Oksidatiivinen fosforylaatio = ATP:n tuotto NADH:lta ja FADH2:lta hapelle tapahtuvan elektroninsiirron ja ATP-syntaasin avulla

Transkriptio

1 Soluhengitys + ATP-synteesi = Oksidatiivinen fosforylaatio Soluhengitys = Mitokondrioissa tapahtuva (ATP:tä tuottava) prosessi, jossa happi toimii pelkistyneiden ravintomolekyylien elektronien vastaanottajana Oksidatiivinen fosforylaatio = ATP:n tuotto NADH:lta ja FADH2:lta hapelle tapahtuvan elektroninsiirron ja ATP-syntaasin avulla Lehninger, luku 19; Stryer, luku 18

2 Elämälle (solulle) välttämättömiä asioita ovat: KYKY OTTAA ENERGIAA YMPÄRISTÖSTÄÄN (solut kaukana termodynaamisesta tasapainotilasta!) JÄRJESTELMÄ INFORMAATION SÄILÖMISEEN JA SIIRTÄMISEEN (DNA, geenit etc.)

3 Luennon tavoite: Ymmärtää miten ravintomolekyylien energia muutetaan ATP:n energiaksi Hengityskompleksit. Kemiosmoosi. ATP-syntaasi. Aerobinen glykolyysi + oksidatiivinen fosforylaatio: ATP:tä/glukoosi Anaerobinen glykolyysi: 2 ATP:tä /glukoosi

4 Soluhengityksen periaate (Redox-energia protonigradientti ATP:n kemiallinen energia) NADH -glykolyysistä -PDH-reaktiosta (pyruvaatti asetyyli-koa) -TCA-syklistä e- = NADH, FADH2

5 Mistä NADHja FADH2: Glykolyysi, TCA-sykli, Electrons carried via NADH and FADH2 Electrons carried via NADH Glycolysis GlucoPyruvate se Cytosol ATP Figure Substrate-level phosphorylatio Citric acid cycle Oxidative phosphorylation: electron transport and chemiosmosis Mitochondrio n ATP Substrate-level phosphorylatio n ATP Oxidative phosphorylatio n

6 Mistä NADH ja FADH2? Glykolyysistä mutta myös rasvahappojen β-

7 Sitruunahappokierrossa: kaksi hiiltä lohkeaa CO2:na

8 Hengitysketju

9 Mitä tapahtuu, jos happea ei ole? à Hengitysketju ei pysty hapettamaan NADH:ta ja FADH2:ta Nämä alkavat kertyä Sitruunahappokierto pysähtyy! Glykolyysi ei pysähdy: Sen tuottama NADH pystytään hapettamaan tuottamalla pyruvaatista laktaattia! Ilman happea pystytään tuottamaan 2 ATP:tä / glukoosi Jos O2 saatavilla, tuotto on ATP/glukoosi!

10 Soluhengityksen happea käyttävä entsyymi sytokromioksidaasi Elektronit siirtyvät syt c CuA syt a syt a3/cub O2 Hapen pelkistyminen vedeksi H2O kuluttaa H+ matriksista Elektronien siirtyminen on kytkeytynyt myös H+pumppaukseen kalvon ulkopuolelle Syntyy p, H+:ien sähkökemiallinen potentiaaliero kalvon yli

11 ATP-syntaasi käyttää p:tä ATP:n tuottamiseen Käyttää n. 3H+/ATP ATP tuotetaan mitokondrion matriksiin, josta se on kuljetettava sytoplasmaan

12 Mitokondriotaudit eli OXPHOStaudit = vikaa mitokondrioissa Aiheutuvat mutaatioista joko mtdna:ssa (koodaa 13 hengityskompleksin osaa sekä 22 trna- ja 2 rrna-geeniä) tai tuman DNA:ssa (esim. mtdna:n ylläpitoon ja synteesiin tarvittavien proteiinien geenit). Esimerkkejä: -MERF (Myoclonic Epilepsy and Ragged red Fibers), mutaatio trna-geenissä; -MELAS (Mitochondrial Encephalomyopathy, Lactic Acidosis and Stroke-like episodes), mutaatio trna-geenissä;

13 MERF-mitokondrio EM:ssä parkkipaikkakpl:t = kreatiinikinaasia; valomikroskoopissa repalesyyt (RRF), indikoivat

14 mtdna: LHON-, MELAS- ja MERFF-mutaatiot

15 Soluhengityksen periaate (Redox-energia protonigradientti ATP:n kemiallinen energia)

16 Kemiosmoottinen teoria (toi Nobelin P. Mitchellille 1978) Miten hengitys ja ATP-synteesi kytkeytyvät

17 Hengityskompleksit Mitokondrion sisäkalvon kalvoproteiineja Metalloproteiineja; paljon alayksiköitä! Protonipumppuja Kompleksi I = NADH-dehydrogenaasi (Kompleksi II = sukkinaattidehydrogenaasi) Kompleksi III = Q-sytokromi c oksidoreduktaasi, sytokromi bc1-kompleksi Kompleksi IV = sytokromi c oksidaasi

18 Hengitysketjussa elektronit kulkevat alamäkeen (-300 mv NADH Q (365 mv); QH2 cyt c (209 mv); cyt c O2 (562 mv)

19 Elektroninsiirtoketju = hengityskompleksien ja niiden välisten elektroninsiirtäjien muodostama funktionaalinen

20 Kompleksi I = NADHdehydrogenaasi +H+

21 Kompleksi I:n rakenne (Naturessa toukokuussa 2010) Protonien kuljetusmekanismi alkaa hahmottua!

22 Rautarikkikeskukset

23 FADH2 sukkinaattidehydrogenaasi

24 QH2-sytokromi c reduktaasi

25 Syt. c reduktaasi = bc1kompleksi = kompleksi III

26 Kompleksi III:n mekanismi: Qsykli

27 Kompleksi IV = sytokromioksidaasi

28 NADH/O = 10 H+ (matriksi intermemb. tila)

29 ATP-syntaasi (Kompleksi V) (Nobel Walkerille & Boyerille 1997) Rakenne tunnetaan (v. 1995) 3-4 H+/ATP Rotaatiokatalyysi Binding change mekanismi Kolme aktiivista keskusta betaalayksiköissä

30 Boyer keksi: BINDING-CHANGE MECHANISM Kolme aktiivista keskusta (β-alayksiköissä) -yksi T-tilassa: tiukasti sitoutunut ATP -yksi L-tilassa: ADP + Pi -yksi O-tilassa: tyhjä (ATP irtoaa) 3H+ F0:n läpi Gamma-alayksikön rotaatio vastapäivään T --- O --- L --- T

31 Gamma-alayksikön rotaatio määrää kunkin aktiivisen

32 Ratkaiseva koe, joka vakuutti Nobel-komitean (v. 1996): ATP:n

33 C-multimeerin rotaatio (v.1999)

34

35 Yhden NADH:n hapetus johtaa 10 H+:n kuljetukseen kalvon yli. ATP-syntaasi ja ATP:n kuljetus vaativat 4 H+/ATP. Yksi NADH tuottaa 2,5 ATP:tä. Montako NADH:ta saadaan yhdestä glukoosista?

36 Montako ATP/Glukoosi? (ATP/NADH = 2,5)

37 Hengityskontrolli (= kuinka hapenkulutus ja ATP:n kulutus ovat ATP:n kulutus alentaa fosforylaatiopotentiaalia Lisääntynyt protonivirtaus F0F1:n läpi Protonimotorinen voima alenee Hengityskompleksien protonipumppujen vastapaine alenee Hengityskompleksit siirtävät elekroneja hapelle nopeammin

38 ADP:n lisäys kiihdyttää hengitystä

39 Irtikytkijän ja ATP-syntaasin inhibiittorin vaikutus hapen kulutukseen

40 Irtikytkijän vaikutusmekanismi: tekee kalvon protoneja

41 Yhteenveto

42 ATP-syntaasi animaatioita: