Elektron Transportasi dan Fosforilasi oksidatif

Sebagian besar energi bebas dilepaskan selama oksidasi glukosa menjadi CO2 dipertahankan dalam koenzim tereduksi NADH dan FADH2 dihasilkan selama glikolisis dan siklus asam sitrat. Selama respirasi, elektron dilepaskan dari NADH dan FADH2 dan akhirnya akan ditransfer ke O2, membentuk H2O menurut reaksi keseluruhan berikut:

Nilai-nilai? G 'untuk reaksi-reaksi eksergonik kuat adalah -52,6 kkal / mol (NADH) dan -43,4 kkal / mol (FADH2). Ingat bahwa konversi satu molekul glukosa menjadi CO2 melalui jalur glikolisis dan siklus asam sitrat menghasilkan 10 NADH dan FADH2 2 molekul (lihat Tabel 16-1). Oksidasi ini koenzim tereduksi memiliki keseluruhan? G 'dari -613 kkal / mol [10 (-52,6) + 2 (-43,4)]. Dengan demikian, yang hadir energi potensial gratis di ikatan kimia glukosa (-680 kkal / mol), sekitar 90 persen adalah kekal dalam koenzim tereduksi.

Energi bebas yang dilepaskan selama oksidasi dari NADH tunggal atau molekul FADH2 oleh O2 cukup untuk mendorong sintesis beberapa molekul ATP dari ADP dan Pi, reaksi dengan ? G 'dari +7,3 kkal / mol. Themitochondrion memaksimalkan produksi ATP dengan mentransfer elektron dari NADH dan FADH2 melalui serangkaian pembawa elektron semua kecuali satu dari yang merupakan komponen integral dari membran dalam. Transfer ini langkah-demi-langkah elektron melalui rantai transpor elektron (juga dikenal sebagai rantai pernapasan) memungkinkan energi bebas di NADH dan FADH2 akan dirilis sedikit demi sedikit. Pada beberapa situs selama transpor elektron dari NADH ke O2, proton dari matriks mitokondria diangkut menanjak melintasi membran mitokondria dan bentuk gradien proton konsentrasi di atasnya (Gambar 16-17). Karena membran luar secara bebas permeabel terhadap proton, pH matriks mitokondria lebih tinggi (yaitu, konsentrasi proton lebih rendah) dibandingkan dengan sitosol dan ruang intermembrane. Potensial listrik melintasi membran dalam juga hasil dari menanjak pemompaan proton bermuatan positif keluar dari matriks, yang menjadi negatif sehubungan dengan ruang intermembrane. Dengan demikian energi bebas dilepaskan selama oksidasi NADH atau FADH2 disimpan baik sebagai potensial listrik dan gradien konsentrasi proton - kolektif, kekuatan proton-motif - melintasi membran dalam. Pergerakan proton kembali melintasi membran dalam, didorong oleh kekuatan ini, digabungkan dengan sintesis ATP dari ADP dan Pi oleh kompleks F0F1 (lihat Gambar 16-9).

Gambar 16-17

Stepwise aliran elektron melalui rantai transpor elektron dari NADH, suksinat, dan FADH2 ke O2 (biru panah). Masing-masing dari empat kompleks multiprotein besar dalam rantai terletak di (more. ..)

Sintesis ATP dari ADP dan Pi, didorong oleh perpindahan elektron dari NADH atau FADH2 ke O2, adalah sumber utama ATP dalam sel nonphotosynthetic aerobik. Banyak bukti menunjukkan bahwa dalam mitokondria dan bakteri proses ini, disebut fosforilasi oksidatif, tergantung pada generasi dari sebuah proton gradien elektrokimia (yaitu, proton-kekuatan pendorong) melintasi membran dalam, dengan transpor elektron, proton memompa, dan pembentukan ATP terjadi secara bersamaan. Di laboratorium, misalnya, penambahan O2 dan oxidizablesubstrate seperti piruvat atau suksinat untuk terisolasi hasil mitokondria utuh dalam sintesis ATP bersih jika membran mitokondria utuh. Di hadapan jumlah menit deterjen yang membuat membran bocor, oksidasi dari metabolit oleh O2 masih terjadi, tapi tidak ada ATP dibuat. Dengan kondisi tersebut, tidak ada proton transmembran konsentrasi gradien atau potensial membran listrik dapat dipertahankan.

Dalam bagian ini pertama-tama kita membahas besarnya kekuatan proton-motif, maka komponen rantai transpor elektron dan translokasi proton melintasi membran dalam. Selanjutnya kita menggambarkan struktur kompleks F0F1 dan bagaimana menggunakan kekuatan proton-motif untuk mensintesis ATP. Pada bagian terakhir, kita mempertimbangkan bagaimana oksidasi mitokondria dari NADH dan FADH2 dikendalikan untuk memenuhi kebutuhan sel untuk ATP.

Pergi ke:

Pergi ke:

Angkatan Proton-Motif di Mitokondria Apakah Karena Sebagian besar ke Gradient Tegangan seluruh Membran batin

Seperti yang telah kita lihat, kekuatan proton-motif (PMF) adalah jumlah dari konsentrasi proton transmembran (pH) gradien dan potensial listrik, atau gradien tegangan.

Pengguna Popper kontrol antarmuka berikut mungkin tidak dapat diakses. Tab ke tombol berikutnya untuk kembali kontrol ke versi diakses.

Hancurkan kontrol antarmuka pengguna

Pengguna Popper kontrol antarmuka berikut mungkin tidak dapat diakses. Tab ke tombol berikutnya untuk kembali kontrol ke versi diakses.

Hancurkan kontrol antarmuka pengguna * Kontribusi relatif dari dua komponen ke PMF keseluruhan tergantung pada permeabilitas ion membraneto selain + H. Sebuah gradien tegangan yang signifikan dapat berkembang hanya jika membran yang kurang permeabel terhadap kation lain dan anion, seperti membran mitokondria bagian dalam. Dalam kasus ini, gradien tegangan berkembang (yaitu, kelebihan ion H + pada wajah intermembrane dan anion berlebih pada wajah sitosol) segera mencegah gerakan proton lanjut, sehingga hanya gradien pH kecil dihasilkan. Sebaliknya, gradien pH yang signifikan dapat berkembang hanya jika membran juga permeabel terhadap anion utama (misalnya, Cl-), atau jika proton dipertukarkan selama kation (misalnya, K +). Dalam kedua kasus, gerakan proton tidak menyebabkan gradien tegangan melintasi membran karena selalu ada konsentrasi yang sama ion positif dan negatif pada setiap sisi membran. Ini adalah situasi di membran tilakoid kloroplas selama fotosintesis, seperti yang kita bahas nanti. Dibandingkan dengan kloroplas, kemudian, sebagian besar dari PMF dalam mitokondria adalah karena potensial membran listrik, dan gradien pH yang sebenarnya lebih kecil.

Karena perbedaan dari satu unit pH merupakan selisih sepuluh kali lipat dalam konsentrasi H +, gradien pH dari satu unit melintasi membran adalah setara dengan potensial listrik dari 59 mV (pada 20 C). Dengan demikian kita dapat mendefinisikan kekuatan proton-motif, PMF, sebagai

di mana R adalah tetapan gas dari 1.987 kal / (derajat mol), T adalah temperatur (dalam derajat Kelvin), adalah konstanta Faraday [23.062 kal / (V mol)], dan adalah potensial listrik transmembran; dan PMF diukur dalam milivolt. Pengukuran pada respiring mitokondria telah menunjukkan bahwa potensi listrik () melintasi membran batin adalah 160 mV (negatif di dalam matriks) dan pH yang 1,0 (setara dengan 60 mV). Dengan demikian PMF total 220 mV, dengan potensi transmembran listrik bertanggung jawab untuk sekitar 73 persen.

Karena mitokondria jauh terlalu kecil untuk tertusuk dengan elektroda, potensi listrik dan gradien pH melintasi membran mitokondria tidak dapat ditentukan dengan pengukuran langsung. Dengan menjebak neon pH-sensitif pewarna dalam vesikel yang terbentuk dari membran mitokondria bagian dalam, peneliti dapat mengukur pH dalam selama fosforilasi oksidatif. Potensi listrik dapat ditentukan dengan menambahkan radioaktif K + (42K +) ion dan jumlah jejak valinomisin (K + ionofor) untuk suspensi respiring mitokondria. Meskipun membran dalam biasanya kedap K +, valinomisin adalah lipid-solublepeptide yang selektif dapat mengikat + K di pedalaman hidrofilik dan membawanya melintasi membran kedap sebaliknya. 42K + akan menyeimbangkan melintasi membran sesuai dengan potensi listrik, sisi yang lebih negatif matriks membran dalam, yang lebih + 42K akan terakumulasi. Dengan demikian, konsentrasi radioaktif + ion K dalam matriks dan sitosol diukur setelah kesetimbangan tercapai. Dari measured42K + matrix: 42K + rasio sitosol, E potensial listrik (dalam mV) melintasi membran dalam dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Nernst (Persamaan 15-5). Ketika jumlah jejak valinomisin dan kalium radioaktif (42K +) ion ditambahkan ke suspensi respiring mitokondria, hasil fosforilasi oksidatif dan sebagian besar tidak terpengaruh. Ion + 42K menumpuk di dalam mitokondria dalam suatu Kmatrix: rasio Kcytosol dari sekitar 500. Dengan mengganti nilai ini dalam persamaan Nernst,

kita dapat melihat bahwa potensi listrik melintasi membran batin adalah 160 mV, dengan bagian dalam negatif.

Pergi ke:

Pergi ke:

Transportasi Elektron dalam Mitokondria Apakah Ditambah dengan Translokasi Proton

Seperti disebutkan sebelumnya, gerakan bertahap elektron dari NADH dan FADH2 ke O2 melalui serangkaian pembawa elektron digabungkan ke translokasi proton dari matriks mitokondria ke ruang intermembrane. Gerakan proton menghasilkan kekuatan proton-motif yang secara langsung kekuatan sintesis ATP. Bahwa elektron transportfrom NADH (atau FADH2) ke O2 digabungkan untuk transportasi proton melintasi membran ditunjukkan oleh percobaan digambarkan pada Gambar 16-18. Begitu O2 ditambahkan ke suspensi mitokondria, media luar mitokondria menjadi asam. Selama transpor elektron dari NADH ke O2, proton mentranslokasi dari matriks ke ruang intermembrane, karena membran luar secara bebas permeabel terhadap proton, pH media luar diturunkan sebentar. Perubahan diukur dalam pH menunjukkan bahwa 10 proton diangkut keluar dari matriks untuk setiap pasangan elektron ditransfer dari NADH ke O2.

Gambar 16-18

Eksperimental demonstrasi yang transpor elektron dari NADH atau FADH2 ke O2 digabungkan untuk transportasi proton melintasi membran. Jika sumber elektron untuk respirasi, seperti NADH, (more. ..)

Ketika percobaan ini diulang dengan suksinat bukan NADH sebagai substrat berkurang, media luar mitokondria lagi menjadi asam, tapi kurang begitu. Ingat bahwa oksidasi suksinat untuk fumarat dalam siklus asam sitrat menghasilkan FADH2 (lihat Gambar 16-12). Karena FADH2 transfer elektron ke rantai transpor elektron pada suatu titik lebih dari NADH tidak, pengangkut elektron dari FADH2 (atau suksinat) hasil dalam translokasi proton lebih sedikit dari matriks, dan dengan demikian perubahan kecil dalam pH (lihat Gambar 16-17).

Pergi ke:

Pergi ke:

Elektron Arus dari FADH2 dan NADH ke O2 melalui Seri Kompleks multiprotein

Kami sekarang memeriksa lebih dekat gerakan penuh semangat disukai elektron dari NADH dan FADH2 koenzim ke akseptor elektron akhir, O2. Dalam respiring mitokondria, setiap molekul NADH melepaskan dua elektron ke rantai transpor elektron, elektron ini pada akhirnya mengurangi satu atom oksigen (setengah dari O2molecule an), membentuk satu molekul air:

Seperti elektron bergerak dari NADH ke O2, penurunan potensi mereka dengan 1,14 V, yang sesuai dengan 26,2 kkal / mol elektron ditransfer, atau 53 kkal / mol untuk sepasang elektron. Sebagian besar energi ini kekal pada tiga tahap transpor elektron oleh pergerakan proton melintasi membran mitokondria bagian dalam dari matriks ke ruang intermembrane (lihat Gambar 16-17).

Pembawa elektron yang paling mitokondria terdiri dari kelompok-kelompok palsu, seperti flavin, heme, besi-sulfur, dan tembaga, terikat untuk empat kompleks multiprotein, yang masing-masing mencakup membran mitokondria bagian dalam (Gambar 16-19). Tabel 16-2 berisi daftar kelompok prostetik di setiap kompleks multiprotein. Sebelum mempertimbangkan fungsi dari setiap kompleks, kita melihat rinci pada beberapa operator individu dalam rantai transpor elektron.

Gambar 16-19

Jalur transportasi elektron (panah biru) dan proton transportasi (merah panah) dalam membran mitokondria bagian dalam. Terikat masing-masing kompleks transpor elektron beberapa (more. ..)

Tabel 16-2

Elektron Transport Rantai.

Kluster zat besi sulfur, Fe2S2 dan Fe4S4, adalah nonheme prostetik kelompok yang terdiri dari atom Fe terikat baik untuk atom anorganik S dan atom empat S pada residu sistein pada protein (Gambar 16-20). Beberapa atom Fe di cluster menanggung biaya +2 sementara yang lain memiliki muatan +3. Namun, muatan bersih setiap atom Fe sebenarnya antara +2 dan +3, karena elektron dalam orbit terluar yang tersebar di antara atom Fe dan bergerak cepat dari satu atom ke yang lain. Besi-belerang cluster menerima dan melepaskan elektron satu per satu waktu, elektron tambahan juga tersebar di semua atom Fe di cluster.

Gambar 16-20

Tiga-dimensi struktur dari beberapa besi-sulfur dalam elektron-mengangkut protein: (a) dimer (Fe2S2) cluster, (b) tetrameric (Fe4S (more. ..)

Para sitokrom adalah protein kovalen terkait dengan molekul heme, besi-mengandung prostetik kelompok mirip dengan yang di hemoglobin atau mioglobin. Transpor elektron terjadi oleh oksidasi dan pengurangan atom Fe di pusat heme:

Dalam rantai transpor elektron, elektron bergerak melalui sitokrom dalam urutan sebagai berikut:, b566 b562, c1, c, a, dan a3 (lihat Gambar 16-19). Para sitokrom berbagai memiliki kelompok heme yang sedikit berbeda dan ligan aksial, yang menghasilkan lingkungan yang berbeda untuk ion Fe (Gambar 16-21). Oleh karena itu, masing-masing sitokrom memiliki potensi differentreduction, atau kecenderungan untuk menerima elektron - properti yang penting mendikte aliran elektron searah sepanjang rantai. Karena cincin heme dalam sitokrom terdiri dari bolak-atom ganda dan tunggal terikat, sejumlah besar bentuk resonansi yang ada, dan elektron ekstra terdelokalisasi ke karbon heme dan atom nitrogen serta ion Fe.

Gambar 16-21

Heme prosthetic kelompok pernapasan-rantai sitokrom di mitokondria. Perhatikan perbedaan substituen pada cincin porfirin. Hemes menerima dan melepaskan satu elektron pada suatu waktu.

Coenzyme Q (coq), juga disebut ubiquinone, adalah pembawa elektron-satunya yang bukan protein-bound prostetik kelompok. Ini adalah pembawa atom hidrogen (proton ditambah elektron). Bentuk kuinon teroksidasi coq dapat menerima elektron tunggal untuk membentuk semiquinone, dan kemudian elektron kedua dan dua proton untuk membentuk bentuk sepenuhnya berkurang, dihydroubiquinone (Gambar 16-22). Baik coq dan CoQH2 bentuk tereduksi yang larut dalam difus phospholipidsand bebas dalam membran mitokondria bagian dalam. Coq menerima elektron dilepaskan dari NADH-coq reduktase kompleks dan suksinat-coq reduktase kompleks (lihat Gambar 16-17).

Gambar 16-22

Struktur koenzim Q (coq), juga disebut ubiquinone, menggambarkan kemampuannya untuk membawa dua proton dan dua elektron. Ditemukan di membran bakteri dan mitokondria, coq adalah (more. ..)

NADH-coq Reduktase Complex

Elektron yang dibawa dari NADH ke coq oleh NADH-coq reduktase kompleks. NAD + adalah eksklusif pembawa dua-elektron: ia menerima atau melepaskan sepasang elektron pada suatu waktu. Dalam NADH-coq reduktase kompleks, aliran elektron pertama dari NADH ke FMN (flavin mononukleotida), kofaktor yang berhubungan dengan FAD, dan kemudian ke protein besi-sulfur (lihat Gambar 16-19). FMN, seperti FAD, dapat menerima dua elektron, tetapi tidak jadi satu elektron pada suatu waktu (lihat Gambar 16-8).

Reaksi keseluruhan dikatalisis oleh kompleks ini adalah

Setiap elektron diangkut mengalami penurunan potensi 360 mV, setara dengan? G a 'dari -16,6 kkal / mol untuk dua elektron diangkut (lihat Gambar 16-17). Banyak dari energi yang dilepaskan digunakan untuk mengangkut empat proton melintasi membran dalam per molekul NADH teroksidasi oleh NADH-coq reduktase kompleks, tapi bagaimana thisprotein transportasi terjadi tidak tahu.

Suksinat-coq Reduktase Complex

Seperti disebutkan sebelumnya, dehidrogenase suksinat, enzim yang mengoksidasi molekul suksinat untuk fumarat dalam siklus asam sitrat, terlokalisir pada membran mitokondria bagian dalam (lihat Gambar 16-12, langkah 7). Sebenarnya, enzim ini merupakan komponen integral dari kompleks reduktase suksinat-coq. Kedua elektron dirilis pada konversi suksinat untuk fumarat ditransfer pertama FAD, kemudian ke pembawa besi-sulfur, dan akhirnya ke coq, membentuk CoQH2 berkurang (lihat Gambar 16-19). Reaksi keseluruhan dikatalisis oleh kompleks ini adalah

Meskipun ? G 'untuk reaksi ini adalah negatif, energi yang dilepaskan tidak cukup untuk memompa proton. Dengan demikian tidak ada proton translokasi melintasi membran oleh-suksinat coq reduktase yang kompleks, dan tidak ada kekuatan proton-motif yang dihasilkan dalam bagian dari rantai transpor elektron.

CoQH2-sitokrom c Reduktase Complex

Mengurangi CoQH2, yang dihasilkan oleh salah satu oksidasi NADH atau suksinat, menyumbang dua elektron ke CoQH2 - sitokrom c reduktase kompleks, regenerasi teroksidasi coq. Dalam kompleks ini elektron dirilis ditransfer ke protein besi-belerang dan dua b-jenis sitokrom, kemudian ke sitokrom c1. Akhirnya, dua elektron ditransfer ke dua molekul dari bentuk teroksidasi dari sitokrom c (larut dalam air intermembrane-space protein), membentuk berkurang sitokrom c (lihat Gambar 16-19). Untuk setiap pasangan elektron yang ditransfer, reaksi keseluruhan dikatalisis oleh CoQH2 - sitokrom c reduktase kompleks

The ? G 'untuk reaksi ini cukup negatif bahwa empat proton translokasi dari matriks mitokondria melintasi membran batin untuk setiap pasangan elektron yang ditransfer, ini melibatkan siklus proton-motif Q dibahas nanti.

Sitokrom c oksidase Kompleks

Sitokrom c, setelah dikurangi oleh CoQH2 - c sitokrom reduktase kompleks, mengangkut elektron, satu per satu, ke kompleks oksidase sitokrom c (Gambar 16-23). Dalam kompleks ini, elektron ditransfer, lagi satu per satu, pertama sepasang ion tembaga (cua2 +), kemudian ke sitokrom, kemudian ke sebuah kompleks dari ion tembaga kedua (Cub2 +), dan a3 sitokrom, dan akhirnya ke O2, akseptor elektron akhir, menghasilkan H2O. Untuk setiap pasangan elektron yang ditransfer, reaksi keseluruhan dikatalisis oleh kompleks oksidase sitokrom c adalah

Selama transportasi dari setiap pasangan elektron melalui kompleks oksidase sitokrom c, dua proton translokasi melintasi membran.

Gambar 16-23

Molekul struktur inti dari kompleks oksidase sitokrom c dalam membran mitokondria bagian dalam. Mitokondria sitokrom coxidases mengandung 13 (more. ..)

Pergi ke:

Pergi ke:

Coq dan c sitokrom Elektron Shuttle dari Satu Kompleks Elektron Transportasi ke lain

Masing-masing dari empat kompleks transpor elektron hanya dijelaskan lateral mobile di mitochondrialmembrane batin. Kompleks yang hadir dalam jumlah nonequal: untuk setiap kompleks reduktase NADH-coq, ada sekitar tiga CoQH2 - sitokrom c reduktase kompleks dan tujuh sitokrom c oksidase kompleks. Selain itu, ada tidak muncul untuk menjadi kontak stabil antara dua kompleks, melainkan elektron yang diangkut dari satu kompleks ke yang lain hanya dengan difusi coq dan sitokrom c, yang bertindak sebagai angkutan elektron (lihat Gambar 16-19). Karena coq lipid-larut, dapat menyebar di membran, elektron bolak dijemput dari NADH-coq reduktase dan suksinat-coq reduktase kompleks ke CoQH2 - kompleks reduktase cytochromec. Setelah teroksidasi sitokrom c mengambil elektron dari CoQH2 - kompleks creductase sitokrom, berdifusi pembawa berkurang dalam ruang intermembrane sampai bertemu dengan sebuah kompleks coxidase sitokrom, untuk yang menyumbangkan elektron. Aliran elektron mitokondria, dalam ringkasan, tidak menyerupai arus listrik melalui kawat, dengan masing-masing elektron mengikuti yang sebelumnya. Sebaliknya, elektron akan dijemput oleh kapal induk, satu atau dua pada satu waktu, dan kemudian diteruskan ke operator berikutnya dalam jalur tersebut.

Pergi ke:

Pergi ke:

Pengurangan Potensi Carriers Elektron Favor Arus Elektron dari NADH ke O2

Seperti kita lihat dalam Bab 2, E potensial reduksi untuk reaksi reduksi parsial

adalah ukuran dari konstanta kesetimbangan reaksi parsial. Dengan pengecualian dari sitokrom b di CoQH2 - sitokrom c reduktase kompleks, E'0 reduksi standar potensi operator dalam rantai transpor elektron mitokondria meningkat terus dari NADH ke O2.

Misalnya, untuk reaksi parsial

nilai dari potensial reduksi standar -320 mV, yang setara dengan ? G 'dari 14,8 kkal / mol untuk transfer dari dua elektron (lihat Tabel 2-7). Dengan demikian reaksi parsial cenderung untuk melanjutkan ke kiri, yaitu ke arah oksidasi NADH untuk NAD +.

Sebaliknya, potensial standar reduksi untuk reaksi parsial

adalah +220 mV (? G '= -5.1 kkal / mol) untuk transfer dari satu elektron. Dengan demikian reaksi parsial cenderung untuk melanjutkan ke arah yang benar, yaitu, menuju pengurangan sitokrom c (Fe3 +) untuk c (Fe2 +).

Reaksi terakhir dalam rantai transpor elektron, pengurangan O2 ke H2O

memiliki potensi reduksi standar 816 mV (? G '= -37,8 kkal / mol untuk transfer dari dua elektron), yang paling positif dalam seluruh rangkaian, dan dengan demikian juga cenderung untuk melanjutkan ke arah kanan.

Seperti diilustrasikan dalam Gambar 16-17, meningkatnya volume E'0 nilai, dan penurunan nilai nilai? G, dari operator dalam rantai transpor elektron nikmat aliran elektron dari NADH dan suksinat oksigen.

Pergi ke:

Pergi ke:

Coq dan Tiga Kompleks Transportasi Elektron Pompa Proton keluar dari Matrix mitokondria

Percobaan digambarkan pada Gambar 16-18 menunjukkan bahwa transpor elektron di mitokondria utuh digabungkan ke ekspor proton, yang menyebabkan peningkatan konsentrasi H + dari media sekitarnya. Kompleks multiprotein transpor elektron bertanggung jawab untuk memompa proton telah diidentifikasi secara selektif mengekstraksi membran mitokondria dengan deterjen, mengisolasi setiap kompleks di dekat kemurnian, dan kemudian mempersiapkan vesikel fosfolipid buatan (liposom) mengandung setiap kompleks (lihat Gambar 15-4). Ketika donor elektron yang tepat dan akseptor elektron ditambahkan ke liposom tersebut, perubahan pH medium akan terjadi jika proton transportasi tertanam kompleks.

Misalnya, sitokrom c oksidase kompleks dapat dimasukkan ke dalam liposom sehingga tempat pengikatan sitokrom c adalah di luar (Gambar 16-24). Pengukuran langsung dari perubahan pH yang terjadi ketika mengurangi sitokrom c dan O2 ditambahkan menunjukkan bahwa dua proton diangkut keluar dari vesikel untuk setiap pasangan elektron diangkut (atau, sama, untuk setiap dua molekul sitokrom c teroksidasi). Penelitian serupa menunjukkan bahwa NADH-coq reduktase kompleks dan CoQH2 - sitokrom c reduktase setiap kompleks translocates empat proton per sepasang elektron diangkut.

Gambar 16-24

Eksperimental demonstrasi yang oksidasi sitokrom c berkurang (CYT c2 +) oleh kompleks oksidase sitokrom c digabungkan ke proton (more. ..)

Bukti saat ini sehingga menunjukkan bahwa total 10 proton diangkut dari ruang matriks melintasi membran mitokondria untuk setiap pasangan elektron yang ditransfer dari NADH ke O2. Sejak-suksinat coq reduktase kompleks tidak proton transportasi, hanya enam proton yang diangkut melintasi membran untuk setiap pasangan elektron yang ditransfer dari suksinat (atau FADH2) ke O2. (Perhatikan bahwa proton yang dihasilkan dalam matriks oleh oksidasi NADH untuk NAD + dan H + yang dikonsumsi oleh kompleks oksidase sitokrom c selama pembentukan H2O, sehingga tidak ada gerakan bersih proton melintasi membran.) Relatif sedikit yang diketahui tentang mekanisme translokasi proton oleh NADH-coq reduktase kompleks, tetapi mekanisme translokasi proton oleh dua kompleks sitokrom dipahami dengan baik.

Proton-Motif Q Siklus

Empat proton translokasi melintasi membran per pasangan elektron diangkut melalui CoQH2 - sitokrom c reduktase kompleks. Coenzyme Q (coq) memainkan peran kunci dalam proses translokasi, yang dikenal sebagai siklus Q proton-motif, atau siklus Q. Selama proses ini, siklus coq antara negara-negara yang berkurang dan teroksidasi dengan menerima dan melepaskan dua proton dan dua elektron bersama-sama:

Gambar 16-25 menggambarkan siklus, yang dimulai ketika sebuah molekul coq mengikat ke situs, terletak di dekat permukaan matriks NADH-coq reduktase kompleks (atau suksinat-coq reduktase kompleks), dan mengambil dua proton dari ruang matriks dan dua elektron. The CoQH2 mengurangi berdifusi secara acak di membran, tetapi akhirnya mengikat ke situs di sisi intermembrane dari CoQH2 - sitokrom c reduktase yang kompleks, di mana ia melepaskan dua proton ke dalam ruang intermembrane (step 1), ini merupakan dua dari empat proton translokasi dari matriks ke ruang intermembrane per pasang elektron diangkut. Bersamaan, salah satu dari dua elektron dari CoQH2 diangkut, melalui protein besi-sulfur dan sitokrom c1, langsung ke sitokrom c (langkah 2a, 3, dan 4). Elektron lain yang dirilis dari CoQH2, yang disebut elektron bersepeda, bergerak melalui sitokrom b566 dan b562 ke situs lain coq mengikat permukaan matriks, di mana mengurangi molekul teroksidasi terikat coq (langkah 2b, 5, dan 6a). Reaksi ini membentuk anion coq semiquinone sebagian dikurangi, dilambangkan dengan coq- (lihat Gambar 16-22). Ketika elektron bersepeda kedua, dirilis dari CoQH2 kedua, juga sama diangkut melalui sitokrom b566 dan b562, mengurangi terikat coq- dalam reaksi yang menggunakan dua proton dijemput dari ruang matriks untuk membentuk CoQH2 (Langkah 6b). Molekul CoQH2 kemudian dilepaskan dari kompleks CoQH2-sitokrom reduktase c dan berdifusi melalui membran ke situs coq-mengikat permukaan intermembrane dari kompleks yang sama, di mana ia melepaskan dua proton ke dalam ruang intermembrane (langkah 7), sebagai serta satu elektron langsung ke sitokrom c1 dan c, dan satu elektron untuk mendaur ulang melalui sitokrom b566 dan b562.

Gambar 16-25

Proton-motif Q siklus. Situs mengikat untuk coq di kompleks protein ditandai dengan shading abu-abu. Satu elektron dari CoQH2travels ke sitokrom c melalui langkah-langkah 2a, 3, dan 4, yang (more. ..)

Untuk menghitung jumlah proton diangkut dari ruang matriks ke ruang intermembrane per pasang elektron diangkut melalui CoQH2 - sitokrom c reduktase kompleks, bayangkan 100 molekul CoQH2interacting dengan CoQH2 - sitokrom c reduktase kompleks. Pada bagian pertama melalui siklus, 200 proton akan diangkut melintasi membran ke ruang intermembrane dan 200 elektron akan dirilis. Dari elektron dilepaskan, 100 akan diangkut langsung ke sitokrom c1 dan 100 akan siklus melalui sitokrom b, menghasilkan 50 molekul baru CoQH2 berkurang. Pada siklus kedua, ini 50 molekul CoQH2 akan mengangkut 100 proton ke dalam ruang intermembrane dan menghasilkan elektron bersepeda 50, yang pada gilirannya akan menghasilkan 25 molekul baru CoQH2 berkurang. Melanjutkan ini tak terhingga proses, jumlah proton diangkut sebagai hasil dari oksidasi dari 100 molekul asli CoQH2 oleh 200 elektron akan

Sejak kami mulai dengan 100 molekul CoQH2, latihan ini menunjukkan bahwa untuk setiap pasangan electronstransported dari CoQH2 melalui CoQH2 - sitokrom c reduktase kompleks untuk sitokrom c, empat protonsare translokasi melintasi membran - dua dirilis oleh CoQH2 awal, dan dua oleh elektron bersepeda melalui sitokrom b. Kemampuan elektron untuk siklus melalui sitokrom b sehingga menggandakan jumlah proton translokasi.

Coupling H + Pumping dan Pengurangan O2 oleh oksidase sitokrom c

Setelah sitokrom c berkurang oleh CoQH2 - c sitokrom reduktase kompleks, reoxidized oleh kompleks oksidase sitokrom c. Oksidasi molekul sitokrom c empat digabungkan dengan pengurangan satu molekul O2, membentuk dua molekul air. Seperti yang kita lihat sebelumnya, sitokrom oksidase c mengandung ion tembaga tiga dan dua kelompok heme, pusat oksigen-reduksi terdiri dari satu molekul heme a3 dan satu ion tembaga terikat subunit I kompleks oksidase sitokrom c (lihat Gambar 16-23) .

Aliran elektron melalui oksidase sitokrom c ditunjukkan pada Gambar 16-26a. Empat molekul berkurang sitokrom c mengikat, satu per satu, ke sebuah situs pada subunit II oksidase tersebut. Sebuah elektron ditransfer dari heme masing-masing c sitokrom, pertama cua2 + terikat subunit II, kemudian ke heme yang terikat ke subunit I, dan akhirnya ke + Cub2 dan a3 heme di pusat oksigen-reduksi. Oksidasi siklik dan pengurangan besi dan tembaga di pusat reduksi, bersama-sama dengan penyerapan empat proton dari ruang matriks, digabungkan dengan pengalihan dari empat elektron oksigen dan pembentukan air (Gambar 16-26b). Intermediet diusulkan dalam pengurangan oksigen meliputi anion peroksida (O22-) dan mungkin radikal hidroksil (OH ). Ini intermediet akan berbahaya jika mereka melarikan diri dari pusat reaksi, tetapi mereka melakukannya hanya jarang.

Gambar 16-26

Transpor elektron melalui kompleks oksidase sitokrom c dan transportasi proton ditambah. (A) Penyusunan pembawa elektron dalam kompleks oksidase dan aliran elektron dari (more. ..)

Untuk setiap empat elektron ditransfer dari sitokrom c dikurangi melalui kompleks oksidase sitokrom c (yaitu, untuk setiap molekul O2 dikurangi menjadi dua molekul H2O), empat proton tambahan translokasi dari ruang matriks ke ruang intermembrane (dua proton per pasangan elektron) . Keempat proton bergerak selama langkah 2, 5, dan 6 dari siklus digambarkan dalam Gambar 16-26b, tetapi mekanisme yang ini proton translokasi tidak diketahui.

Pergi ke:

Pergi ke:

Percobaan dengan Vesikula Membran Mendukung Mekanisme kemiosmotik Formasi ATP

Hipotesis bahwa kekuatan proton-motif adalah sumber langsung energi untuk sintesis ATP, diperkenalkan pada tahun 1961 oleh Peter Mitchell, pada awalnya ditentang oleh hampir semua peneliti yang bekerja dalam fotosintesis phosphorylationand oksidatif. Mereka disukai mekanisme mirip dengan inglycolysis baik dijelaskan substrat-tingkat fosforilasi, di mana oksidasi molekul substrat secara langsung digabungkan ke sintesis ATP (lihat Gambar 16-3, langkah 6 dan 9). Dengan analogi, transpor elektron melalui membran kloroplas atau mitokondria diyakini menghasilkan perantara yang mengandung ikatan tinggi energi kimia (misalnya, fosfat terkait dengan anenzyme oleh ikatan ester), yang kemudian digunakan untuk mengkonversi Pi dan ADP menjadi ATP . Meskipun upaya intensif oleh sejumlah besar peneliti, bagaimanapun, tidak ada perantara seperti yang bisa diidentifikasi.

Bukti definitif mendukung peran kekuatan proton-motif dalam sintesis ATP menunggu perkembangan teknik untuk memurnikan dan menyusun kembali membran organel dan protein membran. Salah satu eksperimen yang menyebabkan penerimaan umum mekanisme kemiosmotik Mitchell diuraikan dalam Gambar 16-27. Vesikel tilakoid kloroplas yang mengandung partikel F0F1 diekuilibrasi dalam gelap dengan larutan buffer pada pH 4,0. Ketika pH dalam lumen tilakoid menjadi 4,0, vesikel dengan cepat dicampur dengan larutan pada pH 8,0 yang mengandung ADP dan Pi. Semburan sintesis ATP disertai gerakan transmembran dari proton didorong oleh gradien konsentrasi 10.000 kali lipat (10-4 M vs 10-8 M). Dalam percobaan timbal balik dengan menggunakan "inside-out" persiapan vesikel submitochondrial, potensi membran artifisial dihasilkan listrik juga mengakibatkan sintesis ATP. Temuan ini tidak meninggalkan keraguan bahwa kompleks F0F1 adalah enzim ATP-menghasilkan dan bahwa generasi ATP tergantung pada gerakan proton bawah gradien elektrokimia nya.

Gambar 16-27

Eksperimental demonstrasi yang sintesis ATP dari ADP dan Pi dalam hasil tilakoid kloroplas membran dari gradien pH artifisial dipaksakan.

Pergi ke:

Pergi ke:

Bakteri-Plasma Membran Protein mengkatalisis Elektron Transportasi dan Ditambah Sintesis ATP

Meskipun bakteri tidak memiliki mitokondria, bakteri aerobik tetap melakukan fosforilasi oksidatif oleh proses yang sama yang terjadi di mitokondria eukariotik. Enzim yang mengkatalisis reaksi dari kedua jalur glikolitik dan siklus asam sitrat yang hadir dalam sitosol bakteri, enzim yang mengoksidasi NADH ke NAD + dan transfer elektron ke akseptor utama O2 dilokalisasi ke membran plasma bakteri.

Gerakan elektron melalui operator membran digabungkan dengan memompa proton keluar dari sel (lihat Gambar 16-2). Pergerakan proton kembali ke dalam sel, bawah gradien konsentrasi mereka, digabungkan dengan sintesis ATP. Kompleks F0F1 bakteri pada dasarnya identik dalam struktur dan fungsi dengan kompleks F0F1 mitokondria, yang kita mendalami beberapa detil di bawah ini. Pasukan proton-motif melintasi membran plasma bakteri juga digunakan untuk daya penyerapan nutrisi seperti gula dan rotasi flagela bakteri (lihat Gambar 16-1).

Pergi ke:

Pergi ke:

Synthase ATP Terdiri Proton Channel (F0) dan ATPase (F1)

Kompleks F0F1, atau sintase ATP, memiliki dua komponen utama, F0 dan F1, keduanya merupakan protein oligomer (Gambar 16-28). F0 terletak di dalam membran dan berisi saluran transmembran melalui mana proton mengalir ke arah F1, sebagian besar yang meluas ke dalam matriks mitokondria (atau sitosol pada bakteri).

Gambar 16-28

Model struktur sintase ATP (yang F0F1 ATPase kompleks) dalam membran plasma bakteri. Bagian F0 dibangun dari tiga membran terpisahkan (more. ..)

Komponen F0 berisi tiga jenis subunit, a, b, dan c, pada bakteri, komposisi subunit isa1b2c9-12. Subunit c membentuk cincin berbentuk donat di bidang membran. Setiap subunit yang diperkirakan rentang membran delapan kali, b setiap kali, dan c masing-masing dua kali. Dalam mitokondria, setiap kompleks F0 juga mengandung, tergantung pada spesies, 2-5 peptida tambahan fungsi yang tidak diketahui. Ketika F0 adalah eksperimen dimasukkan ke dalam liposom, permeabilitas dari vesikel untuk H + yang sangat mendorong, menunjukkan bahwa memang membentuk saluran proton. Setiap salinan c subunit berisi dua membran-mencakup heliks , sebuah residu aspartat di salah satu heliks diperkirakan berpartisipasi dalam gerakan proton, karena modifikasi kimia aspartat ini dengan disikloheksilkarbodiimida atau mutasi yang khusus blok H + translokasi. Saluran proton terletak pada antarmuka dari subunit a dan c (lihat Gambar 16-28).

Bagian F1 adalah kompleks yang larut dalam air dari lima polipeptida yang berbeda dengan 33 komposisi. Subunit dan berasosiasi bergantian untuk membentuk heksamer, atau () 3. Heksamer ini terletak di atas subunit tunggal panjang, yang lebih rendah adalah bagian kumparan melingkar yang cocok dengan cincin c-subunit dari F0. Subunit melekat pada dan mungkin juga kontak subunit c dari F0. Subunit dari kontak kompleks F1 bsubunit dari F0 kompleks, bersama ini subunit membentuk "stator" kaku yang mencegah () 3 heksamer dari berputar sementara itu bertumpu pada subunit (lihat Gambar 16-28).

F1 membentuk tombol yang menonjol dari sisi matriks membran dalam. Ketika secara fisik terpisah dari membran dengan agitasi mekanik, F1 hanya mampu mengkatalisis hidrolisis ATP. Oleh karena itu, telah disebut ATPase F1, tetapi fungsi alaminya adalah sintesis ATP. Vesikel Submitochondrial dari mana F1 dihapus tidak dapat mengkatalisis sintesis ATP, ketika partikel F1 reassociate dengan vesikel, mereka sekali lagi menjadi aktif sepenuhnya dalam sintesis ATP (Gambar 16-29).

Gambar 16-29

Demonstrasi bahwa partikel F1 mitokondria yang diperlukan untuk sintesis ATP eksperimental, tetapi tidak untuk transpor elektron. Paparan dari membran mitokondria bagian dalam getaran ultrasonik (more. ..)

Masing-masing dari tiga subunit di kompleks F0F1 lengkap dapat mengikat ATP, ADP, dan Pi, dan mengkatalisasi sintesis ATP. Namun, kopling antara aliran proton dan sintesis ATP harus langsung, karena thenucleotide-mengikat situs di subunit dari F1, di mana sintesis ATP terjadi, adalah 9 - 10 nm dari permukaan membran mitokondria. Pada bagian berikutnya, kita akan mengkaji mekanisme kopling.

Pergi ke:

Pergi ke:

Kompleks F0F1 Memanfaatkan Angkatan Proton-Motif untuk Sintesis ATP Daya

Model yang paling banyak diterima untuk sintesis ATP oleh kompleks F0F1 - mekanisme yang mengikat-perubahan - mengemukakan bahwa energi yang dilepaskan oleh gerakan menurun dari proton melalui F0 langsung rotasi kekuasaan subunit dan subunit terpasang. Kemungkinan besar subunit dan memutar bersama-sama dengan cincin subunit c, relatif terhadap subunit tetap, tetapi ada kemungkinan bahwa subunit berputar di tengah cincin tetap csubunits. Dalam kedua kasus, subunit bertindak sebagai cam, poros berputar di dalam F1 yang menyebabkan gerakan perubahan siklus dalam konformasi dari subunit . Seperti skematis digambarkan dalam Gambar 16-30, rotasi subunit relatif terhadap heksamer () tetap 3 menyebabkan situs nukleotida-mengikat masing-masing subunit untuk siklus melalui tiga negara konformasi dengan urutan sebagai berikut:

1.

O menyatakan bahwa mengikat ATP dan ADP sangat buruk dan Pi lemah

2.

Sebuah negara L yang mengikat ADP dan Pi lebih kuat

3.

AT negara yang mengikat ADP dan Pi begitu erat bahwa mereka secara spontan membentuk ATP dan yang mengikat ATP sangat kuat

Gambar 16-30

Mekanisme pengikatan-perubahan sintesis ATP dari ADP dan Pi oleh kompleks F0F1. Pandangan ini memandang F1 dari permukaan membran (lihat Gambar 16-28). The (more. ..)

Sebuah rotasi akhir mengembalikan subunit ke negara O, sehingga melepaskan ATP dan mulai siklus lagi. (ATP atau ADP juga mengikat ke situs peraturan atau alosterik pada tiga subunit , mengikat ini memodifikasi tingkat sintesis ATP sesuai dengan tingkat ATP dan ADP dalam matriks, tetapi tidak secara langsung terlibat dalam sintesis ATP dari ADP dan Pi .)

Ketika pertama kali diusulkan, mekanisme yang mengikat-perubahan itu tidak berlaku umum, namun banyak bukti telah terkumpul untuk mendukungnya. Pertama, penelitian biokimia menunjukkan bahwa salah satu dari tiga subunit pada F1particles terisolasi erat dapat mengikat ADP dan Pi dan kemudian membentuk ATP, yang tetap terikat erat. The diukur? G 'untuk reaksi ini adalah mendekati nol, menunjukkan bahwa ADP sekali dan Pi terikat dengan apa yang sekarang disebut negara T dari subunit , mereka spontan membentuk ATP. Yang penting, pemisahan ATP terikat dari subunit pada partikel F1 terisolasi terjadi sangat lambat. Temuan ini menunjukkan bahwa pemisahan ATP harus didukung oleh perubahan konformasi dalam subunit , yang, pada gilirannya, akan disebabkan oleh gerakan proton.

Kemudian x-ray kristalografi analisis heksamer () 3 menghasilkan kesimpulan yang mencolok: meskipun tiga subunit adalah identik dalam urutan dan struktur keseluruhan, ADP / ATP-binding situs memiliki konformasi yang berbeda di masing-masing subunit. Kesimpulan yang paling masuk akal adalah bahwa tiga subunit siklus antara tiga negara konformasi, dengan berbagai nukleotida-mengikat situs, dalam reaksi energi-dependent. Eksperimen terbaru, seperti yang digambarkan dalam Gambar 16-31, telah secara langsung menunjukkan bahwa subunit dan subunit terpasang berputar relatif terhadap heksamer () tetap 3 di diskrit 120 langkah, reaksi membutuhkan hidrolisis ATP. Penelitian ini menetapkan bahwa rotasi subunit dan , biasanya didukung oleh gerakan proton melalui kompleks F0, mendorong perubahan konformasi yang diperlukan untuk mengikat dari ADP dan Pi, diikuti oleh sintesis dan rilis berikutnya dari ATP.

Gambar 16-31

Demonstrasi bahwa subunit dari kompleks F0 berputar relatif terhadap heksamer () 3 dalam langkah-energi membutuhkan. Kompleks F1 direkayasa yang mengandung (more. ..)

Sebuah perhitungan sederhana menunjukkan bahwa perjalanan lebih dari satu proton yang diperlukan untuk mensintesis satu molekul ATP dari ADP dan Pi. Meskipun? G untuk reaksi di bawah kondisi standar +7,3 kkal / mol, pada konsentrasi reaktan dalam mitokondria,? G mungkin lebih tinggi (10-12 kkal / mol). Kita dapat menghitung jumlah energi bebas dilepaskan oleh bagian dari 1 mol proton menuruni gradien elektrokimia dari 220 mV (0,22 V) dari persamaan Nernst, pengaturan n = 1 dan mengukur E dalam volt:

Dengan demikian, sejak lebih dari 5 kkal / mol energi bebas dibuat tersedia, bagian dari setidaknya dua, dan lebih mungkin tiga atau empat, proton sangat penting untuk sintesis masing-masing molekul ATP dari ADP dan Pi. Perhitungan ini telah dikonfirmasi oleh data eksperimen, yang umumnya menunjukkan bahwa bagian dari empat proton melalui theF0F1 kompleks digabungkan dengan rotasi 120 dari subunit dan dengan demikian untuk sintesis satu tinggi-energi ikatan fosfat di ATP.

Pergi ke:

Pergi ke:

Transporter dalam Membran mitokondria batin Apakah Didukung oleh Angkatan Proton-Motif

Membran mitokondria bagian dalam mengandung sejumlah protein yang mengangkut berbagai metabolit ke dalam dan keluar dari organel, termasuk piruvat, malat, dan asam amino aspartat dan glutamat. Dua protein seperti transportasi ADP dan Pi dari sitosol ke matriks mitokondria dalam pertukaran untuk ATP dibentuk oleh fosforilasi oksidatif dalam mitokondria. Pasukan proton-motif yang dihasilkan selama transpor elektron digunakan untuk daya pertukaran menanjak ATP untuk ADP dan Pi, yang dilakukan oleh antiporter HPO42-/OH- (fosfat transporter) dan ATP / ADP antiporter (Gambar 16-32 ).

Gambar 16-32

Fosfat dan ATP / ADP sistem transportasi di membran mitokondria bagian dalam. Tindakan terkoordinasi dari dua antiporters (ungu dan hijau) menghasilkan penyerapan satu-ADP3 dan (more. ..)

Transporter fosfat mengkatalisis impor satu HPO42-ditambah dengan ekspor satu-OH. Demikian juga, ATP / ADP antiporter memungkinkan satu molekul ADP untuk memasukkan hanya jika satu molekul ATP keluar secara bersamaan. The ATP / ADP antiporter, dimer dari dua 30.000-MW subunit, membuat sampai 10 - 15 persen dari protein dalam innermembrane, sehingga merupakan salah satu protein mitokondria lebih berlimpah. Berfungsinya dua antiporters bersama-sama menghasilkan masuknya ADP dan Pi dan penghabisan ATP dan OH-. Setiap OH-diangkut keluar menggabungkan dengan proton, translokasi selama transpor elektron ke ruang intermembrane, untuk membentuk H2O. Hal ini mendorong reaksi keseluruhan ke arah ATP dan ADP ekspor dan impor Pi.

Karena beberapa dari proton translokasi keluar dari mitokondria selama transpor elektron memberikan kekuatan (dengan menggabungkan dengan diekspor OH-) untuk ATP-ADP pertukaran, proton sedikit yang tersedia untuk sintesis ATP. Diperkirakan bahwa untuk setiap lima proton translokasi keluar, empat yang digunakan untuk mensintesis satu molekul ATP dan satu digunakan untuk daya ekspor ATP dari mitokondria dalam pertukaran untuk ADP dan Pi. Ini pengeluaran energi dari gradien konsentrasi proton untuk mengekspor ATP dari mitokondria dalam pertukaran untuk ADP dan Pi memastikan rasio tinggi ATP ke ADP dalam sitosol, dimana energi phosphoanhydride-ikatan ATP digunakan untuk banyak kekuatan energi-membutuhkan reaksi .

Pergi ke:

Pergi ke:

Tingkat Oksidasi mitokondria Biasanya Tergantung pada Tingkat ADP

Jika terisolasi utuh mitokondria disediakan dengan NADH (atau FADH2), O2, dan Pi, tapi tidak dengan ADP, yang NADH oxidationof dan pengurangan O2 cepat berhenti sebagai jumlah ADP endogen habis oleh pembentukan ATP. Jika ADP kemudian ditambahkan, oksidasi NADH dengan cepat dipulihkan. Dengan demikian mitokondria dapat mengoksidasi FADH2 dan NADH hanya selama ada sumber ADP dan Pi untuk menghasilkan ATP. Fenomena ini, kontrol termedrespiratory, menggambarkan bagaimana satu reaktan kunci dapat membatasi tingkat satu set kompleks reaksi saling terkait. Sel utuh dan jaringan juga mempekerjakan kontrol pernapasan. Stimulasi aktivitas metabolik yang memanfaatkan ATP, seperti kontraksi otot, menghasilkan peningkatan tingkat ADP seluler, hal ini, pada gilirannya, meningkatkan kerusakan ofglucose tingkat dalam jalur glikolisis dan siklus asam sitrat, seperti yang dibahas sebelumnya, dan oksidasi selanjutnya dari produk metabolisme dalam mitokondria.

Sifat molekul kontrol pernapasan sekarang dipahami. Ingat bahwa oksidasi NADH, suksinat, atau FADH2 yang secara wajib digabungkan ke transportasi proton melintasi membran mitokondria bagian dalam. Jika kekuatan proton-motif yang dihasilkan tidak hilang dengan memanfaatkan itu untuk mensintesis ATP dari ADP dan Pi (atau untuk beberapa tujuan lain), baik proton transmembran konsentrasi gradien dan potensial membran listrik akan meningkat ke tingkat yang sangat tinggi. Oksidasi NADH akhirnya akan berhenti, karena akan membutuhkan energi terlalu banyak untuk memindahkan proton tambahan di membran dalam melawan kekuatan proton-motif yang ada. Meskipun ketersediaan ADP untuk sintesis ATP - yaitu, kontrol pernapasan - adalah cara utama bahwa oksidasi mitokondria diatur dalam sel utuh, itu bukan satu-satunya cara. Sebagai contoh, kenaikan sitosol Ca2 + ion, seperti yang terjadi dalam sel otot selama kontraksi, juga memicu peningkatan oksidasi mitokondria dan produksi ATP dalam sel banyak.

Racun tertentu, yang disebut uncouplers, membuat membran mitokondria bagian dalam dapat ditembus proton. Uncouplers memungkinkan oksidasi NADH dan pengurangan O2 untuk melanjutkan pada tingkat tinggi tetapi tidak mengizinkan sintesis ATP. Dalam uncoupler yang 2,4-dinitrophenol (DNP), dua electronwithdrawing nitro (NO2) kelompok menstabilkan bentuk phenolate bermuatan negatif:

Kedua bentuk netral dan bermuatan negatif dari DNP larut dalam membran fosfolipid dan dalam larutan air, sehingga DNP dapat bertindak sebagai shuttle proton. Dengan mengangkut proton melintasi membran dalam ke dalam matriks, DNP pendek sirkuit kedua proton transmembran konsentrasi gradien dan potensial membran listrik, sehingga menghamburkan kekuatan proton-motif. Uncouplers seperti DNP sehingga menghapuskan sintesis ATP dan mengatasi kontrol pernapasan, memungkinkan oksidasi NADH terjadi terlepas dari tingkat ADP. Energi yang dilepaskan oleh oksidasi NADH di hadapan DNP diubah menjadi panas.

Pergi ke:

Pergi ke:

Brown-Lemak Mitokondria Mengandung suatu Uncoupler dari Fosforilasi oksidatif

Brown lemak jaringan, yang warnanya karena adanya mitokondria yang melimpah, adalah khusus untuk generasi panas. Sebaliknya, putih-lemak jaringan khusus untuk penyimpanan lemak dan mengandung mitokondria relatif sedikit.

Dalam membran dalam cokelat-lemak mitokondria, sebuah 33.000 MW-dalam-membran protein yang disebut thermogeninfunctions sebagai uncoupler alami fosforilasi oksidatif. Thermogenin tidak membentuk saluran proton seperti F0 protein saluran kompleks dan khas. Sebaliknya, thermogenin adalah transporter proton yang amino acidsequence mirip dengan yang dari ATP / ADP mitokondria antiporter (lihat Gambar 16-32), berfungsi pada tingkat yang merupakan karakteristik dari transporter, tetapi 1-juta kali lipat lebih lambat dari biasa channel protein (lihat Gambar 15-3). Seperti uncouplers lainnya, thermogenin menghilang kekuatan proton-motif melintasi membran mitokondria bagian dalam, mengubah energi yang dilepaskan oleh oksidasi NADH terhadap panas.

Jumlah thermogenin diatur tergantung pada kondisi lingkungan. Misalnya, selama adaptasi tikus terhadap dingin, kemampuan jaringan mereka untuk menghasilkan panas (thermogenesis) meningkat dengan theinduction sintesis thermogenin. Pada hewan adaptasi dingin, thermogenin mungkin merupakan sampai 15 persen dari total protein dalam membran mitokondria bagian dalam.

Manusia dewasa memiliki lemak coklat sedikit, tapi bayi manusia memiliki banyak. Dalam thermogenesis, baru lahir dengan coklat-lemak mitokondria sangat penting untuk kelangsungan hidup, karena juga dalam berhibernasi mamalia. Dalam segel bulu dan hewan lain secara alami terbiasa untuk itu, sel otot-dingin mitokondria mengandung thermogenin, sebagai akibatnya, banyak dari angkatan proton-motif yang digunakan untuk menghasilkan panas, sehingga menjaga suhu tubuh.

Pergi ke:

Pergi ke:

RINGKASAN

Kekuatan proton-motif, kombinasi konsentrasi proton (pH) gradien (face exoplasmic> wajah sitosol) dan (wajah sitosol negatif) potensial listrik, dapat dihasilkan melintasi membran mitokondria, membran tilakoid kloroplas, dan plasma bakteri membran. Ini adalah sumber energi untuk sintesis ATP oleh F0F1 kompleks yang terletak di membran ini (lihat Gambar 16-2).

Dalam mitokondria, aliran elektron dari NADH dan FADH2 ke O2 digabungkan ke transportasi menanjak dari proton dari matriks melewati membran batin untuk ruang intermembrane, menghasilkan kekuatan proton-motif (PMF).

Komponen-komponen utama dari rantai transpor elektron empat kompleks multiprotein dalam membran: suksinat-coq reduktase, NADH-coq reduktase, CoQH2 - sitokrom c reduktase, dan sitokrom oksidase c. Kompleks terakhir transfer elektron untuk O2 untuk membentuk H2O.

Elektron ditransfer sepanjang rantai transpor elektron oleh pengurangan reversibel dan oksidasi besi-sulfur, ubiquinone (coq), sitokrom, dan ion tembaga. Operator masing-masing menerima pasangan elektron atau elektron dari operator dengan potensi penurunan kurang positif dan transfer elektron ke operator dengan potensi penurunan lebih positif. Dengan demikian potensi pengurangan dari pembawa elektron mendukung aliran elektron searah dari NADH dan FADH2 ke O2 (lihat Gambar 16-17).

Sebanyak 10 + ion H translokasi dari matriks melintasi membran dalam per pasangan elektron mengalir dari NADH ke O2 (lihat Gambar 16-19). Gerakan Proton terjadi pada tiga titik dalam rantai transpor elektron: yang NADH-coq reduktase (empat H +), CoQH2 - sitokrom c reduktase (empat H +), dan sitokrom oksidase c (dua H +).

Fungsi coq sebagai transporter lipid-larut elektron dan proton melintasi membran dalam. Siklus Q memungkinkan proton tambahan untuk translokasi per pasang elektron pindah ke sitokrom c.

The multiprotein F0F1 kompleks mengkatalisis sintesis ATP sebagai proton mengalir kembali melalui innermembrane bawah mereka gradien proton elektrokimia. F0 adalah kompleks transmembran yang membentuk H + diatur channel. F1 erat terikat F0 dan menjorok ke dalam matriks, mengandung tiga subunit yang merupakan situs sintesis ATP (lihat Gambar 16-28).

Proton translokasi melalui F0 kekuatan rotasi subunit dari F1, menyebabkan perubahan theconformation dari nukleotida-mengikat situs dalam subunit F1 (lihat Gambar 16-30). Dengan cara ini mekanisme yang mengikat-perubahan, kompleks F0F1 memanfaatkan kekuatan proton-motif untuk sintesis ATP listrik.

The F0F1 kompleks dalam membran plasma bakteri dan membran tilakoid kloroplas sangat mirip dengan struktur F0F1complex mitokondria.

Kekuatan proton-motif juga kekuatan penyerapan Pi dan ADP dari sitosol dalam pertukaran untuk mitokondria ATP dan OH-(lihat Gambar 16-32). Impor ADP dan Pi ke mitokondria dan ekspor ATP dari itu mengkoordinasikan dan membatasi laju sintesis ATP untuk memenuhi kebutuhan sel.

oksidasi mitokondria dari NADH dan pengurangan O2 terus dilanjutkan hanya jika ADP yang cukup hadir. Fenomena kontrol pernapasan adalah penting, tetapi tidak mekanisme, hanya untuk mengontrol oksidasi dan sintesis ATP di mitokondria.

Di lemak coklat, membran mitokondria bagian dalam berisi thermogenin, protein transportasi proton yang mengubah kekuatan proton-motif menjadi panas. Bahan kimia tertentu (misalnya, DNP) memiliki efek yang sama, uncoupling fosforilasi oksidatif dari transpor elektron.