Bioenergetikk og Krebs syklus Oksidativ fosforylering. Bioenergetikk, IA 2015

Transkript

1 1 Bioenergetikk og Krebs syklus Oksidativ fosforylering Bioenergetikk, IA 2015

2 2 Relevante læringsmål, Biokjemi: beskrive den generelle strukturen til karbohydrater, lipider, aminosyrer og nukleinsyrer, og forklare stoffenes fysikalsk-kjemiske egenskaper ut fra dette gjøre rede for hovedfunksjonene til karbohydrater, lipider, nukleinsyrer og proteiner beskrive nedbrytingen av glykogen, disakkarider, monosakkarider og fettsyrer, og forklare hvordan slik nedbryting er koplet til dannelse av ATP beskrive syntesen av glukose og glykogen definere begrepene vitamin og mineral, angi de viktigste mineraler og vitaminer og beskrive deres biologiske funksjoner 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 Bioenergetikk

3 3 Det store bildet Bioenergetikk

4 4 Bioenergetikk og termodynamikk Bioenergetikk er applikasjon av termodynamiske lover til biokjemiske systemer. Beskriver energioverføringer i celler og hvordan de kjemiske prosessene kan kvantifiseres. Dagens tema: 1. Termodynamikk 2. Fosforylgruppeoverføringer og energioverføringer 3. Oksidasjon og reduksjonsreaksjoner i celler 4. Massevirkningsloven Bioenergetikk

5 5 Energi kan anta ulike former Potensiell energi kan omformes til bevegelsesenergi, som igjen kan omformes til varmeenergi Noe av bevegelsesenergien kan benyttes til å løfte en bøtte vann, som derved får økt potensiell energi. Tilsvarende mindre energi avgis som varme Potensiell bevegelsesenergi lagret i vannbøtta kan benyttes til å drive ulike hydrauliske maskiner, og f. eks. omformes til elektrisk energi, som igjen kan omformes til kjemisk energi (eks. kunstgjødselproduksjon) Bioenergetikk

6 6 Massevirkningsloven I en kjemisk reaksjon: aa + bb cc + dd vil reaksjonen forløpe inntil en likevekt er innstilt seg mellom produktene og reaktantene. Denne likevekten er uttrykt som følger: K eq = [C] c [D] d [A] a [B] b Cato M Guldberg og Peter Waage Hastigheten av de to reaksjonene er proposjonal med konsentrasjonen av reaktantene som inngår. Hvis mengden av en av reaktantene eller produktene endres, vil konsentrasjonene av de andre komponentene også endres for å opprettholde likevekten. Dette har stor betydning for biologiske reaksjoner. Bioenergetikk

7 7 Viktige termodynamiske definisjoner H H S G Entalpi: Varmeenergien, eller den samlede energien i et system (feks i en bestemt mengde av en kjemisk forbindelse) Forandring i entalpi i løpet av en reaksjon. Bestemmes av antallet og typen av kjemiske bindinger i reaktanter og produkt. Er H positiv, sier vi at reaksjonen er endoterm (varme tas opp). Er H negativ, sier vi den er eksoterm (varme avgis) Entropi: Grad av uorden i et system. Den delen av energien som ikke kan utføre arbeid Gibbs fri energi: Den delen av energien i et system som kan utføre arbeid. Er G positiv, sier vi at reaksjonen er endergon. Er G negativ, sier vi den er eksergon. Disse verdiene vil være relatert til hverandre som følger: G = H - T S Bioenergetikk

8 8 Massevirkningsloven / likevekt I en kjemisk reaksjon A B vil alltid likevekten være forskjøvet mot den siden som har lavest innhold av fri energi, G. Hvis G for reaksjonen er negativ, vil altså likevekten være forskjøvet mot høyre. Standard fri energiendring G o : 25 o C (=298 K) og 1 M reaktanter. G o = -RT ln [B]/[A] = -RT ln K eq R = gasskonstanten = J/mol x K Merk at en kan utføre arbeid fra Gibbs fri energi bare når en kjemisk reaksjon går mot likevekt. Når likevekten først er nådd, kan ikke reaksjonen lenger produsere energi til arbeid. Bioenergetikk

9 9 Endringer i fri energi I en levende celle vil de lokale konsentrasjoner av reaktanter og produkt så godt som aldri være 1M. Så den virkelige G vil ikke være lik G o. Forholdet mellom de to verdiene er G= G o +RT ln [B]/[A] Reaksjon: A B I biokjemiske spor i cellen vil sjelden et produkt (B) bli liggende ubrukt, men vil omsettes videre. Hvis den videre omsetningen er effektiv, kan den cellulære konsentrasjonen av B bli svært lav. Det betyr at ln [B]/[A] kan få en høy negativ verdi, og at G kan bli negativ selv om G o er positiv. Reaksjonen vil derfor kunne gå mot høyre. Bioenergetikk

10 10 Endringer i G o er additive Glukose + P i glukose 6-fosfat + H 2 0 G 0 = 13.8 kj/mol (1) (Den omvendte reaksjonen, hydrolyse av G-6-P er spontan.) ATP + H 2 0 ADP + P i G 0 = 30.5 kj/mol (2) ( G 0 verdiene av sekvensielle reaksjoner er additive.) Glukose + ATP glukose 6-fosfat + ADP G 0 = 16.7 kj/mol (3)

11 11 Energien i næringsmolekyl trekkes ut til energibærere som ATP, NADH, NADPH og FADH 2 Exergon / katabolsk reaksjon: systemet frigir fri energi G < 0 Endergon / anabolsk reaksjon: systemet bli tilført fri energi G > 0 Bioenergetikk

12 12 Bindingene mellom fosfatgruppene i adenosin trifosfat (ATP) er meget energirike. ATP er derfor den viktigste bæreren av raskt tilgjengelig energi i cellene. ATP Adenin Energirik binding ATP forbrukes nesten straks det er dannet, slik at det kontinuerlig må erstattes i cellene. Hydrolyse av den terminale fosfatbindingen frigjør 30.5 kj/mol. O C Ribose-sukker N P H Fosfat-grupper Bioenergetikk

13 13 Energien som frigjøres ved hydrolyse av ATP skyldes: 1. Redusert ladningsrepulsjon mellom de negative ladningene på ATP. 2. Resonansstabilisering av avspaltet fosfat (P i ) 3. Ionisering av produktet ADP 2- til ADP 3- frigjør H + i miljø med veldig lav [H + ] (~10-7 M / ph~7) 4. Bedre solvatisering av ADP og P i relativt til ATP Fosfat: Fosforyl: -OPO 2-3 -PO 2-3 Det er fosforyl som fjernes fra ATP. Det dannes fosfat etter at O fra H 2 O hektes på. Bioenergetikk

14 14 ATP Den mengden ATP som brytes ned og dannes pr dag hos mennesket, tilsvarer omtrent kroppsvekten Pris på ATP fra Sigma Chemicals: 5g = $296 Det vil si at en aktiv person på 100 kg produserer ATP for ~6 mill $/dag Bioenergetikk

15 15 Energioverføringene i biokjemiske reaksjoner følger de samme termodynamiske lover som ellers i naturen 1. Lov: I enhver fysisk og kjemisk forandring vil den totale energimengden i universet forbli konstant, selv om energiens form kan forandres. 2. Lov: I alle naturlige prosesser vil universets entropi (grad av uorden) øke. Bioenergetikk

16 16 Termodynamikk 1. Termodynamikkens første lov (Konservering av E): Energi kan ikke oppstå eller forsvinne, men den kan forandre form (kjemisk, ) til (fysikalsk, termisk, ). E = q + w 2. Termodynamikkens andre lov (Entropi, S): Entropien i alle naturlige prosesser i universet (men ikke nødvendigvis systemet) vil alltid øke. Total S i universet øker kontinuerlig. S universe = S system + S omg > 0 Bioenergetikk

17 17 Termodynamikkens andre lov (Entropi, S):

18 18 Eks.:Termodynamikkens andre lov (Entropi, S): Oksidasjon av glukose C 6 H 12 O O 2 6CO H 2 O + energi I denne prosessen blir 7 molekyler konvertert til (og tilfeldig delt inn i) 12 nye molekyler. økning i entropi (molekylær uorden). Bioenergetikk

19 19 Oksidasjon Oksidasjon innebærer fjerning av elektroner - enten alene eller i form av hydrogenatomer. Oksidasjoner er nedbrytningseaksjoner (katabolske) som frigjør energi. H H Redusert molekyl Frigitt energi Oksydert molekyl + H H Hydrogenatomer For karbon i karbonforbindelser, vil økt grad av oksidasjon i praksis tilsvare en økning i antall C- O-bindinger Bioenergetikk

20 20 Reduksjon I syntesereaksjoner (anabolske) skjer det motsatte. Forbindelser reduseres ved at elektroner eller hydrogenatomer tas opp. Energi + H H H H Oksydert molekyl Hydrogenatomer Redusert molekyl I cellene skjer oksidasjons- og reduksjonsprosesser samtidig. Når næringsmolekyler oksideres, tas ofte elektronene opp av bestemte elektronbærere, som blir redusert. Disse elektronbærerne kan deretter avgi elektronene til syntesereaksjoner i cellene, blant annet til dannelse av ATP. Bioenergetikk

21 21 Transport av elektroner kan utføre arbeid Når vi kobler et batteri til en motor, vil strømmen av elektroner fra den ene polen til den andre polen kunne få motoren til å utføre arbeid. Tilsvarende vil elektroner som doneres fra ett molekyl til et molekyl med høyere elektronaffinitet (mer stabilt), avgi 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. Bioenergetikk

22 22 De viktigste elektronbærerne er NADH, NADPH og FADH 2 Koenzymer: Nikotinamid adenin dinukleotid (NAD/NAD + ) Nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADP/NADP + ) Fra vitaminet Niacin (Nikotinsyre / Vitamin B 3 ) Prostetisk gruppe: Flavin adenin dinukleotid (FAD/FAD + ) Fra vitamin riboflavin (Vitamin B 2 ) NAD + + 2e - + 2H + NADH + H + NADP + + 2e - + 2H + NADPH + H + (NAD + reduseres til NADH) (NADP + reduseres til NADPH) FAD + + 2e - + 2H + FADH 2 (FAD + reduseres til FADH 2 )

23 23 De viktigste elektronbærerne er NADH, NADPH og FADH 2 (Framside) (Bakside) 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 Bioenergetikk

24 24 De viktigste elektronbærerne er NADH, NADPH og FADH 2 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 V) avhengig av bindingsstyrke

25 25 Sammendrag Termodynamikkens lover kan anvendes på systemer av levende organismer. Kjemiske reaksjoner er gunstige når den frie energien til produktene er lavere enn den frie energien til reaktantene. Energimessig ugunstige reaksjoner kan gjøres mulig ved å sammenkoble en ugunstig reaksjon med svært gunstige reaksjoner. Oksidasjon/reduksjonsreaksjoner involverer overføring av elektroner fra reduserte organiske molekyler til spesialiserte red/oks kofaktorer. De reduserte kofaktorene kan brukes i biosyntetiske spor eller brukes som energi til ATP syntese. Bioenergetikk

26 26 Stikkord Energi ATP Oksidasjon og reduksjon Massevirkningsloven Elektronbærere

27 27 Det store bildet TCA er en «hub» (sentralstasjon) hvor nedbrytningsreaksjoner (katabolske) konvergerer med oppbygningsreaksjoner (anabolske).

28 28 SIR HANS KREBS Professor i biokjemi (University of Sheffield, ). Vant nobelprisen i medisin/fysiologi i Oppdaget mekanismen for hvordan energi omdannes fra oksidasjon av næringsstoffer i levende celler. Oppdagelsen fikk navnet Krebs syklus eller sitronsyresyklus.

29 29 Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Oksideres og mister e - 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. e - (energien) konserveres som: Denne aerobe prosessen kalles cellulær respirasjon.

30 30 Oksidativ nedbrytning av pyruvat skjer i mitokondriene

31 31 1 Første trinn er omdanning av pyruvat til Acetyl-CoA 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

32 32 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

33 33 Pyruvat dehydrogenase (PDH) 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

34 34 Pyruvat dehydrogenase (PDH) Dekarboksylering Reaktiv thiol-gruppe (-SH) 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. Enzym Prostetisk gruppe Koenzym Vitamin prekursor E1 Tiamin pyrofosfat (TPP) Tiamin (Vit. B 1 ) E2 Lipoat (lipoamid) CoA-SH Pantotensyre (Vit. B 5 ) E3 FAD Riboflavin (Vit. B 2 ) NAD + Niacin (Vit. B 3 )

35 35 Pyruvat dehydrogenase (PDH) oppsummert 1. E1 katalyserer dekarboksylering av pyruvat hydroksyetyl-tpp E2 katalyserer overføring av acetylgruppe til Acetyl-CoA 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 substratkanalisering

36 36 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. Glukose CO 2 Kolesterol og steroider CoA-SH Heme Acetyl- CoA Fettsyrer Ketogene aminosyrer Ketonlegemer Aktivert gruppe for overføring av energi

37 37 Regulering av pyruvat dehydrogenase 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

38 38 1 Lage Acetyl-CoA: Pyruvat AcetylCoA + CO 2 + NADH 2 Oksidere Acetyl-CoA: Acetyl-CoA 2 CO 2 + FADH NADH + GTP

39 39 2 Sitronsyresyklus (TCA-syklus, Krebs syklus) 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.

40 40 Sitronsyresyklus 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 )

41 41 1 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. 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.

42 42

43 43 2 Aconitase omorganiserer sitratmolekylet Sitronsyren (sitrat) binder til et jernsvovelkompleks 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). Reaksjonen er spontan til tross for positiv G 0 pga at isositrat dras inn i neste reaksjon.

44 44

45 45 3 Isositrat dehydrogenase fjerner første CO 2 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 +. 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 +. (Hovedfunksjonen til enzymet som foretrekker NADP + er å generere NADPH til reduktive anabolske prosesser.)

46 46

47 47 4 -ketoglutarat dehydrogenase fjerner andre CO 2 -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

48 48

49 49 5 Ravsyre-CoA syntetase danner GTP 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 (Ravsyre thiokinase) GTP + ADP GDP + ATP G ~ 0 kj/mol Effektiv produksjon av 1 GTP/ATP

50 50

51 51 6 Ravsyre dehydrogenase danner FADH 2 Ravsyre dehydrogenase er det eneste enzymet i Krebs-syklus som ligger bundet i den indre mitokondriemembranen viktig i elektrontransportkjeden (kompleks II). Indre mitokondriemembran Det består av 4 subenheter. A inneholder FAD som oksiderer ravsyre, B inneholder 3 FeSkompleks, som transporterer elektronene fra FADH 2 til Ubiquinon (Coenzym Q 10 ). 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 Kontroversielt i klinisk mitokondriemembranen. sammenheng.

52 52

53 53 7 Fumarase adderer H 2 O Enzymet består av to like subenheter (homodimer), som hver kan binde ett molekyl fumarat. Fumarat hydreres (vann adderes) til L-malat. Stereospesifikt Fumarat

54 54

55 55 8 Malat dehydrogenase danner NADH NAD + 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)

56 56 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)

57 57 Viktigste reguleringsmåter: 1. Tilgjengelighet av substrat 2. Produktinhibering 3. Allosterisk feedback inhibering Regulering av TCA * * 3 (4) eksergone rx:rxn 1, 3 og 4 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 * * *

58 58 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 påfyllingsreaksjoner kalles anaplerotiske reaksjoner. TCA: Cellens sentralstasjon Anaplerotiske reaksjoner

59 59 Det store bildet

60 60 1 Lage Acetyl-CoA: Pyruvat AcetylCoA + CO 2 + NADH 2 Oksidere Acetyl-CoA: Acetyl-CoA 2 CO 2 + FADH NADH + GTP 3 Elektrontransport og oksidativ fosforylering: O 2 + e- + ADP + Pi ATP + H 2 O

61 61 Cellulær respirasjon I oksidativ fosforylering konvergerer degradering av karbohydrater, aminosyrer og fett. Oksideres og mister e - 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. e - (energien) konserveres som:

62 62 Transport av elektroner kan utføre arbeid 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.

63 63 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

64 64 Elektrontransportkjeden P side = positiv side N side = negativ side

65 65 Elektrontransportkjeden e - overføres fra NADH til flavin mononukleotid (FMN), og via FeS bærere til coenzymq (Q) (Kompleks I) e - fra FADH 2 går inn i elektrontransportkjeden på et lavere energinivå (i forhold til kompleks I). e - overføres til cytokromc i kompleks III, og overføres til kompleks IV. e - brukes til slutt til å redusere O 2 til H 2 O 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.

66 66 Kompleks I: NADH-ubiquinon oksidoreduktase (Også kalt NADH dehydrogenase) 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. Inneholder flavin mononukleotid (FMN), Fe-S senter, jern-svovel proteinet N-2 og ubiquinon (Q). NADH + H + + Q NAD + + QH 2 (Eksergon)

67 67 Fra ubiquinon (Q) til Ubiquinol (QH 2 ) 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.

68 68 Kompleks II: Ravsyre dehydrogenase 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. A/B: Forlenging til matrix C/D: Transmembran enhet

69 69 Kompleks III: Cytokrom bc 1 -komplekset 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.

70 70 Kompleks IV: Cytokrom oksidase 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.

71 71 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 Krebssyklus, pumpes 6 protoner ut.

72 72 Elektrontransportkjeden 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.

73 73 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.

74 74 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. F 1 F 0

75 75 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. F 1 ADP + P i ATP + H 2 O G 0 0 kj/mol (!) F 0 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!!!

76 76 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.

77 77 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

78 78 Case 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. 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.

79 79 Mange stoffer kan koble ut elektrontransporten (Inhiberer overføring av e - til jern-svovel senter i kompleks I) Insektmiddel, brukes bl.a mot lakseparasitter (Hemmer oksidasjon av ubiquinol i kompleks III) (Bindes til redusert Fe 2+ i komplex IV)

80 80 Energiutbytte i TCA/elektrontransportkjeden 1 glukosemolekyl: 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 1 NADH 2.5 ATP (2x4x ATP) 1 FADH ATP (2x1x1.5 3 ATP) 1 GTP 1 ATP (2x1x1 2 ATP) 25 ATP

81 81 Hexose katabolisme - Glykolyse Nettoreaksjon: Glukose + 2NAD + + 2ADP + 2P i 2 Pyruvat + 2NADH + 2H + + 2ATP + 2H 2 O 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

82 82 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 Sitronsyresyklus, elektrontransportkjeden : 2,5 ATP. og oksidativ fosforylering

83 83 Glycerol-fosfat shuttle (Muskel og hjerne) 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.

84 84 Nettoreaksjon fra NADH/FADH 2 til O 2 NADH + H + + ½ O 2 H 2 O + NAD + G o = kj/mol FADH 2 + ½ O 2 H 2 O + FAD G o = 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)

85 85 Reduserte koenzymer og ATP fra glykolysen, PDH, TCA og oksidativ fosforylering 5-7 ATP 25 ATP

86 86 Glykolysen omsetter bare litt av energien som fins i glukose Glykolyse G = 146 kj/mol 2 GLUKOSE Full oksidasjon (+ 6 O 2 ) G = 2,840 kj/mol 6 CO H 2 O

87 87 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 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?

88 88 Warburg effekten 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

89 89 Warburg effekten 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).

90 90 Klinisk betydning: Warburg effekten 1) Mål for terapi: a) Hemmere av hexokinase (2- deoxyglukose, lonidamin og 3- brompyruvat) b) Hemmer av tyrosin kinase (Imatinib) lavere syntese av hexokinase CT PET m/isotop merket glukoseanalog Fusjonert bilde (m/ farge) 2) Diagnostikk: Positron emisjons tomografi (PET) kan brukes til å detektere tumorer vha isotopmerket glukoseanalog PET scanning kan detektere områder med høy glykolyseaktivitet.

91 91 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.

92 92 Oppsummering Relevante læringsmål, Biokjemi: beskrive den generelle strukturen til karbohydrater, lipider, aminosyrer og nukleinsyrer, og forklare stoffenes fysikalsk-kjemiske egenskaper ut fra dette gjøre rede for hovedfunksjonene til karbohydrater, lipider, nukleinsyrer og proteiner beskrive nedbrytingen av glykogen, disakkarider, monosakkarider og fettsyrer, og forklare hvordan slik nedbryting er koplet til dannelse av ATP beskrive syntesen av glukose og glykogen 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

93 93 Youtube; ++

94 94 dimethylisoalloxazine H 3 C C H C C FAD: prostetisk gruppe i E3 i PDH N C O C NH 2 e + 2 H + H 3 C C H C C H N C O C NH H 3 C C C H C N CH 2 C N C O H 3 C C C H C N CH 2 C N H C O HC OH HC OH HC HC OH FAD FADH 2 OH O O Adenine HC HC OH OH O O Adenine H 2 C O P O P O Ribose H 2 C O P O P O Ribose O- O- 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. O- O-