פוספורילציה אוקסידטיבית ושרשרת הנשימה

Front 1

שלבים בפוספורילציה אוקסידטיבית

Back 1

1. respiratory chain
2. chemiosmotic coupling -
תנועת יונים דרך ממברנה בררנית בהתאם למפל האלקטרוכימי שלהם.
3. ATP synthase

Front 2

קומפלקס 1

Back 2

אחת משתי כניסות האלקטרונים לשרשרת הנשימה (כניסה נוספת מקומפלקס 2).
בצורת L. מכיל חלק אינטגראלי שנעוץ בממברנה וחלק פריפריאלי שפונה למטריקס שם יש את פעיל שקושר NADH. אתר פעיל נוסף קושר Q (יוביקינון) סמוך לפני הממברנה. מכיל 10 קב' פרוסטטיות: 1FMN+9Fe-S.
הקומפלקס מכיל גם משאבות פרוטונים ששואבות החוצה 4 פרוטונים על כל מולקולת NADH.

2 אלקטרונים ופרוטון עוברים מNADH ל-FMN בתגובת חימצון יחד עם עוד פרוטון מהתמיסה ->FMNH2 שמוסר אלקטרון למרכז ברזל-גופרית, הופך להיות רדיקל, מחכה שהאלקטרון יעבור למרכזי הברזל גופרית האחרים וחוזר להיות FMN מחומצן. Q מקבל 2 אלקטרונים בזה אחר זה ממרכז הברזל-גופרית האחרון (מסוגל להעביר אלקטרון אחד בכל פעם).

Front 3

קומפלקס 2

Back 3

אחת משתי כניסות האלקטרונים לשרשרת הנשימה (כניסה נוספת מקומפלקס 1).
מורכב מ-4 יחידות: 2 אינטגראליות בממברנה ו2 פריפריאליות שפונות למטריקס. יחידה פריפריאלית אחת מכילה 4 תת יחידות ( SDHA, SDHB, SDHC, SDHD - succinate dehydrogenase complex) והשניה מעליה מכילה FAD ואתר קישור ל- succinate. בנוסף יש אתר קישור ל-Q סמוך לפני הממברנה.
אין שאיבת פרוטונים מקומפלקס זה.

בקומפלקס succinate ממעגל קרבס מתחמצן לפומראט תוך כדי
FAD->FADH2.
2 אלקטרונים מהFADH2 עוברים בזה אחר זה ל-Q.

Front 4

קומפלקס 3

Back 4

מזרז מעבר אלקטרונים בין Q ובין ציטוכרום C.
מכיל מרכז ברזל גופרית, שני אתרי קישור ל-Qo) Q ו-Qi), אתר קישור לציטוכרום C
ו-3 קבוצות c1, bH, bL :heme.

1. יוביקיונון מחוזר (שמכיל 2 אלקטרונים ושני פרוטונים) נקשר ל-Qo שיש לו אפיניות גבוהה ליוביקיונון מחוזר. באתר זה Q מתחמצן ומוסר אלקטרון אחד ל-bL ואלקטרון שני למרכז הברזל גופרית. הפרוטונים שהיו קשורים ל-Q משתחררים החוצה לציטוזול.
2. אלקטרון אחד הולך מהמרכז ברזל גופרית ל-C1 ואלקטרון שני הולך מ-bL ל-bH (כי פוטנציאל החיזור שלו גבוה יותר ומכאן שמו).
3. יוביקיונון מחומצן מגיע ל-Qi ומקבל אלקטרון אחד מ-bH והופך לסמי-יוביקיונון. במקביל ציטוכרום C מגיע לאתר הקישור שלו ומקבל אלקטרון אחד מ-c1 ועוזב את האתר. יחד איתו עוזב את Qo ה-Q שעבר חימצון.
3. מולקולה שניה של יוביקיונון מחוזר נקשרת ל-Qo ומוסרת אלקטרון אחד ל-bL ואלקטרון שני למרכז הברזל גופרית, תוך שחרור 2 פרוטונים לציטוזול. אלקטרון אחד הולך מהמרכז ברזל גופרית ל-C1 וממנו לציטוכרום-C ואלקטרון שני הולך מ-bL ל-bH וממנו לסמי-יוביקיונון שמקבל עוד שני פרוטונים מהתמיסה במטריקס והופך ליוביקיונון מחוזר.
נקרא גם מעגל Q.

Front 5

קומפלקס 4

Back 5

נקרא גם ציטוכרום c אוקסידאז.
הומודימר - מורכב משני חצאים שמתפקדים באופן זהה. כל חצי מכיל אתר קישור לציטוכרום c ואת הקבוצות הפרוסטטיות: CuA binuclear center (מכיל שני אטומי נחושת), hemeA, cytochrome a3-CuB binuclear center.

אלקטרון עובר מציטוכרום C (שמתחמצן ועוזב את האתר) ל- CuA לברזל של קבוצת hemeA ל- hemea3-CuB. ציטוכרום C נוסף מגיע ומחזר את hemea3-CuB. מולקולת O2 מגיעה ל- a3-CuB binuclear center ומתחזרת ע"י 2 אלקטרונים ל-peroxy intermediate. ציטוכרום C נוסף מגיע ונותן אלקטרון למרכז הבינוקלארי יחד עם כניסת פרוטון לאתר. עוד ציטוכרום C מגיע ונותן עוד אלקטרון למרכז הבינוקלארי יחד עם כניסת עוד פרוטון לאתר. הקשר o-o נחתך ונוצרים 2 קבוצות hydroxy intermediate. שני פרוטונים נוספים מגיעים ומקבלים 2 מולקולות מים שיוצאת מהאתר הפעיל.

Front 6

מה ההשפעה של CO וציאניד (-CN) על קומפלקס 4?

Back 6

הם יכולים להיקשר במרכז הבינוקלארי במקום O2, כלומר הם מעכבים תחרותיים של ציטוכרום C אוקסידאז.

Front 7

ATP synthase

Back 7

מורכב משני חלקים:
1. חלקיק F0 - חלק אינטגרלי בממברנה הפנימית שמכיל את היחידות הבאות: יחידת a, שתי יחידות b ו-10-12 יחידות c שיוצרות טבעת -> תעלת הפרוטונים.
2. חלקיק F1 - פונה למטריקס המיטוכונדריאלי ומכיל את היחידות הבאות: יחידת למדא, יחידת אפסילון, 3 יחידות אלפא, 3 יחידות בטא ויחידת גמא.

מנוע מכני. טבעת c ותת יחידה גמא שקשורה אליה מסתובבים=rotor. בכל תת יחידה c יש אתר קישור לפרוטון, כשהוא נכנס בהתאם למפל הריכוזים הוא מסובב את rotor בתת יחידה אחת (proton motive force) עד שמגיע ליציאה למטריקס.
תת יחידה גמא נכנסת לחלק הקטליטי שנשאר קבוע במקום ומורכב ממעגל שיוצרות תת יחידות אלפא ובטא=stator.

בכל יחידה בטא אתר קישור ל-ATP שמשתנה כתלות במיקומה של תת יחידה גמא ויכול לקבל 3 קונפורמציות:
1.Tight 2. Open 3. Loose

סינתזת ATP מתרחשת ספונטנית (ירידה באנרגיה החופשית)! גרדיאנט הפרוטונים לא יוצר ATP כי אם משחררם מהאתר הפעיל.
כל סיבוב מייצר 3 מולקולות ATP כי יש שלושה אתרים פעילים שיכולים לייצר ATP.

Front 8

יחס בין פוטנציאל חיזור (E) לאנרגיה חופשית

Back 8

ΔG°= - n · F · ΔE°
n = מס' האלקטרונים שעוברים
ΔE° = E°(acceptor) - E°(donor) = פוטנציאל של חומר לעבור חיזור, משקף אפיניות של חומר לאלקטרונים.

מה זה אומר? ΔG° שלילי = ΔE° חיובי = תגובה אקסותרמית. ΔG° חיובי = ΔE° שלילי = תגובה אנדותרמית.

Front 9

פוטנציאלי חיזור בשרשרת הנשימה

Back 9

שרשרת הנשימה מסודרת בסדר עולה של פוטנציאל חיזור מ-(NADH (-320 ועד (O2 (+88. לכן התגובות הן אקסותרמיות והכמות הגדולה של האנרגיה החופשית שמשתחררת משמשת לעבודה של העברת פרוטונים מצד לצד.

Front 10

NAD- Nicotinamide Adenine Dinucleotid

Back 10

ניקוטין-אמיד - המרכז הפעיל.
סך כל המטען של NAD+ הוא 1- (מרכז פעיל טעון 1+, 2 פוספאטים שכל אחד טעון 1-).
בחיזור המרכז הפעיל מקבל פרוטון ושני אלקטרונים.

Front 11

FMN

Back 11

Flavin Mononucleotide
מחוזר על ידי פרוטון ושני אלקטרונים מ-NADH ומקבל עוד פרוטון מהתמיסה ליצירת FMNH2.

Front 12

FAD

Back 12

Flavin Adenine Dinucleotide.
Redox cofactor.
מחוזר ל-FADH2 ע"י פרוטון ושני אלקטרונים מ-NADH ומקבל עוד פרוטון מהתמיסה.

Front 13

Iron-sulfur proteins

Back 13

קבוצה פרוסטטית. שני סוגים: 2Fe-2S clusters, 4Fe-4S clusters.
הברזל התלת ערכי יכול להיות מחוזר לברזל דו ערכי. מסוגלים לקבל אלקטרון אחד.

Front 14

Coenzyme Q10 (ubiquinone)

Back 14

מולקולה בעלת ראש פולארי (מרכז פעיל שעובר חמצון-חיזור) וזנב פחממני ארוך שמקופל באופן קומפקטי בממברנה.
יכול להיות באחד משלושה redox states:
1. fully oxidized (ubiquinone).
2. semiquinone (semiquinone).
3. fully reduced (ubiquinol).
כלומר הוא יכול לקבל 2 אלקטרונים בזה אחר זה.
ריכוזו בממברנה הפנימית של המיטוכונדריה גבוה.

Front 15

ציטוכרום C

Back 15

מולקולה קטנה, כדורית, הידרופילית שיושבת על פני השטח של הממברנה בצד הציטוזולי ולכן טעון חיובית בזכות שיירי Lys על פני השטח שלו (כי הממברנה שלילית). נקשר לאתרים של קומפלקסים 3 ו-4 בזכות מטען זה (אתרי הקישור שלהם מכילים Glu ו-Asp).
מורכבת מסלילי alpha helix וביניהם קבוצת heme שבמרכזה ברזל תלת ערכי שיכול להיות מחוזר ע"י אלקטרון אחד ולהפוך לברזל דו ערכי.

Front 16

מה היחס בין אלקטרונים שמגיעים לשרשרת הנשימה מ-NADH ובין אלקטרונים מ-succinate?

Back 16

יש 4 מולקולות NADH על כל מולקולת succinate במעגל קרבס. כל מולקולה מוסרת 2 אלקטרונים כך שהיחס הוא 1:4.

Front 17

מה קורה לשרשרת הנשימה אם אין אספקת חמצן (למשל, בהתקף לב)

Back 17

כל ה-Q במצב מחוזר ואין דרך לחמצן אותם. קומפלקס 3 נתקע כי הוא זקוק גם ל-Q מחומצן.

Front 18

מה קורה לשרשרת הנשימה אם אין אספקת אנרגיה (למשל, בצום)

Back 18

כל ה-Q במצב מחומצן ואין דרך לחזר אותו עם אלקטרונים. קומפלקס 3 נתקע כי הוא זקוק גם ל-Q מחוזר.

Front 19

ציטוכרום

Back 19

משפחת חלבונים המכילים קבוצות heme וקשורים לממברנה.

Front 20

איזה קומפלקס לא עוזר ליצירת הגרדיאנט האלקטרוכימי?

Back 20

קומפלקס 2.

Front 21

כמה פרוטונים מועברים עבור סינתזת מולקולה אחת של ATP?

Back 21

תלוי במספר תת יחידות c. אם 10 -> 3.33, אם 12 -> 4.

Front 22

Adenine nucleotide translocase

Back 22

אנטיפורטר שמעביר ATP מחוץ למטריקס של המיטוכונדריה ו-ADP החוצה.

Front 23

Phosphate translocase

Back 23

יוניפורטר שמכניס פוספאט מהציטוזול למטריקס של המיטוכונדריה. דרוש לצורך סינתזת ATP.

Front 24

Glycerophosphate Shuttle

Back 24

שאטל שמסייע לנצל אלקטרונים מ-NADH שנותרו בציטוזול בגליקוליזה ולא יכול להיכנס למטריקס המיטוכונדריאלי.

מולקולת NADH שנוצרה גליקוליזה (2 מולקולות נוצרות מכל מולקולת גלוקוז) לא יכולה לעבור למטריקס המיטוכונדריאלי. גליצרול 3 פוספאט דהידרוגנאז ציטוזולי מקטלז חיזור של דיהידרואצטון פוספאט לגליצרול 3 פוספאט ע"י חימצון NADH. גליצרול 3 פוספאט דהידרוגנאז מיטוכונדריאלי, נעוץ בממברנת במיטוכונדריה ומקטלז חימצון גליצרול 3 פוספאט ציטוזולי -> דיהידרואצטון פוספרט. את שני האלקטרונים שהתקבלו מהחימצון הוא מעביר ל-FAD וממנו ל-Q. בקומפלקסים 3 ו-4 משתמשים ב-Q המחוזר.

Front 25

Malate-Aspartate shuttle

Back 25

שאטל שמסייע לנצל אלקטרונים מ-NADH שנותרו בציטוזול בגליקוליזה ולא יכול להיכנס למטריקס המיטוכונדריאלי.

מולקולת NADH ציטוזולית מחזרת אוקסלואצטאט למאלאט ע"י מאלאט דהידרוגנאז. מאלאט נכנס דרך טרנספורטר למיטוכונדריה שם הוא מחומצן לאוקסלואצטאט במעגל קרבס תוך קבלת NADH.
אוקסלואצטאט יכול להפוך לאספרטאט ע"י אמינוטרנספראז מיטוכונדרי. Asp יכול לעבור לציטוזול דרך טרנספורטר שם הוא יכול לעבור דהאמינציה ולחזור להיות אוקסלאצטאט ציטוזולי.

Front 26

מה גורם להעברת יותר פרוטונים מהמטריקס המיטוכונדריאלי החוצה - Malate-Aspartate shuttle או Glycerophosphate Shuttle

Back 26

Malate-Aspartate shuttle
כי ב- Glycerophosphate Shuttle מקבלים ישר Q מחוזר שעובר לקומפלקסי 3 ו-4 ולכן מפסידים את פעילות השאיבה של קומפלקס אחד. ב- Malate-Aspartate shuttle מתקבל NADH שמגיע לקומפלקס 1.

Front 27

Olygomycin

Back 27

מעכב ATP synthase ע"י חסימת תעלת הפרוטונים (חלקיק F0).