Citrátový cyklus a Dýchací řetězec
Milada Roštejnská Helena Klímová 1
Obsah 1 Citrátový cyklus Citrátový cyklus (reakce) Citrátový cyklus (schéma) Respirace (dýchání) Vnější a vnitřní respirace Dýchací řetězec Mitochondrie Schéma energetického metabolismu v mitochondriích Enzymové komplexy Použitá literatura
Citrátový cyklus Citrátový cyklus neboli cyklus kyseliny citronové je označení pro sled reakcí, při nichž se acetylkoenzym A mění na oxid uhličitý za současného uvolnění energie. Cyklus zahajuje oxalacetát, který se v posledním stupni regeneruje. COO
-
C O
H3C
H2C COO
S-CoA
O -
Oxalacetát
Obsah
C
Acetylkoenzym A
Citrátový cyklus je spřažen s dýchacím řetězcem a probíhá pouze ve spojení s tímto řetězcem.
COO C
-
H3C C
S-CoA HS-CoA
O
O
HO C COO
CH2 COO
H2C
-
-
HO CH COO
-
COO
HC COO
-
H2C
NADH + H
NAD
+
NAD
+
dýchací řetězec
NADH + H
4H + O2
H2C
COO
-
2-oxoglutarát 2H2O
-
NADH + H FADH2
CH -
fumarát
FAD
H2C H2C
COO
HS-CoA
+
HS-CoA
CO2
-
H2C
C S CoA
-
H2C
COO
COO
ATP
+
O
sukcinát
GDP
Obsah
-
-
CH
COO
COO
C CH2
NAD
COO
-
CO2 O
malát
H2O
COO
+
CH2 COO
-
+
-
HO CH
-
isocitrát
citrát
oxalacetát
COO
COO
H2C
-
sukcinylkoenzym A GTP
ADP
GDP + P
Citrátový cyklus – spustit animaci
Acetylkoenzym A
S-CoA
S-CoA
Citrát
Oxalacetát
Isocitrát H
H H
H
Dýchací řetězec
Malát
H H
2-oxoglutarát
H
H
Sukcinylkoenzym A Fumarát Obsah
Sukcinát
GTP
Respirace (dýchání) Během dýchání dochází k oxidaci živin, a tím vzniká energie potřebná pro pohon řady biochemických procesů. Při dýchání dochází k absorpci kyslíku z atmosférického vzduchu a naopak k výdeji oxidu uhličitého. O2
Kyslík je přenášen oběhovým systémem ke každé buňce organismu.
CO2
Obsah
Obr. 1. Vnější respirace
Vnější a vnitřní respirace Dýchání (respiraci) můžeme rozdělit na dvě rozdílné části jednoho procesu: Vnitřní respirace
Probíhá v buňkách. Složky potravy jsou odbourávány řadou chemických reakcí, z nichž většina potřebuje kyslík. Tyto reakce uvolňují energii. Obsah
Vnější respirace
Dodává kyslík buňkám, a tím umožňuje vnitřní respiraci.
Mitochondrie Dýchací řetězec je lokalizován ve vnitřní mitochondriální membráně. Citrátový cyklus probíhá v matrix mitochondrie. Matrix Vnitřní membrána
Mezimembránový prostor
Vnější membrána
Obr. 2. Mitochondrie
Obsah
Dýchací řetězec Dýchací řetězec je souborem reakcí, které ukončují energetické odbourávání monosacharidů, mastných kyselin, glycerolu a aminokyselin. V dýchacím řetězci probíhá oxidace redukovaných koenzymů: NADH + H+ → NAD+ + 2H+ + 2eFADH2 → FAD + 2H+ + 2eProtony z redukovaných koenzymů jsou přenášeny do mezimembránového prostoru. Elektrony z redukovaných koenzymů jsou přenášeny po sérii akceptorů uspořádaných v dýchacím řetězci na elementární kyslík za vzniku vody. Obsah
4H+(z matrix) + 4e- + O2 → 2H2O + energie
Dýchací řetězec Dýchací řetězec se skládá ze 4 enzymových komplexů a z enzymu ATP-synthasy. Během přenosu elektronů vzniká energie, kterou využívá každý enzymový komplex k čerpání protonů z matrix do mezimembránového prostoru Při přechodu protonů zpět do matrix vzniká energie, která pohání syntézu ATP z ADP a anorganického fosfátu. Protony roztáčí stopku hlavy ATP-synthasy, a tím dochází k syntéze ATP.
Obsah
Obr. 3. Schéma energetického metabolismu v mitochondriích Vnější mitochondriální membrána H+
Vnitřní mitochondriální membrána
H+
H+
H+
H+
H+
H+
e-
Dýchací řetězec
H+
H+
H+ H+
3NAD+, FAD
H+
H+
H+
H+
ATP synthasa
2H2O O2
ATP
ADP + P
3NADH; FADH2
H+ Citrátový cyklus
O2 2CO2
2CO2
Matrix Acetyl-CoA Pyruvát
Mastné kyseliny
(Pomocí přenašeče)
Obsah
Pyruvát
Mastné kyseliny
Cytosol
Enzymové komplexy (zjednodušené schema) I NADH-CoQ oxidoreduktasa
II Sukcinát-CoQ oxidoreduktasa
2H+
III IV V Cytochrom c ATP-synthasa CoQH2– cytochrom c oxidasa oxidoreduktasa H+
4H+ 4H+ Cyt c 2e2e-
++++ Koenzym Q
4e-
III
I
Cyt c
2H+ 2e-
----
II
NADH +
H+
NAD+
O2 + + 4H
2H+ 2e-
4H+
2H+ FADH2
FAD
V
IV
2H2O
Matrix
ADP + P H+ ATP
Obsah
Dýchací řetězec* Obsah:
(pro učitele)
Enzymový komplex I Enzymový komplex II Enzymový komplex III Enzymový komplex IV Enzymové komplexy Reakce enzymových komplexů Koenzymy NADH, FADH2 Koenzym Q, Koenzym QH2 Použitá literatura
Enzymové komplexy: Komplex I Komplex I: NADH-CoQ-oxidoreduktasa
NADH + H+ + CoQ → NAD+ + CoQH2 2H+
4H+
++++
2CoQH2
2Fe2+ 2Fe3+
I ----
FMN
FMNH2 (2H+,2e-)
(2e-,2H+)
2Fe3+
2e-
2Fe2+
.
2CoQH (1e-,1H+)
2H+
2H+ H
H
O
O
NADH + H+
NAD+
Matrix H OH
O oxidace
CH3
H3C H3C
NH 2
.
H
H
N O
R O
Koenzym NADHQ = ubichinon
O .
H
H R
Obsah
2e-
redukce
C
O CH3
H3C
NH2
H3C O
N
+
R
R OH + KoenzymNAD QH2 = ubichinol
Enzymové komplexy: Komplex II Komplex II: Sukcinát-CoQ-oxidoreduktasa
FADH2 + CoQ → FAD + CoQH2
4H+
++++
2CoQH2 (2e-,2H+)
.
II FAD
----
2CoQH FADH2
2e-
(1e-,1H+)
Matrix
(2H+,2e-)
2H+
Sukcinát -OOC-CH -CH -COO2 2
Fumarát -OOC-CH=CH-COO-
Obsah
O
H3C
O
H N
oxidace
CH 3 . NH H
H3C
2H H . 2H
H3C
H3C
OH
O
O
N
RN
H OR
Koenzym Q FADH = ubichinon 2
O
redukce
H3C O
N
O CH 3
H3C H C
3 H3C
O
N
N
R
R
OH
Koenzym QH 2 FAD = ubichinol
NH
O
Enzymové komplexy: Komplex III Komplex III: CoQH2–cytochrom-c-oxidoreduktasa
CoQH2 + cyt c (Fe3+) → CoQ + cyt c (Fe2+) + 2H+ 2H+
Cyt c
++++ Elektron z komplexu I nebo II
----
. CoQH e-
(1e-,1H+)
Cyt b
Cyt c
e-
e-
e-
Cyt c
III
CoQH2
IV
(2e-,2H+)
H+
Koenzym Q
Matrix
H+ O O
OH CH3
H.
H3C H3C
O
CH3
O
R
H3C H3C
O
R O
Obsah
H.
Koenzym Q = ubichinon
OH
Koenzym QH2 = ubichinol
Enzymové komplexy: Komplex III Komplex III: CoQH2–cytochrom-c-oxidoreduktasa
CoQH2 + cyt c (Fe3+) → CoQ + cyt c (Fe2+) + 2H+ H+
H+
++++ eElektron z komplexu I nebo II
H+ e-
e-
H+
e-
eH+
. CoQH (1e-,1H+)
----
H+
.
CoQH
CoQH2 (2e-,2H+)
eCyt c
H+
(1e-,1H+)
Cyt b
CoQ
eH+
Koenzym Q Obsah
Matrix
Enzymové komplexy: Komplex IV Komplex IV: Cytochrom-c-oxidasa
4cyt c (Fe2+) + 02 +4H+ → 4cyt c (Fe3+) + 2H2O
Cyt c
++++ e-
e- e-
III ----
e-
Cyt c
Cyt c 4e-
IV Cyt a Cyt a3
2 H2O
Obsah
O2 + 4H+
Matrix
Enzymové komplexy II Sukcinát-CoQ oxidoreduktasa
III CoQH2– cytochrom c oxidoreduktasa
I IV V NADH-CoQ Cytochrom c ATP-synthasa oxidoreduktasa oxidasa 4H+
4H+
H+
2H+ Cyt c Cyt c
Cyt c ++++ CoQH
II ----
e-
.
FAD
2e-
e-
III
CoQH2
2H+ e-
FADH2
2e-
e-
2H+
4e-
CoQH. e-
CoQH2
e-
2H+ O2 + + 4H
2H+
Matrix
2H+ NAD+
V
IV
I
NADH + H+
2H2O
ADP + P H+
Fumarát -OOC-CH=CH-COO-
Sukcinát -OOC-CH -CH -COO2 2
Obsah
ATP
Reakce enzymových komplexů Komplex I: NADH-CoQ-oxidoreduktasa
NADH + H+ + CoQ → NAD+ + CoQH2 Komplex II: Sukcinát-CoQ-oxidoreduktasa
FADH2 + CoQ → FAD + CoQH2 Komplex III: CoQH2–cytochrom-c-oxidoreduktasa
CoQH2 + cyt c (Fe3+) → CoQ + cyt c (Fe2+) + 2H+ Komplex IV: Cytochrom-c-oxidasa
4cyt c (Fe2+) + 02 +4H+ → 4cyt c (Fe3+) + 2H2O Kyslík udržuje komplex cytochromů v oxidovaném stavu (Fe2+ zoxiduje zpátky na Fe3+).
Obsah
Koenzymy NADH, FADH2 V dýchacím řetězci probíhá oxidace redukovaných koenzymů. nikotinamidadenindinukleotid H
H
H
O oxidace
C
H
NH2
NH2
H N
O
+
N
redukce
R
R
NAD+
NADH
NADH + H+ → NAD+ + 2H+ + 2e-
flavinadenindinukleotid H3C
H N
O
O oxidace NH
H3C
N NH
2H 2H
H3C
N
N H
O
redukce
H3C
R
Obsah
FADH2
FADH2 → FAD + 2H+ + 2e-
N R
FAD
N
O
Koenzym Q, Koenzym QH2 O O
OH
O CH3
O .
H3C
H
H3C
CH3
H3C
.
H
R
O
O
R OH
Koenzym Q = ubichinon
Koenzym QH ubisemichinon (radikál)
NADH + H+ + CoQ → NAD+ + CoQH2
Obsah
CH3
O
R
H3C H3C
H3C O
O
FADH2 + CoQ → FAD + CoQH2
OH
Koenzym QH2 = ubichinol
Použitá literatura [1] ALBERTS, B. a kol. Základy buněčné biologie. Ústí nad Labem: Espero Publishing, 1997. [2] SOFROVÁ, D. – TICHÁ, M. a kol. Biochemie – základní kurz. Praha: skripta UK, 1993. [3] KARLSON, P. Základy biochemie. Praha: Academia, 1981. [4] BLOOMFIELD, M., M. Chemistry and the Living Organism. Canada: John Wiley & Sons, Inc., 1992. [5] KLOUDA, P. Základy biochemie. Ostrava: nakladatelství Pavel Klouda, 2000. [6] VODRÁŽKA, Z. Biochemie. Praha: Scientia, 1998. [7] McKEE, T. – McKEE, J. Biochemistry: an introduction. United States of America: McGraw-Hill
Companies, 1999. Ilustrace Markéta Roštejnská: obr. 1
Obsah
