportkjeden:
Elektrontransportkjeden:
oppsummering
oppsummering

ETC består
av
4 komplekser
(I-IV) og
to
mobile elementer
(Q og
cyt
c) som befinner seg i den
indre
mitokondrielle
membranen/intermembran rommet.

Elektroner og
protoner
overføres
fra
Kompleks
I og
II til
Q. Kompleks
I pumper
4 H+
over membranen
for hver
2e-
overført
til
Q.
2e-
overføres
fra
QH2
til
Kompleks
III gjennom
Q syklusen.

Kompleks
III overfører sekvensielt
4e-
til
Cyt
c
og
pumper
2H+
over
membranen
for hvert
e-
overført til
cyt
c.

Cyt
c
forflytter seg
til
Kompleks
IV og
overfører
et
elektron
til
Kompleks
IV
(x4)

Kompleks
IV katalyserer
en
4e-
reduksjon
av
O2
, konsumerer
4H+
og
danner
dermed 2H2
O, mens
4H+
simultant pumpes over
membranen.
Netto reaksjon: ½
O2
+ 2H+
+ 2e-
→
H2
O

The
The proton
proton-
-motive
motive
force
force
•
Den indre
membranen
separerer
matrix
(N side) fra intermembran
rommet
(P
side)
•
Pumping av
H+
av
ETC kompleksene
skaper
en forskjell i
[H+] på
N
og
P side
•
Forskjellen
i
kjemisk
konsentrasjon
(∆pH) og
fordelingen av ladninger
(∆ψ)
skaper
en proton-drivkraft (proton-motive
force)
(∆G)

Den
Den
kjemiosmotiske
kjemiosmotiske
modellen
modellen

ATP
ATP synthase
synthase
•2 funksjonelle
domener:
Fo
og
F1
•Fo
: integrert
i
membranen
•F1
: festet
til
Fo
•Syntetiserer
ATP fra
ADP og
Pi
F1
Fo
ATP synthase

ATP
ATP synthase
synthase
•Fo
har
en
proton pore
•
Strøm
av
protoner
gjennom
poren
får
F1
til å
rotere
•
F1
har
3 α
subenheter
og
3 β
subenheter
som er organisert
rundt
”skaftet”
γ
•
β
subenhetene
har
bindingsseter
for
ATP/ADP
•
ATP/ADP-binding
og
ATP syntese er
kontrollert
av
konformasjonsendringer
indusert
av
rotasjonen
om
γ

Proton
Proton-
-drivkraften driver frigj
drivkraften driver frigjø
øringen av ATP fra enzymet
ringen av ATP fra enzymet
Frigjøringen av ATP fra enzymet er energibarrieren, ikke ATP
syntesen

Rotasjonskatalyse
Rotasjonskatalyse
•
3 forskjellige konformasjoner
for β
subenhetene:
-
β-ATP (tett binding)
-
β-ADP (løs binding)
-
β-empty (svært løs binding)
•
Hver β
subenhet endres
mellom alle 3 konformasjoner i
løpet av hver rotasjon
•En komplett rotasjon:
-
9 H+
overført fra intermembran
rommet til matrix
-3 ATP produsert

ATP
ATP synthase
synthase:
: oppsummering
oppsummering
•Proton-motive force driver ATP syntesen gjennom ATP synthase
•
ATP synthase utfører ”rotasjonssyntese”: protoner strømmer
gjennom Fo
og får dermed F1
til å
rotere. Dette gir
konformasjonsendringer i ATP/ADP-bindingssetene
•
Dannelse av ATP på
enzymet krever lite energi, proton-
drivkraften frigjør ATP fra bindingssetene
•
For hver ATP produsert, strømmer 3H+
fra intermembran rommet
til matrix

Oversikt
Oversikt
over
over
oksidativ
oksidativ
fosforylering
fosforylering

Transportprosesser
Transportprosesser
over
over
den
den
mitokondrielle
mitokondrielle
indre
indre
membranen
membranen
1)
ATP/ADP transport
2)
Transport
av
NADH
2a) Malat-aspartat skyttel (lever, nyrer, hjerte)
2b) Glycerol 3-fosfat skyttel (skjelettmuskler, hjerne)

ATP/ADP transport
ATP/ADP transport

Malat
Malat-
-aspartat skyttel
aspartat skyttel

Glycerol 3
Glycerol 3-
-fosfat skyttel
fosfat skyttel

Regulering av de ATP
Regulering av de ATP-
-produserende pathways
produserende pathways
Sammenkoblet regulering av:
-
Glykolysen
-
Sitronsyresyklusen
-
Oksidativ fosforylering
Kontroll ved:
-
[ATP]
-
[ADP]
-
[AMP]
-
[NADH]

Kap
Kap
19:
19: Oksidativ
Oksidativ
fosforylering
fosforylering-
-
hva er viktig?
hva er viktig?
•
Elektrontransportkjeden:
de
forskjellige
komponentene
og
deres
rolle,
strømmen
av
elektroner
og
protoner,
netto
reaksjon
•Proton-drivkraften (proton-motive force)
•Den kjemiosmotiske modellen
•
Syntese
av
ATP ved
ATP synthase: struktur
og
hvordan
enzymet
opererer
•
Transportprosesser
over den
mitokondrielle
indre
membranen:
ATP/ADP
transport, malat-aspartat
skyttel
og
glycerol
3-fosfat
skyttel