Oksydasjon av glukose og fettsyrer til karbondioksid Dannelse av acetylcoa og sitronsyresyklusen (forts.)

Transkript

1 Oksydasjon av glukose og fettsyrer til karbondioksid Dannelse av acetylcoa og sitronsyresyklusen (forts.) * Det er av betydning for forståelsen av oksydativ fosforylering at man vet hvilke omdannelser av ulike energienheter (NADH, FADH 2 ) som skjer senere i elektrontransport-kjeden - se bl.a. energiregnskapet i Table 16-1.

2 Oksydasjon av glukose og fettsyrer til karbondioksid(forts.) Opptak av elektroner fra cytosolisk NADH * Den cytosoliske NADH som er dannet i glykolysen, kan ikke transporteres gjennom den indre membran men flere elektron-shuttler kan overføre elektroner fra cytosol-nadh til matrix. * Et eksempel er malat-shuttle hvor NADH i cytosol reduserer OAA-->malat (Figure 16-13; reaction 1). Malat vil så transporteres til matrix i bytte med alfa-ketoglutarat (reaction 2) og omdannes til OAA (reaction 3) og videre til aspartat (reaction 4) i matrix. I de øvrige anti-port transport/reaksjoner vil aspartat sendes ut i cytosol - i bytte med glutamat som kommer inn i matrix (reaction 5). I cytosol re-omdannes aspartat til OAA hvor samtidig alfaketoglutarat omdannes til glutamat (reaction 6). * Det samlete resultatet av alt blir oksidasjon av cytosolisk NADH-->NAD + og reduksjon av matrix NAD + -->NADH. Figure Malat-shuttle - cellen bruker en indirekte mekanisme for å overføre elektroner fra cytosolisk NADH til NAD + i matrix

3 Oksydasjon av glukose og fettsyrer til karbondioksid(forts.) Fettsyreomdannelse i mitokondrier og ATP-dannelse * I kroppen vår blir fettet (triacylglycerol) f.eks. på signal fra adrenalin, omdannet til frie fettsyrer og glyserol. Fettsyrene tas opp i blodet og videre oksydasjon i cellene og er spesielt energikilden for hjertemuskelceller. * I mennesket er nedbrytningen av fettsyrer viktigere enn av glukose (egentlig glykogen) fordi det oppnås 6 ganger mer ATP. * Starten på nedbrytningen av fettsyrer (beta-oksydasjonen) er dannelsen av fett-acyl-coa - på bekostning av CoA og ATP. Eksempelvis vil i mitokondriene en 18-C fettsyre (stearinsyre) gi ni molekyler av acetyl CoA og 8 molekyler hver av NADH og FADH 2 (Figure 16-14) - som i sin tur omdannes til ATP. Acetyl CoA går så inn i sitronsyresyklus. Figure 16-14

4 Oksydasjon av glukose og fettsyrer til karbondioksid(forts.) Fettsyreomdannelse i peroksisomer gir ikke ATP-dannelse * I tillegg til mitokondrier er peroxisomer viktigste organellen for nedbrytningen av fettsyrer (Figure 16-15), men her dannes ikke ATP. * Disse inneholder mange oksidaser som omdanner oksygen til hydrogenperoksid O 2 + RH 2 --> H 2 O 2 + R som omdannes av katalase til vann og oksygen: 2 H 2 O 2 --> 2 H O 2 + O 2 Figure Oksydasjon av fettsyrer i peroxisomer. Elektroner som er overført til FAD og NAD + blir tilslutt overført til oksygen som omdannes til hydrogenperoxid.

5 Oksydasjon av glukose og fettsyrer til karbondioksid(forts.) Regulering ved bruk av allosteriske enzymer * Både glykolysen og sitronsyresyklus reguleres av allosteriske mekanismer ut fra cellens behov for ATP. * Følgende allosteriske enzymer regulerer glykolysen ; - hexokinase (hemmes av G-6-P) - pyruvat kinase (hemmes av ATP) - fosfofruktokinase 1 * Følgende allosteriske enzymer regulerer sitronsyresyklus (Fig.16-16) ; - fosfofruktokinase 1 og 2 : * reguleres av sitronsyre * stimuleres av ADP * hemmes av ATP * feed-forward-aktivering av fruktose 2,6-bifosfat Figure 16-16

6 Praktiske demonstrasjoner Praktiske forsøk og demo-oppgaver (tirsdag 9. april) : Demonstrasjon av peroxidase-aktivitet (v/ann Cicilie Larsen) Bruk av Shimadzu UV-1601 spektrofotometer for å demonstrere aktiviteten av peroxidase Gjennomgang av bakgrunnen for måling av peroxidaseaktivitet Omdanning av substratet guaiacol (fargeløst) --> tetraguaiacol (gulbrunt) måling av aktivitet ved 470 nm Måling av proteinmengde i prøvene ved bruk av BioRad Coomassie-løsning måling av aktivitet ved 595 nm

7 Praktiske demonstrasjoner Praktiske forsøk og demo-oppgaver (tirsdag 9. april) Kjemisk karakterisering av eteriske oljer v/ariaya Hymete Demonstrasjon av GC-MS Karakterisering av ulike typer eteriske oljer etter separasjon på gasskromatograf (GC) og massespektrometrisk (MS) analyse Destillasjon og sensorisk bestemmelse av eteriske oljer v/grete Rakvaag og Tor- Henning Iversen Demonstrasjon av vanndampdestillasjon av oljer fra kamille og oppsett for sitronmelisse Påvisning og identifisering av oljer fra 11 ulike tørkete urter

8 Elektrontransport og oksydativ fosforylering (Del 16.2) Oksydativ fosforylering Prinsipp : * I mitokondriet maksimeres produksjonen av ATP ved overføring av elektroner fra NADH og FADH 2 til O 2 gjennom en serie elektron-bærere (e-transportkjeden= respirasjonskjeden, Figure 16-17) som er integrert i indre membran. * Basis for ATP dannelsen er ph-gradienter og elektriske potensialer over membranen. * Dette er basis for den oksydative fosforyleringen. Figure Trinnvis overføring av elektroner gjennom e-transport-kjeden fra NADH, ravsyre og FADH 2 til O 2. De fire multiprotein-komplekser i kjeden er vist, samt hvor energifallet er stort nok til H + -pumpingen.

9 Elektrontransport og oksydativ fosforylering (Del 16.2) Proton-motive-force Proton-motive-force (pmf) og spenningsgradient over indre membran * pmf er summen av transmembran-proton-konsentrasjonsgradienten (ph) og det elektriske potensial eller spenningsgradienten. * Den siste avhenger av membranens permeabilitet for andre ioner enn H +. * pmf måles i mv og er normalt på 220 mv. * Beregninger av pmf er basert på bruk av inoforer og radioaktive isotoper (f.eks. Valinomycin og 42 K + ) som tilsettes til suspensjoner av respirerende mitokondrier. * Siden mitokondriene er for små til innføring av elektroder brukes istedet fluorescerende ph-følsomme fargestoffer som felles i vesikler dannet av indre membran. På denne måten kan ph på innsiden av mitokondriene måles under den oksydative fosforyleringen.

10 Elektrontransport og oksydativ fosforylering (Del 16.2 forts.) Elektrontransport og proton-translokalisering * Eksperimentelt kan det vises ved bruk av isolerte mitokondrier at e- transporten fra NADH og FADH 2 til O 2 er koblet til transport av protoner fra matrix innenfor indre membran og ut til intermembran-området - måles som økning av ph i løsningen utenfor mitokondriene (Figure 16-18). Endringen i ph skjer straks O 2 er tilsatt til suspensjonen: Figure 16-18

11 Elektrontransport og oksydativ fosforylering (Del 16.2 forts.) Elektron-strøm via multiprotein-komplekser til oksygen * I respirerende mitokondrier vil hvert NADH molekyl frigjøre to elektroner til e-transportkjeden. Disse vil tilslutt redusere oksygenatomet til vann ; NADH --> NAD + + H + + 2e - 2e - + 2H + + 1/2 O 2 --> H 2 O * De fleste e-bærere i kjeden har prostetiske grupper (flaviner, heme, Fe, Cu) bundet til de fire multiprotein-komplekser i indre membran (Table 16-2). Tabellen viser respektive prostetiske grupper i hvert multiproteinkompleks.

12 Elektrontransport og oksydativ fosforylering (Del 16.2 forts.) Elektron- og proton-transport i kjeden e-bærerne i kjeden må læres - se Figure : NADH-CoQ-reduktase komplekser ; NADH + CoQ + 2 H + --> NAD + + H + +CoQH 2 Succinat-CoQ-reduktase komplekser ; Succinat + CoQ --> fumarat + CoQH 2 Cytokrom komplekser ; b 566, b 562, c 1, c, a og a 3 Jern-svovel clusters ; Fe 2 S 2 og Fe 4 S 4 - clusters (detaljer i Figure 16-20) Figure 16-19

13 Elektrontransport og oksydativ fosforylering (Del 16.2 forts.) Elektron- og proton-transport i kjeden Jern-svovel clusters ; Fe 2 S 2 og Fe 4 S 4 - clusters Figure D-strukturer av utvalgte jern-svovel clusters : (a) dimerisk (Fe 2 S 2 ) cluster, (b) tetramerisk (Fe 4 S 4 ) cluster. Hvert Fe-atom er bundet til fire S-atomer. Noen S-atomer er molekylært svovel, andre kan være S i sidekjeden av av proteiner. Slike Fe-S cluster binder eller frigjør ett elektron om gangen.

14 Elektrontransport og oksydativ fosforylering (Del 16.2 forts.) * Repetisjon : Følgende e-bærerne i kjeden må læres ; Succinat-CoQ-reduktase komplekser (sitronsyresyklus, indre membran) ; Succinat + CoQ --> Fumarat + CoQH 2 CoQH 2 -cytokrom c-reduktase kompleks ; CoQH Cyt c 3+ --> CoQ + 2 H Cyt c 2+ Cytokrom c oksidase kompleks ; 2 Cyt c H + + 1/2 O 2 --> 2 Cyt c 3+ + H 2 O CoQ og cytokrom c overfører elektroner fra et e-transport kompleks til et annet Elektronbæreres reduksjonspotensialer styrer e-strømmen fra NADH til O 2

15 Elektrontransport og oksydativ fosforylering (Del 16.2 forts.) CoQ og tre e-komplekser pumper protoner ut av matriks Det finnes eksperimentell støtte ved bruk av liposomer for at tre e- komplekser i kjeden transporterer protoner ut av matrix i mitokondriene (Figure 15-4). Støtte for at totalt 10 protoner transporteres fra matrix gjennom indre membran for hvert e-par fra NADH til O 2. For FADH 2 til O 2 er antallet 6. Proton-motive Q syklus er vist i Figure Må kunne forstå detaljene i reaksjonene 1-7. Figure Proton-motive Q syklus