Informácie

S2018_Lecture15_Reading - Biology

S2018_Lecture15_Reading - Biology


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Úvod do dýchania a Elektrónový transport Reťaze

Všeobecný prehľad a body, ktoré treba mať na pamäti

V niekoľkých nasledujúcich moduloch sa začneme učiť o procese dýchania a úlohách, ktoré v tomto procese zohrávajú reťazce transportu elektrónov. Definícia slova „dýchanie“, ktorú väčšina ľudí pozná, je „akt dýchania“. Kedy my dych, vzduch vrátane molekulárneho kyslíka sa dostáva do našich pľúc zvonku tela, kyslík sa potom redukuje a odpadové produkty vrátane redukovaného kyslíka vo forme vody sú vydychované. Obecnejšie povedané, niektoré reaktanty prichádzajú do organizmu a potom sa redukujú a opúšťajú telo ako odpadový produkt.

Táto všeobecná myšlienka, v skratke, môže byť všeobecne použitá v celej biológii. Všimnite si, že kyslík nemusí byť vždy zlúčeninou, ktorá sa privádza, redukuje a vyhodí ako odpad. Zlúčeniny, na ktoré sú „uložené“ elektróny, sú konkrétnejšie známe ako „terminálne akceptory elektrónovMolekuly, z ktorých elektróny pochádzajú, sa v rámci biológie značne líšia (pozreli sme sa len na jeden možný zdroj – molekulu glukózy s redukovaným uhlíkom).

Medzi pôvodným zdrojom elektrónov a koncovým akceptorom elektrónov je séria biochemických reakcií zahŕňajúcich najmenej jednu reakciu red/ox. Tieto reakcie red/ox zbierajú energiu pre bunku spojením exergonickej reakcie red/ox s energiou vyžadujúcou reakciou v bunke. Pri dýchaní vykonáva špeciálna sada enzýmov prepojenú sériu red/ox reakcií, ktoré nakoniec prenesú elektróny na koncový akceptor elektrónov.

Tieto „reťazce“ enzýmov red/ox a nosičov elektrónov sa nazývajú elektrónové transportné reťazce (ATĎ). V aeróbne dýchajúcich eukaryotických bunkách je ETC zložený zo štyroch veľkých, viacproteínových komplexov vložených do vnútornej mitochondriálnej membrány a dvoch malých difúznych nosičov elektrónov, ktoré medzi sebou prenášajú elektróny. Elektróny prechádzajú z enzýmu na enzým prostredníctvom série reakcií red/ox. Tieto reakcie spájajú exergonické reakcie červená/ox na endergonický transport vodíkových iónov cez vnútornú mitochondriálnu membránu. Tento proces prispieva k vytvoreniu transmembránového elektrochemického gradientu. Elektróny prechádzajúce ETC postupne strácajú potenciálnu energiu až do bodu, v ktorom sú uložené na koncovom akceptore elektrónov, ktorý sa zvyčajne odstráni ako odpad z bunky. Keď kyslík funguje ako konečný akceptor elektrónov, rozdiel voľnej energie v tomto viacstupňovom procese červená/ox je ~ -60 kcal/mol, keď NADH daruje elektróny, alebo ~ -45 kcal/mol, keď FADH2 daruje.

Poznámka: Kyslík nie je jediným a ani najčastejšie používaným terminálnym akceptorom elektrónov v prírode

Pripomeňme si, že kyslík používame ako príklad iba jedného z mnohých možných terminálnych akceptorov elektrónov, ktoré sa nachádzajú v prírode. Rozdiely voľnej energie súvisiace s dýchaním v anaeróbnych organizmoch budú odlišné.

V predchádzajúcich moduloch sme diskutovali o všeobecnom koncepte reakcií red/ox v biológii a predstavili sme elektrónovú vežu, nástroj, ktorý vám pomôže pochopiť chémiu červenej/volskej farby a odhadnúť smer a veľkosť rozdielov potenciálnej energie pre rôzne páry red/ox. V neskorších moduloch sa diskutovalo o fosforylácii a fermentácii na úrovni substrátu a videli sme, ako by bolo možné exergonické reakcie červená/ox priamo spájať pomocou enzýmov s endergonickou syntézou ATP.

Predpokladá sa, že tieto procesy sú jednou z najstarších foriem výroby energie využívanej bunkami. V tejto časti sa zaoberáme ďalším evolučným pokrokom v metabolizme bunkovej energie, oxidačnou fosforyláciou. V prvom rade si spomeňte na oxidačnú fosforyláciu nie znamenať použitie kyslíka. Používa sa skôr termín oxidačná fosforylácia, pretože tento proces syntézy ATP závisí od reakcií červeného/oxa, aby sa vytvorila elektrochemická látka. transmembránový potenciál ktoré potom môže bunka použiť na syntézu ATP.


Krátky prehľad zásad týkajúcich sa reťazcov transportu elektrónu

ETC začína pridaním elektrónov darovaných od NADH, FADH2 alebo iné redukované zlúčeniny. Tieto elektróny prechádzajú sériou elektrónových transportérov, enzýmov, ktoré sú vložené do membrány, alebo inými nosičmi, ktoré podliehajú reakciám red/ox. Voľná ​​energia prenášaná z týchto exergonických červených/oxických reakcií je často spojená s endergonickým pohybom protónov cez membránu. Pretože membrána je účinnou bariérou pre nabité druhy, výsledkom tohto pumpovania je nerovnomerná akumulácia protónov na oboch stranách membrány. To zase "polarizuje" alebo "nabíja" membránu, pričom čistý kladný náboj (protóny) na jednej strane membrány a záporný náboj na druhej strane membrány. Oddelenie náboja vytvára elektrický potenciál. Okrem toho akumulácia protónov tiež spôsobuje gradient pH známy ako a chemické potenciálcez membránu. Spolu tieto dva gradienty (elektrický a chemický) sa nazývajú an elektrochemický gradient.

Recenzia: Elektrónová veža

Keďže červená/volská chémia je tak ústrednou témou tejto témy, začneme rýchlym prehľadom tabuľky redukčného potenciálu – niekedy nazývanej „červená/volská veža“ alebo „elektrónová veža“. Môžete počuť, že vaši inštruktori používajú tieto pojmy zameniteľne. Ako sme diskutovali v predchádzajúcich moduloch, všetky druhy zlúčenín sa môžu zúčastniť biologických red/ox reakcií. Porozumieť všetkým týmto informáciám a zoradiť potenciálne červené/volské páry môže byť mätúce. Bol vyvinutý nástroj na hodnotenie polovičných reakcií červená/ox na základe ich redukčných potenciálov alebo E0' hodnoty. To, či konkrétna zlúčenina môže pôsobiť ako donor elektrónov (reduktant) alebo akceptor elektrónov (oxidant), závisí od toho, s ktorou ďalšou zlúčeninou interaguje. Červená/volská veža zoraďuje rôzne bežné zlúčeniny (ich polovičné reakcie) od väčšiny negatívnych E0', zlúčeniny, ktoré sa ľahko zbavujú elektrónov, až po najpozitívnejší E0'zlúčeniny s najväčšou pravdepodobnosťou prijímajú elektróny. Veža organizuje tieto polovičné reakcie na základe schopnosti elektrónov prijímať elektróny. Navyše, v mnohých red/ox vežiach je každá polovičná reakcia zapísaná konvenciou s oxidovanou formou vľavo a redukovanou formou vpravo. Tieto dve formy môžu byť buď oddelené lomkou, napríklad polovičná reakcia na zníženie NAD+ do NADH je napísané: NAD+/NADH + 2e-alebo oddelenými stĺpcami. Elektrónová veža je zobrazená nižšie.

Postava 1. Bežná biologická „červená/volská veža“

Poznámka

Použite červenú/volskú vežu vyššie ako referenčnú príručku, aby ste sa zorientovali, pokiaľ ide o redukčný potenciál rôznych zlúčenín v ETC. Red/ox reakcie môžu byť buď exergonické alebo endergonické v závislosti od relatívnych red/ox potenciálov darcu a akceptora. Nezabudnite tiež, že existuje mnoho rôznych spôsobov, ako sa na to koncepčne pozrieť; tento typ červenej/volskej veže je len jedným zo spôsobov.

Poznámka: Znovu sa objavia jazykové skratky

Zdá sa, že vo vyššie uvedenej tabuľke red/ox sú niektoré záznamy napísané netradičným spôsobom. Napríklad cytochróm cvol/červená. Zdá sa, že je uvedený iba jeden formulár. prečo? Toto je ďalší príklad jazykových skratiek (pravdepodobne preto, že niekto bol príliš lenivý písať cytochróm dvakrát), ktoré môžu byť mätúce – najmä pre študentov. Vyššie uvedený zápis by sa dal prepísať ako cytochróm cvôl/Cytochróm cčervená čo naznačuje, že proteín cytochrómu c môže existovať v ktoromkoľvek a oxidovanom stave, cytochróm cvôl alebo redukovaný stav cytochróm cčervená.

Prezrite si video Red/ox Tower

Kliknite sem a získajte krátke video o tom, ako používať vežu red/ox pri problémoch s červenou/ox. Toto video vyrobil doktor Easlon pre študentov Bis2A.

Použitie červenej/volskej veže: Nástroj, ktorý pomôže porozumieť reťazcom transportu elektrónov

Podľa konvencie sú polovičné reakcie veže zapísané s oxidovanou formou zlúčeniny vľavo a redukovanou formou vpravo. Všimnite si, že zlúčeniny ako glukóza a plynný vodík sú vynikajúcimi donormi elektrónov a majú veľmi nízky potenciál redukcie E0'. Zlúčeniny, ako je kyslík a dusitan, ktorých polovičné reakcie majú relatívne vysoký pozitívny redukčný potenciál (napr0') vo všeobecnosti robia dobré akceptory elektrónov sa nachádzajú na opačnom konci tabuľky.

Príklad: Menachinón

Pozrime sa na menachinónvol/červená. Táto zlúčenina je umiestnená v strede červenej/volskej veže s polovičnou reakciou E0' hodnota -0,074 eV. Menachinónvôl môže spontánne (AG<0) prijímať elektróny z redukovaných foriem zlúčenín s nižšou polovičnou reakciou E0'. Takéto transfery tvoria menachinónčervená a oxidovanú formu pôvodného darcu elektrónov. V tabuľke vyššie uvedené príklady zlúčenín, ktoré by mohli pôsobiť ako donory elektrónov menachinónu, zahrnujú FADH2, E0' hodnota -0,22 alebo NADH, s E0' hodnota -0,32 eV. Pamätajte si, že redukované formy sú na pravej strane páru červená/vola.

Akonáhle je menachinón redukovaný, môže teraz spontánne (ΔG <0) darovať elektróny akejkoľvek zlúčenine s vyššou polovičnou reakciou E0' hodnotu. Medzi možné akceptory elektrónov patrí cytochróm bvôl s E0' hodnota 0,035 eV; alebo ubichinónvôl s E0' 0,11 eV. Pamätajte, že oxidované formy ležia na ľavej strane polovičnej reakcie.

Elektrónové transportné reťazce

An reťazec transportu elektrónov, alebo ATĎ, je zložený zo skupiny proteínových komplexov v membráne a okolo nej, ktoré pomáhajú energeticky spojiť sériu exergonických/spontánnych červených/oxických reakcií s endergonickým pumpovaním protónov cez membránu za vzniku elektrochemického gradientu. Tento elektrochemický gradient vytvára potenciál voľnej energie, ktorý sa nazýva a hybná sila protónu ktorých energeticky „z kopca“ exergonický tok môže byť neskôr spojený s rôznymi bunkovými procesmi.

Prehľad ETC

Krok 1: Elektróny vstupujú do ETC od darcu elektrónov, ako je NADH alebo FADH2, ktoré vznikajú počas rôznych katabolických reakcií, vrátane tých, ktoré súvisia s oxidáciou glukózy. V závislosti od počtu a typov elektrónových nosičov ETC, ktoré organizmus používa, môžu elektróny vstúpiť na rôzne miesta v reťazci transportu elektrónov. Vstup elektrónov na konkrétne „miesto“ v ETC závisí od príslušných redukčných potenciálov donorov a akceptorov elektrónov.


Krok 2: Po prvej reakcii červený/ox sa počiatočný donor elektrónov oxiduje a akceptor elektrónov sa zníži. Rozdiel v red/ox potenciáli medzi akceptorom a donorom elektrónu súvisí s ΔG vzťahom ΔG = -nFΔE, kde n = počet prenesených elektrónov a F = Faradayova konštanta. Čím väčšia je kladná ΔE, tým exergickejšia je reakcia red/ox.


Krok 3: Ak sa počas exergonického red/ox kroku prenesie dostatočná energia, nosič elektrónov môže spojiť túto negatívnu zmenu vo voľnej energii s endergonickým procesom transportu protónu z jednej strany membrány na druhú.


Krok 4: Po obvykle viacnásobných prenosoch červených/oxov je elektrón dodaný do molekuly známej ako koncový akceptor elektrónov. V prípade ľudí je koncovým akceptorom elektrónov kyslík. V prírode je však mnoho, mnoho, mnoho ďalších možných akceptorov elektrónov; Pozri nižšie.

Poznámka: možná diskusia

Elektróny vstupujúce do ETC nemusia pochádzať z NADH alebo FADH2. Mnoho ďalších zlúčenín môže slúžiť ako darcovia elektrónov; jediné požiadavky sú (1), aby existoval enzým, ktorý môže oxidovať donora elektrónov a potom redukovať inú zlúčeninu, a (2) aby ∆E0' je kladné (napr. AG<0). Dokonca aj malé množstvá voľných prenosov energie sa môžu sčítať. Existujú napríklad baktérie, ktoré používajú H.2 ako darca elektrónov. To nie je príliš ťažké uveriť, pretože polovičná reakcia 2H+ + 2 e-/H2 má redukčný potenciál (napr0') s hodnotou -0,42 V. Ak sa tieto elektróny nakoniec dostanú do kyslíka, potom ΔE0' reakcie je 1,24 V, čo zodpovedá veľkému zápornému ΔG (-ΔG). Alternatívne existuje niekoľko baktérií, ktoré môžu oxidovať železo, Fe2+ pri pH 7 až Fe3+ s redukčným potenciálom (E0') + 0,2 V. Tieto baktérie používajú ako terminálny akceptor elektrónov kyslík a v tomto prípade ΔE0'reakcie je približne 0,62 V. To stále produkuje -AG. Pointa je, že v závislosti od donoru a akceptora elektrónov, ktoré organizmus využíva, môže bunka preniesť a využiť malé alebo veľké množstvo energie na elektróny darované elektrónovému transportnému reťazcu.

Aké sú komplexy ETC?

ETC sa skladajú zo série (aspoň jedného) červených/volských proteínov spojených s membránou alebo (niektoré sú integrálne) proteínových komplexov (komplex = viac ako jeden proteín usporiadaný do kvartérnej štruktúry), ktoré presúvajú elektróny z donorového zdroja, napr. ako NADH, na konečný koncový akceptor elektrónov, ako je kyslík. Tento konkrétny pár darca/koncový akceptor je primárny pár používaný v ľudských mitochondriách. Každý prenos elektrónov v ETC vyžaduje redukovaný substrát ako donor elektrónov a oxidovaný substrát ako akceptor elektrónov. Vo väčšine prípadov je akceptor elektrónov členom enzýmového komplexu itsef. Akonáhle je komplex redukovaný, môže komplex slúžiť ako darca elektrónov pre ďalšiu reakciu.

Ako komplexy ETC prenášajú elektróny?

Ako už bolo spomenuté, ETC sa skladá zo série proteínových komplexov, ktoré podliehajú sérii spojených reakcií red/ox. Tieto komplexy sú v skutočnosti viacproteínové enzýmové komplexy, označované ako oxidoreduktázy alebo jednoducho, reduktázy. Jedinou výnimkou z tejto konvencie pomenovania je terminálny komplex v aeróbnom dýchaní, ktorý používa molekulárny kyslík ako akceptor koncových elektrónov. Tento enzýmový komplex sa označuje ako oxidáza. Reakcie red/ox v týchto komplexoch sú typicky vykonávané neproteínovou skupinou nazývanou a protetická skupina. Protetické skupiny sú priamo zapojené do reakcií red/ox, ktoré sú katalyzované ich pridruženými oxidoreduktázami. Vo všeobecnosti možno tieto protetické skupiny rozdeliť na dva všeobecné typy: na tie, ktoré nesú elektróny aj protóny, a na tie, ktoré prenášajú iba elektróny.

Poznámka

Toto použitie protetických skupín členmi ETC platí pre všetky nosiče elektrónov s výnimkou chinónov, ktoré sú triedou lipidov, ktoré môžu byť priamo redukované alebo oxidované oxidoreduktázami. Oba Quinone(červená) a chinón(vôl) formy týchto lipidov sú rozpustné v membráne a môžu sa presúvať z komplexu do komplexu na kyvadlové elektróny.

Nosiče elektrónov a protónov

  • Flavoproteíny (Fp), tieto proteíny obsahujú organickú protetickú skupinu nazývanú a flavín, čo je skutočná časť, ktorá podlieha oxidačno-redukčnej reakcii. FADH2 je príkladom Fp.
  • Chinóny sú rodinou lipidov, čo znamená, že sú rozpustné v membráne.
  • Je tiež potrebné poznamenať, že NADH a NADPH sú považované za elektróny (2e-) a protón (2H+) dopravcovia.

Nosiče elektrónov

  • Cytochrómy sú proteíny, ktoré obsahujú hemovú protetickú skupinu. Hém je schopný prenášať jeden elektrón.
  • Železo-sírové proteíny obsahujú nehémový klastr železo-síra, ktorý môže niesť elektrón. Protetická skupina je často skrátená ako Fe-S

Aeróbne versus anaeróbne dýchanie

My ľudia používame kyslík ako koncový akceptor elektrónov pre ETC v našich bunkách. To je aj prípad mnohých organizmov, s ktorými sa zámerne a často stretávame (napr. naši spolužiaci, domáce zvieratá, zvieratá na jedlo atď.). Dýchame kyslík; naše bunky ho prijímajú a transportujú do mitochondrií, kde sa používa ako konečný akceptor elektrónov z našich elektrónových transportných reťazcov. Tento proces - pretože kyslík sa používa ako terminálny akceptor elektrónov - sa nazýva aeróbne dýchanie.

Aj keď môžeme použiť kyslík ako terminálny akceptor elektrónov pre naše dýchacie reťazce, nie je to jediný spôsob dýchania na planéte. V skutočnosti sa všeobecnejšie procesy dýchania vyvinuli v čase, keď kyslík nebol hlavnou zložkou atmosféry. V dôsledku toho mnohé organizmy môžu používať rôzne zlúčeniny vrátane dusičnanov (NO3-), dusitany (NO2-), dokonca aj železo (Fe3+) ako koncové akceptory elektrónov. Keď je kyslík NIE terminálny akceptor elektrónov, proces sa označuje ako anaeróbne dýchanie. Preto dýchanie alebo oxidačná fosforylácia vôbec nevyžaduje kyslík; jednoducho to vyžaduje zlúčeninu s dostatočne vysokým redukčným potenciálom, aby pôsobila ako terminálny akceptor elektrónov, ktorý prijíma elektróny z jedného z komplexov v rámci ETC.

Schopnosť niektorých organizmov meniť svoj terminálny akceptor elektrónov poskytuje metabolickú flexibilitu a môže zabezpečiť lepšie prežitie, ak je ktorýkoľvek daný terminálny akceptor obmedzený. Zamyslite sa nad týmto: v neprítomnosti kyslíka zomrieme; ale iné organizmy môžu použiť iný terminálny akceptor elektrónov, keď sa zmenia podmienky, aby prežili.

Všeobecný príklad: Jednoduchý, dvojzložkový ETC

Obrázok nižšie zobrazuje generický elektrónový transportný reťazec zložený z dvoch integrálnych membránových komplexov; Komplex I(vôl) a komplex II(vôl). Redukovaný darca elektrónov, označovaný ako DH (ako NADH alebo FADH2) znižuje komplex I(vôl), čo vedie k oxidovanej forme D (ako je NAD+ alebo FAD+). Súčasne je teraz redukovaná protetická skupina v komplexe I (prijíma elektróny). V tomto príklade je reakcia red/ox exergonická a rozdiel vo voľnej energii je spojený s enzýmami v komplexe I s endergonickou translokáciou protónu z jednej strany membrány na druhú. Čistým výsledkom je, že jeden povrch membrány je nabitý negatívnejšie v dôsledku prebytku hydroxylových iónov (OH-) a druhá strana sa stane pozitívne nabitou v dôsledku zvýšenia protónov na druhej strane. Komplex I(červená) teraz môže redukovať mobilný nosič elektrónov Q, ktorý sa potom bude pohybovať cez membránu a prenášať elektrón (e) do protetickej skupiny komplexu II(červená). Elektróny prechádzajú z komplexu I do Q a potom z Q do komplexu II prostredníctvom termodynamicky spontánnych reakcií red/ox, čím sa komplex I regeneruje(vôl), ktorý môže zopakovať predchádzajúci proces. Komplex II(červená) potom redukuje A, terminálny akceptor elektrónov na regeneráciu komplexu II(vôl) a vytvorte redukovanú formu terminálneho akceptora elektrónov, AH. V tomto konkrétnom prípade môže komplex II počas procesu tiež translokovať protón. Ak A je molekulárny kyslík, AH predstavuje vodu a tento proces by sa považoval za model aeróbneho ETC. Naopak, ak A je dusičnan, NIE3-, potom AH predstavuje NIE2- (dusitany) a toto by bol príklad anaeróbneho ETC.

Postava 1. Generický 2 komplexný reťazec transportu elektrónov. Na obrázku je DH darca elektrónov (redukovaný darca) a D je oxidovaný darca. A je oxidovaný koncový akceptor elektrónov a AH je konečný produkt, redukovaná forma akceptora. Keď je DH oxidovaný na D, protóny sú translokované cez membránu, pričom na jednej strane membrány zostáva prebytok hydroxylových iónov (negatívne nabitých) a protónov (kladne nabitých) na druhej strane membrány. V komplexe II nastáva rovnaká reakcia, keď je koncový akceptor elektrónov redukovaný na AH.

Autor: Marc T. Facciotti (pôvodné dielo)

Cvičenie 1

Otázka na zamyslenie

Na základe vyššie uvedeného obrázku použite elektrónovú vežu na zistenie rozdielu v elektrickom potenciáli, ak (a) DH je NADH a A je O2, a (b) DH je NADH a A je NIE3-. Ktoré páry donorov elektrónov a koncových akceptorov elektrónov (a) alebo (b) „extrahujú“ najväčšie množstvo voľnej energie?

Podrobný pohľad na aeróbne dýchanie

Eukaryotické mitochondrie vyvinuli veľmi účinný ETC. Existujú štyri komplexy zložené z bielkovín, označené I až IV, znázornené na obrázku nižšie. Agregácia týchto štyroch komplexov, spolu s pridruženými mobilnými, pomocnými elektrónovými nosičmi, sa nazýva aj elektrónový transportný reťazec. Tento typ reťazca transportu elektrónov je prítomný vo viacerých kópiách vo vnútornej mitochondriálnej membráne eukaryotov.

Obrázok 2. Elektrónový transportný reťazec je séria transportérov elektrónov zabudovaných vo vnútornej mitochondriálnej membráne, ktorá transportuje elektróny z NADH a FADH.2 na molekulárny kyslík. Pri tomto procese sa protóny čerpajú z mitochondriálnej matrice do medzimembránového priestoru a kyslík sa redukuje za vzniku vody.

Komplex I

Na začiatok sa dva elektróny prenesú do prvého proteínového komplexu na palube NADH. Tento komplex, označený ako I na obrázku 2, obsahuje proteíny obsahujúce flavín mononukleotid (FMN) a železo-síru (Fe-S). FMN, ktorý je odvodený od vitamínu B2, tiež nazývaný riboflavín, je jednou z niekoľkých protetických skupín alebo kofaktorov v reťazci transportu elektrónov. Protetické skupiny sú organické alebo anorganické nepeptidové molekuly viazané na proteín, ktorý uľahčuje jeho funkciu; Medzi protetické skupiny patria koenzýmy, čo sú protetické skupiny enzýmov. Enzým v komplexe I sa tiež nazýva NADH dehydrogenáza a je to veľmi veľký proteín obsahujúci 45 individuálnych polypeptidových reťazcov. Komplex I môže pumpovať štyri vodíkové ióny cez membránu z matrice do medzimembránového priestoru, čím pomáha vytvárať a udržiavať gradient vodíkových iónov medzi dvoma oddeleniami oddelenými vnútornou mitochondriálnou membránou.

Q a komplex II

Komplex II priamo prijíma FADH2, ktorý neprechádza komplexom I. Zlúčenina spájajúca prvý a druhý komplex s tretím je ubichinón (Q). Molekula Q je rozpustná v lipidoch a voľne sa pohybuje cez hydrofóbne jadro membrány. Akonáhle sa zníži, (QH2), ubichinón dodáva svoje elektróny do ďalšieho komplexu v reťazci transportu elektrónov. Q prijíma elektróny odvodené od NADH z komplexu I a elektróny odvodené od FADH2 z komplexu II, sukcinát dehydrogenázy. Pretože tieto elektróny obchádzajú, a preto v prvom komplexe nenabíjajú protónovú pumpu, z FADH sa vyrobí menej molekúl ATP2 elektróny. Ako uvidíme v nasledujúcej časti, počet nakoniec získaných molekúl ATP je priamo úmerný počtu protónov pumpovaných cez vnútornú mitochondriálnu membránu.

Komplex III

Tretí komplex je zložený z cytochrómu b, ďalšieho proteínu Fe-S, Rieskeho centra (centrum 2Fe-2S) a proteínov cytochrómu c; tento komplex sa tiež nazýva cytochróm oxidoreduktáza. Proteíny cytochrómu majú protetickú skupinu hemu. Molekula hemu je podobná hemu v hemoglobíne, ale nesie elektróny, nie kyslík. Výsledkom je, že ión železa v jeho jadre sa pri prechode elektrónmi redukuje a oxiduje, pričom kolíše medzi rôznymi oxidačnými stavmi: Fe2+ (redukované) a Fe3+ (zoxidovaný). Molekuly hemu v cytochrómoch majú mierne odlišné vlastnosti v dôsledku účinkov rôznych proteínov, ktoré ich viažu, čo dáva každému komplexu mierne odlišné vlastnosti. Komplex III pumpuje protóny cez membránu a odovzdáva svoje elektróny cytochrómu c na transport do štvrtého komplexu proteínov a enzýmov (cytochróm c je akceptorom elektrónov z Q; zatiaľ čo Q nesie páry elektrónov, cytochróm c môže prijať iba jeden v tom čase).

Komplex IV

Štvrtý komplex je tvorený cytochrómovými proteínmi c, a a a3. Tento komplex obsahuje dve skupiny hemu (jedna v každom z dvoch cytochrómov, a, a a3) a tri ióny medi (pár CuA a jeden CuB v cytochróme a3). Cytochrómy držia molekulu kyslíka veľmi pevne medzi iónmi železa a medi, kým sa kyslík úplne nezredukuje. Znížený kyslík potom zachytí dva ióny vodíka z okolitého média za vzniku vody (H.2O). Odstránenie vodíkových iónov zo systému prispieva k iónovému gradientu používanému v procese chemiosmózy.

Chemiosmóza

In chemiosmóza, voľná energia zo série reakcií červená/ox, práve opísaná, sa používa na pumpovanie protónov cez membránu. Nerovnomerné rozloženie H+ ióny cez membránu stanovujú koncentračný aj elektrický gradient (teda elektrochemický gradient) v dôsledku kladného náboja protónu a ich agregácie na jednej strane membrány.

Ak by bola membrána otvorená difúzii protónmi, ióny by mali tendenciu difundovať späť do matice poháňanej ich elektrochemickým gradientom. Ióny však nemôžu difundovať cez nepolárne oblasti fosfolipidových membrán bez pomoci iónových kanálov. Podobne protóny v medzimembránovom priestore môžu prechádzať iba vnútornou mitochondriálnou membránou cez integrálny membránový proteín nazývaný ATP syntáza (zobrazený nižšie). Tento komplexný proteín pôsobí ako malý generátor, ktorý sa otáča prenosom energie sprostredkovaným protónmi, ktoré sa pohybujú po svojom elektrochemickom gradiente. Pohyb tohto molekulárneho stroja (enzýmu) slúži na zníženie aktivačnej energie reakcie a spája exergonický prenos energie spojený s pohybom protónov ich elektrochemickým gradientom k endergonickému pridaniu fosfátu k ADP za vzniku ATP.

Obrázok 3. ATP syntáza je komplexný molekulárny stroj, ktorý využíva protón (H+) gradient na vytvorenie ATP z ADP a anorganického fosfátu (Pi).

Kredit: úprava diela Klausa Hoffmeiera

Poznámka: možná diskusia

Dinitrofenol (DNP) je malá chemikália, ktorá slúži na rozpojenie toku protónov cez vnútornú mitochondriálnu membránu na ATP syntázu, a tým na syntézu ATP. DNP spôsobuje, že membrána prepúšťa protóny. Používal sa do roku 1938 ako liek na chudnutie. Aký vplyv by mal mať DNP na rozdiel v pH na oboch stranách vnútornej mitochondriálnej membrány? Prečo si myslíte, že by to mohol byť účinný liek na chudnutie? Prečo by to mohlo byť nebezpečné?

V zdravých bunkách sa chemiosmóza (zobrazená nižšie) používa na generovanie 90 percent ATP vytvoreného počas aeróbneho katabolizmu glukózy; je to tiež metóda používaná pri svetelných reakciách fotosyntézy na využitie energie slnečného svetla v procese fotofosforylácie. Pripomeňme, že produkcia ATP pomocou procesu chemiosmózy v mitochondriách sa nazýva oxidačná fosforylácia a že podobný proces môže nastať v membránach bakteriálnych a archaálnych buniek. Celkovým výsledkom týchto reakcií je produkcia ATP z energie elektrónov odstránených pôvodne zo redukovanej organickej molekuly, ako je glukóza. V aeróbnom príklade tieto elektróny nakoniec redukujú kyslík a tým vytvárajú vodu.

Obrázok 4. Pri oxidatívnej fosforylácii používa gradient pH tvorený elektrónovým transportným reťazcom ATP syntáza na tvorbu ATP v gram-baktériách.

Užitočný odkaz: Ako sa ATP vyrába zo syntázy ATP

Poznámka: možná diskusia

Kyanid inhibuje cytochróm c oxidázu, súčasť reťazca transportu elektrónov. Ak dôjde k otrave kyanidom, očakávali by ste, že sa pH medzimembránového priestoru zvýši alebo zníži? Aký vplyv by mal kyanid na syntézu ATP?

Hypotéza o tom, ako sa mohol vyvinúť ETC

Navrhované prepojenie medzi SLP/fermentáciou a vývojom ETC:

V predchádzajúcej diskusii o energetickom metabolizme sme skúmali fosforyláciu na úrovni substrátu (SLP) a fermentačné reakcie. Jedna z otázok v diskusné body táto diskusia bola: aké sú krátkodobé a dlhodobé dôsledky SLP na životné prostredie? Diskutovali sme o tom, ako bunky potrebujú spoločne vyvinúť mechanizmy na odstránenie protónov z cytosolu (vnútro bunky), čo viedlo k evolúcii F0F1-ATPase, viacpodjednotkový enzým, ktorý translokuje protóny z vnútra bunky do vonkajšej časti bunky hydrolyzáciou ATP, ako je uvedené nižšie na prvom obrázku nižšie. Toto usporiadanie funguje, pokiaľ sú malé redukované organické molekuly voľne dostupné, čo robí SLP a fermentáciu výhodnými. Ako však tieto biologické procesy pokračujú, malé redukované organické molekuly sa začnú používať a ich koncentrácia klesá; to kladie požiadavku na bunky, aby boli efektívnejšie.

Jedným zo zdrojov potenciálneho "plytvania ATP" je odstraňovanie protónov z bunkového cytosólu; organizmy, ktoré by mohli nájsť iné mechanizmy na vylúčenie akumulujúcich sa protónov pri zachovaní ATP, by mohli mať selektívnu výhodu. Predpokladá sa, že tento selektívny evolučný tlak potenciálne viedol k evolúcii prvých proteínov viazaných na membránu, ktoré ako zdroj energie používali reakcie red/ox (znázornené na druhom obrázku) na pumpovanie akumulujúcich sa protónov. Enzýmy a enzýmové komplexy s týmito vlastnosťami dnes existujú vo forme elektrónových transportných komplexov, ako je komplex I, NADH dehydrogenáza.

Postava 1. Navrhovaný vývoj ATP závislého protónového translokátora

Obrázok 2. Pretože malé redukované organické molekuly sú obmedzené, organizmy, ktoré môžu nájsť alternatívne mechanizmy na odstránenie protónov z cytosolu, môžu mať výhodu. Vývoj protónového translokátora, ktorý používa skôr reakcie red/ox než hydrolýzu ATP, môže nahradiť ATPázu.

Ak by sme pokračovali v tejto logickej línii, ak by sa vyvinuli organizmy, ktoré by teraz mohli využívať red/ox reakcie na premiestnenie protónov cez membránu, vytvorili by elektrochemický gradient, ktorý by oddeľoval náboj (pozitívny zvonka a záporný zvnútra; elektrický potenciál) a pH (nízke pH vonku, vyššie pH vnútri). S nadbytočnými protónmi na vonkajšej strane bunkovej membrány a F0F1-ATPáza, ktorá už nespotrebováva ATP na translokáciu protónov, sa predpokladá, že na napájanie F by potom mohol byť použitý elektrochemický gradient0F1-ATPáza "spätne" - to znamená, že tvorí alebo produkuje ATP pomocou energie v gradientoch náboja/pH nastavených pumpami red/ox (ako je znázornené nižšie). Toto usporiadanie sa nazýva an elektrónový transportný reťazec (ETC).

Obrázok 3. Vývoj ETC; kombinácia protónových translokátorov poháňaných červenou/oxou spojených s produkciou ATP F0F1-ATPase.

POZNÁMKA: Rozšírené čítanie o vývoji reťazcov prenosu elektrónov

Ak vás zaujíma príbeh vývoja elektrónových transportných reťazcov, pozrite si túto hlbšiu diskusiu na túto tému v NCBI.


Pozri si video: Lecture 06, concept 15: Periodic boundary conditions (Február 2023).