Cellular Energetics- Kap. 16

Transkript

1 Forelesninger i BI Cellebiologi - Våren 2002 Cellular Energetics- Kap. 16 Tor-Henning Iversen, Plantebiosenteret (PBS),Botanisk institutt,ntnu Tor-Henning.Iversen@chembio chembio.ntnu.no Tlf PBS`s hjemmeside (hvor forelesningene er samlet) ;

2 Forelesninger i BI Cellebiologi - Våren 2002 Emner som gjennomgåes i Kap. 16 Innledning Oksydasjon av glukose og fettsyrer til karbondioksid (Del 16.1) : Glukose til pyruvat -enzymer Glykolyse ATP-dannelse i glykolysen (anaerobt) Mitokondrienes struktur Dannelse av acetylcoa Sitronsyresyklus (Krebs-syklus) Opptak av elektroner fra cytosolisk NADH Fettsyreomdannelse i mitokondrier og ATP-dannelse Fettsyreomdannelse i peroksisomer gir ikke ATP-dannelse Glukoseomsetning og cellens ATP-behov

3 Forelesninger i BI Cellebiologi - Våren 2002 Emner som gjennomgåes i Kap. 16 (forts.) Elektrontransport og oksydativ fosforylering (Del 16.2): Proton-motive-force og spenningsgradient over indre membran Elektrontransport og proton-translokalisering Elektron-strøm via multiprotein-komplekser til oksygen CoQ og cytokrom c samvirke Elektronbæreres reduksjonspotensialer styrer e-strømmen CoQ og tre e-komplekser pumper protoner ut av matriks Eksperimentell støtte for kjemiosmsotisk hypotese ATP-synthase - protonkanal og ATPase Protonkanal og ATPase komplekset styrer ATP-dannelsen ADP-nivå og styring av mitokondrienes oksydasjon

4 Forelesninger i BI Cellebiologi - Våren 2002 Emner som gjennomgåes i Kap. 16 (forts.) Fotosyntese og pigmenter (Del 16.3) : Thylakoide-membraner Lys og fotosyntese Fotoner og energi Klorofyll a er sentralt i begge fotosystemer Lysabsorbsjon i reaksjonsenteret Lys-høstende komplekser og fotosyntesens effektivitet Molekylær analyse av fotosystemene (Del 16.4): Fotoelektron-transport i purpurbakterier Bakteriefotosyntese - syklisk og ikke-syklisk e-transport Kloroplaster ; to fotosystemer P680 i PSII ATP-dannelse i PSI Kobling PSI og PSII

5 Forelesninger i BI Cellebiologi - Våren 2002 Emner som gjennomgåes i Kap. 16 (forts.) Binding av karbondioksid og fotosyntesen (Del 16.5): Binding av karbondioksid i stroma Sukrose-syntese i cytosol Fotorespirasjon - en energetisk unyttig prosess? C4 og C3-planter Transporten av sukrose rundt i planten Praktiske forsøk og demo-oppgaver (tirsdag 9. april) Demonstrasjon av peroxidase-aktivitet Destillasjon og kjemisk karakterisering av eteriske oljer

6 Cellular Energetics - Kap vår 2002 Innledning * ATP (Figure 2-24) og dets sentrale betydning som universell energikilde er omtalt i Kap. 2. * Ved hydrolyse til ADP og Pi frigjøres 7.3 kcal/mol som brukes i ulike prosesser av cellen ; aktiv transport (ATPpumper), ciliebevegelser, muskel-kontraksjoner, proteinsyntese, dannelse av nukleinsyrer fra nukleotider m.m. * I Kap.16 fokuseres på aerobe oksydasjoner og fotosyntese i mitokondrier og kloroplaster. * Glykolysen som første ledd i spaltingen av glukose foregår i cytosol dvs. utenfor mitokondriet * De felles grunnleggende prinsipper baseres på kjemiosmose (kjemiosmotisk hypotese) som medvirker i dannelsen av ATP både i mitokondrier og kloroplaster (Figure 16-1) Figure 16-1 Kjemiosmotisk kobling som finner sted i membranavgrensete compartment impermeabel for protoner.energi omformes til transport av H+ som danner en konsentrasjons- og spenningsgradient - samlet kalt proton-motive-force. Brukes til ATPdannelse i bakterier, mitokondrier og kloroplaster.

7 Cellular Energetics - Kap vår 2002 Innledning (forts.) * De sentrale elementer i energiomsetningen er samlet i Figure 16-2 : proton-gradienter, elektriske potensialer over membranen, proton-motive force, elektronbærere og elektrontransport * ATP synthase eller F0F1- komplekset er en klasse av ATPpumper som her er sentrale. Figure 16-2 Membran -orientering og retning av proton-bevegelsen i bakterier, mitokondrier og kloroplaster (se også Figure 16-1).

8 Oksydasjon av glukose og fettsyrer til karbondioksid (Del 16.1) Glykolyse og ATP-dannelse ( summarisk) Glukose til pyruvat-enzymer * Samleformel for aerob nedbrytning av glukose til karbondioksid og ATP : C 6 H 12 O O Pi ADP H + --> 6 CO ATP H 2 O Glykolysen og anaerob ATP dannelse: * Første del av omdannelsen av glukose skjer anaerobt i glykolysen til pyruvat (pyrodruesyre) og omfatter 10 ulike enzymer (Figure 16-3). * ATP-dannelsen netto blir 2 ATP ( 4 ATP dannes minus to forbrukes) pr. glukosemolekyl. Sentrale enzymer i denne sammenheng er hexokinase og fosfofruktokinase-1 (nedbrytning av ATP; reaction 1 og 3) og fosfoglycerat-kinase og pyruvatkinase (dannelse av ATP; reaction 6 og 9) Figure 16-3 Glykolyse ; glukose nedbrytes til pyruvat

9 Oksydasjon av glukose og fettsyrer til karbondioksid (Del 16.1) Glykolyse og ATP-dannelse ( summarisk) - forts. * Viktig i glykolysen er også dannelsen av NADH som senere følges av ATP-dannelse (Figure 16-4); 2 H + + 4e NAD + --> 2 NADH hvor glyceraldehyd-3-fosfat dehydrogenase er helt sentral (Figure 16-3; Reaction 5). Figure 16-4 Strukturen av NAD + og NADH

10 Oksydasjon av glukose og fettsyrer til karbondioksid (forts.) Substrat-fosforylering Substrat-fosforylering ( kfr. oksydativ fosforylering ) : * Substrat-fosforyleringen foregår på to steder i glykolysen (Figure 16-3) - enten direkte (reaction 6) eller via NAD (reaction 5) som gir dannelse av 1,3-bifosfoglycerat via en intermediær reaksjon (Figure 16-5). 1,3-bifosfoglycerat gir fra seg sitt høyenergi-p til ADP--> ATP + 3-fosfoglycerat (enzym: fosfoglycerat kinase) * Viktig å huske hvilke reaksjoner som bruker ATP (reaction 1 og 3) og hvilke som danner ATP (reaction 5 og 6). Mens substratfosforyleringen gir netto 2 ATP gir den oksydative fosforyleringen i mitokondriene 34 ATP. Figure 16-5 Figure 16-3

11 Oksydasjon av glukose og fettsyrer til karbondioksid (forts.) Anaerob omdannelse av glukose Om anaerob omdannelse av glukose * Skille mellom obligate og fakultative aerobe/anaerobe organismer (pro- og eukaryote). Mest ekstreme er obligat anaerobe prokaryote som ikke tåler oksygen. * Merk anaerob dannelse av ethanol og melkesyre - som også er av industriell betydning i meieri- og alkoholproduksjonen (Figure 16-6). Figure 16-6 Anaerob nedbrytning av glukose - i muskelceller (melkesyre) og gjærceller (ethanol).

12 Oksydasjon av glukose og fettsyrer til karbondioksid (forts.) Mitokondrienes struktur Mitokondrienes struktur * Viktig å kjenne detaljer i mitokondrienes oppbygging (Figure 16-7) - spesielt de ulike membrantyper og deres forskjeller i overflate/foldinger (ytre/indre=cristae), og submitokondrielle områder (intermembranrommet og matrix). Figure 16-7

13 Oksydasjon av glukose og fettsyrer til karbondioksid (forts.) Mitokondrienes funksjon Mitokondrienes funksjon * Må kunne alle detaljer om lokalisering av transmembran(kanal)-proteiner (f.eks. porin), enzymer og elektron-transport-komplekser (se Figure 16-9 og i sammenheng). * Lipidet cardiolipin i det indre membran er av betydning for redusert membranpremeabilitet og derved oppbyggingen av en proton-gradient over membranen (ATP-syntese). * Hovedtrekkene i produksjonen av ATP og karbondioksid i mitokondriet er vist i Figure 16-9 Figure 16-9 Oversikt over aerob nedbrytning av pyruvat i mitokondrier.

14 Oksydasjon av glukose og fettsyrer til karbondioksid Dannelse av acetylcoa og sitronsyresyklusen * Dannelsen i matrix av acetyl CoA fra pyruvat (ravsyre) vha coenzyma og ravsyredehydrogenase (gigantisk multienzym; 60 underenheter) er viktig (Figure 16-11) som en innledning til sitronsyresyklusen (Krebssyklus) som også skjer i matrix i mitokondriet. * Merk også at noen enzymer (ravsyredehydrogenase og alfa-ketoglutaratdehydrogenase) er lokalisert i den indre membran med det aktive setet av enzymet ut mot matrix. Figure (a) Pyruvat dehydrogenase består av 3 enzymer (b) Enzymet katalyserer omdannelsen i tre trinn

15 Oksydasjon av glukose og fettsyrer til karbondioksid Sitronsyresyklusen * Viktig del av pensum er å forstå alle trinn i sitronsyresyklusen (Figure 16-12), men legg spesiell vekt på å kunne gjengi de trinn hvor det dannes NADH, FADH 2 og GTP (-->ATP). * Molekylært oksygen deltar ikke direkte i syklusen. Figure 16-12