OXIDATIVE PHOSPHORYLATION อ. ชัยวัฒน์ วามวรรัตน์

MITOCHONDRIA โครงสร้างของ ไมโตคอนเดรีย - เยื่อหุ้ม 2 ชั้น - เยื่อหุ้มชั้นในพับเข้าด้านใน : cristae - ภายในที่ถูกล้อมรอบด้วยเยื่อหุ้มชั้นใน : matrix - ระหว่างเยื่อหุ้มชั้นในและเยื่อหุ้มชั้นนอก : intermembrane space - เซลล์ที่มีเมแทบอลิซึมสูงจะมีจำนวนไมโตคอนเดรียสูง เช่น เซลล์ตับ เซลล์กล้ามเนื้อ

MITOCHONDRIA

OXIDATIVE PHOSPHORYLATION - อิเล็กตรอนจากสารอาหารถูกรวบรวมเข้าสู่ ตัวรับและถ่ายทอดอิเล็กตรอน (electron acceptors) : nicotinamide nucleotides (NAD+) : flavin nucleotides(FMN or FAD) โดยเอนไซม์กลุ่ม dehydrogenase

OXIDATIVE PHOSPHORYLATION 3 รูปแบบของการถ่ายทอดอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้น - ถ่ายทอดอิเล็กตรอนโดยตรง เช่น Fe3+ → Fe2+ - ถ่ายทอดในรูปไฮโดรเจนอะตอม (H+ + e -) - ถ่ายทอดในรูป hydride ion (:H-) ซึ่งมีอยู่ 2 อิเล็กตรอน

OXIDATIVE PHOSPHORYLATION รูปแบบโมเลกุลที่มีบทบาทรับและส่งถ่ายอิเล็กตรอน ในลูกโซ่การหายใจ : hydrophobic quinone (ubiquinone) : iron-containing proteins  cytochromes  iron-sulfur proteins

CYTOCHROMES - เป็นโปรตีนที่สามารถดูดกลืนแสงช่วงคลื่นตามองเห็น เนื่องจากมี prosthetic group เป็น heme ซึ่งมี Fe เป็นองค์ประกอบ - ในไมโตคอนเดรีย มี cytochrome อยู่ 3 กลุ่ม คือ a, b และ c - cytochrome a และ b ไม่เกิดพันธะโควาเลนท์เชื่อมต่อกับโปรตีน ซึ่งต่างจาก cytochrome c

IRON – SULFUR PROTEINS - Fe ที่อยู่ในโปรตีนไม่ได้จับกับ heme แต่จับกับอะตอมของ S หรือกับอะตอม ของ S ใน Cys residues ของโปรตีน หรือเป็นทั้ง 2 รูปแบบที่กล่าวข้างต้น - มีบทบาทส่งถ่าย 1 อิเล็กตรอน แบบ 2Fe-2S แบบ Fe-S

COMPLEX I : NADH : UBIQUINONE OXIDOREDUCTASE (NADH DEHYDROGENASE) - 42 different polypeptide chains,  FMN-containing flavoprotein  six iron-sulfur centers. - L-shaped,  one arm in the membrane  the other arm extending into the matrix.

COMPLEX I : NADH : UBIQUINONE OXIDOREDUCTASE (NADH DEHYDROGENASE) เร่งปฏิกิริยา 1. ส่งถ่าย hydride ion (:H-) จาก NADH และ 1 H+ จากฟาก matrix สู่ ubiquinone NADH + H+ + Q → NAD+ + QH2 2. ส่งถ่าย 4 H+ จากฟาก matrix สู่ฟาก intermembrane space. เป็นเสมือน proton pump ที่ทำงานโดยพลังงานจากการขนส่งอิเล็กตรอน ปฏิกิริยารวม NADH + 5H+N + Q → NAD+ + QH2 +4 H+p N : Negative side จากการเสียประจุบวกไป ประจุลบเพิ่ม P : Positive side จากการรับประจุบวกเพิ่ม

UBIQUINONE (COENZYME Q) - lipid-soluble benzoquinone ที่มีสายโซ่ isoprenoid ที่ยาว - ละลายอยู่ในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย - ขนถ่ายอิเล็กตรอนจาก complex I สู่ complex III หรือ complex II สู่ complex III

COMPLEX I I : SUCCINATE DEHYDROGENASE - เป็นเอนไซม์ตัวเดียวใน Kreb’s cycle ที่ฝังตัวอยู่ในเยื่อหุ้มชั้นในของ ไมโตคอนเดรีย - ประกอบด้วย 4 หน่วยย่อย (A-D)  หน่วยย่อย C และ D ฝังอยู่ในเยื่อหุ้ม  5 prosthetic groups ที่มี 2 รูปแบบ  3 ชุด 2Fe-2S centers ในหน่วยย่อย B  heme b ที่อยู่ระหว่างหน่วยย่อย C และ D ไม่ได้เป็นเส้นทางผ่านของอิเล็กตรอน แต่ช่วยป้องกันไม่ให้เกิด reactive oxygen species (ROS)

ELECTRONS FROM THE OTHER WAYS INTO RESPIRATORY CHAIN 1. ผ่านทาง ETF:ubiquinone oxidoreductase ซึ่งรับอิเล็กตรอนจากการเกิด -oxidation ของกรดไขมันไปรีดิวซ์ ubiquinone ETF : electron-transferring flavoprotein 2. จาก glycerol 3-phosphate dehydrogenase ซึ่งเป็น flavoprotein อยู่บริเวณผิวนอกของเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย ให้อิเล็กตรอนไปรีดิวซ์ ubiquinone

- เป็น dimer ที่ทั้งสองมอโนเมอร์ - แต่ละมอโนเมอร์ มี COMPLEX III : CYTOCHROME bc1 COMPLEX (UBIQUINONE : CYTOCHROME c OXIDOREDUCTASE) - เป็น dimer ที่ทั้งสองมอโนเมอร์ เหมือนกัน - แต่ละมอโนเมอร์ มี  cytochrome b ที่มีหมู่ heme 2 หมู่ ( bL และ bH)  Rieske iron-sulfur protein ที่มี 2Fe-2S centers  cytochrome c1

- Rieske iron-sulfur protein และ - มี 2 ตำแหน่งให้ ubiquinone เข้าจับ COMPLEX III : CYTOCHROME bc1 COMPLEX (UBIQUINONE : CYTOCHROME c OXIDOREDUCTASE) - Rieske iron-sulfur protein และ cytochrome c1 อยู่ด้าน P - มี 2 ตำแหน่งให้ ubiquinone เข้าจับ คือ QN (อยู่ในมอโนเมอร์หนึ่ง) และ QP (ซึ่งอยู่ในอีกมอโนเมอร์หนึ่ง)

COMPLEX III : CYTOCHROME bc1 COMPLEX (UBIQUINONE : CYTOCHROME c OXIDOREDUCTASE) Q CYCLE  4 protons translocated per pair of electrons passing through Complex III to cytochrome c.

COMPLEX IV : CYTOCHROME OXIDASE - 13 subunits - 2 binuclear centers (Fe-Cu centers) : CuA (ใน subunit II) - heme a (ใน subunit I) : CuB - heme a3 (ใน subunit I) - O2 จับอยู่ที่ heme a3 รับ 4 อิเล็กตรอน จาก cytochrome c รวมกับ 4 H+ จาก ฟาก matrix เกิดเป็น H2O - กลไกที่ 4 H+ จากฟาก matrix ไปสู่ฟาก intermembrane space ยังไม่ทราบแน่ชัด ปฏิกิริยารวม 4 Cyt c (reduced) + 8H+N + O2 → 4 Cyt c (oxidized) + 4 H+P + 4 H2O

ATP SYNTHESIS CHEMIOSMOTIC MODEL เสนอโดย Peter Mitchell

ATP SYNTHASE (F1F0 – ATPase)

BINDING CHANGE MECHANISM FOR ATP SYNTHESIS กันทางโครงรูป คือ O, L, T : โครงรูป O (open) ไม่ทำงานและจับกับลิแกนด์ได้ไม่ดี : โครงรูป L (loose) ไม่ทำงานและจับกับลิแกนด์ได้หลวมๆ : โครงรูป T (tight) ทำงานและจับกับลิแกนด์ได้ดี 1. เมื่อ ADP และ Pi เข้ามาที่ตำแหน่งโครงรูป L 2. พลังงานที่เกิดจากการไหลของ H+ ผ่านส่วน F0 ขับเคลื่อน ให้ตำแหน่งโครงรูป L เปลี่ยนโครงรูปเป็นโครงรูป T และยังมีผลต่อเนื่องให้ตำแหน่งโครงรูป O เปลี่ยนเป็นโครงรูป L และตำแหน่งโครงรูป T เปลี่ยนเป็นโครงรูป O 3. มีการสร้าง ATP เกิดขึ้นที่ตำแหน่งโครงรูป T และมีการปลดปล่อย ATP ออกจากตำแหน่งโครงรูป O

: มาจากภาษากรีก μεταβολή “metabolē” มีความหมาย Metabolism : มาจากภาษากรีก μεταβολή “metabolē” มีความหมาย ว่า ‘เปลี่ยนแปลง’ : กระบวนการที่ประกอบด้วยปฏิกิริยาเคมีต่างๆที่เกิดขึ้น ภายในเซลล์หรือเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิต เพื่อนำเอาพลังงาน และสสารจากสิ่งแวดล้อมมาใช้ในการเจริญเติบโตและให้มี ชีวิตยืนยาวได้ ซึ่งตัวจักรสำคัญที่ก่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมีในกระบวนการ เมแทบอลิซึม ก็คือ เอนไซม์

1. พลังงานชีวเคมี (biochemical energy) สารที่สามารถให้พลังงานได้มากในการช่วยผลักดันปฏิกิริยา คือ Adenosine 5 ׳ triphosphate หรือ ATP Mg2+ γ   Phosphoanhydride bonds : energy rich bonds ∆G0/ ~ 30 KJ·mol-1