Inligting

Lesing 10: Elektronvervoer/ATP -produksie - Biologie

Lesing 10: Elektronvervoer/ATP -produksie - Biologie



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Elektronvervoerkettings

An elektron vervoer ketting, of ENS, is saamgestel uit 'n groep proteïenkomplekse in en om 'n membraan wat help om 'n reeks eksergoniese/spontane redoksreaksies energiek te koppel aan die endergoniese pomp van protone oor die membraan om 'n elektrochemiese gradiënt te genereer. Hierdie elektrochemiese gradiënt skep 'n vrye energiepotensiaal wat a genoem word proton-dryfkrag wie se energiek "afdraande" eksergoniese vloei later gekoppel kan word aan 'n verskeidenheid sellulêre prosesse.

ETC oorsig

Stap 1: Elektrone betree die ETC vanaf 'n elektronskenker, soos NADH of FADH2, wat tydens 'n verskeidenheid kataboliese reaksies gegenereer word, soos en insluitend dié wat geassosieer word met glukose-oksidasie. Afhangende van die kompleksiteit (aantal en tipes elektrondraers) van die ETC wat deur 'n organisme gebruik word, kan elektrone op verskillende plekke in die elektrontransportketting ingaan; dit hang af van die onderskeie reduksiepotensiale van die voorgestelde elektronskenkers en -ontvangers.


Stap 2: Na die eerste redoksreaksie sal die aanvanklike elektronskenker geoksideer word en die elektronontvanger sal verminder word. Die verskil in redokspotensiaal tussen die elektronaanvaarder en skenker hou verband met ΔG deur die verhouding ΔG = -nFΔE, waar n = die aantal elektrone wat oorgedra word en F = Faraday se konstante. Hoe groter 'n positiewe ΔE, hoe meer eksergoniese 'n reaksie.


Stap 3: As voldoende energie oorgedra word tydens 'n eksergoniese redoks -stap, kan die elektrondraer hierdie negatiewe verandering in vrye energie koppel aan die endergoniese proses om 'n proton van die een kant van die membraan na die ander te vervoer.


Stap 4: Na meervoudige redoks -oordragte word die elektron afgelewer aan 'n molekule bekend as die terminale elektron -acceptor. In die geval van mense is die terminale elektronontvanger suurstof. Daar is egter baie, baie, baie, ander moontlike elektronaanvaarders; sien onder.

Let wel: moontlike bespreking

Elektrone wat die ETC binnegaan, hoef nie van NADH of FADH af te kom nie2. Baie ander verbindings kan as elektronskenkers dien; die enigste vereistes is (1) dat daar 'n ensiem bestaan ​​wat die elektrondonor kan oksideer en dan 'n ander verbinding kan verminder, en (2) dat die E0'is positief (bv. ΔG <0). Selfs 'n klein hoeveelheid gratis energie -oordragte kan bydra. Daar is byvoorbeeld bakterieë wat H gebruik2 as 'n elektronskenker. Dit is nie te moeilik om te glo nie, want die halfreaksie 2H+ + 2 e-/H2 het 'n reduksiepotensiaal (E0') van -0.42 V. As hierdie elektrone uiteindelik aan suurstof gelewer word, dan is die ΔE0' van die reaksie is 1.24 V, wat ooreenstem met 'n groot negatiewe ΔG (-ΔG). Alternatiewelik is daar 'n paar bakterieë wat yster kan oksideer, Fe2+ by pH 7 tot Fe3+ met 'n reduksiepotensiaal (E0') van + 0,2 V. Hierdie bakterieë gebruik suurstof as hul terminale elektron -acceptor, en, in hierdie geval, die ΔE0'van die reaksie is ongeveer 0,62 V. Dit lewer steeds 'n -AG. Die slotsom is dat, afhangend van die elektronskenker en -ontvanger wat die organisme gebruik, 'n bietjie of baie energie deur die sel oorgedra en gebruik kan word per elektrone wat aan die elektronvervoerketting geskenk word.

Wat is die komplekse van die ENS?

ETC's bestaan ​​uit 'n reeks (ten minste een) membraangeassosieerde redoksproteïene of (sommige is integraal) proteïenkomplekse (kompleks = meer as een proteïen wat in 'n kwaternaire struktuur gerangskik is) wat elektrone van 'n skenkerbron, soos NADH, beweeg , na 'n finale terminale elektron -acceptor, soos suurstof. Hierdie spesifieke skenker/terminale aanvaarderpaar is die primêre een wat in menslike mitochondria gebruik word. Elke elektronoordrag in die ETC vereis 'n verminderde substraat as 'n elektrondonor en 'n geoksideerde substraat as die elektron -acceptor. In die meeste gevalle is die elektronaannemer 'n lid van die ensiemkompleks. Sodra die kompleks verminder is, kan die kompleks dien as 'n elektronskenker vir die volgende reaksie.

Hoe dra ETC -komplekse elektrone oor?

Soos voorheen genoem, is die ETC saamgestel uit 'n reeks proteïenkomplekse wat 'n reeks gekoppelde redoksreaksies ondergaan. Hierdie komplekse is in werklikheid multiproteïen ensiem komplekse waarna verwys word oksidoreduktase of eenvoudig, reduktase. Die enigste uitsondering op hierdie benamingskonvensie is die terminale kompleks in aërobiese asemhaling wat molekulêre suurstof gebruik as die terminale elektron -acceptor. Daar word na die ensiemkompleks verwys as 'n oksidase. Redoksreaksies in hierdie komplekse word tipies uitgevoer deur 'n nie-proteïendeel genaamd a prostetiese groep. Dit geld vir alle elektrondraers met die uitsondering van kinone, wat 'n klas lipiede is wat direk deur die oksidoreduktase verminder of geoksideer kan word. In hierdie geval is beide die Quinonered en die Quinoneox oplosbaar in die membraan en kan dit van kompleks na kompleks beweeg. Die prostetiese groepe is direk betrokke by die redoksreaksies wat deur hul gepaardgaande oksidoreduktase gekataliseer word. Oor die algemeen kan hierdie prostetiese groepe in twee algemene tipes verdeel word: dié wat beide elektrone en protone dra en dié wat slegs elektrone dra.

Inleiding tot mobiele energiedraers

Afdeling Opsomming

Energie word op 'n verskeidenheid maniere rondbeweeg en binne die sel oorgedra. Een kritieke meganisme wat die natuur ontwikkel het, is die gebruik van herwinbare molekulêre energiedraers. Alhoewel daar verskeie groot herwinbare energiedraers is, deel hulle almal 'n paar algemene funksionele kenmerke:

Eienskappe van sleutel sellulêre molekulêre energiedraers

  • Ons dink aan die energiedraers as bestaande in "poele" van beskikbare draers. Analoog, kan u hierdie mobiele energiedraers analoog aan die afleweringsvoertuie van pakkiedragters beskou - die onderneming het te alle tye 'n sekere 'poel' beskikbare voertuie om af te haal en af ​​te lewer.
  • Elke individuele draer in die swembad kan in een van verskeie verskillende toestande bestaan: dit dra óf 'n "las" energie, 'n breuklas, of is "leeg". Die molekule kan tussen "gelaai" en leeg omskakel en kan dus herwin word. Weereens na analogie kan die afleweringsvoertuie óf pakkies dra óf leeg wees en wissel tussen hierdie toestande.
  • Die balans of verhouding in die swembad tussen "gelaaide" en "afgelaaide" draers is belangrik vir sellulêre funksie, word deur die sel gereguleer en kan ons dikwels iets vertel oor die toestand van 'n sel. Eweneens hou 'n pakkievervoerderdiens fyn dop hoe vol of leeg hul afleweringsvoertuie is—as hulle te vol is, is daar dalk onvoldoende "leë" vragmotors om nuwe pakkies op te tel; as hulle te leeg is, moet besigheid nie goed gaan nie of dit word gesluit. Daar is 'n gepaste balans vir verskillende situasies.

In hierdie kursus gaan ons twee hooftipes molekulêre herwinbare energiedraers ondersoek: (1) die adenienukleotiede, spesifiek: nikotinamied adenien dinukleotied (NAD+), 'n nabye familielid, nikotinamied adenien dinukleotied fosfaat (NADP+), en flavien adenien dinukleotied (FAD2+) en (2) nukleotiedmono-, di- en trifosfate, met spesiale aandag adenosientrifosfaat (ATP). Elkeen van hierdie twee tipes molekules is betrokke by energie -oordrag wat verskillende klasse chemiese reaksies behels. Adeniennukleotiede word hoofsaaklik geassosieer met redokschemie, terwyl die nukleotiedtrifosfate geassosieer word met oordragte van energie wat gekoppel is aan die hidrolise of kondensasie van anorganiese fosfate.

Redoks chemie en elektrondraers

Die oksidasie van of verwydering van 'n elektron uit 'n molekuul (hetsy vergesel van die verwydering van 'n gepaardgaande proton of nie) lei tot 'n verandering in die vrye energie van die molekule - materie, interne energie en entropie het in die proses verander . Net so verander die vermindering van (die toename van elektron aan) 'n molekuul ook sy vrye energie. Die omvang van verandering in vrye energie en die rigting daarvan (positief of negatief) vir 'n redoksreaksie bepaal die spontaniteit van die reaksie en hoeveel energie word oorgedra. In biologiese sisteme, waar baie energie-oordrag deur redoksreaksies plaasvind, is dit belangrik om te verstaan ​​hoe hierdie reaksies gemedieer word en om idees of hipoteses te begin oorweeg waarom hierdie reaksies in baie gevalle deur 'n klein elektronfamilie bemiddel word. draers.

Die elektron- en protondraers

  • Flavoproteïene (Fp), hierdie proteïene bevat 'n organiese prostetiese groep genoem a flavin, wat die werklike eenheid is wat die oksidasie/reduksiereaksie ondergaan. FADH2 is 'n voorbeeld van 'n Fp.
  • Kinone is 'n familie van lipiede, wat beteken hulle is oplosbaar binne die membraan.
  • Daar moet ook op gelet word dat NADH en NADPH as elektron (2e-) en proton (2 H) beskou word+) draers.

Elektronedraers

  • Sitochrome is proteïene wat 'n hemeprotetiese groep bevat. Die heem is in staat om 'n enkele elektron te dra.
  • Yster-Swael proteïene bevat 'n nie-heme yster-swaelgroep wat 'n elektron kan dra. Die prostetiese groep word dikwels afgekort as Fe-S

Let wel: moontlike bespreking

Die probleem wat in die vorige besprekingsvraag bedoel is, is 'n goeie plek om die ontwerpuitdagingsrubriek in te voer. As u dit onthou, vra die eerste stap van die rubriek dat u 'n probleem of vraag moet definieer. In hierdie geval, laat ons ons voorstel dat daar 'n probleem is om te definieer waarvoor die mobiele elektrondraers hieronder die natuur gehelp het om op te los.

***Onthou, evolusie stuur NIE ingenieursoplossings vir probleme aan nie, maar in retrospek kan ons ons verbeelding en logika gebruik om af te lei dat dit wat ons sien bewaar deur natuurlike seleksie 'n selektiewe voordeel bied, want die natuurlike innovasie het 'n probleem "opgelos" wat beperkte sukses.***

Ontwerpuitdaging vir redoksdraers

  • Wat was 'n probleem(te) wat die evolusie van mobiele elektron/redoksdraers help oplos het?
  • Die volgende stap van die ontwerpuitdaging vra u om kriteria vir suksesvolle oplossings te identifiseer. Wat is die kriteria vir sukses in die probleem wat u geïdentifiseer het?
  • Stap 3 in die ontwerpuitdaging vra jou om moontlike oplossings te identifiseer. Wel, hier het die Natuur 'n paar vir ons geïdentifiseer - ons oorweeg drie in die leesstuk hieronder. Dit lyk asof die natuur gelukkig is om verskeie oplossings vir die probleem te hê.
  • Die voorlaaste stap van die ontwerpuitdagingsrubriek vra u om die voorgestelde oplossings te evalueer aan die hand van die kriteria vir sukses. Dit moet u laat dink/bespreek waarom daar verskillende elektrondraers is. Is daar verskillende kriteria vir sukses? Los hulle elkeen effens verskillende probleme op? Wat dink jy? Wees op die uitkyk terwyl ons deur metabolisme gaan vir leidrade.

NAD+/H en FADH/H2

In lewende stelsels funksioneer 'n klein klas verbindings as elektronpendels: hulle bind en vervoer elektrone tussen verbindings in verskillende metaboliese paaie. Die belangrikste elektrondraers wat ons sal oorweeg, is afkomstig van die B-vitamiengroep en is afgeleides van nukleotiede. Hierdie verbindings kan beide gereduseer word (dit wil sê, hulle aanvaar elektrone) of geoksideer (hulle verloor elektrone), afhangende van die reduksiepotensiaal van 'n potensiële elektrondonor of acceptor wat hulle elektrone van en na kan oordra. Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) (die struktuur word hieronder getoon) is afgelei van vitamien B3, niasien. NAD+ is die geoksideerde vorm van die molekule; NADH is die gereduseerde vorm van die molekule nadat dit twee elektrone en 'n proton (wat saam die ekwivalent van 'n waterstofatoom met 'n ekstra elektron is) aanvaar het.

Ons verwag dat u die twee vorme van NAD moet memoriseer+/NADH, weet watter vorm geoksideer en watter verminder word, en kan beide vorme ter plaatse herken in die konteks van 'n chemiese reaksie.

NAD+ kan elektrone van 'n organiese molekule aanvaar volgens die algemene vergelyking:

Hier is 'n paar woordeskatoorsig: as elektrone by 'n verbinding gevoeg word, word gesê dat die verbinding dit was verminder. 'n Verbinding wat 'n ander reduseer (elektrone skenk aan) word a genoem reduseermiddel. In die bogenoemde vergelyking is RH 'n reduseermiddel, en NAD+ word verminder tot NADH. Wanneer elektrone uit 'n verbinding verwyder word, word dit geoksideer. 'n Verbinding wat 'n ander oksideer, word 'n genoem oksideermiddel. In die bostaande vergelyking, NAD+ is 'n oksideermiddel, en RH word geoksideer tot R.

U moet dit onderkry! Ons sal (a) spesifiek toets op u vermoë om dit te doen (as 'maklike' vrae), en (b) ons sal die terme gebruik met die verwagting dat u weet wat dit beteken en dit kan korrek in verband bring met biochemiese reaksies (in die klas) en op toetse).

U sal ook 'n tweede variasie van NAD teëkom+, NADP+. Dit lyk struktureel baie soos NAD+, maar dit bevat 'n ekstra fosfaatgroep en speel 'n belangrike rol in anaboliese reaksies, soos fotosintese. Nog 'n nukleotied-gebaseerde elektrondraer wat jy ook in hierdie kursus en daarna sal teëkom, flavien adenien dinukleotied (FAD+), is afgelei van vitamien B2, ook riboflavien genoem. Sy verminderde vorm is FADH2. Leer om hierdie molekules ook as elektrondraers te herken.

Figuur 1. Die geoksideerde vorm van die elektrondraer (NAD+) word aan die linkerkant getoon, en die verkleinde vorm (NADH) word aan die regterkant gewys. Die stikstofbasis in NADH het nog een waterstofioon en nog twee elektrone as in NAD+.

NAD+ word deur die sel gebruik om elektrone van verbindings te "trek" en om dit na ander plekke binne die sel te "dra"; dus word dit 'n genoem elektron draer. NAD+/H-verbindings word gebruik in baie van die metaboliese prosesse wat ons in hierdie klas sal bespreek. Byvoorbeeld, in sy geoksideerde vorm, NAD+ word gebruik as 'n reaktant in glikolise en die TCA -siklus, terwyl dit in sy gereduseerde vorm (NADH) 'n reaktant in fermentasie en die elektrontransportketting (ETC) is. Elkeen van hierdie prosesse sal in latere modules bespreek word.

Energieverhaal vir 'n redoksreaksie

*** As 'n vuistreël, as ons NAD+/H as 'n reaktant of produk beskou, weet ons dat ons na 'n redoksreaksie kyk. ***

Wanneer NADH 'n produk is en NAD+ 'n reaktant is, weet ons dat NAD+ verminder het (wat NADH vorm); daarom moes die ander reaktant die elektronskenker gewees het en geoksideer het. Die omgekeerde is ook waar. As NADH NAD geword het+, dan moes die ander reaktant die elektron by NADH gekry het en verminder het.

Figuur 2. Hierdie reaksie toon die omskakeling van pyruvat na melksuur tesame met die omskakeling van NADH na NAD. Bron: https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Enzyme/sequential_reactions

In die figuur hierbo sien ons dat piruvaat melksuur word, tesame met die omskakeling van NADH in NAD+. Hierdie reaksie word deur LDH gekataliseer. Deur ons 'duimreël' hierbo te gebruik, kategoriseer ons hierdie reaksie as 'n redoksreaksie. NADH is die verminderde vorm van die elektrondraer, en NADH word omgeskakel in NAD+. Hierdie helfte van die reaksie lei tot die oksidasie van die elektrondraer. Pyruvat word in hierdie reaksie omskep in melksuur. Beide hierdie suikers is negatief gelaai, dus dit sou moeilik wees om te sien watter verbinding meer verminder word deur die ladings van die verbindings te gebruik. Ons weet egter dat piruvaat gereduseer het om melksuur te vorm, want hierdie omskakeling is gekoppel aan die oksidasie van NADH in NAD+. Maar hoe kan ons sê dat melksuur meer verminder is as piruvaat? Die antwoord is om na die koolstof-waterstofbindings in beide verbindings te kyk. Soos elektrone oorgedra word, word hulle dikwels deur 'n waterstofatoom vergesel. Daar is 'n totaal van drie C-H-bindings in pyruvat, en daar is 'n totaal van vier C-H-bindings in melksuur. Wanneer ons hierdie twee verbindings in die voor- en na-toestande vergelyk, sien ons dat melksuur nog een C-H-binding het; daarom is melksuur meer verminder as piruvaat. Dit geld vir veelvuldige verbindings. Byvoorbeeld, in die onderstaande figuur behoort jy die verbindings van die meeste tot die minste verminder te kan rangskik deur die CH-bindings as jou gids te gebruik.

Figuur 3. Hierbo is 'n reeks verbindings wat gerangskik of herorganiseer kan word van die meeste na die minste verminder. Vergelyk die aantal C-H bindings in elke verbinding. Koolstofdioksied het geen CH-bindings nie en is die mees geoksideerde vorm van koolstof wat ons in hierdie klas sal bespreek. Antwoord: die mees gereduseerde is metaan (verbinding 3), dan metanol (4), formaldehied (1), karboksielsuur (2), en laastens koolstofdioksied (5).

Figuur 4. Hierdie reaksie toon die omskakeling van G3P, NAD+, en P.ek in NADH en 1,3-BPG. Hierdie reaksie word deur gliseraldehied-3-fosfaatdehidrogenase gekataliseer.

Energieverhaal vir die reaksie wat gekataliseer word deur gliseraldehied-3-fosfaat dehidrogenase:

Kom ons maak 'n energiestorie vir die reaksie hierbo.

Laat ons eerstens die reaktante en produkte kenmerk. Die reaktante is gliseraldehied-3-fosfaat ('n koolstofverbinding), Pek (anorganiese fosfaat), en NAD+. Hierdie drie reaktante ondergaan 'n chemiese reaksie om twee produkte, NADH en 1,3-bisfosfogliseraat, te produseer. As jy mooi kyk, kan jy sien dat die 1,3-BPG twee fosfate bevat. Dit is belangrik wanneer ons dubbel seker maak dat geen massa verlore gegaan het nie. Daar is twee fosfate in die reaktante, so daar moet twee fosfate in die produkte wees (bewaring van massa!). U kan weer kontroleer of daar ook rekening gehou word met al die ander atome. Die ensiem wat hierdie reaksie kataliseer, word gliseraldehied-3-fosfaat dehidrogenase genoem. Die standaard verandering van vrye energie van hierdie reaksie is ~ 6,3 kJ/mol, so onder standaardomstandighede kan ons sê dat die vrye energie van die produkte hoër is as dié van die reaktante en dat hierdie reaksie nie onder spontane toestande spontaan is nie.

Wat kan ons sê oor hierdie reaksie wanneer dit deur gliseraldehied-3-fosfaatdehidrogenase gekataliseer word?

Dit is 'n redoksreaksie. Ons weet dit omdat ons 'n verminderde elektrondraer (NADH) as 'n produk en NAD vervaardig het+ is 'n reaktant. Waar kom die elektron vandaan om NADH te maak? Die elektron moes van die ander reaktant (die koolstofverbinding) afkomstig wees.

Nota: aanbevole bespreking

Ons sal 'n geruime tyd bestee aan die ondersoek na die reaksie wat deur glyceraldehied-3-fosfaatdehidrogenase gekataliseer word, in meer besonderhede terwyl ons deur die lesings en teks beweeg. Die eerste ding om hier te bespreek is dat die figuur hierbo 'n hoogs vereenvoudigde of verkorte weergawe is van die stappe wat plaasvind - 'n mens kan in werklikheid daardie reaksie hierbo in TWEE konseptuele reaksies opbreek. Kan jy jou indink wat daardie twee "subreaksies" kan wees? Bespreek onder mekaar.

Nota: aanbevole bespreking

Die teks hierbo wys daarop dat die standaard verandering in vrye energie vir hierdie komplekse reaksie ~+6,3 kJ/mol is. Onder standaard toestande is hierdie reaksie NIE spontaan nie. Dit is egter een van die sleutelreaksies in die oksidasie van glukose. Dit moet in die sel gaan. Die vrae is soos volg: waarom is dit belangrik om kennis te neem van dinge soos "standaardverandering van vrye energie" of "onder standaardomstandighede" wanneer u ΔG ° meld? Wat kan moontlik in die sel aangaan om te maak dat onder normale omstandighede 'n endergoniese reaksie 'gaan'?

Respirasie: Die gebruik van elektronvervoerkettings

Aërobiese versus anaërobiese respirasie

In die wêreld waarin ons leef, asem die meeste organismes met wie ons interaksie het (ten minste diegene wat ons sien) lug, wat ongeveer 20% suurstof is. Suurstof is ons eie terminale elektronontvanger. Ons noem hierdie proses asemhaling, spesifiek aërobiese asemhaling. Ons blaas suurstof in; ons selle neem dit op en vervoer dit na die mitochondria waar dit gebruik word as die finale aanvaarder van elektrone uit ons elektrontransportkettings. Dit is aërobiese respirasie: die proses om suurstof as 'n terminale elektronaannemer in 'n elektronvervoerketting te gebruik.

Alhoewel ons suurstof as die terminale elektronaanvaarder vir ons respiratoriese kettings kan gebruik, het die meer algemene proses van asemhaling ontwikkel in 'n tyd toe suurstof nie 'n belangrike komponent van die atmosfeer was nie. Asemhaling of oksidatiewe fosforilering benodig glad nie suurstof nie; dit verg eenvoudig 'n verbinding met 'n hoë reduktiepotensiaal om as terminale elektronaanvaarder op te tree en elektrone van een van die komplekse binne die ETC te aanvaar. Baie organismes kan 'n verskeidenheid verbindings gebruik, insluitend nitraat (NO3-), nitriet (NO2-), selfs yster (Fe+++) as terminale elektron -aanvaarders. Wanneer suurstof is NIE die terminale elektronaannemer, word die proses na verwys as anaërobiese asemhaling. Die vermoë van organismes om hul terminale elektronaannemer te verander, verskaf metaboliese buigsaamheid en kan beter oorlewing verseker indien enige gegewe terminale akseptor in beperkte voorraad is. Dink hieraan: in die afwesigheid van suurstof sterf ons; maar 'n organisme wat 'n ander terminale elektronaanvaarder kan gebruik, kan oorleef.

'N Algemene voorbeeld van 'n eenvoudige, 2 komplekse ETC

Die figuur hieronder beeld 'n generiese elektronvervoerketting uit, saamgestel uit twee integrale membraankomplekse; Kompleks Iox en Kompleks IIox. 'N Verminderde elektrondonor, aangedui DH (soos NADH of FADH2) verminder komplekse Iox, wat aanleiding gee tot die geoksideerde vorm D (soos NAD+ of FAD+). Terselfdertyd word 'n prostetiese groep binne Kompleks I nou verminder (aanvaar die elektrone). In hierdie voorbeeld is die redoksreaksie eksergonies en word die vrye energie -verskil deur die ensieme in kompleks I gekoppel aan die endergoniese translokasie van 'n proton van die een kant van die membraan na die ander. Die netto resultaat is dat een oppervlak van die membraan meer negatief gelaai word weens 'n oormaat hidroksielione (OH-), en die ander kant word positief gelaai as gevolg van 'n toename in protone aan die ander kant. Complex Ired kan nou die prostetiese groep in Complex IIred verminder terwyl Complex Ired terselfdertyd geoksideer word. Elektrone gaan van kompleks I na kompleks II deur middel van termodinamies spontane redoksreaksies, wat Complex Iox regenereer, wat die vorige proses kan herhaal. Kompleks IIrooi reduseer A, die terminale elektronontvanger om Kompleks IIoks te regenereer en die gereduseerde vorm van die terminale elektronontvanger te skep. In hierdie geval kan Kompleks II ook 'n proton translokeer tydens die proses. As A molekulêre suurstof is, sal water (AH) geproduseer word. As A suurstof is, word die reaksieskema as 'n model van 'n aërobiese ETC beskou. As A egter nitraat is, NEE3- dan word Nitriet, NO2- geproduseer (AH), en dit is 'n voorbeeld van 'n anaërobiese ens.

Figuur 1. Generiese 2 komplekse elektronvervoerketting. In die figuur is DH die elektronskenker (skenker gereduseer), en D is die skenker wat geoksideer is. A is die geoksideerde terminale elektron -acceptor, en AH is die finale produk, die verminderde vorm van die acceptor. Soos DH na D geoksideer word, word protone oor die membraan getranslokeer, wat 'n oormaat hidroksielione (negatief gelaai) aan die een kant van die membraan laat en protone (positief gelaai) aan die ander kant van die membraan. Dieselfde reaksie vind plaas in Kompleks II as die terminale elektron -acceptor gereduseer word tot AH.

Oefening 1

Gedagte vraag

Gebaseer op die figuur hierbo, gebruik 'n elektrontoring om die verskil in die elektriese potensiaal te bepaal as (a) DH NADH is en A O2 is, en (b) DH NADH en A is NEE3-. Watter pare (A of B) verskaf die meeste bruikbare energie?

Kyk gedetailleerd na aërobiese asemhaling

Die eukariotiese mitochondria het 'n baie doeltreffende ENS ontwikkel. Daar is vier komplekse wat bestaan ​​uit proteïene, gemerk I tot IV, uitgebeeld in die onderstaande figuur. Die samevoeging van hierdie vier komplekse, tesame met gepaardgaande mobiele, bykomende elektrondraers, word ook 'n elektronvervoerketting genoem. Hierdie tipe elektronvervoerketting is in veelvoudige kopieë in die binneste mitochondriale membraan van eukariote teenwoordig.

Figuur 2. Die elektrontransportketting is 'n reeks elektronvervoerders wat ingebed is in die binneste mitochondriale membraan wat elektrone van NADH en FADH vervoer2 na molekulêre suurstof. In die proses word protone van die mitochondriale matriks na die intermembraanruimte gepomp, en suurstof word verminder om water te vorm.

Kompleks ek

Om mee te begin, word twee elektrone na die eerste kompleks aan boord van NADH gedra. Hierdie kompleks, gemerk I, bestaan ​​uit flavienmononukleotied (FMN) en 'n yster-swael (Fe-S) -bevattende proteïen. FMN, wat afkomstig is van vitamien B2, ook riboflavien genoem, is een van verskeie prostetiese groepe of kofaktore in die elektrontransportketting. 'N Protetiese groep is 'n nie -proteïenmolekule wat nodig is vir die aktiwiteit van 'n proteïen. Prostetiese groepe is organiese of anorganiese, nie -peptiedmolekules wat gebind is aan 'n proteïen wat die funksie daarvan vergemaklik; prostetiese groepe sluit koënsieme in, wat die prostetiese groepe ensieme is. Die ensiem in Kompleks I is NADH dehidrogenase, 'n baie groot proteïen wat 45 aminosuurkettings bevat. Kompleks I kan vier waterstofione oor die membraan van die matriks na die intermembraanruimte pomp, en op hierdie manier word die waterstofioongradiënt gevestig en onderhou tussen die twee kompartemente wat deur die binneste mitochondriale membraan geskei word.

Q en kompleks II

Kompleks II ontvang direk FADH2, wat nie deur Kompleks I gaan nie. Die verbinding wat die eerste en tweede komplekse met die derde verbind is ubiquinone (Q). Die Q -molekule is lipiedoplosbaar en beweeg vrylik deur die hidrofobiese kern van die membraan. Sodra dit verminder is, (QH2), lewer ubiquinone sy elektrone na die volgende kompleks in die elektrontransportketting. Q ontvang die elektrone afkomstig van NADH vanaf Kompleks I en die elektrone afkomstig van FADH2 van kompleks II, insluitend suksinaat dehidrogenase. Hierdie ensiem en FADH2 vorm 'n klein kompleks wat elektrone direk aan die elektrontransportketting lewer, wat die eerste kompleks omseil. Aangesien hierdie elektrone die protonpomp in die eerste kompleks omseil en dus nie die protonpomp aan die gang sit nie, word minder ATP -molekules uit die FADH gemaak2 elektrone. Soos ons in die volgende afdeling sal sien, is die aantal ATP-molekules wat uiteindelik verkry word direk eweredig aan die aantal protone wat oor die binneste mitochondriale membraan gepomp word.

Kompleks III

Die derde kompleks is saamgestel uit sitochroom b, 'n ander Fe-S-proteïen, Rieske-sentrum (2Fe-2S-sentrum), en sitochroom c-proteïene; hierdie kompleks word ook sitochroomoksidoreduktase genoem. Sitochroomproteïene het 'n prostetiese groep heem. Die heemmolekule is soortgelyk aan die heem in hemoglobien, maar dit dra elektrone, nie suurstof nie. As gevolg hiervan word die ysterioon in sy kern verminder en geoksideer terwyl dit deur die elektrone beweeg, wat wissel tussen verskillende oksidasietoestande: Fe++ (verminder) en Fe+++ (geoksideer). Die heemmolekules in die sitochrome het effens verskillende eienskappe as gevolg van die effek van die verskillende proteïene wat dit bind, wat elke kompleks effens verskillende eienskappe gee. Kompleks III pomp protone deur die membraan en stuur sy elektrone na sitochroom c vir vervoer na die vierde kompleks van proteïene en ensieme (Sitochroom c is die aanvaarder van elektrone van Q; hoewel Q pare elektrone dra, kan sitochroom c slegs een aanvaar op 'n slag).

Kompleks IV

Die vierde kompleks bestaan ​​uit sitochroom proteïene c, a en a3. Hierdie kompleks bevat twee heemgroepe (een in elk van die twee sitochrome, a en a3) en drie koperione ('n paar CuA en een CuB in sitochroom a3). Die sitochrome hou 'n suurstofmolekule baie styf tussen die yster- en koperione vas totdat die suurstof heeltemal verminder is. Die verminderde suurstof tel dan twee waterstofione uit die omliggende medium op om water (H2O) te maak. Die verwydering van die waterstofione uit die stelsel dra by tot die ioongradiënt wat gebruik word in die proses van chemiosmose.

Die verband tussen elektronvervoer en ATP -opwekking

Chemiosmose

In chemiosmose, word die vrye energie van die reeks redoksreaksies wat pas beskryf is gebruik om waterstofione (protone) oor die membraan te pomp. Die ongelyke verspreiding van H+ ione oor die membraan vestig beide konsentrasie en elektriese gradiënte (dus 'n elektrochemiese gradiënt), as gevolg van die waterstofione se positiewe lading en hul aggregasie aan die een kant van die membraan.

As die membraan oop was vir diffusie deur die waterstofione, sou die ione geneig wees om terug in die matriks te versprei, aangedryf deur hul elektrochemiese gradiënt. Baie ione kan nie diffundeer deur die nie -polêre streke van fosfolipiedmembrane sonder die hulp van ioonkanale nie. Net so kan waterstofione in die matriksruimte slegs deur die binneste mitochondriale membraan gaan deur 'n integrale membraanproteïen genaamd ATP -sintase (hieronder uitgebeeld). Hierdie komplekse proteïen dien as 'n klein opwekker, gedraai deur die oordrag van energie wat bemiddel word deur protone wat in hul elektrochemiese gradiënt afbeweeg. Die beweging van hierdie molekulêre masjien (ensiem) dien om die aktiveringsenergie van reaksie te verlaag en koppel die eksergoniese oordrag van energie wat verband hou met die beweging van protone langs hul elektrochemiese gradiënt tot die endergoniese toevoeging van 'n fosfaat tot ADP, wat ATP vorm.

Figuur 3. ATP -sintase is 'n komplekse, molekulêre masjien wat 'n proton (H+) gradiënt om ATP uit ADP en anorganiese fosfaat (Pi) te vorm.

Krediet: wysiging van werk deur Klaus Hoffmeier

Let wel: moontlike bespreking

Dinitrofenol (DNP) is 'n klein chemikalie wat dien om die vloei van protone oor die binneste mitochondriale membraan te ontkoppel na die ATP-sintase, en dus die sintese van ATP. DNP maak die membraan lek na protone. Dit is tot 1938 as 'n gewigsverliesmiddel gebruik. Watter effek sou jy verwag dat DNP op die verskil in pH oor beide kante van die binneste mitochondriale membraan sou hê? Waarom dink u kan dit 'n effektiewe gewigsverliesmedikasie wees? Waarom kan dit gevaarlik wees?

In gesonde selle word chemiosmose (hieronder uitgebeeld) gebruik om 90 persent van die ATP te genereer wat tydens aërobiese glukosekatabolisme gemaak word; dit is ook die metode wat in die ligreaksies van fotosintese gebruik word om die energie van sonlig in die proses van fotofosforilering te benut. Onthou dat die produksie van ATP met behulp van die proses van chemiosmose in mitochondria oksidatiewe fosforilering genoem word. Die algehele resultaat van hierdie reaksies is die produksie van ATP uit die energie van die elektrone wat van waterstofatome verwyder is. Hierdie atome was oorspronklik deel van 'n glukosemolekule. Aan die einde van die pad word die elektrone gebruik om 'n suurstofmolekule na water te reduseer.

Nuttige skakel: Hoe ATP van ATP-sintase gemaak word

Figuur 4. By oksidatiewe fosforilering word die pH-gradiënt wat deur die elektrontransportketting gevorm word deur ATP-sintase gebruik om ATP in 'n Gram-bakterie te vorm.

Let wel: moontlike bespreking

Sianied inhibeer sitochroom c oksidase, 'n komponent van die elektrontransportketting. Sou u verwag dat die pH van die intermembraanruimte sou toeneem of verlaag as sianiedvergiftiging plaasvind? Watter effek sal sianied op ATP-sintese hê?


ATP -produksie in die elektronvervoerketting

atp-produksie in die elektronvervoerketting is belangrike inligting vergesel van foto- en HD-prente wat van alle webwerwe ter wêreld verkry is. Laai hierdie prent gratis af in hoë-resolusie-resolusie, die keuse "aflaai-knoppie" hieronder. As jy nie die presiese resolusie kry waarna jy soek nie, gaan dan vir 'n inheemse of hoër resolusie.
Moenie vergeet om die ATP -produksie in die elektronvervoerketting te boekmerk met Ctrl + D (PC) of Command + D (macos) nie. As u 'n selfoon gebruik, kan u ook die kieslys in die blaaier gebruik. Of dit nou Windows, Mac, iOS of Android is, jy sal die beelde kan aflaai met die aflaaiknoppie.

Elektroniese vervoerfosforilering

Die elektronvervoerketting ensovoorts verantwoordelik vir Atp en Ros

Oksidatiewe fosforilering Biologie Artikel Khan Academy

Energie 3 Krebs siklus- en elektronvervoerkettingbiologie 110 uur

Elektronvervoer in die energiesiklus van die sel

Elektronetransportkettingfase 4 Hoe ver het ons gekom?

Bi Ol O Gy Biˈaləje Atp-produksie in sellulêre respirasie

Elektronvervoer in fotosintese

/>Elektronvervoerketting en energieproduksie

Elektronvervoerketting ens

Tiffany S Blog 36 vs 38 Atp

Http Www Colby Edu Chemie Bc368 Powerpoints Ch3 Pdf

Interaksie Van Regulerende Faktore Met Atp En Ros Produksie Van

Elektronevervoerketting en energieproduksie

Beeldresultaat vir Atp Formation Np School Oxidative

Wat is die funksie van die elektronvervoerketting tydens

Hoe word 36 Atp geproduseer in Cellora Respiration Quora

Elektronvervoerketting vind plaas in die Cristae van

Elektronvervoerketting Expii


Lesing 10

In die meeste stelsels sit die ATP -sintase in die membraan (die "koppeling" -membraan) en kataliseer die sintese van ATP uit ADP en fosfaat wat aangedryf word deur 'n vloed van protone oor die membraan langs die protongradiënt wat deur elektronoordrag gegenereer word. Die vloed gaan van die protochemies positiewe (P) kant (hoë proton elektrochemiese potensiaal) na die protochemies negatiewe (N) kant. Die reaksie wat deur ATP-sintase gekataliseer word, is ten volle omkeerbaar, dus genereer ATP-hidrolise 'n protongradiënt deur 'n omkering van hierdie vloed. By sommige bakterieë is die belangrikste funksie om in die ATP -hidrolise -rigting te werk, met behulp van ATP wat deur fermentatiewe metabolisme gegenereer word om 'n protongradiënt te verskaf om die ophoping van die substraat aan te dryf en die ioniese balans te handhaaf.

ADP + Pi + nH + P ATP + nH + N.

Omdat die strukture wat in EM gesien word, die subeenheidsamestelling en die rye van die subeenhede so eenders blyk te wees, is aanvaar dat die meganismes, en dus die stoichiometrie, dieselfde sou wees. In hierdie konteks was die bewyse wat daarop dui dat die stoïgiometrie van H + /ATP (n hierbo) gewissel het na gelang van sisteem, verbasend. Waardes gebaseer op maat ATP /2e - verhoudings en H + /2e - verhoudings het gesuggereer dat n 3 was vir mitochondria, en 4 vir chloroplaste, maar hierdie waardes was gebaseer op die aanname van heelgetal stoichiometries. Alhoewel al die F1F0-tipe ATP-sintases het waarskynlik 'n algemene oorsprong, beide die aanname dat die stoichiometrie dieselfde is en dat n heelgetal is, word bevraagteken deur opkomende strukturele data (sien hieronder).

In mitochondria is die P -kant die intermembraanruimte, en die N -kant die mitochondriale matriks in bakterieë, die P -kant is die buitekant (die periplasma in gramnegatiewe bakterieë), die N -kant die sitoplasma in chloroplaste, die P -kant is die lumen en die N -kant van die stroma.

Subeenheid samestelling van die ATP sintase

'n Oplosbare gedeelte, die F1 ATP-ase, bevat 5 subeenhede, in 'n stoïgiometrie van 3 a :3 b :1 g :1 d :1 e . Drie substraatbindingsplekke is in die b -subeenhede. Bykomende adenienukleotiedbindingsplek in die a -subeenhede is regulatories. Die F.1 gedeelte kataliseer ATP-hidrolise, maar nie ATP-sintese nie.

Dissosiasie van die die F1 ATP-as uit die membrane van bakterieë of organelle laat 'n membraan ingebedde gedeelte agter FO. Dit bestaan ​​uit (in E coli) van drie subeenhede a, b en c, met relatiewe stoigiometrieë van 1:2:9-12. Die c-subeenheid is baie hidrofobies en vorm 'n heliksdraai-heliksstruktuur wat twee keer oor die membraan strek, met 'n hidrofiliese lus aan die kant van die aanhegting van F1. Daar is 'n behoue ​​suurresidu halfpad oor die membraan in die C-terminale heliks.

Na dissosiasie is die membrane deurlaatbaar vir protone. Die protonlek kan gestop word deur byvoeging van inhibeerders, wat ook inhibeerders van ATP-sintese in die funksionele kompleks is. Twee "klassieke" remmers word algemeen gebruik. Oligomisien bind by die koppelvlak tussen Fo en F.1 dicyclohexylcarbodiimide (DCCD) bind kovalent aan die gekonserveerde suurresidu in die c-subeenheid van Fo. Een DCCD per ATP-ase is voldoende om omset te blokkeer, wat 'n samewerkende meganisme voorstel. Die werking van hierdie inhibeerders dui daarop dat die protonpermeabiliteit van die Fo is deel van sy funksionele meganisme.

Die protonlek kan geprop word, en 'n funksionele ATP-sintase kan hersaamgestel word deur die F terug by te voeg1 gedeelte na membrane wat die F bevato porsie.

Hierdie beeld van die volledige E coli kompleks, met behulp van beeldmiddeling en krio-elektronmikroskopie, en die model wat daaruit afgelei is, wat 'n tweede steel toon, is van Rod Capaldi se tuisblad. (Let wel: die letters van die subeenhede verskil in ATP-sinteses van verskillende bronne.)

Struktuur van die F1 ATP-ase

Tans beskikbare strukture vir ATP-sintase subeenhede.

Die proteïen is gekristalliseer in die teenwoordigheid van ADP, en 'n ATP-analoog, AMP-PNP, waarin die twee terminale fosfate van ATP vervang is deur die nie-hidroliseerbare imidodifosfaatgroep. Die drie a -subeenhede het elk 'n AMP-PNP bevat. Die drie b-subeenhede het óf ADP (b DP), AMP-PNP (b TP), of geen nukleotied (b E).
Klik op die beelde vir 'n groot weergawe.


Links: Die struktuur van die F1 ATP-ase, van die kant gesien. Die a -subeenhede word in geel getoon, die b -subeenhede in rooi en die g -subeenheid in blou. Die tekenprent links bo toon die rigting. Let op dat die a -b -subeenhede in 'n ring om die g -subeenheid afwissel, wat 'n staaf in die middel vorm. Die a - en b -subeenhede word gedifferensieer deur subskripsie wat dui op die besetting van die aktiewe plek van die b -subeenheid van elke a - b -paar: E - leë DP - ADP TP - ATP -analoog, AMP -PNP. Skaalbalk is 20 en#197.
Regs: 'n Vertikale sny deur die kompleks oor die a -TP/ b -DP diagonaal wat in die spotprent uitgelig is.


Links: 'n Vertikale sny deur die kompleks oor die a -E/ b -TP -diagonaal wat in die tekenprent uitgelig word.
Regs: 'n Vertikale sny deur die kompleks oor die a -DP/ b -E diagonaal wat in die spotprent uitgelig is.
Let wel hoe die "kakebeen" van die neutkraker oopmaak wanneer die plek leeg is (pyl in die prentjie regs).


Uitsig oor die kompleks vanaf die membraan (kyk uit na die N-fase).


Links: 'n horisontale snit deur die kompleks bo -aan, met die b -velstruktuur wat 'n deksel oor die katalitiese domein bied. Skaalbalk is 20 en#197.
Regs: 'n Horisontale sny deur die kompleks oor die katalitiese domein, wat oorwegend spiraalvormig is.


Links: Aansig van die berekende elektrostatiese oppervlakpotensiaal van die a, b -mou wat gevorm word deur die struktuur onder die b -dop, en toon streke van negatiewe (rooi) en positiewe lading, en 'n oorwegend neutrale (hidrofobiese) "gat" in die deegneut, waardeur die boonste deel van die g -subeenheid uitsteek. Die uitsig is van binne die proteïen.
Regs: Soortgelyke oppervlak, maar van die kant gesien, van die g-subeenheid, wat 'n hidrofobiese oppervlak vir die grootste deel van die staaf toon, maar 'n gemerkte, natuurlik gelaaide poolgebied halfpad af. Die boonste gedeelte van die staaf gly in die huls wat in die Fig. links getoon word, soos in deursnee deur die bal-en-stok-struktuur aangedui.


Deursnit deur die struktuur wat oppervlaktes toon, en beklemtoon die pas van die g -subeenheid in die a, b -ring. Die ligging van die gebonde ATP-analoog (AMP-PNP) in die b TP-subunit. Let op hoe die uitstulping, wat in die g -subeenheid deur die horisontale heliks ingebring is, teen die b aansluit TP-subunit, en dwing 'n verandering in konformasie. Daar word voorgestel dat die rotasie van die g -subeenheid in die a, b -ring konformasieveranderinge in opeenvolgende a, b -pare veroorsaak om die bindingsveranderinge teweeg te bring wat van die bindingsverandering meganisme verwag word (sien hieronder).

Die F.1-ATP ase in 'n Chime-tutoriaal. (Tutoriaal laat verkenning toe van lêers 1bmf (oorspronklike Abrahams et al. struktuur), en 1e79 (struktuur met DCCD, g meer volledig opgelos, en d en e subeenhede ingesluit).)

Meganisme van die F1 ATP-ase

Die ATP-sintase werk deur 'n meganisme waarin die drie aktiewe plekke 'n verandering in bindingsaffiniteit vir die reaktante van die ATP-ase-reaksie, ATP, ADP en fosfaat ondergaan, soos oorspronklik voorspel deur Paul Boyer. Die verandering in affiniteit gaan gepaard met 'n verandering in die posisie van die g -subeenheid relatief tot die a, b -ring, wat 'n rotasie van die een relatief na die ander behels. In die rigting van ATP-sintese word die rotasie aangedryf deur 'n vloed van H + af in die protongradiënt, deur 'n koppeling tussen die g -subeenheid, en die c-subeenheid van FO. Hierdie rotasie is nou eksperimenteel getoon.

Eksperimentele ondersteuning vir rotasie model

Biofisiese benadering

Hierdie rotasiebeweging is vasgevang in dramatiese video's van die laboratorium van Masasuke Yoshida. In hierdie werk het die F1-ATPase is vasgemaak aan 'n glasoppervlak deur die b-subeenheid, met behulp van 'n His-tag wat in die proteïen by die N-terminus vervaardig is, en NTA-ligand op die glas (sien illustrasie van Junge et al. TIBS-artikel hieronder).
Die beweging is opgespoor deur 'n aktienfilament aan die g -subeenheid te heg, wat met fluoresserende groepe gemerk is om dit sigbaar te maak, en opgeneem met 'n videokamera wat aan 'n mikroskoop geheg is. Die beweging is slegs gesien onder omstandighede van ATP-hidrolise, en die bewegingsrigting was altyd teen die kloksgewys gesien vanaf die Fo gedeelte gee die teken van die katalitiese meganisme.

Hiroyuki Noji, Ryohei Yasuda, Masasuke Yoshida & Kazuhiko Kinosita Jr. (1997) Direkte waarneming van die rotasie van F1-ATPase. Natuur, 386, 299 - 302.

  1. Sabbert D. Junge W. (1997) Gestapte versus kontinue roterende motors op die molekulêre skaal. Proc. Natl. Acad. Wetenskaplike. (VS) 94, 2312-2317.
  2. Sabbert D. Engelbrecht S. Junge W. (1997) Funksionele en ledige roterende beweging binne F-1-ATPase. Proc. Natl. Acad. Wetenskaplike. (V.S.) 94, 4401-4405.
  3. Hasler K. Engelbrecht S. Junge W. (1998) Rotasie in drie trappe van subeenhede gamma en epsilon in enkele molekules van F1-ATPase onthul deur gepolariseerde konfokale fluorometrie. FEBS Lett. 426, 301-304.
  4. Junge W. Lill H. Engelbrecht S. ATP -sintase - 'n elektrochemiese transducer met roterende meganika. TIBS 22, 420-423.

Biochemiese benadering

Duncan, T.M., Bulygin, V.V., Zhou, Y., Hutcheon, M.L. en Cross, R.L. (1995) Rotasie van subeenhede tydens katalise deur E coli F1-ATPase. Proc. Natl. Acad. Sci., USA 92, 10964-10968.) In die tekenprent hierbo wat die bindingsveranderingsmeganisme van Paul Boyer toon, veroorsaak die rotasie van die g -subeenheid (geel) relatief tot die a, b -ring (die drie a, b -pare word voorgestel deur verskillende skakerings van groen of blou) 'n verandering in die bindingsaffiniteite van reaktante, soos hier voorgestel deur 'n verandering in die konformasie van die terrein wanneer van links na regs in die diagram gaan. In stap 2 vorm ATP spontaan uit styf gebonde ADP en Pi. Die meganisme is voorgestel voordat die struktuur bekend was, so die struktuur bied 'n goeie bevestiging van die model. Die Open webwerf stem ooreen met die Empty site van die struktuur, die Tregte terrein na die ATP webwerf, en die Lplaas aan die ADP werf.

  • Gedetailleerde meting van isotopiese uitruilings van 32 P tussen ATP, ADP en anorganiese fosfaat, en van 18 O tussen H2O en ATP het Boyer oorspronklik laat dink dat die meganisme 'n energie-gekoppelde verandering in affiniteit vir reaktante behels.
  • Eksperimente oor die besetting van die katalitiese plek het getoon dat die ATP-hidrolise-reaksie gereed was met ADP en ATP in 'n verhouding naby 1.
  • In eksperimente waarin die ensiem toegelaat is om ATP te hidroliseer in 'n reaksiemengsel met die [ATP] aansienlik laer as [ensiem], het Penefsky bevind dat die reaksietempo baie stadig was, en dat die kinetika en bindingskonstante van gedeeltelike reaksies kon maklik gemeet word. Onder hierdie toestande (uni-site katalise), word omset beperk tot 'n enkele perseel op elke F1, en die normale koöperatiewe siklus kan nie plaasvind nie. The slowed reaction kinetics made it possible to construct the following thermodynamic cycle of reactions, in which the D G o ' values (or equilibrium constants) for unmeasured partial reactions could be calculated from measured values. This confirmed that the main changes in free energy in the reaction were associated with the binding and unbinding of reactants, rather than the hydrolysis of ATP.


Equilibrium (K) and kinetic (k) constants for hydrolysis of ATP by F1 under uni-site turnover conditions. Values for some of the constants are:

k1 = 6.4 x 10 6 M -1 sec -1
k-1 = 7 x 10 -6 sec -1
K1 =

k4 = 3.6 x 10 -4 sec -1
k-4 = 1.3 x 10 3 M -1 sec -1
K4 = 0.3 x 10 -6 M

  1. DTNB was added as oxidant to form an -S-S- bond
  2. Die F.1 was dissociated into subunits, and the unlabelled mixture was mixed in a 1:1 molar ratio with labelled mixture.
    On reassociation, mixed complexes were formed in which unlabelled g -S-S- b bridged pairs were in association with labelled unbridged g and b -subunits.
  3. The mixture was reduced to break the bridges, ATP was added to induce turn-over, and the bridges were reformed by adding oxidizing agent.

Cartoon showing the two parts of the ATP synthase, with a rotation of g -subunit driven by coupling to a "motor" consisting of the c-subunits of FO. The c-subunits form a complex which moves in the membrane with respect to the a-subunit of FO. The idea suggested by Wolgang Junge (click here to see a model ) is that the a-subunit provides a port for entry of protons from the P-phase, and a port for exit to the N-phase. When a proton enters through the P-phase port, it neutralizes the conserved acidic residue in the helical hairpin of the c-subunit. Only in this neutral form (animation from Hongyun Wang's Home Page) can the c-subunit rotate away from association with the a-subunit. Rotation brings a neutral c-subunit to the exit port, allowing it to lose the proton, and associate with the a-subunit complex. Successive protonations allow the c-subunit complex to rotate by 1/n x 360 o for each proton, where n is the stoichiometry of the c-subunit per ATP synthase (9-12). Because a complete rotation drives ATP synthesis at each of the 3 catalytic sites, 3 or 4 H + are required for each ATP,- the stoichiometry found. DCCD (see above) blocks the mechanism by acting as a covalent "spanner", jamming the works when bound to any single c-subunit.
Click here for an animation of the complete mechanism.

The attachment to FO.


A cartoon showing the arrangement of the subunits which join the F1 section to the FO afdeling. Note that the stalk of the ATP synthase has now become two stalks, one central, composed of the e- and g- subunits, linked to the c-subunit complex, and the other peripheral, composed of the d- and b-subunits. Why is this second stalk not seen in electron microscopy images? Capaldi suggests that the reason reflects the averaging which is necessary to get high quality images. Symetrical structures like the a , b -ring and the central stalk will contribute to the average, but asymetric structures like the peripheral stalk will be "averaged out" of the image, unless special care is taken to select images with such a feature in a fixed orientation.

Evolution of the F1 ATPase

Structure of the yeast F1FO kompleks

Walker and colleagues have recently solved a structure from crystals containing a more complete ATP-synthase complex from yeast mitochondria. Although the protein contained a full complement of subunits, some of these dissociated on crystallization, and only the c-subunit of F0 was retained. Nevertheless, the model shows the organization of the proteolipid, DCCD-binding subunits (corresponding to the c-subunits of E coli). These are arranged in a ring, as expeced from the Junge mechanism.

Opsomming: Adenosine triphosphate (ATP) synthase contains a rotary motor involved in biological energy conversion. Its membrane-embedded F0 sector has a rotation generator fueled by the proton-motive force, which provides the energy required for the synthesis of ATP by the F1 domein. An electron density map obtained from crystals of a subcomplex of yeast mitochondrial ATP synthase shows a ring of 10 c subunits. Each c subunit forms an a -helical hairpin. The interhelical loops of six to seven of the c subunits are in close contact with the g and d subunits of the central stalk. The extensive contact between the c ring and the stalk suggests that they may rotate as an ensemble during catalysis.
A brief Chime tutorial on the yeast F1F0structure, based on a C a -backbone model.

However, a major surprise comes from a count, which shows 10 subunits. In a rotatory mechanism with integer stoichiometry for H + /ATP, it had been expected that the number of c-subunits would be divisible by 3, the stoichiometry of a , b -pairs in F1, to give either 9 (for n=3) or 12 (for n=4).

Another surprise has come from the work by Norbert Dencher and Andreas Engel who have used atomic force microscopy (AFM) to study the structure of the subunits equivalent to the c-subunit from chloroplast F0 (subunit-III) reconstituted into protein arrays, which self-organize into ring structures. Here the count of c-subunits in a ring is 14.

Legend: Subunit-III oligomers of chloroplast ATP synthase visualized in 25 mM MgCl2, 10 mM Tris-HCl, pH 7.8, at room temperature using atomic force microscopy (Nanoscope III, Digital Instruments)11. Top, the distinct wide and narrow rings represent the two surfaces of the subunit-IIIx oligomer middle, wide oligomer ends, showing 14 subunits-III bottom, narrow oligomer ends. The full grey-level range of these topographs was 2 nm.


Lecture 10: Electron transport/ATP production - Biology

Reading: Chapter 7, Taiz and Zeiger's Plantfisiologie

________________________________________________________________

II. Metabolisme

C. Photosynthesis

2. Electron and Proton Transport.

b. Proton transport

Photosynthetic electron transport produces the reductant (NADPH) that drives several important metabolic processes, including the assimilation of carbon dioxide into carbohydrates. Photosynthetic electron transort also drives the movement of H + from the chloroplast stroma into the thylakoid lumen, producing an electrochemical potential across the membrane that is used to phosphorylate ADP, yielding ATP.

Protons move into the thylakoid membrane at three points:


&bullOn the lumen side of PS II, where water is oxidized, releasing H + .


&bullOn the lumen side of the cytochrome b6-f complex as PQH 2 is oxidized. PQ acquires 2 H + from the stroma as it is reduced at the stromal side of PS II (the protons balance the two negative charges of the electrons). These protons are released as the electrons are removed at the lumenal side of the cytochrome complex.


&bullAlso at the cytochrome complex, cytochrome complex, protons move into the thylakoid lumen by another mechanism called the "Q cycle". This mechanism is described in Fig. 7.29 of your text. As PQH 2 is oxidized at the lumen side of the cytochrome complex, one of the two electrons goes to plastocyanin while the other goes to a different site on the stromal side of the cytochrome complex. PQ is reduced there, as well as at the stromal side of PS II, and it acquires 2 H + from the stroma, just as it does at PS II. In this way, some of the electrons passing through the system bring two protons across the thylakoid membrane rather than just one.

For all these sites of proton movement into the lumen, the positioning of oxidation or reduction sites on PS II and the cytochrome complex is the basis of proton movement.

c. Chemiosmose

By the middle of the 20th century, most of the steps of photosynthetic electron transport had been worked out. A persistent question was how electron transport resulted in the phosphorylation of ADP, yielding ATP. The answer was provided by the chemiosmotic hypothesis formulated by Peter Mitchell in 1961. It states that electron transport serves to generate an H + gradient across the chloroplast thylakoid and mitochondrial inner membranes. The gradient is then used to make ATP. Mitchell received the Nobel Prize for his work in 1978.

Protons are small but charged and don't move easily through membranes unless there is a protein channel for them. The ATP synthase complex provides such a channel in the thylakoid and mitochondrial inner membranes and uses the energy of proton passage to phosphorylate ADP. The ratio of this process is about 3 protons per ATP.

The ATP synthase is a large protein complex consisting of about 24 protein subunits. It acts as a channel through which protons that are in the thylakoid lumen can escape back into the chloroplast stroma, driven by the electrochemical gradient. The passage of H + through the ATP synthase provides energy for ATP synthesis. About 3 protons are passed for each ATP made. A simple sketch of the ATP synthase is shown below.

ek. Evidence for chemiosmosis

Evidence for chemiosmosis includes experiments showing that ATP synthesis occurs in the absence of electron transport if a proton gradient is created in some other way.


ATP synthesis in the dark (Andre Jagendorf)

Thylakoid membranes isolated from chloroplasts can be made to synthesize ATP in the absence of photosynthetic electron transport in the following experiment. Thylakoids are isolated from chloroplasts and suspended in a buffer at pH 4. The lumen spaces of these thylakoids gradually become pH 4 as H + moves into them from the surrounding solution. Some of the pH 4 thylakoids are then removed from the pH 4 buffer and placed in a second beaker, also at pH 4. This beaker has phosphate and ADP in it but the thylakoids do not make ATP. Another portion of the pH 4 thylakoids are placed in a beaker having ADP and phosphate but buffered to pH 8. This time ATP is synthesized. This experiment is carried out in darkness, proving that light is not directly required for ATP synthesis but that a proton gradient between the thylakoid lumen and the outside is required.


Uncouplers (Robert Hill)

Some chemicals act to neutralize the proton gradient built up by photosynthetic electron transport, for example dinotrophenol acts as a proton carrier, shuttling protons back across the thylakoid membrane as quickly as electron transport can move them in the other direction.

Uncouplers are called uncouplers because they "uncouple" electron transport from ATP synthesis. They inhibit ATP synthesis with affecting electron transport. In fact, electron transport accelerates because it is no longer pumping protons against a gradient. The fact that uncouplers can abolish ATP synthesis but have no negative effect on electron transport is more evidence in support of the chemiosmotic hypothesis.


Lecture 10: Electron transport/ATP production - Biology


NATIONAL SCIENCE FOUNDATION


U.S. DEPARTMENT OF EDUCATION

This collection has been developed to introduce students to new concepts. By walking through the still images and movie included for each topic, viewers are in control of choosing the learning style that best fits their needs.

Now available on your iPod touch , iPhone , and iPad ! Download your free copy of the Vcell App by die iTunes App Store today! Version 1.0 includes stills, movies, text, and quizzes covering Photosynthesis en die Elektronvervoerketting.

Do you need captions? Downloadable versions of the animations with subtitles are available on our download page, all we require is a short registration for grant purposes.


Lecture 10: Electron transport/ATP production - Biology

The living cell is either building molecules, which is referred to as anabolism or it is tearing molecules down called catabolism. The process of catabolism, that is the breakdown of molecules, is for energy generation or to create molecules used as building blocks for macromolecules. In catabolism molecules such as proteins, fats and carbohydrates are metabolized to yield energy storage molecules such as ATP, or precursor molecules for use in cell growth and homeostasis.

In anabolism the energy rich molecules are utilized along with precursor molecules to build macromolecules required by the cell for survival and replication. These macromolecules include DNA, enzymes and cell wall components. Catabolism and anabolism are processes that work in synchrony to optimize the cells ability to survive.

  • Step by step description of energy generating pathways.
  • Detailed description of substrate level phosphorylation.
  • Electron transport in cell membranes and mitochondria for ATP generation.
  • Concept map showing inter-connections of new concepts in this tutorial.
  • Definisie skyfies stel terme in soos dit nodig is.
  • Visual representation of concepts.
  • Step by step animated examples of catabolic processes.
  • Practice quiz on major concepts of the tutorial.

Microbial metabolism may be summed up as a balance between catabolic and anabolic pathways.
Catabolic pathways generate energy by utilizing: carbohydrates, proteins and fats in metabolic cycles.
Anabolic pathways use the energy created in catabolic processes and precursor molecules to generate complex macromolecules. These molecules include: polysaccharides, lipids, amino acids, proteins and nucleotides.
Many pathways can be “forced” to run in reverse. Therefore pathways that are typically catabolic in reverse may function as an anabolic pathway.

See all 24 lessons in Anatomy and Physiology, including concept tutorials, problem drills and cheat sheets: Teach Yourself Microbiology Visually in 24 Hours


Electron Transport in the Energy Cycle of the Cell

The eukaryotic cell's most efficient path for production of vital ATP is the aerobic respiration that takes place in the mitochondria. After glycolysis, the pyruvate product is taken into the mitochondia and is further oxidized in the TCA cycle. This cycle deposits energy in the reduced coenzymes which transfer that energy through what is called the electron transport chain.

The energy given to the electrons of the reduced coenzyme NADH and to succinate by the TCA cycle is transferred in small steps in the inner membrane of the mitochondrion through a chain of five protein complexes. These small oxidation steps accomplish the conversion of ADP to the energy currency molecule ATP. This series of coupled reactions is often referred to as oxidative phosphorylation.

The energy used in the electron transport chain pumps protons across the inner mitochondrial membrane from the inner matrix to the intermembrane space, producing a strong hydrogen concentration gradient. This process was called chemiosmosis by its discover, Peter Mitchell. This difference in proton concentration produces both an electrical potential and a pH potential across the membranes. The protein complex ATP synthase then makes use of this membrane potential to accomplish the phosphorylation of ADP to ATP.


Redox Cell Biology and Genetics Part B

Aleksandra Trifunovic , Nils-Göran Larsson , in Methods in Enzymology , 2002

Inleiding

Respiratory chain dysfunction is increasingly recognized as an important cause of organ failure in human pathology. 1,2 The biogenesis of the respiratory chain is unique in its bipartite dependence on both nuclear and mitochondrial DNA (mtDNA)-encoded genes ( Fig. 1 ). The mtDNA encodes only 13 of the

100 respiratory chain subunits however, the mtDNA-encoded subunits are key components absolutely required for a functional respiratory chain. 1 A large number of genetic syndromes with respiratory chain dysfunction due to mutations of nuclear- or mtDNA-encoded genes have been described. 1 Abundant circumstantial evidence also associates mitochondrial dysfunction with common diseases, such as heart failure, diabetes mellitus, and neurodegeneration, and the naturally occurring process of aging. 2 Mitochondria are not only cellular energy factories but also generate most of the cellular reactive oxygen species (ROS) and perform key regulatory steps in apoptosis signaling. The molecular connection between respiratory chain dysfunction, ROS production, and apoptosis induction is unclear at present and in-depth understanding of these processes will require studies of model organisms, preferably transgenic mice.

Fig. 1 . The biogenesis of the respiratory chain. The biogenesis of the respiratory chain is dependent on subunits encoded by both nuclear and mtDNA genes (Top). Pathogenic mutations of mtDNA often affect transfer RNA genes and impair mitochondrial translation. This results in impaired synthesis of all mtDNA-encoded respiratory chain subunits and a severe respiratory chain dysfunction (middel). Homozygous knockout of Tfam results in loss of mtDNA and loss of mitochondrial transcripts. This will abolish mitochondrial protein synthesis and result in a severe respiratory chain dysfunction (onderkant).

Several multisystem disorders of humans are caused by mutations of mtDNA that interfere with the abundance or function of one or several transfer RNA (tRNA) molecules and thus impair mitochondrial translation ( Fig. 1 ). 2 Large-scale deletions of mtDNA (ΔmtDNA) result in the lack of several tRNAs, stalled translation, and severe respiratory chain deficiency. 2 The phenomenon of heteroplasmy, whereby normal and mutated mtDNAs coexist within the same cell, creates a mosaic pattern of respiratory chain deficiency due to different levels of mutated mtDNA in different cells of the affected organs. There is evidence suggesting that the distribution of mutated mtDNA is an important determinant of the organ-specific manifestations and that accumulation of mutated mtDNA with time may explain the progressive deterioration of respiratory function in postmitotic organs, for example, brain and heart, of affected patients.

Maintenance and expression of mtDNA are completely dependent on nuclear genes and it is therefore possible to produce a global reduction of mtDNA expression, similar to the reduction observed in patients with mtDNA mutations, by disruption of nuclear genes. We have demonstrated that important pathophysiology associated with mtDNA mutations indeed can be reproduced by disrupting the nuclear Tfam gene, which encodes a transcriptional activator that is imported to mitochondria ( Fig. 1 ). 3 The Tfam protein specifically binds mtDNA promoters and activates transcription. Tfam has the ability to bend and unwind DNA and may activate transcription by facilitating binding of mitochondrial RNA polymerase and other factors to the mtDNA promoters. Mitochondrial transcription is not only necessary for gene expression but also for mtDNA replication by providing the RNA primers necessary for initiation of mtDNA replication by mitochondrial DNA polymerase. Transcription is thus a prerequisite for mtDNA replication.

Tfam is absolutely required for mtDNA maintenance in vivo, and homozygous germ line Tfam knockouts lack mtDNA and die during embryogenesis. 3 Characterization of tissue-specific Tfam knockouts has demonstrated that Tfam protein depletion leads to a downregulation of mtDNA copy number, reduced levels of mitochondrial transcripts, and severe respiratory chain deficiency ( Fig. 1 ). 4–6 Interestingly, the phenotype of tissue-specific Tfam knockouts faithfully reproduces pathology found in humans with ΔmtDNA disorders, for example, dilated cardiomyopathy with atrioventricular conduction blocks and mitochondrial diabetes. 4–6 It is thus likely that impaired mtDNA expression is a key pathogenesis feature of ΔmtDNA disorders and that the distribution of ΔmtDNA and, as a consequence, the distribution of the respiratory chain deficiency is the main determinant of the phenotype. Work from our laboratory suggests that reduced mtDNA expression increases ROS production and induces apoptosis, but the involved molecular pathways remain to be elucidated. 7


Lecture 10: Electron transport/ATP production - Biology

S4. C1.PO (1,3,4) C5.PO (1-2) S1.C3.PO (3)

Selrespirasie:
die vrystelling van chemiese energie vir sellulêre gebruik.


Wat is die chemiese formule vir glukose?

C6H.12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O

Glukose stoor die son se energie in chemiese vorm.
Adenosientrifosfaat - ATP die molekule wat organismes eintlik vir energie kan gebruik.
Asemhaling die afbreek van pirodruivensuur met behulp van molekulêre suurstof.
Glycolysis

Op hierdie punt is daar drie moontlikhede:

  1. Aerobiese asemhaling
  2. -
    1. Die Krebs -siklus, ook bekend as die Sitroensuur siklus , produseer 2 ATP -molekules, 10 draermolekules en CO2 van elke glukosemolekuul.
    2. Die Elektronvervoerketting produseer dan 34 ATP -molekules en H2O van die draermolekules.

    • Aerobiese asemhaling (met suurstof) kan 36 tot 38 ATP molekules uit elke glukose molekule produseer.
    • Anaërobiese asemhaling (sonder suurstof) kan slegs glikolise voortgaan, wat 2 ATP -molekules uit elke glukose -molekule produseer.
    • Daarom is aërobiese respirasie sowat 19 keer so doeltreffend as anaërobiese respirasie.
    1. Bestudeer hierdie webwerf oor ATP. Skryf 'n paragraaf wat verduidelik waarom die drie fosfaatgroepe in 'n ATP-molekule die sleutel is tot ATP wat vir sellulêre energie gebruik word.
    2. Skryf 'n paragraaf waarin jy verduidelik wat gebeur wanneer melksuur in spiere opbou?
    3. Hoeveel koolstofatome is in 'n molekule pirodruivensuur?
    4. Wat beteken die term "anaërobies"?
    5. Wat beteken die term "aërobies"?
    6. Hoeveel ATP word tydens glikolise geproduseer?
    7. Hoeveel ATP word tydens die Krebs -siklus vervaardig?
    8. Hoeveel ATP word in die elektronvervoerketting in die Mitochondria geproduseer?
    9. Hoeveel ATP word tydens aërobiese respirasie geproduseer?
    10. Hoeveel ATP word tydens anaërobiese respirasie geproduseer?
    11. Teken 'n diagram wat die proses van sellulêre asemhaling in 'n sel toon (identifiseer plekke en benoem alle dele).
    12. Bespreek in jou woorde hoekom sellulêre respirasie so belangrik is vir lewende organismes.
    1. Hersien konsep 1 en voltooi die resensie (A - H) met u antwoord hier.
    2. Hersien konsep 2-glikolise en voltooi oefening 2, en noem die 8 uitsetmolekules (1-8) in volgorde van begin tot einde.
    3. Hersien konsep 3 Krebs -siklus en voltooi oefening 3.
      1. Hoeveel ATP-molekules produseer die Krebs-siklus in een siklus?
      2. Hoeveel CO2 molekules produseer die Krebs -siklus in een siklus?
      3. Hoeveel elektrondraermolekules produseer die Krebs-siklus in een siklus?
      4. Waar sal al die elektrondraermolekules hul elektrone neem?
      1. Maak 'n lys van al die items wat u moet gebruik om die ETC en chemeosmosis vir die blou elektrondraer NADH te voltooi (doen net NADN).
      2. Gee 'n kort beskrywing van wat elke item doen.
      3. Voorbeeld nommer een sou wees: NADN skenk elektron aan die komplekse een proteïen
      4. Doen dit vir die oorblywende 5 stappe.
      1. Voltooi slegs A, B, C, F

      Deel 3: Honneurs biologie aanlyn handboek

      1. Voltooi hierdie opdrag met behulp van die Honneursbiologie aanlyn handboek, hoofstuk 6, oor hoe selle energie oes.

        - Web MD - Universiteit van Minnesota - Carroll College - Carroll College - Universiteit van Arizona - skakels van NSTA - The Biology Corner
    4. Sellulêre respirasie-animasies - North Harris College Biology Dept.
    5. Oksidatiewe fosforilering-animasie - Wiley-publisering
    6. Die chemiese formule vir 'n glukosemolekule is C6H.12O6


      How many ATP are produced in electron transport?

      This accounts for about two ATP molecules. A total of 32 ATP molekules is generated in electron transport and oxidative phosphorylation.

      Furthermore, how are 36 ATP produced? Cellular respiration produces 36 totaal ATP per molecule of glucose across three stages. Breaking the bonds between carbons in the glucose molecule releases energy. There are also high energy electrons captured in the form of 2 NADH (electron carriers) which will be utilized later in the electron transport chain.

      In respect to this, how ATP is produced in the electron transport chain?

      The process of forming ATP van die elektron vervoer ketting is known as oxidative phosphorylation. Electrons carried by NADH + H + and FADH2 are transferred to oxygen via a series of elektron carriers, and ATPs are gevorm. Three ATPs are gevorm from each NADH + H + , and two ATPs are gevorm for each FADH2 in eukaryotes.

      Overall, the H+ ions provide enough energy for ATP synthase to make 32&ndash34 ATP molecules. Doing the math and adding up all the ATP produced during the entirety of cellular respiration, we get 36& ndash38 ATP.


      Stopping the Electron Transport Chain

      One of the best ways to understand the function and purpose is to understand what happens if the electron transport chain stops. This can happen from two basic scenarios. The electron transport chain can stop because it does not have a source of electrons, or it can stop because it can no longer pass electrons on.

      The first scenario would be caused by something like starvation. Without a source of glucose or other energy-rich molecules, cells would not be able to collect electrons on electron carriers. Without anything to transfer, the chain would simply stop pumping hydrogen ions. In turn, ATP synthase would stop functioning and the entire cell would soon run out of energy and deteriorate.

      The second scenario is somewhat more common and happens when cells run out of oxygen. Organisms which are facultative anaerobes are able to use different processes when there is no oxygen for oxidative phosphorylation. In some organisms the process of fermentasie allows glycolysis to continue, producing only a small amount of ATP. Without the electron transport chain, the cell still needs to recycle electron carriers. In die geval van alcohol fermentation, the electron carriers dump their electrons in a reaction which creates etanol as a final product. This allows glycolysis to continue producing ATP, allowing the cells to live through periods of low oxygen content.


      Kyk die video: Mutacije i repair mehanizmi (Augustus 2022).