Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

1 Krebs syklus og Oksidativ fosforylering Krebs syklus og oksidativ fosforylering, IA 2016.

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "1 Krebs syklus og Oksidativ fosforylering Krebs syklus og oksidativ fosforylering, IA 2016."— Utskrift av presentasjonen:

1 1 Krebs syklus og Oksidativ fosforylering Krebs syklus og oksidativ fosforylering, IA 2016

2 2 Relevant studiemateriell: Lehninger; Principles of biochemistry, 6 th Ed., Kapittel 13 Lippincott’s; Biochemistry, 5 th Ed., Kapittel 6 Lippincott’s Illstrated Reviews of Biochemistry, 6th ed., kap 6, 9 Baynes; Medical biochemistry, 3 rd Ed., Kapittel 9, 14 Relevante læringsmål, Biokjemi: 2.1.1.6 gjøre rede for hovedfunksjonene til karbohydrater, lipider, nukleinsyrer og proteiner 2.1.1.8 beskrive nedbrytingen av glykogen, disakkarider, monosakkarider og fettsyrer, og forklare hvordan slik nedbryting er koplet til dannelse av ATP (2.1.1.9 beskrive syntesen av glukose og glykogen) 2.1.1.11 definere begrepene vitamin og mineral, angi de viktigste mineraler og vitaminer og beskrive deres biologiske funksjoner

3 3 Det store bildet

4 4 De viktigste elektronbærerne er NADH, NADPH og FADH 2 1.Substratet donerer 2 H atomer 2.Hvert oksiderte nukleotid aksepterer et hydrid ion (proton + 2 e-) 3.H + frigis til medium Niacinmangel : Pellagra = DDD (Framside)(Bakside) Bioenergetikk

5 5 FADH 2 er mer allsidig enn NAD(P)H: 1.Aksepterer 1 eller 2 e- med 1 eller 2 H+ (begge medfører hydrogen overføring) 2.Reduksjonspotensial (-0.4 V til + 0.06 V) avhengig av bindingsstyrke De viktigste elektronbærerne er NADH, NADPH og FADH 2

6 6

7 7 Glykolysen omsetter bare litt av energien som fins i glukose 2  G′  = –146 kJ/mol Glykolyse Full oksidasjon (+ 6 O 2 )  G′  = –2,840 kJ/mol 6 CO 2 + 6 H 2 O GLUKOSE

8 8 Det store bildet Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering TCA er en «hub» (sentralstasjon) hvor nedbrytningsreaksjoner (katabolske) konvergerer med oppbygningsreaksjoner (anabolske).

9 9 Professor i biokjemi (University of Sheffield og Oxford). Vant nobelprisen i medisin/fysiologi i 1953. Oppdaget mekanismen for hvordan energi omdannes ved oksidasjon av næringsstoffer i levende celler. Oppdagelsen fikk navnet Krebs syklus, tre-karbolsyre (TCA) syklus eller sitronsyresyklus. SIR HANS KREBS Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

10 10 Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Når cellene har tilstrekkelig tilgang på oksygen, vil ikke pyruvat dannet i glykolysen omdannes til laktat, men vil i stedet omdannes til Acetyl-CoA og kanaliseres inn i sitronsyresyklus (Krebs syklus). Dette gir en fullstendig nedbrytning av pyruvat til H 2 O og CO 2. O 2 er den endelige elektronakseptoren. Denne aerobe prosessen kalles cellulær respirasjon. Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Oksideres og mister e - e - (energien) konserveres som:

11 11 Oksidativ nedbrytning av pyruvat skjer i mitokondriene Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

12 12 Mitokondriene er cellenes energifabrikker. I celler som bruker mye energi, kan mitokondriene utgjøre hele 25% av volumet i cytoplasma. Som kjernen, er mitokondriene omsluttet av to dobbelmembraner (hver med et fosfolipid-dobbeltlag). Den ytre membranen består av ca 50% lipid og 50% protein, mens den indre membranen inneholder 20% lipid og hele 80% protein. Den indre membranen inneholder mange folder, kalt christae, som gir den en stor overflate Mitokondrier

13 13 Mitokondrier som energifabrikk

14 14 Aerobe forhold : det meste av pyruvat dannet i glykolysen transporteres (aktivt) inn i mitokondriene, og oksideres videre gjennom sitronsyresyklus. Bare acetylgruppen i pyruvat går inn i TCA. Denne må først kobles på Coenzym A, og danne acetyl- CoA (=aktivert acetat). Acetylgrupper fra fettsyrer og de fleste aminosyrer kanaliseres også inn i sitronsyresyklus via acetyl-CoA. Totalreaksjon for omdanning av pyruvat til Acetyl- CoA ved pyruvat dehydrogenase Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Første trinn er omdanning av pyruvat til Acetyl-CoA 1

15 15 Pyruvat dehydrogenase (PDH) PDH er det største multienzymkomplekset som er kjent, og består av: –Pyruvat dekarboksylase (E1) (x30) (E1 kalles i noen lærebøker for pyruvat dehydrogenase) –Dihydrolipoamid acetyltransferase (E2) (x60) –Dihydrolipoamid dehydrogenase (E3) (x12) I tillegg inneholder komplekset 5 kofaktorer (prostetisk gruppe/koenzym) Fire av kofaktorene stammer fra vitaminer. Subenhetene er ordnet slik at mellomproduktene i katalysen kan dirigeres fra reaksjon til reaksjon, uten å forlate enzymets overflate  Gunstig for regulering Svært godt konservert mellom ulike arter. Elektronmikrografi av pyruvat dehydrogenasekompleks fra E. coli Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

16 16 Kjernekompleks: 60 kopier av E 2 (rød) Periferi av kompleks: 30 kopier av E 1 (tetramer med  2  2 subenheter – lilla) 12 kopier of E 3 (homodimer - gul) E1 = Pyruvate dekarboksylase (dehydrogenase) E2 = Dihydrolipoyl transacetylase E3 = Dihydrolipoyl dehydrogenase Pyruvat dehydrogenase (PDH)

17 17 Bindingen mellom CoA og acetylgruppen fra pyruvat kalles en tioester-binding, og er svært energirik - vi sier at den er ”aktivert”. Dette gjør at acetylgruppen kan doneres til en rekke ulike akseptormolekyler. Både arvelige defekter i enzymkomplekset, og vitaminmangel (f. eks fra høyt alkoholinntak) kan føre til tap av PDH funksjon. Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Pyruvat dehydrogenase (PDH) Reaktiv thiol-gruppe (-SH) EnzymProstetisk gruppeKoenzymVitamin prekursor E1Tiamin pyrofosfat (TPP)Tiamin (Vit. B 1 ) E2 Lipoat (lipoamid) CoA-SHPantotensyre (Vit. B 5 ) E3 FADRiboflavin (Vit. B 2 ) NAD + Niacin (Vit. B 3 ) Dekarboksylering

18 18 FAD (Flavin Adenin Dinukleotid) er derivert fra vitaminet riboflavin (Vit. B 2 ). Det er ringsystemet i dimetylisoalloxazin som gjennomgår oksidasjon/reduksjon. FAD er en prostetisk gruppe, permanent bundet til E3. Redusert FADH 2 overfører et hydridion (:H - ) til NAD +  NADH som går inn i elektrontransportkjeden. Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering FAD: prostetisk gruppe i E3 i PDH

19 19 Acetyl-Coenzym A

20 20 1. E1 katalyserer dekarboksylering av pyruvat  hydroksyetyl-TPP 2. + 3. E2 katalyserer overføring av acetylgruppe til Acetyl-CoA 4. + 5. E3 katalyserer regenerering av disulfid (oksidert) form av lipoat og e - går via FAD til FADH 2 og videre til NADH. Den lange lipoyllysin armen svinger fra aktivt sete i E1 til E2 og videre til E3 og knytter intermediatene til enzymkomplekset  substratkanaliseringsubstratkanalisering Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Pyruvat dehydrogenase (PDH) oppsummert

21 21 Acetyl-Coenzym A er et nøkkelintermediat i metabolismen Acetyl-CoA er et energirikt tioester som produseres fra nedbrytning av både glukose, fettsyrer og andre lipider, aminosyrer, karbohydrater mm. Det er derfor det viktigste skjæringspunktet i katabolske og anabolske reaksjoner. I animalske celler, i motsetning til planter, kan ikke acetyl-CoA omdannes til karbohydrater. Acetyl- CoA Glukose Ketonlegemer CO 2 Kolesterol og steroider Heme Fettsyrer Ketogene aminosyrer Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

22 22 Begge produktene – Acetyl-CoA og NADH, virker inhiberende på PDH enzymaktiviteten. Aktiviteten reguleres imidlertid også via fosforylering av enzymkomplekset. Fosforyleringen skjer i E1-komplekset, og styres av: Pyruvat dehydrogenase kinase - hemmer PDH -Aktiveres av acetyl-CoA, ATP og NADH -Hemmes av pyruvat, CoA og NAD + Pyruvat dehydrogenase fosfatase - aktiverer PDH -Aktiveres av Ca 2+. I skjelettmuskulatur frigjøres Ca 2+ ved trening 5 reaksjoner Intermediatene forlater aldri komplekset (substratkanalisering) Motvirker at andre enzymer stjeler den aktiverte acetylgruppen Regulering av pyruvat dehydrogenase Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

23 23 Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering 1 2 Lage Acetyl-CoA: Pyruvat  AcetylCoA + CO 2 + NADH Oksidere Acetyl-CoA: Acetyl-CoA  2 CO 2 + FADH 2 + 3 NADH + GTP

24 24 Sitronsyresyklus (TCA-syklus, Krebs syklus) Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Acetyl-CoA donerer acetylgruppen inn i sitronsyresyklus, hvor energien i molekylet trekkes ut via en rekke oksidasjons- og dekarboksyleringsreaksjoner (frigjør CO 2 ). Energien som frigjøres, fanges hovedsakelig opp av kofaktorene NAD og FAD. Redusert NADH og FADH 2 benyttes til dannelse av ATP via såkalt oksidativ fosforylering. 2

25 25 I sitronsyresyklus doneres 2 karbonatomer inn fra acetyl-CoA, og to karbonatomer spaltes av i form av CO 2 i hver runde. Karbonatomene som frigjøres i form av CO 2 er ikke de samme som blir donert av acetyl-CoA. I 4 av 8 reaksjoner er energien fra oksidasjon effektivt konservert i form av reduserte kofaktorer (NADH og FADH 2 ) Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Sitronsyresyklus

26 26 Sitrat syntase starter syklusen Binding av oksaleddiksyre induserer en stor konformasjonsendring i enzymet (grønn=før binding). Dette åpner et bindingssete for acetyl- CoA. Begge molekylene ”begraves” inne i enzymet, og beskyttes mot den ytre løsningen. Dette favoriserer kondensasjonen. 1 Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Sterkt negativ  G’ 0 (hydrolyse av høyenergi thioesterbinding) gjør at dette er en eksergon reaksjon som dras mot dannelse av sitrat. Dette er viktig for flyten i syklusen.

27 27

28 28 Aconitase ”omorganiserer” sitratmolekylet Sitronsyren (sitrat) binder til et jern- svovelkompleks som sitter dypt nede i en kløft på enzymet. Ved substratbinding “lukkes” enzymet, og Fe 4 S 4 -komplekset deltar i a) fjerning av vann b) tilbakeføring av vann for å danne isositronsyre (isositrat). 2 Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Reaksjonen er spontan til tross for positiv  G ’0 pga at isositrat dras inn i neste reaksjon.

29 29

30 30 Isositrat dehydrogenase fjerner første CO 2 3 NAD + Dette trinnet er en oksidativ dekarboksylering. Isositrat oksideres til  -ketoglutarat, samtidig som CO 2 spaltes av. Når isositrat oksideres, blir samtidig kofaktoren NAD + redusert til NADH + H +. Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Det finnes to former av dette enzymet i alle celler, og den ene av disse krever NAD + som e - akseptor og den andre formen krever NADP +.

31 31

32 32  -ketoglutarat dehydrogenase fjerner andre CO 2 4  -ketoglutarat dehydrogenase er svært likt pyruvat dehydrogenase, og består at tre subenheter E1, E2 og E3. Det har også samme kofaktorer, TPP, lipoat, FAD, NAD + og CoA. Selve reaksjonen er nesten identisk bortsett fra at subenheten E1 binder  -ketoglutarat i stedet for pyruvat. Dette trinnet er også en oksidativ dekarboksylering, hvor NAD + reduseres til NADH. Energirik tioesterbinding Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

33 33

34 34 Ravsyre-CoA syntetase danner GTP 5 Energien i tioesterbindingen dannet i forrige trinn er tilstrekkelig til å danne ett molekyl GTP fra GDP. Reaksjonen er reversibel, og enzymet har sitt navn fra den omvendte reaksjonen. Merk at en syntetase foretar kondensasjonsreaksjoner ved bruk av ATP eller GTP, mens en syntase (eks. sitrat syntase) ikke trenger en slik energikilde. Substratnivå fosforylering Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering GTP + ADP  GDP + ATP  G’° ~ 0 kJ/mol Effektiv produksjon av 1 GTP/ATP (Ravsyre thiokinase)

35 35 GTP + ADP  GDP + ATP  G’° ~ 0 kJ/mol Effektiv produksjon av 1 GTP/ATP Nucleoside-diphosphate kinase; Opprettholder balansen mellom ulike nukleosider i cella GTPATP

36 36

37 37 Ravsyre dehydrogenase danner FADH 2 6 Ravsyre dehydrogenase er det eneste enzymet i Krebs-syklus som ligger bundet i den indre mitokondriemembranen  viktig i elektrontransportkjeden (kompleks II). Det består av 4 subenheter. A inneholder FAD som oksiderer ravsyre, B inneholder 3 FeS- kompleks, som transporterer elektronene fra FADH 2 til Ubiquinon (Coenzym Q 10 ). Indre mitokondrie- membran Ubiquinon transporterer så e - videre til den endelige e - akseptoren - O 2 (vil bli behandlet under oksidativ fosforylering). Subenhet C og D forankrer enzymet i den indre mitokondriemembranen. Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

38 38

39 39 Fumarase adderer H 2 O 7 Enzymet består av to like subenheter (homodimer), som hver kan binde ett molekyl fumarat. Fumarat hydreres (vann adderes) til L-malat. Stereospesifikt Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Fumarat

40 40

41 41 Malat dehydrogenase danner NADH 8 Enzymet katalyserer det siste trinnet i sitronsyresyklus. Oksaleddiksyre som dannes blir imidlertid fort omsatt i en ny runde i TCA, og nivået av oksaleddiksyre i cellen er derfor svært lavt (  likevekten dras mot høyre) Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering NAD +

42 42 Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering TCA oppsummert Merk: De to karbonatomene som kommer ut som CO 2 er ikke de samme som kom inn via Acetyl-CoA. (I ravsyre og fumarat kan ikke lengre de opprinnelige C-atomene fra acetyl-CoA identifiseres pga at de er symmetriske molekyler.) Utbytte av 1 runde: 1 FADH 2, 3 NADH (4 medregnet pyruvat  Acetyl-CoA) og 1 GTP (ATP)

43 43 a)Alle dehydrogenaser [NADH]/[NAD + ] kan inhiberes av massevirkning : NADH i konkurranse med NAD + for binding til enzym (NAD + er substrat for 3 ulike enzymer) b)Sitrat syntase &  -ketoglutarat dehydrogenase Produkt inhibering av sitrat og ravsyre-CoA, c)Sitrat syntase, Isositrat &  -Ketoglutarat dehydrogenase Allosterisk feedback inhibering av NADH og/eller ATP d)Pyruvat dehydrogenase Acetyl CoA konkurrerer med CoA for å binde seg til E2 Regulering av TCA Viktigste reguleringsmåter: 1.Tilgjengelighet av substrat 2.Produktinhibering 3.Allosterisk feedback inhibering * * * * * 3 (4) eksergone rx:Rxn 1, 3 og 4

44 44 Youtube; ++

45 45 Anaplerotiske reaksjoner Mellomprodukter i sitronsyresyklus brukes som utgangspunkt for mange syntesereaksjoner. For at syklusen ikke skal stoppe opp, kan mellomprodukter ”fylles på” på to steder - malat og oksaloacetat. Slike påfyllings- reaksjoner kalles anaplerotiske reaksjoner. TCA: Cellens sentralstasjon Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

46 46 Det store bildet Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

47 47 Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering 1 3 2 Lage Acetyl-CoA: Pyruvat  AcetylCoA + CO 2 + NADH Oksidere Acetyl-CoA: Acetyl-CoA  2 CO 2 + FADH 2 + 3 NADH + GTP Elektrontransport og oksidativ fosforylering: O 2 + e- + ADP + Pi  ATP + H 2 O

48 48 Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Cellulær respirasjon I oksidativ fosforylering konvergerer degradering av karbohydrater, aminosyrer og fett. Mesteparten av all ATP som dannes av organismer blir syntetisert via: Oksidativ fosforylering (dyr, mikroorganismer) Fotosyntese (planter) Ved cellulær respirasjon blir O 2 redusert til H 2 O vha elektroner donert fra NADH og FADH 2. Oksideres og mister e - e - (energien) konserveres som:

49 49 Elektroner som doneres fra ett molekyl til et molekyl med høyere elektronaffinitet (mer stabilt), avgir energi. Denne energien kan benyttes av cellene til å utføre arbeid. Det er dette prinsippet som benyttes for å syntetisere ATP fra de reduserte elektronbærerne NADH og FADH 2. Elektronene vandrer mot forbindelser som har høyere standard reduksjonspotensiale. Den frigitte energien benyttes til å transportere protoner (H + ) over indre mitokondriemembran. Transport av elektroner kan utføre arbeid Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

50 50 Mitokondriet Mitokondriet er omgitt av to membraner. Ytre membran er fritt permeabel for små molekyler og ioner (< 5000 Da) via porin. Indre membran har mye større areal enn ytre, foldet i ”kristae”. To funksjonelle rom: indre (matriks) og ytre. Indre membran er ikke permeabel for andre forbindelser enn de som har egne transportører. Proteinene som utfører oksidativ fosforylering sitter i indre membran a)Elektrontransportkjeden b)ATP syntasen Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

51 51 P side = positiv side N side = negativ side Elektrontransportkjeden

52 52 H + kan bare nå inn i matrix via proton-spesifikke kanaler (F o ). Protongradienten som oppstår tilfører nødvendig energi for å danne ATP, og er katalysert av F 1 komplekset som er assosiert med F o. e - overføres til cytokromC i kompleks III, og overføres til kompleks IV. e - fra FADH 2 går inn i elektrontransportkjeden på et lavere energinivå (i forhold til kompleks I). Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering e - overføres fra NADH til flavin mononukleotid (FMN), og via FeS ”bærere” til coenzymQ (Q) (Kompleks I) e - brukes til slutt til å redusere O 2 til H 2 O Elektrontransportkjeden

53 53 Dette er et stort proteinkompleks med 42 subenheter. Enzymet har to oppgaver: 1.Overføre ett hydridion fra NADH og ett proton fra matrix til ubiquinon  dannelse av ubiquinol (QH 2 ). 2.Bruke energien som frigjøres til å pumpe 4 protoner ut til intermembranrommet. Kompleks I: NADH-ubiquinon oksidoreduktase Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Inneholder flavin mononukleotid (FMN), Fe-S senter, jern-svovel proteinet N-2 og ubiquinon (Q). NADH + H + + Q  NAD + + QH 2 (Eksergon) (Også kalt NADH dehydrogenase)

54 54 Komplett reduksjon av ubiquinon til ubiquinol krever to elektroner og to protoner. Ubiquinon er et lite, fettløselig molekyl, som kan ”flyte” fritt inne i mitokondriemembranen, og transportere elektroner mellom de ulike kompleksene. Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Enda en elektronbærer..Koenzym Q 10 Fra ubiquinon (Q) til Ubiquinol (QH 2 )

55 55 Det eneste proteinet i TCA syklus som sitter i mitokondriemembranen. 4 ulike subenheter (A-D) og 5 prostetiske grupper (FAD, 3x FeS og Heme b). Elektroner tatt opp fra ravsyre passerer via FADH 2 og 3 FeS-kompleks til ubiquinon  ubiquinol (QH 2 ). Heme b beskytter mot reaktive oksygen species (ROS) ved å hindre «lekkasje» av e - (H 2 O 2  O2 - ). Merk at elektroner overført til kompleks II ikke kan bidra til protonpumping i kompleks I. Kompleks II: Ravsyre dehydrogenase Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering A/B: Forlenging til matrix C/D: Transmembran enhet

56 56 Kompleks III: Cytokrom bc 1 -komplekset Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Komplekset har 2 bindingsseter for ubiquinol: Q N og Q P 2e - overføres fra: QH 2  2Fe-2S  Cytokrom b  cytokrom c 1  cytokrom c Redusert cytokrom flyter løst rundt i intermembranrommet og forflytter seg til kompleks IV. Under denne prosessen pumper kompleks III 4 protoner ut til intermembranrommet.

57 57 Dette er det siste trinnet i elektrontransportkjeden. Her overføres to e - fra cytokrom c til to kopperioner bundet til proteinet. Deretter passerer elektronene cytokrom a, og til slutt cytokrom a3 bundet til enda et kopperion. Elektronene tas derfra opp av molekylært oksygen. For hver 4 elektroner som passerer kompleks IV, brukes 4 protoner fra matrix til å danne 2 molekyler vann, samtidig som 4 protoner pumpes ut i intermembranrommet. Kompleks IV: Cytokrom oksidase Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

58 58 Oppsummering av elektrontransportkjeden For hvert elektronpar som doneres inn via NADH, pumpes 10 protoner ut. For elektronpar som doneres inn direkte til kompleks II fra ravsyre-trinnet i Krebs- syklus, pumpes 6 protoner ut. Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

59 59 H + kan bare nå inn i matrix via proton-spesifikke kanaler (F o ). Protongradienten som oppstår tilfører nødvendig energi for å danne ATP, og er katalysert av F 1 komplekset som er assosiert med F o. Elektrontransportkjeden

60 60 Kjemiosmotisk modell : gradienten er koblet til ATP syntese H + ute = 10X H + inne Elektronenes vandring gjennom elektrontransportkjeden har medført: –Frigjøring av energi ved overføring av elektroner til O 2 –Transport av protoner ut av matriks Overskudd av elektrokjemisk energi til å drive syntese av ATP. https://www.youtube.com/w atch?v=VER6xW_r1vc

61 61 ATP syntase (kompleks V) Stort membranintegrert protein. Består av to deler; F o og F 1. F o er en transmembran kanal hvor protoner passerer gjennom. F 1 er et perifert protein på membranens innside. F 1 utfører ATP syntesen. Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering F1F1 F0F0

62 62 F 0 F 1 er en kompleks ATPase Når protoner strømmer gjennom F 0 -delen, roterer denne og hele  -”skaftet”. Dette får de tre aktive setene på  -enhetene til å endre konformasjon etter tur. ADP + P i ATP + H 2 O  G’ 0 ≈ 0 kJ/mol(!) 1.Høy ADP/Pi-binding. 2.Kraftig binding av ATP (forskyver likevekten mot ATP). 3.Svak binding av ATP (ATP frigjøres). Det dannes 3 ATP pr ”runde”, ca. 100 rotasjoner per sekund!!! Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering F1F1 F0F0

63 63 Energiutbytte i TCA/elektrontransportkjeden Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering 1 glukosemolekyl: 1 NADH  2.5 ATP (2x4x2.5  20 ATP) 1 FADH 2  1.5 ATP (2x1x1.5  3 ATP) 1 GTP  1 ATP (2x1x1  2 ATP) _________ 25 ATP NADH 2 e- via kompleks I, III, IV – 10 H + pumpes ut ~ 2.5 ATP FADH 2 2 e- via kompleks II, III, IV – 6 H + pumpes ut ~ 1.5 ATP

64 64 Regulering av oksidativ fosforylering ATP produksjonen reguleres hele tiden for å møte cellens behov. Akseptor kontroll: respirasjonen reguleres av tilgangen på ADP. Massevirkningsforholdet dvs forholdet ATP / (ADP + Pi) regulerer. Dette forholdet er normalt svært høyt dvs nesten alt er ATP. Når cellens aktivitet medfører forbruk av ATP økes tilgangen på ADP og dermed øker respirasjonen. Svært rask regulering sørger for nærmest konstante nivåer av ATP i enhver celle. Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

65 65 ATP kontrollerer sin egen syntese ATP/ADP ratioen kontrollerer alle viktige reguleringspunkter i katabolismen. ATP kontrollerer dermed sin egen syntese. Når ATP forbruket øker: 1.Øker e - transport og oksidativ fosforylering 2.Øker oksidering av pyruvat (via TCA) 3.Øker hastigheten av glykolysen slik at det dannes mer pyruvat Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

66 66 Nettoreaksjon fra NADH/FADH 2 til O 2 NADH + H + + ½ O 2 H 2 O + NAD +  G’ o = - 220 kJ/mol FADH 2 + ½ O 2 H 2 O + FAD  G’ o = - 150 kJ/mol Sterkt eksergone reaksjoner Energien brukes til å pumpe protoner ut av matriks Overføring av to elektroner fra NADH til O 2 medfører utpumping av 10 protoner => dannelse av 2,5 ATP (lever, nyre, hjerte) Overføring av to elektroner fra FADH 2 til O 2 medfører utpumping av 6 protoner => dannelse av 1,5 ATP (muskel, hjerne) Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

67 67 Nettoreaksjon: Glukose + 2NAD + + 2ADP + 2P i  2 Pyruvat + 2NADH + 2H + + 2ATP + 2H 2 O Hexose katabolisme - Glykolyse Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Totalt energiutbytte fra glukosenedbrytning varierer etter hvilken måte redusert NADH fra glykolysen transporteres inn i mitokondriene. To mulige ”shuttle”-mekanismer: 1.Malat-aspartat 2.Glycerol-fosfat

68 68 Elektroner fra NADH i cytosol overføres til glycerol-3-fosfat vha glycerol-3-fosfat dehydrogenase (cytoplasma). Glycerol-3-fosfat reoksideres til dihydroksyacetonfosfat av samme enzym (mitokondriemembran). I denne reaksjonen overføres elektronene til FADH 2 og taes med inn i elektrontransportkjeden (kompleks III) : 1,5 ATP. Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Glycerol-fosfat shuttle (Muskel og hjerne)

69 69 Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Malat-aspartat shuttle (Lever, nyre og hjerte) Netto resultat: Overføring av to e - og ett proton til mitokondriematriks, bundet til NADH og klar til videreførsel til elektrontransportkjeden : 2,5 ATP.

70 70 Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Reduserte koenzymer og ATP fra glykolysen, PDH, TCA og oksidativ fosforylering 5-7 ATP 25 ATP

71 71 Case Kommentar: Kvinnen døde etter 15 min og kunne ikke gjenopplives. Temp økte til 46 ⁰C 10 min etter at døden hadde inntruffet. Kvinnen drev med fitness og hadde fått kjøpt pillene av en «venn». Disse pillene viste seg å inneholde 2,4 dinitrofenol. 2,4-dinitrofenol er en inhibitor av effektiv energi (ATP) produksjon i celler. Kobler ut oksidativ fosforylering ved å frakte protoner over mitokondriemembranen. Dette fører til rask omsetning av metabolitter og oksygen uten at det genereres noe ATP. All energien brukes til å generere varme. Cellene dør pga høy temperatur og mangel på ATP. En bevisstløs 25-årig kvinne blir båret inn på akutten av kjæresten sin. Hun har tatt to slankepiller. Før hun besvimte klagde hun over hodepine, feber, brystsmerter, svette og slapphet. Funn: Temperatur på 40.8⁰C, puls på 151, respirasjonsrate på 56/min, blodtrykk 40/10.

72 72 Mange stoffer kan “koble ut” elektrontransporten (Inhiberer overføring av e - til jern-svovel senter i kompleks I) (Hemmer oksidasjon av ubiquinol i kompleks III) (Bindes til redusert Fe 2+ i komplex IV) Insektmiddel, brukes bl.a mot ferskvannsfisk

73 73 Energiutbytte anaerob glykolyse vs aerob TCA/Oksidativ fosforylering Ved anaerobe forhold vil det bli dannet 2 ATP via glykolysen (NADH blir ikke omsatt i TCA). Ved aerobe forhold vil det bli dannet 30-32 ATP via TCA/oksidativ fosforylering.  Mye mer energieffektivt å bryte ned glukose fullstendig til CO 2 og H 2 O fremfor til pyruvat/laktat.  Hva er da grunnen til at kreftceller foretrekker å bryte ned glukose til laktat uavhengig av oksygentilgang? Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

74 74 Warburg effekten Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Kreftceller omdanner glukose til laktat uavhengig av O 2 -tilgang (Otto Warburg i 1924). Hva er grunnen til at kreftceller foretrekker å drive aerob glykolyse? Van der Heiden, Science, 2009

75 75 Warburg effekten Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Forklaring: Glukoseopptak/glykolyse ~10x raskere i kreftceller sammenlignet med normale celler. En del glykolytiske enzymer er overprodusert i kreftceller. Mange kreftceller har økt evne til å kvitte seg med laktat. Kreftceller har evne til å vokse under hypoksiske forhold (før angiogenese).

76 76 Warburg effekten Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Klinisk betydning: 1)Mål for terapi: a)Hemmere av hexokinase (2- deoxyglukose, lonidamin og 3- brompyruvat) b)Hemmer av tyrosin kinase (Imatinib)  lavere syntese av hexokinase 2)Diagnostikk: Positron emisjons tomografi (PET) kan brukes til å detektere tumorer vha isotopmerket glukoseanalog  PET scanning kan detektere områder med høy glykolyseaktivitet. CT PET m/isotop merket glukoseanalog Fusjonert bilde (m/ farge)

77 77 Fedon Lindberg, sukker og kreft "Jo mer sukker og karhohydrater man spiser, desto mer fores kreftcellene." "Kroppen vår er en kompleks biokjemisk suppe. Det er vanskelig å forutsi resultatet av alle komplekse prosesser i menneskekroppen når man utfører tester bare i cellekulturer eller i små gnagere." Viktig å skille mellom årsak og virkning: Ja, kreftceller har høy glykolytisk aktivitet, men det er ikke nødvendigvis årsaken til kreften.

78 78 Oppsummering Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Relevante læringsmål, Biokjemi: 2.1.1.3 beskrive den generelle strukturen til karbohydrater, lipider, aminosyrer og nukleinsyrer, og forklare stoffenes fysikalsk-kjemiske egenskaper ut fra dette 2.1.1.6 gjøre rede for hovedfunksjonene til karbohydrater, lipider, nukleinsyrer og proteiner 2.1.1.8 beskrive nedbrytingen av glykogen, disakkarider, monosakkarider og fettsyrer, og forklare hvordan slik nedbryting er koplet til dannelse av ATP 2.1.1.9 beskrive syntesen av glukose og glykogen 2.1.1.11 definere begrepene vitamin og mineral, angi de viktigste mineraler og vitaminer og beskrive deres biologiske funksjoner Karbohydrater/Glykolyse/Glukoneogenese/Glykogensyntese/ Glykogenolyse/TCA/Oksidativ fosforylering 1.Fokuser på å forstå hva som skjer og hvorfor Tips: Det er lettere å forstå når man vet litt detaljer 2.Regulering av disse prosessene 3.Sett kunnskapen inn i et klinisk perspektiv


Laste ned ppt "1 Krebs syklus og Oksidativ fosforylering Krebs syklus og oksidativ fosforylering, IA 2016."

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google