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 FADH2 • 2. stupeň: OXIDACE acetátu v citrátovém cyklu a akumulace elektronů v NADH a FADH2 • 3. stupeň: elektrony z NADH a FADH2 vstupují do elektrontransportního řetězce a jejich postupný tok až k O2 vede k akumulaci energie a tvorbě ATP
Produktem oxidace organických látek je CO2 a elektrony ve formě redukčních ekvivalentů
NADH a FADH2
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 FADH2
Oxidativní fosforylace • Elektrony z redukčních ekvivalentů NADH a FADH2 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+ + QH2 + 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 QH2 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 bc1 komplex (Komplex III) • Přijímá dva elektrony od QH2 a redukuje dvě molekuly cytochromu c • Ubichinon:cytochrom c oxidoreduktáza • Dimer cytochromů b, Rieske iron-sulfur protein, Cytochrom c1 • Ve středu je vazebné místo pro ubichinon
Cytochrom bc1 komplex
Q cyklus • Dvouelektronový přenašeč - QH2 – 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 QH2
• 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 (Fe3+, Fe2+) • Cytochrom c přenáší jeden elektron z komplexu cytochromu bc1 na cytochromoxidázu, Komplex IV
Cytochromoxidáza (Komplex IV) • Savčí cytochromoxidáza je membránový protein se 13 podjednotkami • Obsahuje dva hemy • Tři meděné ionty – Dva ionty (CuA) tvoří binukleární centrum – Jeden iont (CuB) je vázaný k hemu a tvoří Fe-Cu centrum
Cytochromoxidáza přenáší elektrony na kyslík • Elektron je přenesen z Cyt c na CuA centrum, na hem a, dále na hem a3-CuB 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+ + 1/2O2
NAD+ + H2O
DG’o = -nFDE’o NADH/NAD+ = -0.32V O2/H2O = 0.816
DE’o = 1.14V
DG’o = 220 kJ/mol (NADH)
Proton-motorická síla • Energie oxidace NADH (FADH2) 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+ + 1/2O2
NAD+ + 10H+ + H2O
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 F1 podjednotky • Konformační změny v jedné ze tří podjednotek b působí kondenzaci ADP a Pi na ATP
Průchod protonů ATP syntázou pohání tvorbu ATP • Válec c podjednotek, e a se otáčí vůči a, b2, d a , b podjednotkám • Na každých 120o 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 360o 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 1/2O2) – 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 120o F1 rotaci a 1 pro transport ADP do mitochondriální matrix
1 NADH (dává 2 elektrony k redukci 1/2O2) 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 CO2 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 CO2 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
