transport elektronow.doc

Transport elektronów

i

fosforylacja oksydacyjna

·     Szlak metaboliczny związany z błonami, u bakterii z błoną komórkową, u organiz-mów eukariotycznych z błoną mito-chondrialną

·     Komórki eukariotyczne zawierają od kilku do pół miliona mitochondriów (ssaki – 200 – 2500). Wyjątkiem są ssacze erytrocyty nie posiadające tych organelli

·     Mitochondria otoczone są dwoma błonami. Między błonami w przestrzeni międzybłonowej występuje szereg enzymów wykorzystujących ATP (kinaza kreatynowa, kinaza adenylowa). Zewnętrzna, gładka błona mitochon-drialna zawiera 60 – 70% białka i 30 – 40% lipidów (duży udział  fosfatydylo-inozytolu). Dla zewnętrznej błony charakterystyczna jest obecność poryny – transmembranowego, bogatego w b-struktury białka tworzącego kanały błonowe umożliwiające swobodną dyfuzję błonową cząsteczkom o masie mniejszej niż 10 kD. Błona zewnętrzna utrzymuje kształt organellum

·     Wewnętrzna błona (80% białka), wśród lipidów duża zawartość wiązań nienasy-conych, kardiolipiny i difosfatydylo-glicerolu. Nie  ma cholesterolu. Nieprze-puszczalna dla cząsteczek i jonów. Transport przez błonę wewnętrzną przez specyficzne białka transportowe. Błona jest silnie pofałdowana, tworzy szereg wpuklających się do wnętrza grzebieni

·     Wnętrze mitochondrium wypełnia macierz mitochondrialna zawierająca wiekszość enzymów cyklu TCA i utleniania kwasów tłuszczowych

·     W macierzy zlokalizowany jest również kołowy DNA mitochondrialny, rybosomy i inne elementy systemu biosyntezy białka pozwalające na biosyntezę szeregu białek mitochondrialnych. Większość białek mitochondrialnych kodowana jest jednak przez jądrowy DNA i syntety-zowana w cytoplazmie

Potencjał redukcyjny

·     Podczas fosforylacji oksydacyjnej potencjał przenoszenia elektronów NADH lub FADH2 ulega przekształceniu w potencjał przenoszenia fosforanów ATP. Koenzymy te mają silną tendencję do przekazywania elektronów innym związkom i przechodzenia w formę utlenioną

·     Miarą tendencji związków chemicznych do przekazywania czy przyjmowania elektronów (utleniania lub redukcji) jest standardowy potencjał redukcyjny

zredukowany donor                                          utleniony akceptor

ne-

utleniony donor                                                       zredukowany akceptor

DG0’ = -nFDE0’,

gdzie n – ilość przenoszonych elektronów,

F – stała Faraday’a = 96,485 J/Vxmol,

DE0’ – różnica potencjałów redukcyjnych między donorem a akceptorem

·     Standardowe potencjały redukcyjne oznaczamy przez pomiar siły elektro-motorycznej wytworzonej pomiędzy badanym półogniwem  a standardowym półogniwem porównawczym. Badane półogniwo zawiera elektrodę zanurzoną w 1 M roztworze utleniacza lub reduktora. Półogniwo standardowe składa się z elektrody zanurzonej w 1 M roztworze  H+ zrównoważonym gazowym H2 pod ciśnieniem 1 atm. (981hPa). Oba roztwory połączone są mostkiem agarowym, elektrody przewodem w który wpięty jest woltomierz. Półogniwo standardowe ma potencjał redukcyjny równy 0.

·     Jeśli elektrony płyną między elektrodami w kierunku badanego ogniwa – jego potencjał redukcyjny jest dodatni (związki w półogniwie ulegają redukcji)

·     Jeśli elektrony płyną do półogniwa standardowego – potencjał redukcyjny badanego półogniwa jest ujemny (związki w półogniwie ulegają utlenieniu)

·     Dla pary etanol/aldehyd octowy:

etanol®aldehyd octowy + 2H+ + 2e-

E0’ = - 0.197 V

Dla pary fumaran/bursztynian:

fumaran + 2H+ +2e-®bursztynian

E0’ = +0.031 V

·     Dla pary Fe3+/Fe2+

Fe3++ e- ® Fe2+        E0’=+0.771 V

·     Pary redoks, które mają duży dodatni potencjał redukcyjny mają silną tendencję do przyjmowania elektronów (redukcji), utleniona forma takiej pary jest silnym utleniaczem

·     Pary redoks z dużym ujemnym potencjałem redukcyjnym mają silną tendencję do oddawania elektronów (utlenienia), ich zredukowana forma jest silnym reduktorem

Sprzężenie reakcji redoks

·     Znajomość potencjałów redukcyjnych pozwala nam analizować przebieg reakcji redoks

·     Np. utlenienie NADH do NAD+ może być sprzężone z redukcją a-ketoglutaranu do izocytrynianu:

NAD+ + izocytrynian®NADH + H+ + a-ketoglutaran + CO2

NAD+ + 2H+ + 2e- ®NADH + H+ (E0’ = -0.32 V)

a-ketoglutaran + CO2 + 2H++ 2e-®izocytrynian (E0’ = -0.38 V)

·     W spontanicznej reakcji elektrony płyną od półogniwa z bardziej ujemnym potencjałem redukcyjnym do ogniwa z bardziej dodatnim potencjałem

·     W powyższej reakcji izocytrynian przekazuje elektrony na NAD+:

DE0’ = E0’(akceptor) - E0’(donor)

DE0’ = -0.32 V – (-0.38 V) = +0.06 V

DG0’ = -(2)(96.485kJ/Vxmol)(0.06 V)

DG0’=-11kJ/mol

Reakcja z dodatnią zmiana DE0’ daje ujemną zmianę DG0’ i ma charakter spontaniczny

·     W warunkach fizjologicznych stężenie reaktantów reakcji redoks odbiega od warunków standardowych, dlatego aktualny potencjał redukcyjny oznaczamy jako:

E= E0’ + RT/nF ln [ox]/[red]

Łańcuch transportu elektronów

·     Energia metabolizmu z utleniania związ-ków pokarmowych (cukrów, tłuszczów i aminokwasów) jest kierowana do redukcji NAD+ i FAD.

·     Łańcuch transportu elektronów reoksyduje koenzymy i kieruje energię swobodną z tych reakcji do syntezy ATP

·     Reoksydacja polega na usuwania protonów i elektronów z koenzymów. Elektrony wędrują z NADH i [FADH2] na tlen cząsteczkowy O2, będący ostatecznym akceptorem elektronów w łańcuchu

·     Reoksydacja NADH:

NADH(reduktor)+H++½O2(utleniacz)®NAD+ + H2O

składa się z reakcji połowicznych:

NAD+ + 2H+ + 2e- ®NADH +H+  (E0’=-0.32 V)

1/2O2 + 2H+ + 2e-® H2O (E0’=+0.816 V)

DE0’ = 0.816 V– (-0.32V) =1.136V

DG0’=-219kJ/mol

·     Składniki łańcucha transportu elektro-nów mają potencjały redukcyjne między wartościami dla pary NAD+/NADH a pary tlen/H2O, elektrony przesuwają się w dół skali, w kierunku bardziej dodatnich potencjałów redukcyjnych

·     Składniki łańcucha transportu elektro-nów zawierają następujące grupy związków:

(a)        Flawoproteiny zawierające jako grupy prostetyczne ściśle związane FMN albo FAD, mogą one przenosić 1 lub 2 elektrony

(b)       Koenzym Q (ubichinon, CoQ, UQ) działający w reakcjach przenoszenia 1 lub 2 elektronów

(c)        Cytochromy b,c,c1,a i a3 niosące i prze-kazujące 1 elektron (przejście Fe2+w Fe3+ i odwrotnie)

(d)       Szereg białek żelazowo-siarkowych biorących udział w jednoelektronowych transferach (przejście Fe2+w Fe3+ i od-wrotnie)

(e)        Miedź związana z białkiem (jedno-elektronowy transfer przekształcający Cu+ w Cu2+ i odwrotnie)

·     Wszystkie powyższe związki (z wyjątkiem cytochromu c) są związane z wewnętrzną błoną mitochondrialną (u eukariotów) lub wewnętrzną błoną plazmatyczną (u prokariotów)

·     Izolacja poszczególnych elementów łańcucha transportu elektronów pozwoliła na wydzielenie 4 kompleksów białkowych:

(I) Reduktaza NADH-koenzym Q

(II) Reduktaza bursztynian-koenzymQ

(III) Reduktaza koenzymQ-cytochrom c

(IV) Oksydaza cytochromu c

·     Kompleks I jest łącznikiem z glikolizą, cyklem TCA, utlenianiem kwasów tłuszczowych a łańcuchem transportu elektronów, przyjmuje elektrony z NADH

·     Kompleks II zawiera dehydrogenazę bursztynianową i tworzy łącznik między cyklem TCA a transportem elektronów

·     Kompleksy I i II produkują zredukowany koenzym Q (UQH2) będący substratem dla reduktazy koenzymQ-cytochrom c (kompleks III)

·     Istnieją dwa dodatkowe sposoby dostarczania elektronów do UQ. Flawoproteiny mogą przenosić elektrony z reakcji dehydrogenazy acylo-CoA lub dehydrogenazy glicerofosforanowej

·     Kompleks III utlenia UQH2, redukując  cytochrom c, który jest substratem dla oksydazy cytochromu c (kompleks IV)

·     Kompleks IV jest odpowiedzialny za redukcję tlenu cząsteczkowego

Kompleksy białkowe mitochondrialnego łańcucha transportu elektronów