Citronsyracykeln och ATPsyntes PDF

Citronsyracykeln och ATP-syntes Hur får vi energi?  ATP – Adenosine triphosphate ATP kallas vanligtvis för cellens "energivaluta", eftersom den lagrar mycket energi i dess O-P bindningar i fosfatgrupperna. Dessa bindningen (och med dess energi) lätt kan frigöras i...

Citronsyracykeln och ATP-syntes Hur får vi energi?  ATP – Adenosine triphosphate ATP kallas vanligtvis för cellens "energivaluta", eftersom den lagrar mycket energi i dess O-P bindningar i fosfatgrupperna. Dessa bindningen (och med dess energi) lätt kan frigöras i olika biologiska processer. Förutom att ge energi, tjänar nedbrytningen av ATP genom hydrolys ett brett spektrum av cellfunktioner, inklusive signalering och DNA/RNA-syntes. ATP à ADP (ATP-hydrolys) reaktionen är exergon: ATP + H2O ➝ ADP + HOPO32– + H+ DG = –30.5 kJ/mol ADP à ATP (ADP-fosforylering) är endergon: ADP + HOPO32– + H+ à ATP + H2O DG = +30.5 kJ/mol Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 2 Andra energirika föreningar… Men här ska vi fokusera på den huvudsakliga produktionen av ATP (nygenerering av ATP från ADP) i cellen Vad som behövs och kort hur det går till. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 3 Vad är vi i cellen? I mitokondrien finner vi citronsyra cykeln (matrix) och den oxidativa fosforyleringen som är kopplad till ATP-syntesen (inre mitokondrie membranet) Innre membranet är inte permiabelt ens för små joner, utan har specifika transportörer. Yttre mitokondrie membrandet är mer permiablelt för mindre molekyler Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 4  Från cytosol till mitokondrie Glykolysen (i cytosolen) kommer bla att ge upphov till 2 st pyruvat per glukosmolekyl. För fullständig oxidation av glukos, så behöver pyruvatet att gå in i mitokondrien och bilda Acetyl- CoA. Detta sker under aeroba förhållanden Under anaeroba förhållanden så kan pyruvat bilda laktat och med det generera viss energi. Detta sker i cytosolen. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 5  Pyruvat till Acetyl-CoA under aeroba förhållanden! Pyruvat går över det yttre mitokondriella membranet, och vidare via ett transportprotein in i matrix. I matrix så katalyseras den oxidativa dekarboxyleringen av pyruvate till Acetyl-CoA mha pyruvate dehydrogenas komplexet. Ett stort enzyme complex med flera subenheter. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 6  Citronsyracykeln Citronsyracykeln, TCA-cykeln, Krebs cykeln. Cyklisk process där inkommande Acetyl-CoA (en två-kolsförening) succisivt oxideras ner till 2 st CO2. Via många exergona reaktioner. Elektronmottagarna är NAD+ (3st) och FAD+ (1st) som reduceras till NADH och FADH2 Övrig energi från nerbrytningen av Acetyl-CoA gör att en fosforylering av GDT blir till GTP Per cykel genereras: 3st NADH, 1st FADH2 , 1 st GTP och 2 st CO2. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 7  Citronsyracykeln Steg 1: Kondensation av Oxaloacetat och Acetyl-CoA bildar Citrat. Steg 2: Isomerering av Citrat till Isocitrat Steg 3: Oxidativ dekarboxylering av Isocitrat till a- ketoglutarat. CO2 avges och NAD+ reduceras till NADH Steg 4: Oxidativ dekarboxylering av a-ketoglutarat och addition av CoA för att bilda succinyl-CoA. CO2 avges och NAD+ reduceras till NADH Steg 5: Hydrolys av succinyl-CoA - fritt CoASH – GDT till GTP Steg 6: Oxidation av Succinat till Furmarat. FAD reduceras till FADH2 Steg 7: Hydration av Furmarat för att bilda Malat Steg 8: Oxidation av malat till oxaloacetat. NAD+ reduceras till NADH Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 8 Citronsyracykeln NAD+ NADH CO2 NAD+ NADH CO2 GDP GTP FAD+ FADH2 NAD+ NADH Reducerade NADH går vidare till elektrontransportkedjan där elektronerna överförs i komplex I. I komplex II så först elektronerna direkt från det reducerade FADH2 då enzymet Succinat dehydrogenas är en del av komplex II. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 9 NADH och FADH2 NADH FADH2 Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 10 ”Påfyllnads reaktioner” Citronsyracykeln fungerar även som en anabol metabol väg då den bidrar med metaboliter för tex aminosyra-syntes Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 11 Elektrontransportkedjan Ibland kallad ”andningskedjan”, då den är beroende av syre. De reducerade elektronbärarna blir oxiderade och elektronerna vandrar mellan komplexen. Denna dessa redox-steg ger energi till att driva pumpning av protoner från matrix till ”innermembrane space” (IM) Denna protongradient driver sedan den oxidativa fosforyleringen (ATP- produktionen) Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 12 Elektrontransportkedjan (ETC) Beroende på typ av elektronbärare, så kommer e- in i ETC antingen genom: Komplex I (NADH-dehydrogenas) där NADH oxideras till NAD+. Energin från denna reaktion och när 2 e- förflyttas genom komplexet, driver 4 protoner att pumpas över från matrix till intermembrane space. Eller via komplex II (succinat- dehydrogenase) där FADH2 (som är en kofaktor för succinatdehydrogenase i TCA) oxideras till FAD. (Här sker dock ingen protontransport!) De oxiderade elektronbärarna kan nu återigen användas för reaktioner i TCA Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 13 Elektrontransportkedjan (ETC) Ubiquinin (Coenzym Q10) är har en lång isoprenoid-sidokedja (hydrofob) och kan med detta förflytta sig inom IMM. Den kan ta emot elektroner från både komplex I och komplex II. Ubiquinin (Q , ox) till Ubiquinol (QH2 , red) – tvåstegs reaktion. Elektronerna förflyttas till Komplex III, där ytterligare 4 protoner transporteras från matrix till intermembrane space. Cytokrom C för sedan vidare e- en och en) till Komplex IV. I komplex IV så sker den slutgiltiga elektronöverförningen, där syre (O2) agerar elektronmottagare och reduceras till H2O. OBS – protonpumpningen på bilden Samtidigt så pumpas 2 H+ över IMM. representerar hur många protoner som pumpas över var komplex per 2 st e-. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 14 Elektrontransportkedjan (ETC) Elektronerna ”transporteras” egentligen inte bara genom komplexen, utan det olika prosteriska grupper i proteinerna som innehåller järn-svavel komplex eller kopparjoner som reduceras och oxideras mha de inkommande e-. Var komplex kommer vara lägre i energi än det föregående. Detta pga att energin driver protonpumpningen över IMM, vilken går mot koncentrationsgradienten av protoner. Pilen representerar energin som genereras Karolinska Institutet - a medical university för protonpumpningen 03/11/2024 15 Kemiosmotiska modellen Vi har nu byggt upp en protongradient (både en pH-gradient och membranpotential skillnad) Denna elektrokemiska gradient kommer att utgöra sk ”proton-motive force” vilken kommer att driva ATP-syntesen Kemiosmotiska modellen är elektrontransportkedjan och den oxidativa fosforyleringen (med ATP- syntas) där energin från de reducerade elektronbärarna gör så att en proton gradient byggs upp, vilken sedan driver ATP-syntesen från ADP Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 16 Oxidativfosforylering – ATP-syntas ATP-syntas är ett proteinkomplex med en F0 och en F1 enhet. F0 fungerar som en protonkanal där H+ faller igenom F1 har den katalytiska ytan. IMSp När protonerna går igenom F0 så leder det till en F0 konformationsändring (en rotation) i F1 så att ADP och Pi kan binda in och att en kondensationsreaktion kan ske Matrix och bilda ATP F1 Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 17 Elektronbärare Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 18 Transport av ATP och ADP Adenine Phosphate ATP syntas translocase Antiportsystem för ATP ur matrix och nucleotid translocase (symport) ADP in i matrix. (antiport) ADP3- H2PO4 - ATP4- H+ Inner membrane H+ space Symport av fosfatjoner tillsammans med proton för att få in Pi Matrix ATP4- H2PO4 - H+ ADP3- H+ Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 19 Reducerade elektronbärare i cytoplasman? NADH har inga riktiga ”egna” transportörer utan för att få in elektroner till andningskedjan från cytoplasman används framförallt två shuntar. Malat-aspartat-shunten Glycerol-3-fosfat-shunten (njure, hjärta, lever) (skelettmuskulatur och hjärna) Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 20 Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 21