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
Elämälle (solulle) välttämättömiä asioita ovat: KYKY OTTAA ENERGIAA YMPÄRISTÖSTÄÄN (solut kaukana termodynaamisesta tasapainotilasta!) JÄRJESTELMÄ INFORMAATION SÄILÖMISEEN JA SIIRTÄMISEEN (DNA, geenit etc.)
Luennon tavoite: Ymmärtää miten ravintomolekyylien energia muutetaan ATP:n energiaksi Hengityskompleksit. Kemiosmoosi. ATP-syntaasi. Aerobinen glykolyysi + oksidatiivinen fosforylaatio: 30-32 ATP:tä/glukoosi Anaerobinen glykolyysi: 2 ATP:tä /glukoosi
Soluhengityksen periaate (Redox-energia protonigradientti ATP:n kemiallinen energia) NADH -glykolyysistä -PDH-reaktiosta (pyruvaatti asetyyli-koa) -TCA-syklistä e- = NADH, FADH2
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
Mistä NADH ja FADH2? Glykolyysistä mutta myös rasvahappojen β-
Sitruunahappokierrossa: kaksi hiiltä lohkeaa CO2:na
Hengitysketju
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 30-32 ATP/glukoosi!
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
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;
MERF-mitokondrio EM:ssä parkkipaikkakpl:t = kreatiinikinaasia; valomikroskoopissa repalesyyt (RRF), indikoivat
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
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
Hengitysketjussa elektronit kulkevat alamäkeen (-300 mv NADH Q (365 mv); QH2 cyt c (209 mv); cyt c O2 (562 mv)
Elektroninsiirtoketju = hengityskompleksien ja niiden välisten elektroninsiirtäjien muodostama funktionaalinen
Kompleksi I = NADHdehydrogenaasi +H+
Kompleksi I:n rakenne (Naturessa toukokuussa 2010) Protonien kuljetusmekanismi alkaa hahmottua!
Rautarikkikeskukset
FADH2 sukkinaattidehydrogenaasi
QH2-sytokromi c reduktaasi
Syt. c reduktaasi = bc1kompleksi = kompleksi III
Kompleksi III:n mekanismi: Qsykli
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 (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
Gamma-alayksikön rotaatio määrää kunkin aktiivisen
Ratkaiseva koe, joka vakuutti Nobel-komitean (v. 1996): ATP:n
C-multimeerin rotaatio (v.1999)
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?
Montako ATP/Glukoosi? (ATP/NADH = 2,5)
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
ADP:n lisäys kiihdyttää hengitystä
Irtikytkijän ja ATP-syntaasin inhibiittorin vaikutus hapen kulutukseen
Irtikytkijän vaikutusmekanismi: tekee kalvon protoneja
Yhteenveto
ATP-syntaasi animaatioita: http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/metabolism/atpsyn2.swf http://users.soe.ucsc.edu/~hongwang/project/atp_synthase/