15. Transport elektrona i oksidativna fosforilacija

1
15. Transport elektrona i oksidativna
fosforilacija

• 15.1. Transport elektrona
• 15.1.1. Redukcioni potencijali bioloških redoks
  sistema
• 15.2. Fosforilacija u respira-tornom lancu -
  oksidativna fosforilacija
• 15.2.1. Inhibitori procesa
  oksidativne fosforilacije i
  transporta elektrona
• 15.3. Proizvodnja ATP pri potpunoj
  oksidaciji glukoze

2

• Kao što je opisano u poglavlju 11.5 redukujuci
  ekvivalenti NADH i FADH2 nastaju u glikolizi i
  CTK ciklusu. Svaka od ovih potencijalno
  energijom bogatih molekula ima par elektrona sa
  visokim potencijalom prenosa, a slobodna energija
  nastala za vreme preno-sa elektrona može biti
  iskorištena za sintezu ATP.
• Energija - upregnuta u anhidridne veze molekula
  ATP se koristi za pokretanje brojnih biohemijskih
  procesa u celiji. Transport elektrona je omogucen
  posredovanjem prenosioca elektrona prisutnih u
  unutrašnjoj membrani mitohondrija.
• Lanac prenosa elektrona, drugacije nazvan
  respiratorni lanac, ima seriju od cetiri velika
  proteinska kompleksa kroz koje elektroni prolaze
  od nižeg ka višem redoks potencijalu. Samo dva
  kompleksa, medutim, obicno oksiduju oba NADH i
  FADH2.

3

• Tok elektrona izaziva protonska pumpa iz matriksa
  u medumembranski prostor. Ovaj tok elektrona
  snažno izaziva nastajanje protonskog gradijenta
  (pH-gradijent) i membranskog potencijala. Proton
  tece nazad u matriks razlicitim putevima ali
  narocito kroz ATP-sintetazni kompleks ugraden u
  membranu za vreme sinteze ATP. Glavna
  karakteristika ovog procesa je oksidativna
  fosforilacija generisana protonskim gradijentom
  pracenim membranskim potencijalom.
• S obzirom da se procesi transporta elektrona i
  oksidativna fosforilacija odvijaju u
  mitohondrijama, na slici 15-1 dat je prikaz ove
  celijske organele kao i nacin formiranja
  pH-gradijenta. Evidentno je da razlika u
  koncentraciji H jona dovodi do uspostavljanja
  gradijenta tzv. gradijenta protona.

4
Slika 15-1. Gradijent protona- (pH-gradijent) kao
rezultat transporta elektrona kroz unutrašnju
membranu mitohondrija.
5
15.1. Transport elektrona

• Transport elektrona od NADH ili FADH2 do O2 kao
  krajnjeg akceptora preko citohrom-oksidaze veoma
  je slican kod biljaka i životinja. Glavne
  komponente respiratornog lanca su organizovane
  kao cetiri multi-proteinske jedinice (kompleksa)
  koje su inkorporirane u strukturu unutrašnje
  membrane mitohondrija i prikazane su na slici
  15-2.

6
Slika 15-2. Rasporeda redoks komponenata na
unutrašnjoj membrani mitohondrija
A.
B.
7

• Prvi kompleks u respiratornom lancu (slika 15-2)
  je unutrašnja NADH-dehidrogenaza ili
  NADH-ubihinon (UQ) oksidoreduktaza koja je
  odgovorna za oksidaciju NADH i redukciju
  ubihinona
• Kompleks I - kao najveci, smešten je poprecno
  kroz celu unutašnju membranu mitohondrija. Njegov
  aktivni centar smešten je u prostoru M (prostor
  matriksa), gde se kao prva odvija reakcija
  oksidacije NADH u NAD. Posebnom tunelskom
  jedinicom, koja se proteže od prostora M do
  prostora C (prostor izmedju krista,
  medumembranski prostor) u isto vreme dolazi do
  prelaska H iz prostora M u prostor C.
• Prenos elektrona odvija se preko kompleksa
  gvožde-sumpor proteina (Fe-S protein) na ubihinon
  (UQ). Ubihinon prihvacene elektrone prenosi sa
  enzimskih kompleksa I i II na kompleks III.

8

• (b) Kompleks II
• Predstavlja sukcinat-dehidrogenazu (sukcinat-UQ
  reduktaza EC 1.6.2.4) koja ima ulogu prenosioca
  vodonika sa sukcinata na ubihinon. Imajuci u vidu
  da je redoks potencijal isuviše mali nije moguc
  prenos H iz prostora M u prostor C kao što je to
  slucaj sa enzimskim kompleksom I.
• Kompleks II sadrži dva glavna subkompleksa (SDHC
  i SDHD). Subjedinice obezbedjuju veziva-nje
  sukcinat-dehidrogenaze za membranu i redukciju
  ubihinona. Elektroni se prenose od FADH2 do
  ubihinona prema reakciji
• Sukcinat UQ ? Fumarat UQH2

9
C

• (c) Kompleks III
• The coenzyme Q  cytochrome c oxidoreductase,
  sometimes called the cytochrome bc1 complex, and
  at other times complex III, is the third complex
  in the electron transport chain (EC 1.10.2.2). It
  is a transmembrane lipoprotein, and it catalyzes
  the reduction of cytochrome c by oxidation of
  coenzyme QH2 (CoQ)
• QH2 2 cyt c (Fe3) 2 Hin ?
• Q 2 cyt c (Fe2) 4 Hout
• In the process called Q cycle, two protons are
  consumed from the matrix (M), four protons are
  released into the inter membrane space (IM) and
  two electrons are passed to cytochrome c.

C
10

• (d) Kompleks IV
• The enzyme cytochrome c oxidase ( EC 1.9.3.1) is
  a large transmembrane protein complex found in
  the mitochondrion. It is the terminal electron
  acceptor in the electron transport chain. It
  recieves an electron from each of four cytochrome
  c molecules, converting molecular oxygen to two
  molecules of water. In the process, it
  translocates four protons, helping to establish a
  chemiosmotic potential that the ATP synthase then
  uses to synthesize ATP.
• Summary reaction
• 4 Fe2-cyt c 8 Hin O2 ?
• 4 Fe3-cyt c 2 H2O 4 Hout
• The complex is a large lipoprotein composed of
  several metal prosthetic centre and 13 protein
  subunits. The complex contains two cytochromes,
  the a and a3 cytochromes, and two copper centers,
  the CuA and CuB centers.

11
15.1.1. Redukcioni potencijali
bioloških redoks sistema
12
15.2. Fosforilacija u respiratornom
lancu - oksidativna fosforilacija
ATP synthase

• Oxidative phosphorylation - is the terminal
  process of cellular respiration in eukaryotes.
  During oxidative phosphorylation electrons are
  transferred from NADH or FADH2 created in
  glycolysis, fatty acid metabolism and the Krebs
  cycle to molecular oxygen, via a series of
  protein complexes located in the inner
  mitochondrial membrane.
• Protons are pumped from the mitochondrial matrix
  into the intermembrane space as a result of this
  flow of electrons. This generates a pH gradient.
  The protons flow back into the mitochondrial
  matrix via a large protein complex, ATP synthase.
  This is how most of the ATP is created in a
  eukaryotic cell. This is the reaction that ATP
  synthase catalyses
• ADP H Pi ? ATP H2O

M
C
13
Mehanizam sinteze ATP

• Znatan deo oslobodene enrgije u oksidacionim
  procesima pri prenosu elektrona tokom respiracije
  koristi se za fosforilaciju ADP. Ova funkcija
  mitohondrija je jedna od najvažnijih jer
  predstavlja osnovni bioenergetski sistem.
• Dokazano je da postoje tri mesta u respiratornom
  lancu gde gde se vrši fosforilacija ADP do ATP
  pri prelazu elektrona, odn vodonika sa NADH na
  ubihinon (prvi ATP), pri prelazu sa ubihinona na
  cit c (drugi) i nakon prelaza elektrona sa cit c
  na O2 (treci)
• U mitohondrijama postoji i veoma efikasna
  enzimska struktura koja katalizuje sintezu ATP.
  Ona obuhvata ATP-sintetazu koja katalizuje
  oksidativnu fosforilaciju, odn. fosforilaciju ADP
  sa Pi do ATP. U sastavu ovog kompleksa pojavljuju
  se faktori kopulacije oznaceni sa F0 i F1.

14
Slika 15-10. Energetsko-zavisni mehanizam
promenjenog vezivanja pri sintezi ATP.
Mehanizam se odvija prenosom protona,
regulisanom aktivnošcu enzima ATP-sintaze.
Kopulacioni faktor F1 ima tri hemijski identicna,
ali konformaciono razlicita ?? protomera O -
otvorene konformacije, sa malim afinitetom za
ligande (kataliticki neaktivan) L - sa labavim
vezivanjem liganda (kataliticki neaktivan) i T -
sa cvrstim vezivanjem liganda (kataliticki
aktivan) (D.Voet, J.Voet, Biochemistry, 2nd ed.
John Wiley and Sons, Inc., New York, 1995.
str.590 sl.20.31).
15
Slika 15-11. Uloga unutrašnje membrane pri
stvaranju protonskog gradienta u sintez ATP.
16
15.2.1. Inhibitori procesa oksidativne
fosforilacije i transporta elektrona

• U idealnim uslovima tok reakcija respiratornog
  lanca, uz aktivno kataliticko delovanje enzimskih
  kompleksa, odvija se prema vec pomenutim
  reakcionim putevima. Oksidativna fosforilacija,
  kao proces stvaranja hemijskih veza bogatih
  energijom u vidu ATP, takode se u ovim uslovima
  odvija prema prikazanim reakcijama, dok se prenos
  elektrona u elektron-transportnom lancu odvija
  bez zastoja.
• Medjutim, ukoliko su u sredini u kojoj se
  odvijaju ovi procesi prisutna sredstva koja imaju
  inhibirajuce dejstvo na pojedine faze reakcije,
  doci ce do blokade i prekida ovih procesa. U
  ulozi inhibitora fosforilacije ADP javljaju se
  dinitrofenol, supstituisani fenilhidrazoni
  (karbonilcijanid - p-trifluormetoksi-fenilhidrazon
  ), karbonilcijanid-m-hlorfenilhidrazon (CCCP)) i
  dr.

17
Slika 15-12. Moguca mesta inhibicije u
respiratornom lancu prenosa elektrona.
18
Izvod

• ? Mitohondrije su elijske organele u kojima se
  odvijaju procesi respiracije i oksidativne
  fosforilacije.
• ? Lanac prenosa elektron, poznatiji kao
  respiratorni lanac ima seriju od etiri velika
  proteinska kompleksa kroz koje elektroni prolaze
  shodno redukcionim potencijalima ekvivalenata u
  prenosu.
• ? Kompleks I, drugaije nazvan kao
  NADH-dehidrogenazni kompleks ili NADH-ubihinon
  (UQ) oksidoreduktaza Kompleks II, poznatiji kao
  sukcinat-dehidrogenazni kompleks ili sukcinat-UQ
  reduktaza Kompleks III, referisan kao citohrom
  b/c1 kompleks ili UQH2 -citohrom c reduktaza
  Kompleks IV, u literaturi poznatiji kao citohrom
  c oksidaza.
• ? Tok elektrona izaziva protonska pumpa iz
  matriksa do meumem-branskog prostora. Ovaj tok
  elektrona snano izaziva nastajanje
  proton-gradijenta (pH-gradijent) i membranskog
  potencijala. Proton tee nazad u matriks
  razliitim putevima ali naroito kroz
  ATP-sintezni kompleks ugraen u membranu za vreme
  sinteze ATP. Glavna karakteristika ovog procesa
  je oksidativna fosforilacija generisana
  proton-gradijentom praen membranskim
  potencijalom.
• ? Kompleks V - obuhvata ATP-sintetazu (EC
  3.6.1.3) koja katalizuje oksidativnu
  fosforilaciju, odnosno fosforilaciju ADP sa Pi do
  ATP. U sastavu ovog kompleksa pojavljuju se i
  faktori kopulacije oznaeni kao Fo i F1.
• ? Mehanizam sinteze ATP - Iako mehanizam
  stvaranja ATP jo uvek nije u potpunosti
  razjanjen, verovatno je hipoteza o
  konformacijskoj promeni proteinske strukture
  faktora kopulacije F1 pri sintezi ATP
  najpriblinija.
• ? S obzirom da su kopulacioni faktori Fo i F1
  smeteni u poprenoj strukturi unutranje
  membrane mitohondrija, odnosno na strani
  matriksa, to se i biosinteza ATP odvija u
  prostoru matriksa
• ? Oksidativnu fosforilaciju i transport
  elektrona inhibiraju razliite supstance kako
  organskog ( dinitrofenol, fenilhidrazin,
  aurovertin, rotenon, amital i dr.) tako i
  neorganskog porekla ( CN, N3, CO itd.).
• ? Potpunom oksidacijom jednog molekula glukoza
  izdvaja se 38 molekula ATP.

19
Pitanja