Milada Teplá
KUDCH, PřF UK v Praze
email: milada.tepla@natur.cuni.cz

Biochemie - základní kapitoly

Buňka - úvod

Nukleové kyseliny a proteosyntéza

Přírodní látky

Trávení

Metabolismus

Další informace

Dýchací řetězec - úvod

Pro běžnou výuku ve vyšších ročnících gymnázia / střední školy doporučuji následující materiály (videa a studijní text):

Videa:

Eukaryotní buňka

Složení mitochondrie

Úvod do dýchacího řetězce

Syntéza ATP

Studíjní text:

kap. 1.: Úvod,
kap. 2: Eukaryotní buňka
kap. 3: Složení Mitochondrie
kap. 4: Úvod do dýchacího řetězce a koenzymy NADH a FADH₂ popř.
Kap. 9: Syntéza ATP (oxidační fosforylace)

Dýchací řetězec - pro pokročilé

Pro výuku určenou do chemického/biologického semináře střední školy, vysokoškolskou výuku jsou určené náasledující materiály:

Videa

Eukaryotní buňka

Složení mitochondrie

Úvod do dýchacího řetězce

dýchací řetězec: komplex I

Komplex I

dýchací řetězec: komplex II

Komplex II

dýchací řetězec: komplex III

Komplex III

dýchací řetězec: komplex IV

Komplex IV

dýchací řetězec: pH

pH rozdíly

Syntéza ATP

dýchací řetězec: redoxní potenciály

Redoxní potenciály

dýchací řetězec: komplex

Schématické znázornění

dýchací řetězec

Dýchací řetězec: Komplexní animace

kvíz

Dýchací řetězec: celý playlist v českém jazyce

Dýchací řetězec: celý playlist v anglickém jazyce

Studíjní text:

Kapitoly:

4. Úvod do dýchacího řetězce a koenzymy NADH a FADH₂

9. Syntéza ATP (oxidační fosforylace)

10. Schéma redoxních potenciálů

11. Kompletní schéma dýchacího řetězce

12. Kvíz

13. Použitá literatura

1. Úvod

Dýchání (respiraci) můžeme rozdělit na dvě rozdílné součásti jednoho procesu:

• Vnější respirace. Kyslík je přenášen oběhovým systémem (srdce a krevní cévy) ke každé buňce organismu. Pokud by k tomu nedocházelo, tkáně by se nenapravitelně poškodily již během několika minut. Vnější respirace umožňuje vnitřní respiraci.
• Vnitřní respirace (buněčné dýchání). Jedná se o soubor reakcí, které ukončují energetické odbourávání sacharidů, lipidů a bílkovin za účelem zisku energie s využitím kyslíku, na konci jsou produkty s nejnižším obsahem energie (CO₂, H₂O), tedy v oxidované formě. Proces probíhá v eukaryotních buňkách.

Sumární reakce dýchacího řetězce: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O → 6 CO₂ + 12 H₂O

2. Eukaryotní buňka

Eukaryotní buňky jsou dvojího typu: rostlinné a živočišné. Dýchací řetězec (transport elektronů skrze komplexy dýchacího řetězce a oxidační fosforylace) je u eukaryotních organismů lokalizován v mitochondriích.

Obr. 1: Složení rostlinné a živočišné eukaryotní buňky. Viz též animace / video / youtube: https://youtu.be/55ygWOrav5o.

3. Složení mitochondrie

Mitochondrie jsou elipsoidní organely s vlastním genetickým aparátem. Obsahují dva typy membrán: vnější a vnitřní. Vnější membrána obsahuje protein porin, který umožňuje volnou difuzi. Vnitřní membrána je volně propustnou pouze pro O₂, CO₂ a H₂O. Vnitřní membrána obsahuje transportní proteiny, které regulují průchod iontů, metabolitů a nízkomolekulárních sloučenin. Membrány určují dva oddělené prostory: mezimembránový prostor a matrix (gelovitou hmotu s obsahem vody menším než 50 %). Proteiny podílející se na transportu elektronů (z NADH a FADH₂) a oxidační fosforylaci (syntéze ATP) jsou vázání k vnitřní mitochondriální membráně.

Obr. 2: Složení mitochondrie. Viz též animace / video / youtube: https://youtu.be/ZHNN_zsaU7M.

4. Úvod do dýchacího řetězce a koenzymy NADH a FADH₂

Dýchací řetězec je souborem reakcí, které ukončují energetické odbourávání sacharidů, lipidů a bílkovin. Během tohoto odbourávání dochází ke vzniku redukovaných koenzymů - NADH a FADH₂.

NADH (nikotinamidadenindinukleotid) se v dýchacím řetězci zpět oxiduje na NAD⁺ dle reakce: NADH + H⁺ → NAD⁺ + 2 H⁺ + 2 e^-.

NADH Nikotinamidadenindinukleotidfosfát
Obr. 3: Nikotinamidadenindinukleotidfosfát v oxidované (nalevo) a redukované podobě (napravo).

FADH₂ (flavinadenindinukleotid) se v dýchacím řetězci zpět oxiduje na FAD dle reakce:

FADH₂ → FAD + 2 H⁺ + 2 e^-.

FAD Flavinadenindinukleotid
Obr. 4: Flavinadenindinukleotid.

Elektrony z redukovaných koenzymů jsou přenášeny po sérii akceptorů uspořádaných v dýchacím řetězci na elementární kyslík za vzniku vody. Protony z redukovaných koenzymů a z matrix mitochondrie jsou přenášeny do mezimembránového prostoru. Protony přecházejí zpět z mezimembránového prostoru do matrix. Při tomto přenosu dochází ke vzniku ATP (viz animace pH rozdíly a Syntéza ATP).

Viz též animace / video / youtube: https://youtu.be/68VRa_bS-FU.

5. Komplex I

Komplex I (neboli NADH-ubichinonoxidoreduktasa) přenáší elektrony z NADH na koenzym Q (CoQ, ubichinon), který tím redukuje na ubichinol (CoQH₂). Oxidace NADH je výrazně exergonickou reakcí (NADH je redukční činidlo):

NADH + H⁺ + CoQ → NAD⁺ + CoQH₂.

Komplex I obsahuje flavinmononukleotid (FMN) a dále Fe-S klastry, které se zúčastňují přenosu elektronů z NADH na CoQ.
Fe-S klastry obsahují ionty železa, které mění své oxidační stavy:

Fe³⁺ + e^- → Fe²⁺ → Fe³⁺ + e^-.

Transport elektronů skrze komplex I: Dva elektrony a proton z NADH přechází na FMN za vzniku FMNH^- a NAD⁺. Elekrony z FMNH^-(po jednom) přecházejí na CoQ, který je postupně redukován na ubisemichinon CoQH• (radikál) a poté až na CoQH₂ (ubichinol). Při navázání elektronu na CoQ dochází zároveň k navázání protonu H⁺ z matrix.
Během přenosu elektronů z NADH na CoQ skrze komplex I dochází k přenosu čtyř H⁺ z matrix do mezimembránového systému. Redukovaný ubichinol (CoQH₂) je uvolněn z komplexu I a je nahrazen další molekulou oxidovaného ubichinonu (CoQ).

Oxidační stavy koenzymu Q (viz obr. 5):

CoQ + H⁺ + e^- → CoQH• (vznik ubisemichinonu - radikál);
CoQH• + H⁺ + e^- → CoQH₂ (vznik ubichinolu - redukovaná forma);
CoQH₂ → CoQH• + H⁺ + e^- (vznik ubisemichinonu - radikál);
CoQH• → CoQ + H⁺ + e^- (vznik ubichinonu - oxidovaná forma).

koenzym Q
Obr. 5: Formy koenzymu Q. Komplex I Viz též animace / video / youtube: https://youtu.be/uQ6Rn-SVowA.

6. Komplex II

Komplex II (neboli sukcinát-ubichinonoxidoreduktasa) přenáší elektrony ze sukcinátu na koenzym Q (CoQ, ubichinon), který tím redukuje na ubichinol (CoQH₂). Sukcinát se oxiduje na fumarát za vzniku redukovaného koenzymu FADH₂. Jedná se o reakci, která je součástí citrátového cyklu.

Komplex II obsahuje cytochrom b (cyt b) a Fe-S klastry, které se zúčastňují přenosu elektronů z FADH₂ na CoQ. Fe-S klastry i cyt b obsahují ionty železa, které mění své oxidační stavy:

Fe³⁺ + e^- → Fe²⁺ → Fe³⁺ + e^-.

Transport elektronů skrze komplex II: Elekrony (vždy po jednom) přecházejí z FADH₂ na koenzym Q. Oxidace FADH₂ je exergonickou reakcí (FADH₂ je redukční činidlo):

FADH₂ + CoQ → FAD + CoQH₂

CoQ je postupně redukován na ubisemichinon CoQH• (radikál) a v následujícím kroku na CoQH₂ (ubichinol). Redukovaný ubichinol (CoQH₂) je uvolněn z komplexu I a je nahrazen další molekulou oxidovaného ubichinonu (CoQ).

Komplex II Viz též animace / video / youtube: https://youtu.be/qjmmZn1bXXU.

7. Komplex III

Komplex III (neboli ubichinol-cytochrom-c-oxidoreduktasa) přenáší elektrony z redukovaného koenzymu Q (ubichinolu, CoQH₂) na cytochrom c :

CoQH₂ + cyt c (Fe³⁺) → CoQ + cyt c (Fe²⁺) + 2 H⁺

Komplex III obsahuje cytochrom b (cyt b), který váže dva hemy (b_H a b_L), cytochrom c₁ (cyt c₁) a Rieskeho Fe-S protein (ISP). Cytochromy a Rieskeho Fe-S protein obsahují ionty železa, které mění své oxidační stavy:

Fe³⁺ + e^- → Fe²⁺ → Fe³⁺ + e^-.

Transport elektronů skrze komplex III: Mechanismus, kterým komplex III přebírá elektrony od CoQH₂ se nazývá Q-cyklus, během kterého dochází k pumpování H⁺ z matrix do mezimembránového protoru. Jedním z meziproduktů Q-cyklu je stabilní CoQ•^- semichinon.
Komplex III obsahuje dvě vazebná místa: Q_o, který váže CoQH₂, a Q_i, který váže CoQ•^- a CoQ.
CoQH₂ (produkt komplexu I nebo II) se váže do Q_o místa. Jeden z elektronů je přenesen přes ISP na cyt c₁ (a posléze až na cyt c), přičemž se uvolní dva protony do mezimembránového prostoru. Vzniká CoQ•^-. Druhý elektron přechází na hem b_L, který posléze redukuje hem b_H. Vzniklý CoQ je uvolněn z Q_o místa a váže se do Q_i místa. Elektron z hemu b_H přechází zpět na CoQ za opětovného vzniku CoQ•^-:

CoQH₂ + cyt c₁(Fe³⁺) → CoQ•^- + cyt c₁(Fe²⁺) + 2H⁺ (protony jsou přenesy do mezimembránového prostoru)

Jiná molekula CoQH₂ se váže do Q_o místa - děje se opakují. Další elektron z hemu b_H redukuje CoQ•^- za současného navázání dvou protonů z matrix mitochondrie. Vzniká CoQH₂. Na každé dva CoQH₂, které vstupují do Q-cyklu se jeden CoQH₂ regeneruje.
Výsledkem je sumární reakce:

CoQH₂ + 2 cyt c₁(Fe³⁺) + 2H⁺(matrix) → CoQ + 2 cyt c₁(Fe²⁺) + 4H⁺ (mezimembránový prostor)

Komplex III Viz též animace / video / youtube: https://youtu.be/AWCkKTIItSY.

8. Komplex IV

Komplex IV (neboli cytochrom-c-oxidasa) katalyzuje oxidaci čtyř po sobě redukovaných molekul cytochromu c (cyt c) za současné redukce molekuly O₂. Produktem je voda:

4 cyt c (Fe²⁺) + 0₂ + 4 H⁺ → 4 cyt c (Fe³⁺) + 2 H₂O.

Komplex IV obsahuje Cu_A centrum, cytochrom a (cyt a) a binukleární komplex cytochromu a₃ (cyt a₃) a Cu_B centra. Cytochromy a Cu centra obsahují ionty železa a mědi, které mění své oxidační stavy:

Fe³⁺ + e^- → Fe²⁺ → Fe³⁺ + e^-
Cu²⁺ + e^- → Cu⁺ → Cu²⁺+ e^-

Transport elektronů skrze komplex IV: Molekula O₂ se váže do binukleárního centra. Cyt c slouží jako pohyblivý přenašeč elektronů z komplexu III na komplex IV. Elektrony jsou přenášeny z cyt c přes Cu_A centrum, cyt a a binukleární komplex cyt a₃ a Cu_B centra až na kyslík. Molekula kyslíku je postupně redukována na O^2- ionty, které s protony z matrix reagují za vzniku dvou molekul vody:

4 H⁺ + 4 e^- + O₂ → 2 H₂O.

Na úplnou redukci jedné molekuly kyslíku na dvě molekuly vody je zapotřebí čtyř elektronů a čtyř protonů. Během přenosu čtyř elektronů skrze komplex IV dochází k přenosu čtyř protonů z matrix do mezimembránového prostoru:

4 cyt c (Fe²⁺) + 0₂ + 8 H⁺(matrix) → 4 cyt c (Fe³⁺) + 2 H₂O + 4 H⁺(mezimembránový prostor)

Komplex IV Viz též animace / video / youtube: https://youtu.be/0OVxGYofkqo.

9. Syntéza ATP (oxidační fosforylace)

Během transportu elektronů dýchacím řetězcem vzniká volná energie. Tato energie způsobuje, že komplexy I, III a IV se zúčastní translokace protonů z matrix do mezimembránového prostoru. Vytváří se elektrochemický protonový gradient (koncentrace protonů je v mezimembránovém prostoru vyšší než v matrix). Matrix je oblast nízké koncentrace protonů a negativního elektrického potenciálu. Mezimembránový prostor je oblast vysoké koncentrace protonů a pozitivního elektrického potenciálu. Výsledný elektrochemický potenciál tohoto gradientu je využit k syntéze ATP.

Obr. 6: pH rozdíly a elektrický potenciál v mitochondrii. Viz též animace / video / youtube: https://youtu.be/stIvZ2urM4I.

Syntéza ATP je endergonický proces, při kterém vzniká ATP (adenosintrifosfát) z ADP (adenosindifosfát) a P (anorganický fosfát). Reakce je katalyzována enzymem ATP-synthasou a je poháněna transportem protonů (viz animace pH rozdíly). Protony přecházejí skrze ATP-synthasu z mezimembránového prostoru zpět do matrix mitochondrie. Vzniká tak energie, která je využita k syntéze ATP. Předpokládá se, že na vznik jedné molekuly ATP je zapotřebí zpětného přenosu tří až čtyř protonů. Tato syntéza ATP se nazývá oxidační fosforylace.

ATP adenosintrifosfát
Obr. 7: ATP. Viz též animace / video / youtube: https://youtu.be/R8-XFLjAziM.

10. Schéma redoxních potenciálů

Afinita oxidovaného substrátu k elektronům vzrůstá s jeho standardním redoxním potenciálem E°' .

Kyslík má velkou afinitu k elektronům (kyslík je silné oxidační činidlo):

1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^-→ H₂O; ΔE°' = 0,815 V.

NAD⁺ má malou afinitu k elektronům (NAD⁺ je slabé oxidační činidlo; NADH je silné redukční činidlo):

NAD⁺ + H⁺ + 2e^- → NADH; ΔE°' = - 0,315 V.

NADH je v tomto spojení donorem elektronů a O₂ je akceptorem elektronů. Celková reakce:

1/2O₂ + NADH⁺ + H⁺ ↔ H₂O + NAD⁺; ΔE°' = 0,815 - (-0,315) = 1,130 V

Změna standardní volné energie pro tuto reakci: ΔG°' = -nFΔE°' = (-2 x 96 485 x 1,13) kJ/mol = -218 kJ/mol

Energie potřebná na vznik jedné molekuly ATP z ADP a fosfátu je rovna 30,5 kJ/mol (jedná se o standardní volnou energii, ΔG°').
Oxidace jedné molekuly NADH vede k syntéze ~ 2,5 molekul ATP. Oxidace jedné molekuly FADH₂ vede k syntéze ~ 1,5 molekul ATP.

Dýchací řetězec Schéma redoxních potenciálů
Obr. 8: Schéma redoxních potenciálů. Viz též animace / video / youtube: https://youtu.be/fWEaic0Pj3Q.

(Pozn. Hodnoty ΔE°' a ΔG°' převzaty z Voet, 2011.)

(Pozn. Standardní redoxní potenciál E°' je napětí generované při reakci poločlánku za standardních biochemických podmínek (při koncentraci výchozích látek a produktů rovnající se 1mol/l a s koncentrací [H⁺] definovanou jako 1 při pH = 7) vztažených ke standardní vodíkové elektrodě. Rozdíl standardního redoxního potenciálu ΔE°' redoxní rovnice lze vyjádřit takto: ΔE°' = E°'_(akceptor) - E°'_(donor).)⁶

(Pozn. Změna standardní volné energie může být vypočítána z rovnice:

ΔG°' = -nFΔE°', kde F (Faradayova konstanta) pro elektron je 96 494 C/mol a n je počet přenesených elektronů na mol reaktantů.)

11. Kompletní schéma dýchacího řetězce

Viz obrázek 9 a 10 níže a též animace:

Viz též animace / video / youtube: https://youtu.be/rVc5u2oKoug.

Kompletní schéma dýchacího řetězce
Obr. 9: Schéma dýchacího řetězce (komplex I, III a IV): Elektrony jsou přenášeny mezi komplexem I a komplexem III v membráně rozpustným CoQ (prostřednictvím Q-cyklu) a mezi komplexem III a IV periferním membránovým proteinem - cytochromem c.

Kompletní schéma dýchacího řetězce
Obr. 10: Schéma dýchacího řetězce (komplex I, III a IV): Komplex II přenáší elektrony ze sukcinátu na CoQ. Elektrony jsou prostřednictvím Q-cyklu přeneseny na komplex III a mezi komplexem III a IV periferním membránovým proteinem - cytochromem c.