Sitronsyresyklus (TCA), elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering

1 Sitronsyresyklus (TA), elektrontransportkjeden og oksidativ fosforylering Medisin stadium IA, Tonje S. Steigedal 2 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 Relevant studiemateriell: Lehninger; Principles of biochemistry, 5 th Ed., Kapittel 16 og 19 Lippincott s; Biochemistry, 5 th Ed., Kapittel 6 og 9 (Baynes; Medical biochemistry, 3 rd Ed., Kapittel ) 1

3 Det store bildet TA er en «hub» (sentralstasjon) hvor nedbrytningsreaksjoner (katabolske) reaksjoner konvergerer med oppbygningsreaksjoner (anabolske). 4 SIR HANS KREBS Professor i biokjemi (University of Sheffield, 1945-1954). Vant nobelprisen i medisin/fysiologi i 1953. Oppdaget mekanismen for hvordan energi omdannes fra oksidasjon av næringsstoffer i levende celler. Oppdagelsen fikk navnet Krebs syklus eller sitronsyresyklus. 2

5 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-oA og kanaliseres inn i sitronsyresyklus (Krebs syklus). Dette gir en fullstendig nedbrytning av pyruvat til H 2 O og O 2. O 2 er den endelige elektronakseptoren. e - (energien) konserveres som: Denne aerobe prosessen kalles cellulær respirasjon. 6 Oksidativ nedbrytning av pyruvat skjer i mitokondriene 3

7 Første trinn er omdanning av pyruvat til Acetyl-oA Under normale aerobe forhold vil det meste av pyruvat dannet i glykolysen transporteres (aktivt) inn i mitokondriene, og oksideres videre gjennom sitronsyresyklus. Det er imidlertid bare acetylgruppen i pyruvat, som går inn i TA, og denne må først kobles på oenzym A (oa / oa-sh), og danne acetyl-oa (=aktivert acetat). Acetylgrupper fra fettsyrer og de fleste aminosyrer kanaliseres også inn i sitronsyresyklus via acetyl-oa. Totalreaksjon for omdanning av pyruvat til Acetyl- oa ved pyruvat dehydrogenase 8 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 disse 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 4

9 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 10 Pyruvat dehydrogenase (PDH) Dekarboksylering Reaktiv thiol-gruppe (-SH) Bindingen mellom oa 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) oa-sh Pantotensyre (Vit. B 5 ) E3 FAD Riboflavin (Vit. B 2 ) NAD + Niacin (Vit. B 3 ) 5

11 Pyruvat dehydrogenase (PDH) oppsummert 1. E1 katalyserer dekarboksylering av pyruvat hydroksyetyl-tpp 2. + 3. E2 katalyserer overføring av acetylgruppe til Acetyl-oA 4. + 5. E3 katalyserer regenerering av disulfid (oksidert) form av lipoat og e - går til 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 12 dimethylisoalloxazine H 3 H 3 H H FAD: prostetisk gruppe i E3 i PDH N N H 2 O N NH O 2 e + 2 H + H 3 H 3 H H H N N H 2 O N H NH O H OH H OH H H OH FAD FADH 2 OH O O Adenine H H OH OH O O Adenine H 2 O P O P O Ribose H 2 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 oksidason/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- 6

13 Regulering av pyruvat dehydrogenase Begge produktene i enzymreaksjonen Acetyl- oa, og NADH, virker inhiberende på 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-oa, ATP og NADH -Hemmes av pyruvat, oa og NAD + Pyruvat dehydrogenase fosfatase -aktiverer PDH -Aktiveres av a 2+. I skjelettmuskulatur frigjøres a 2+ ved trening -Dette aktiverer PDH og energiproduksjonen 5 reaksjoner Intermediatene forlater aldri komplekset (substratkanalisering) Motvirker at andre enzymer stjeler den aktiverte acetylgruppen 14 Acetyl-oenzym A er et nøkkelintermediat i metabolismen Acetyl-oA er et energirikt tioester som produseres fra nedbrytning av både 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-oa omdannes til karbohydrater. Glukose O 2 Kolesterol og steroider oa-sh Aktivert gruppe for overføring av energi Heme Acetyl- oa Fettsyrer Ketogene aminosyrer Ketonlegemer 7

15 Sitronsyresyklus (TA-syklus) Acetyl-oA donerer acetylgruppen inn i sitronsyresyklus, hvor energien i molekylet trekkes ut via en rekke oksidasjons- og dekarboksyleringsreaksjoner (frigjør O 2 ). Energien som frigjøres, fanges hovedsakelig opp i form av de reduserte kofaktorene NADH og FADH 2. Disse benyttes til dannelse av ATP via såkalt oksidativ fosforylering. 16 Sitronsyresyklus (TA-syklus) I sitronsyresyklus doneres 2 karbonatomer inn fra acetyl-oa, og to karbonatomer spaltes av i form av O 2 i hver runde. Karbonatomene som frigjøres i form av O 2 er ikke de samme som blir donert av acetyl-oa. I 4 av 8 reaksjoner er energien fra oksidasjon effektivt konservert i form av reduserte kofaktorer (NADH og FADH 2.) 8

17 1 Sitrat syntase starter syklusen Binding av oksaleddiksyre induserer en stor konformasjonsendring i enzymet (grønn=før binding). Dette åpner et bindingssete for acetyl- oa. Begge molekylene begraves inne i enzymet, og beskyttes mot det ytre løsningen. Dette favoriserer kondensasjonen. Sterkt negativ D 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. 18 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) tilbakeaddering av vann for å danne isositronsyre (isositrat). Reaksjonen er spontan til tross for positiv D G 0 pga at isositrat dras inn i neste reaksjon. 9

19 3 Isositrat dehydrogenase fjerner første O 2 NAD + Dette trinnet er en oksidativ dekarboksylering. Isositrat oksideres til -ketoglutarat, samtidig som O 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.) 20 4 -ketoglutarat dehydrogenase fjerner andre O 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 oa. 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 10

21 5 Succinyl-oA 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 (Succinat thiokinase) GTP + ADP GDP + ATP D G ~ 0 kj/mol Effektiv produksjon av 1 GTP/ATP 22 6 Succinat dehydrogenase danner FADH 2 Indre mitokondriemembran Succinat (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 succinat, B inneholder 3 FeSkompleks, som transporterer elektronene fra FADH 2 til Ubiquinon (oenzym Q 10 ). Ubiquinon transporterer så e - videre til den endelige e - akseptoren - O 2 (vil bli behandlet under oksidativ fosforylering). Subenhet og D forankrer enzymet i den indre Kontroversielt i klinisk mitokondriemembranen. sammenheng. 11

23 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 24 8 Malat dehydrogenase danner NADH NAD + Enzymet katalyserer det siste trinnet i sitronsyresyklus. Oksaleddiksyre som dannes blir imidlertid fort omsatt videre i en ny runde i TA, og nivået av oksaleddiksyre i cellen er derfor svært lavt ( likevekten dras mot høyre) 12

25 TA oppsummert Merk: De to karbonatomene som kommer ut som O 2 er ikke de samme som kom inn via Acetyl-oA. (I succinat og fumarat kan ikke lengre de opprinnelige -atomene fra acetyl-oa identifiseres pga at de er symmetriske molekyler.) Utbytte av 1 runde: 1 FADH 2, 3 NADH (4 medregnet pyruvat Acetyl-oA) og 1 GTP (ATP) 26 13

27 Viktigste reguleringsmåter: 1. Tilgjengelighet av substrat 2. Produktinhibering 3. Allosterisk feedback inhibering Regulering av TA * * 3 (4) eksergone rx:rxn 1, 3 og 4 a) Alle dehydrogenaser [NADH]/[NAD + ] kan inhiberes av massevirkning av NADH i konkurranse med NAD + for å binde seg til enzymet (NAD + er substrat for 3 ulike enzymer) b) Sitrat syntase & -ketoglutarat dehydrogenase Produkt inhibering av sitrat og succinyl-oa, c) Sitrat syntase, Isositrat & -Ketoglutarat dehydrogenase Allosterisk feedback inhibering av NADH og/eller ATP * * * d) Pyruvat dehydrogenase Acetyl oa konkurrerer med oa for å binde seg til E2 28 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. TA: ellens sentralstasjon Anaplerotiske reaksjoner 14

29 ellulær 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: 30 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. 15

31 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 32 Elektrontransportkjeden P side = positiv side N side = negativ side 16

33 Elektrontransportkjeden Elektrontransporten skjer via prostetiske grupper i membranbundne proteiner Direkte overføring av elektroner i.e. Fe 3+ til Fe 2+ Overføring av et hydrogen atom (H = H + + e-) Overføring av et hydrid ion (:H = H + + 2e-) Andre elektronbærere: Ubiquinon (koenzym Q) - hydrofobisk ytokrom (protein med heme-jern) Jern-svovel proteiner (inneholder Fe-S kompleks) 34 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 cytokrom 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. 17

35 Elektronenes vandringsretning Elektronene vandrer mot høyere standard reduksjonspotensiale NADH Q cyt b cyt c 1 cyt c cyt a cyt a 3 O 2 Standard reduksjonspotensiale (E 0 ) er et mål på affinitet for elektroner. Økende E 0 betyr økende elektronaffinitet (reduksjonspotensiale). 36 Kompleks I: NADH-ubiquinon oksydoreduktase (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) 18

37 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. 38 Kompleks II: Succinat dehydrogenase Det eneste proteinet i Krebs syklus som sitter i mitokondriemembranen. 4 ulike subenheter (A-D) og 5 prostetiske grupper (FAD, 3x FeS og Heme b). Elektroner tatt opp fra succinat passerer via FADH 2 og 3 FeS-kompleks til ubiquinon ubiquitinol (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 /D: Transmembran enhet 19

39 Kompleks III: ytokrom bc 1 -komplekset Dimer av 11 identiske monomerer. Hver monomer har 3 subenheter: 4H + (Hulrom) cytokrom b (grønn) med 2 heme (b H og b L ) Rieske jern-svovel protein (lilla) med 2Fe-2S senter cytokrom c1 (blå) med heme To e - overføres fra ubiquinol (QH 2 ) til to ulike FeS kompleks inne i proteinet. Derfra følger en komplisert overføring via cytokrom b og cytokrom c 1, før de to elektronene overføres til to molekyler cytokrom c, som sitter løst bundet på overflaten ut mot intermembranrommet. Under denne prosessen pumper kompleks III 4 protoner ut til intermembranrommet. 40 Kompleks III: ytokrom bc 1 -komplekset Komplekset har 2 bindingsseter for ubiquinon: Q N og Q P e - overføres fra: QH 2 ytokrom b cytokrom c 1 cytokrom c Redusert cytokrom flyter løst rundt i intermembranrommet og forflytter seg til kompleks IV. 20

41 Kompleks IV: ytokrom 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. 42 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 succinat-trinnet i Krebssyklus, pumpes 6 protoner ut. 21

43 Akkumulering av protoner genererer en kjemiosmotisk gradient Både forskjellen i protonkonsentrasjonen og ladningsforskjellen bidrar til denne gradienten, og utgjør en kraft som er i stand til å utføre arbeid. 44 Kjemiosmotisk modell 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. 22

45 Gradienten er koblet til ATP-syntese 46 23

47 Oksidativ fosforylering siste del ATP syntase (kompleks V) Regulering av oksidativ fosforylering Diverse case Energiutbytte Malat-Aspartat og Glycerol-fosfat shuttle Karbohydratmetabolisme og kreft 48 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 24

49 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 D G 0 0 kj/mol (!) F 1 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. 50 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. 25

51 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 TA) 3. Øker hastigheten av glykolysen slik at det dannes mer pyruvat 52 ase En 45-årig kvinne kommer til legen og klager over at hun er sliten. Hun er blek og forteller at hun har lange og kraftige menstruasjonsperioder. Kvinnen er vegetarianer. Funn: Hematokrittverdien (andel av blodets volum som utgjøres av de røde blodcellene) er 0.32 (ref.: 0.41-0.46) og hemoglobinverdien er 9.0 g/dl (ref.: 12.0-16.0 g/dl). Kommentar: Kvinnen lider av jernmangel (anemi). Dette er en vanlig tilstand og spesielt hos menstruerende og gravide kvinner. Anbefalt daglig inntak av jern: menn ca 1 mg/dag, menstruerende kvinner ca 2 mg/dag og gravide ca 3 mg/dag. Jern trengs av flere grunner: 1. Opprettholde normalt hemoglobinnivå 2. Opprettholde cytokromnivå 3. Opprettholde normale nivå av jern-svovel komplekser i elektrontransportkjeden Alle disse prosessene blir påvirket av jernmangel. Heme-jern finnes i rødt kjøtt og taes opp mye lettere enn uorganisk jern fra egg, grønnsaker og nøtter. 26

53 ase 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 40.8⁰, puls på 151, respirasjonsrate på 56/min, blodtrykk 40/10. Kommentar: Kvinnen døde etter 15 min og kunne ikke gjenopplives. Temp økte til 46 ⁰ 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. ellene dør pga høy temperatur og mangel på ATP. 54 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) Brukes mot sopp, insekter og midd (Bindes til redusert Fe 2+ i komplex IV) 27

55 Energiutbytte i TA/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 (2x4x2.5 20 ATP) 1 FADH 2 1.5 ATP (2x1x1.5 3 ATP) 1 GTP 1 ATP (2x1x1 2 ATP) 25 ATP 56 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 28

57 Malat-aspartat shuttle (Lever, nyre og hjerte) Elektroner fra NADH i cytosol overføres til matrix via malataspartat shuttle. NADH gjendannes i matrix. Om lag 2.5 ATP kan dannes fra disse to e -. Netto resultat: Overføring av to e - og ett proton til mitokondriematriks, bundet til NADH og klar til videreførsel til elektrontransportkjeden. 58 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). 29

59 Nettoreaksjon fra NADH/FADH 2 til O 2 NADH + H + + ½ O 2 H 2 O + NAD + D G o = - 220 kj/mol FADH 2 + ½ O 2 H 2 O + FAD D 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 Overføring av to elektroner fra FADH 2 til O 2 medfører utpumping av 6 protoner => dannelse av 1,5 ATP 60 Reduserte koenzymer og ATP fra glykolysen, PDH, TA og oksidativ fosforylering 5-7 ATP 25 ATP 30

61 Energiutbytte anaerob glykolyse vs aerob TA/Oksidativ fosforylering Ved anaerobe forhold vil det kun bli dannet 2 ATP via glykolysen (NADH blir ikke omsatt i TA). Ved aerobe forhold vil det kunne bli dannet 30-32 ATP via TA/oksidativ fosforylering. Mye mer energieffektivt å bryte ned glukose fullstendig til O 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? 62 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 31

63 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). 64 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 T 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. 32

65 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. 66 Oppsummering 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/TA/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 33