Kémia | Biokémia » Dr. Bánhegyi Gábor - A légzési lánc és az oxidatív foszforiláció

A légzési lánc és az oxidatív foszforiláció Bánhegyi Gábor 2007 ATP szintézis minél redukáltabb a szénatom, annál több szabadenergia gyűjthető be a a molekula oxidációja során > 8 ATP/C atom a zsírsavak tehát jobb energiaforrások mint a szénhidrátok ≈ 6 ATP/C atom Elektron és foszforil csoport átvitelének összekapcsolása: ATP szintézis • A szabadenergia forrása a tápanyagmolekulák építőelemeinek oxidációja • az elektronokat a folyamatban elektronátvivők (NAD+ és FAD) veszik át • kevés ATP az elektronátviteltől függetlenül is képződik (szubsztrátszintű foszforiláció) • az ATP döntő többsége akkor képződik, mikor az elektronok az átvivőkről a molekuláris oxigénre kerülnek (oxidatív foszforiláció) szubsztrátszintű (SzSz) és oxidatív (O) foszforiláció katabolizmus redukált táplálékmolekulák ATP átvivő H2O O átvivő-H2 ADP + Pi ATP ADP + Pi SzSz ½O2 ATP átvivő H2O O

átvivő-H2 ADP + Pi ATP ADP + Pi ½O2 SzSz ATP átvivő H2O O átvivő-H2 (CO2, H2O, urea, NH3 etc.) ADP + Pi ½O2 A légzési lánc - tények • redox reakciók irreverzibilis sorozata, mely elektronokat visz át a végső akceptor oxigénig, mely vízzé redukálódik (ezért „terminális” oxidációnak is nevezik) • a belső mitokondriális membránban (tehát minden mitokondriumot tartalmazó sejtben) • 4 komplexbe tömörülő enzimek katalizálják. Köztük flavoproteinek (FMN, FAD), vas-kén proteinek, citokrómok (hem) és réz (Cu) enzimek. • csak aerob körülmények között működik • a redox reakciók szabadenergia változása ion koncentráció grádiens energiájává alakul protonok (H+) kipumpálása révén a mátrixból az intermembrán térbe. A koncentrációgrádiens energiája végül ATP szintézisre fordítódik (oxidatív foszforiláció) a citokrómok három fajtájában (a, b, c) a porfirin gyűrű szubsztituensei

különböznek. 3 metil és 2 propionát oldallánc mindig azonos A hem c kovalensen fehérjéhez kötött (tioéter kötés) A hem a hosszú, 3 izoprén egységből álló farnezil oldalláncot tartalmaz PDB file 5CYT His Az axiális ligandok S vagy N atomok lehetnek (aminosav oldalláncok) Az axiális ligandok a cit cben: Met S (sárga) és His N (kék). Ha a hem O2 kötésre képes, üres axiális ligand hellyel rendelkezik Met Heme in cytochrome c A hem vas 1 e- transzferre képes Fe3+ + e- ↔ Fe2+ A legtöbb citokróm nagy integráns membrán komplexek része, melyek több polipeptidet és elektron carriert tartalmaznak. Cytochrome c PDB 5CYT heme A citokróm c viszont kicsi, vízoldékony protein 1 hem csoporttal. Lys13 Lys 72 Cys Fe S S Cys Cys Fe S Fe S S S Cys S S Fe Cys S S Fe Cys S S Cys S Cys Fe S Iron-Sulfur Centers a vas-kén komplexek csak egy elektront visznek át, még ha két vagy több vas atomot tartalmaznak is Pl. a 4-Fe

vas-kén komplexek redox állapota: Fe3+3, Fe2+1 (oxidált) + 1 e- ↔ Fe 3+ 2, Fe2+2 (redukált) intermembrán tér NADH glicerol 3-foszfát FMN Fe-S - 0,4 komplex I: NADH-KoQ reduktáz szukcinát FAD FAD komplex II: szukcinát-KoQ reduktáz Fe-S glicerol 3-foszfát dehidrogenáz mátrix Fe-S acil-KoA FAD Fe-S acil-KoA dehidrogenáz 0,0 KoQ (ubikinon) hem Fe-S hem citokróm c komplex III: KoQ-citokróm c reduktáz hem hem/Cu hem/Cu belső membrán komplex IV: citokróm oxidáz O2 + 0,8 A légzési lánc komplexek összetevői fehérjék száma Prosztetikus csoportok komplex Név komplex I NADH-KoQ reduktáz 43 FMN, 7 Fe-S komplex komplex II szukcinát-KoQ reduktáz 5 FAD, 3 Fe-S komplex komplex III KoQ-cit c reduktáz 11 cit bH, cit bL, cit c1, Fe-SRieske komplex IV citokróm oxidáz 13 cit a, cit a3, CuA, CuB a komplex IV 3D struktúrája homodimer membrán hemek PDB file 1OCC a hem a 2 transzmembrán α-hélix között

foglal helyet (axiális His ligandok). a hem a3 csak egy axiális ligandot köt a Cu ligandjai: His N, Cys S, Met S, és Glu O. (4 ligand) Liganding of Heme a in Cytochrome Oxidase az elektronok a CuA-n át lépnek be a komplex IV-be, majd a hem a juttatja a binukleáris centrumba (hem a3 and CuB). Az O2 a hem a3 szabad axiális ligand pozíciójához kötődik. Complex IV binuclear center heme a3 CuB PDB 1OCC Az oxigén redukciója a komplex IV-ben a szabadenergia 3 komplexben hasznosul -koncentrációgrádiens -elektromos potenciálkülönbség az elektrokémiai grádiens szabadenergiája direkt módon is hasznosulhat ionok másodlagos aktív transzportja ATP szintézis az elektrokémiai grádiens szabadenergiája protein transzlokáció a mitokondriális membránon át (targeting) metabolikus intermedierek és ADP/ATP másodlagos aktív transzportja Az FoF1 ATPáz (komplex V) ATP szintézist katalizál az elektrokémiai grádiens szabadenergiájának

terhére F1 : ATPáz aktivitás helye Fo : oligomicin-szenzitív faktor. Transzmembrán proton csatorna. FoF1 szokatlan irányba működő proton pumpa mátrix belső membr. im. tér Az ATP szintézis modellje az FoF1 komplexben O: nyitott kötőhely (termék felszabadulás) L: laza kötőhely (szubsztrát kötés, ADP+Pi) T: szoros kötőhely (reakció katalizálása) A központi nyél 50-100-szor fordul másodpercenként. A rotációt a proton áramlás táplálja. mesterséges ATPszintetizáló vezikula a kemiozmotikus hipotézis bizonyítására az oxidatív foszforiláció energiamérlege 1H+ Pi transzport 3H+ FoF1 4H+ / ATP P/O hányados a beépített P atomok és a felhasznált O atomok aránya Vagyis: hány ATP molekula szintetizálódik, míg egy molekula víz termelődik (egy elektronpár végigmegy a légzési láncon). Ha NADH az elektron donor: 10 proton kipumpálása (komplex I, III és IV) - 2½ ATP (P/O = 2½ ≈ 3). Han szukcinát,

acil-KoA vagy glicerol-3P az elektron donor: 6 proton kipumpálása (komplex III és IV) - 1½ ATP (P/O = 1½ ≈ 2). P/O normálisan a két érték között van 4 P/O 2½ 3+1 4 4 2 2 3+1 3+1 3+1 P/O 1½ Az oxidatív foszforiláció szabályozása (légzési kontroll: „akceptor kontroll”) Az oxidatív foszforiláció sebességét az ATP fogyása automatikusan szabályozza (oxigén jelenlétében) Ha az [ATP]/[ADP] arány magas – lassul Ha az [ATP]/[ADP] arány alacsony - gyorsul a kontroll az ADP mennyiségén alapul (foszforil csoport akceptor) Az oxidatív foszforiláció szabályozása alacsony [ADP] FoF1 lassul H+ grádiens lassabban csökken H+ grádiens emelkedik a H+-pumpáláshoz szükséges szabadenergia nő, és megközelíti az elektron transzfer szabadenergia változását a komplex I, III és IVben a komplexek által katalizált reakció egyre kevésbé spontán légzás lassul magas [ADP] FoF1 gyorsul H+ grádiens gyorsan

felhasználódik H+ grádiens csökken a H+-pumpáláshoz szükséges szabadenergia csökken, és jóval a komplex I, III és IV által végzett elektron transzfer szabadenergia változása alá esik a komplexek által katalizált reakció egyre inkább spontán légzás gyorsul oxigén elektród A légzés sebessége a görbe meredekségéből számítható. ADP adása [O2] idő mitokondrium ADP, Pi, és e- donor (szukcinát vagy NADH generáló reakció szubsztrátja) tartalmú pufferben inkubálva [O2] a ADPadás b Nincs több ADP idő Légzési kontroll: b/a ADP ADP [O2] [O2] oligomycin DNP nincs ADP DNP idő idő ADP [O2] CN- DNP [O2] DNP oligomycin CN- idő idő a szétkapcsoló 2,4 DNP lipidoldékony gyenge savak H+ carrierként működnek intermembrán tér mátrix H+ H+ H+ H+ H+ intermembrán tér Fo mátrix F1 ATP ADP + Pi a szétkapcsolók gátolják az oxidatív foszforilációt a H+ mozgató erő

megszüntetésével. a szétkapcsolók jelenlétében ΔG a H+ pumpálásnál zéró, tehát a légzés szabad és kontrollálatlan. ΔG a H+ influxhoz szintén zéró, nem szolgáltat energiát, nincs ATP szintézis Szétkapcsoló fehérje H+-karrier (termogenin) belső mitokondriális membrán Barna zsírszövet – újszülött és hibernáló emlősökben A termogenin szétkapcsolja az oxidatív foszforilációt. megszünteti a H+ elektrokémiai grádienst, stimulálja a légzést, mely hőt fejleszt "non-shivering thermogenesis" hideg Termogenin táplálék barna zsírszövet adipocitája hipotalamusz FA TG szimpatikus ideg noradrenalin HŐ mitokondrium acetil-KoA H+ e- Az oxidatív foszforiláció gátlószerei hatás légzés H+ mozgató erő ATP szintézis ↓(NADH) ↓(szukcinát) ↓ ↓ ↑ ↓(NADH) ↓(szukcinát) ↓ ↓ ↓ Target inhibitor komplex I rotenon, amitál komplex II malonát komplex III antimicin A komplex IV CN-,

N3-, CO FoF1 oligomicin ↓(NADH) ↓(szukcinát) ↓ ↓ ↓ ADP/ATP transzlokáz atraktilozid ↓ ↑ ↓ H+ mozgató erő szétkapcsolók (pl. 2,4DNP) ↑ ↓ ↓ glikolízis A mitokondriális G3PDH „DHAP/G3P inga” Malát/Aszpartát inga a DHAP/G3P ingával ellentétben,az elektronok a légzési láncba a komplex I-n át jutnak, tehát a P/O hányados 2½. a glukóz oxidáció energiamérlege szubsztrátszintű oxidatív glukóz 2ATP 2NADH 6ATP/4ATP 2NADH 6ATP 6NADH 18ATP 2FADH2 4ATP 2 piruvát 2 acetil-KoA + 2CO2 2ATP 4ATP 6CO2 totál: 38ATP/36ATP 34ATP/32ATP