Soluhengitys + ATP-synteesi = Oksidatiivinen fosforylaatio Tuomas Haltia Elämälle (solulle) välttämättömiä asioita ovat:

Transkriptio

1 Soluhengitys + ATP-synteesi = Oksidatiivinen fosforylaatio Tuomas Haltia Soluhengitys = Mitokondrioissa tapahtuva (ATP:tä tuottava) prosessi, jossa happi toimii pelkistyneiden ravintomolekyylien elektronien vastaanottajana Oksidatiivinen fosforylaatio = ATP:n tuotto NADH:lta ja FADH 2 :lta hapelle tapahtuvan elektroninsiirron ja ATP-syntaasin avulla Elämälle (solulle) välttämättömiä asioita ovat: KYKY OTTAA ENERGIAA YMPÄRISTÖSTÄÄN (solut kaukana termodynaamisesta tasapainotilasta!) JÄRJESTELMÄ INFORMAATION SÄILÖMISEEN JA SIIRTÄMISEEN (DNA, geenit etc.) Lehninger, luku 19; Stryer, luku 18 Luennon tavoite: Ymmärtää miten ravintomolekyylien energia muutetaan ATP:n energiaksi Soluhengityksen periaate (Redox-energia protonigradientti ATP:n kemiallinen energia) Hengityskompleksit. Kemiosmoosi. ATP-syntaasi. Aerobinen glykolyysi + oksidatiivinen fosforylaatio: ATP:tä/glukoosi Anaerobinen glykolyysi: 2 ATP:tä /glukoosi NADH -glykolyysistä -PDH-reaktiosta (pyruvaatti asetyyli-koa) -TCA-syklistä e - = NADH, FADH 2 Mistä NADHja FADH 2 : Glykolyysi, TCA-sykli, oksidatiivinen fosforylaatio (VÄHIMMÄISOPPIMISTAVOITE: OSATA KERTOA OMIN SANOIN YDINKOHDAT KUSTAKIN LAATIKOSTA) Mistä NADH ja FADH 2? Glykolyysistä mutta myös rasvahappojen oksidaatiosta ja aminohappojen hajoituksesta Electrons carried via NADH Electrons carried via NADH and FADH2 Glycolysis Glucose Pyruvate Citric acid cycle Oxidative phosphorylation: electron transport and chemiosmosis Cytosol Mitochondrion ATP ATP ATP Figure 9.6 Substrate-level phosphorylation Substrate-level phosphorylation Oxidative phosphorylation

2 Sitruunahappokierrossa: kaksi hiiltä lohkeaa CO 2 :na Hengitysketju Mitä tapahtuu, jos happea ei ole? Hengitysketju ei pysty hapettamaan NADH:ta ja FADH 2 :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 O 2 saatavilla, tuotto on ATP/glukoosi! Soluhengityksen happea käyttävä entsyymi sytokromioksidaasi Elektronit siirtyvät syt c Cu A syt a syt a 3 /Cu B O 2 Hapen pelkistyminen vedeksi H 2 O kuluttaa H + matriksista Elektronien siirtyminen on kytkeytynyt myös H + - pumppaukseen kalvon ulkopuolelle Syntyy p, H + :ien sähkökemiallinen potentiaaliero kalvon yli ATP-syntaasi käyttää p:tä ATP:n tuottamiseen Käyttää n. 3H + /ATP ATP tuotetaan mitokondrion matriksiin, josta se on kuljetettava sytoplasmaan 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; -LEBERIN tauti (näön menetys), Kompleksi I:n mutaatiot

3 MERF-mitokondrio EM:ssä parkkipaikkakpl:t = kreatiinikinaasia; valomikroskoopissa repalesyyt (RRF), indikoivat mitokondrioiden lisääntynyttä määrää mtdna: LHON-, MELAS- ja MERFF-mutaatiot Soluhengityksen periaate (Redox-energia protonigradientti ATP:n kemiallinen energia) Kemiosmoottinen teoria (toi Nobelin P. Mitchellille 1978) Miten hengitys ja ATP-synteesi kytkeytyvät toisiinsa? Hengityskompleksit Mitokondrion sisäkalvon kalvoproteiineja Metalloproteiineja; paljon alayksiköitä! Protonipumppuja Kompleksi I = NADH-dehydrogenaasi (Kompleksi II = sukkinaattidehydrogenaasi) Kompleksi III = Q-sytokromi c oksidoreduktaasi, sytokromi bc 1 -kompleksi Kompleksi IV = sytokromi c oksidaasi Hengitysketjussa elektronit kulkevat alamäkeen (-300 mv +800 mv) NADH Q (365 mv); QH 2 cyt c (209 mv); cyt c O 2 (562 mv)

4 Elektroninsiirtoketju = hengityskompleksien ja niiden välisten elektroninsiirtäjien muodostama funktionaalinen kokonaisuus Kompleksi I = NADHdehydrogenaasi +H + Kompleksi I:n rakenne (Naturessa toukokuussa 2010) Protonien kuljetusmekanismi alkaa hahmottua! Rautarikkikeskukset FADH 2 sukkinaattidehydrogenaasi QH 2 -sytokromi c reduktaasi

5 Syt. c reduktaasi = bc 1 -kompleksi = kompleksi III Kompleksi III:n mekanismi: Q- sykli Kompleksi IV = sytokromioksidaasi NADH/O = 10 H + (matriksi intermemb. tila) ATP-syntaasi (Kompleksi V) (Nobel Walkerille & Boyerille 1997) Rakenne tunnetaan (v. 1995) 3-4 H + /ATP Rotaatiokatalyysi Binding change mekanismi Kolme aktiivista keskusta betaalayksiköissä Boyer keksi: BINDING-CHANGE MECHANISM Kolme aktiivista keskusta ( -alayksiköissä) -yksi T-tilassa: tiukasti sitoutunut ATP -yksi L-tilassa: ADP + P i -yksi O-tilassa: tyhjä (ATP irtoaa) 3H + F 0 :n läpi Gamma-alayksikön rotaatio vastapäivään T --- O --- L --- T

6 Gamma-alayksikön rotaatio määrää kunkin aktiivisen keskuksen tilan Ratkaiseva koe, joka vakuutti Nobel-komitean (v. 1996): ATP:n hydrolyysin aiheuttama :n rotaatio voidaan nähdä! C-multimeerin rotaatio (v.1999) Kuinka monta ATP:tä per NADH? Hengitysketju: 10 H + /NADH eli H + /NADH = 10 (6 H + /FADH 2 ) ATP-syntaasi (ottaen huomioon ATP:n kuljetuksen): 4 H + / ATP (per 120 asteen rotaatio) eli H + / ATP = 4 Siis jakamalla puolittain saadaan ATP/NADH = 10/4 = 2,5 Yhden NADH:n hapetus johtaa 10 H + :n kuljetukseen kalvon yli. ATP-syntaasi ja ATP:n kuljetus vaativat 4 H + /ATP. Montako ATP/Glukoosi? (ATP/NADH = 2,5) Yksi NADH tuottaa 2,5 ATP:tä. Montako NADH:ta saadaan yhdestä glukoosista?

7 Hengityskontrolli (= kuinka hapenkulutus ja ATP:n kulutus ovat sidoksissa toisiinsa) ADP:n lisäys kiihdyttää hengitystä ATP:n kulutus alentaa fosforylaatiopotentiaalia Lisääntynyt protonivirtaus F 0 F 1 :n läpi Protonimotorinen voima alenee Hengityskompleksien protonipumppujen vastapaine alenee Hengityskompleksit siirtävät elekroneja hapelle nopeammin Irtikytkijän ja ATP-syntaasin inhibiittorin vaikutus hapen kulutukseen Irtikytkijän vaikutusmekanismi: tekee kalvon protoneja läpäiseväksi Yhteenveto ATP-syntaasi animaatioita: