7. Mitokondrium

Question 1

A mitokondrium

Answer 1

1. feladata: a sejt energiájának átalakítása, termelése és leadása
2. 1,5 milliárd éve képződött
3. 0,5-2 mikro m, ellipszoid alakú
4. Endoszimbionta elmélet alapján exogén úton alakult (szimbiózis eukariótával - belső membrán és cirkuláris DNS bizonyíték)
5. Az emberi test egyes sejtjeiben rögzített formában (pl.: izomszövet vagy spermium nyaka körül), más sejtekben mobilisek

Question 2

A kettős membrán feladata és felépítése

Answer 2

1. Külső membránon porin csatornák, szabad anyagáram zajlik a citoszol és az intermembrán tér között mintegy 5000 Da molekulatömegig (így hasonló a két tér összetétele)
2. Belső membrán: a mátrixot határolja el, rajta keresztül szigorúan szabályozott anyagáram folyik
   - -> sűrű lemezes betüremkedések (kriszták) célja a felületnövelés, mivel ennek a 70%-a fehérje
   - -> Itt található a légzési lánc az enzimeivel és az ATP szintázok is, és transzport proteinek

Question 3

A mátrixban zajló biokémiai folyamatok

Answer 3

1. Acetil-koenzim A előállítása:
   - glikolízis végtermékéből, a piroszőlősavból
   - lipidekből felszabaduló zsírsavak β-oxidációval történő lebontásából
2. Krebs- vagy citrát-ciklus (anaerob körfolyamat):
   oxálacetáthoz kapcsolódik az acetil-koenzim A –> citrát –>
   3 NADH + H+ és 1 FADH2, 2 CO2 és 1 GTP az eredmény
   (cél: NAD+ redukciója és nagyenergiájú elektronok előállítása: NADH, FADH2)
   CO2 diffúzióval távozik a mitokondriumból és a sejtből is
3. Terminális oxidáció

Question 4

Terminális oxidáció

Answer 4

• 2 NADH oxidációja –> leadja elektronjait az elektrontranszport-láncnak, melynek a végén egy O2 molekulára 4 elektron és 4 proton kapcsolódik –> 2 H2O és 2 NAD+ képződik
• A lánc néhány tagja a rajta keresztülhaladó elektron energiájának egy részét protonok kipumpálására használja fel (aktív transzport) –> elektrokémiai protongradiens segítségével az oxidatív foszforiláció lejátszódhat a protonok ATP-szintázon keresztül (passzív transzport) visszajutva a mátrixba egy ADP foszforilálását segítik

Question 5

Mi a mátrixban lejátszódó folyamatok jelentősége?

Answer 5

Bár kis mennyiségű energiát „termel” a glikolízis is a citoszolban, de a fő energiatermelés az oxidatív foszforiláció által megy végbe a mitokondriumban

Question 6

Kemiozmózisos mechanizmus

Answer 6

Az a folyamat, ami az elektrontraszport-lánc és az ATP-szintáz segítségével, oxidatív foszforilációval jön létre
A protonok kipumpálásával 0,5-1 nagyságú pH különbség lép fel a belső membrán két oldala között

Feltételek: A belső membrán protonokra szinte teljesen impermeábilis legyen –> kardiolipinnek (kettős foszfolipid) köszönhető

Question 7

Az elektrontranszport-lánc fehérjéinek csoportosítása

Answer 7

A fehérjék száma 40 feletti
3 fő légzési enzimkomplexet alkotnak:
1. NADH-dehidrogenáz komplex
2. citokróm c reduktáz komplex
3. citokróm c oxidáz komplex

–> Mindhárom enzimkomplex protongradienst létrehozó pumpaként is funkcionál

Question 8

Az elektrontranszport-lánc felépítése

Answer 8

Az enzimkomplexek fémionokat kötnek meg (Fe, Cu), amik felveszik és leadják az elektront
Közöttük ubikvinon és a citokróm c viszi át az elektronokat

–> az adott elem affinitása az elektronhoz az előző elemhez képest nagyobb, a következő elemhez képest pedig kisebb, így az elektron spontán vándorol

Question 9

Az elektrontranszport-lánc potenciálja

Answer 9

1. A láncon belül a redoxpotenciál értéke kb. -300 mV-ról (NADH/NAD+) +800 mV-ra (H2O/O2) nő
2. A belső membránon, főleg a protongradiens miatt a membránpotenciál kb. 140 mV (a mátrix felőli oldal a negatívabb)
3. A protongradiens értéke feszültségre átszámítva kb. 60 mV

–> Mivel a kétféle (az elektromos és a koncentráció-gradiensből származó) erő iránya megegyezik, azt mondhatjuk, hogy:
Proton hajtóerő (elektrokémiai gradiens) = 200 mV

Question 10

Transzportfolyamatok a mitokondrium belső membránjánál

Answer 10

1. másodlagos aktív, kapcsolt szimport: A mátrixba jut a negatív töltésű piruvát (piroszőlősav) egy protonnal és a negatív foszfát is egy protonnal együtt, a protongradiens segítségével (mátrix belső tere negatív és a protonkoncentráció is kisebb belül)
2. ADP-ATP antiporter: ADP mátrixba, ATP citoszolba
   - -> az ADP 3-szorosan negatív
   - -> az ATP 4-szeresen (szívesebben megy ki)
   - -> Így a membránpotenciál hajtja az antiporter működését

Question 11

ATP szintáz felépítése

Answer 11

F0: forgó transzmembrán rész
F1: mátrixba benyúló fej

Question 12

Az ATP szintáz alegységeinek vizsgálata

Answer 12

Sejtroncsolás –> centrifugálással sejtalkotók elkülönítése –> mitokondrium frakció ultrahanggal való roncsolása –> szétszakadt membránrendszer önhegedéssel vizes közegben vezikulumokat képez (szubmitokondriális részecskék), amik jelentős részben krisztákból állnak, az ATP szintáz feje kifelé néz –> kisózással az F1 fejek eltávolíthatóak, centrifugálással az F0 integráns rész és a membrán is elkülöníthető egymástól

• -> A szintáz fejei önmagukban ATP-t hidrolizálnak (csak az F0 résszel együtt szintetizálnak ATP-t)
• -> F0 rész: oxidálják a NADH koenzimeket és ehhez oxigént fogyasztanak, de az ATP-t nem képesek sem szintetizálni, sem hidrolizálni

Question 13

Az ATP szintáz reverzibilis

Answer 13

Ha a protongradienst megfordítjuk, láthatjuk, hogy ilyenkor az ATP szintáz ATP-t hidrolizál, és ennek energiáját felhasználva aktívan pumpálja a protonokat

–> Anaerob baktériumoknál ennek nagy jelentősége van

Question 14

A légzési lánc protonpumpáinak mechanizmusa

Answer 14

A láncban 15 elektronszállító található, ezeknek a negatív redoxpotenciálja fokozatosan csökken –> így az affinitásuk egyre nagyobb az elektronokhoz, az elektronvándorlás spontán
–> Közben az elektronok energiája is folyamatosan csökken, három lépésnél különösen nagyot lép –> konformációváltozást okoz, ami protonok kipumpálásához vezet

A fehérjék alapból oxidált állapotban vannak és elektromosan semlegesek –> az elektron felvételével redukálódnak és negatívan töltötté válnak
–> protonpumpa protont vesz fel, hogy elérje a semleges állapotot –> konformációváltozásra leadja az elektront, így viszont a protonra lesz kicsi az affinitása a pozitív töltés miatt, így konformáció változással ezt is leadja, az intermembrán tér felé

Question 15

H+ ionofórok

Answer 15

pl.: 2,4-dinitrofenol –> a belső membránban passzívan protonokat szállít az intermembrán térből a mátrixba –> szétkapcsoló szereknek hívják őket, hiszen így közvetetten megakadályozzák az ATP termelést

• -> így az erős proton ionofórok sejtmérgek
• -> viszont gyenge ionofórok akár hasznosak is lehetnek, ilyen például a téli álmot alvó állatok barna zsírszövetében a gyenge ionofórok hatása –> jelentős mennyiségű hő is keletkezik a raktározott tápanyagból, nem csak ATP

Question 16

Mesterséges ATP szintetizáló rendszer vizsgálatokhoz

Answer 16

Halobaktériumokból vették a fény hatására a külvilágba protonokat pumpáló bakteriorodopszinokat

Liposzómákba fordított orientációval ültették őket (befelé pumpálták a protonokat)
–> ATP szintázt ültetve a liposzóma membránjába látták, hogy a fény energiája ATP szintézist is eredményezett –> Következtetés: protongradiens által működik az ATP szintáz, hiszen a bakteriorodopszin nélkül a rendszer nem termelt ATP-t

Question 17

Baktériumoknál proton pumpálás a külvilágba

Answer 17

1. Mivel? –>
   - Légzési elektrontranszport-lánc
   - bakterioklorofill
   - bakteriorodopszin

másodlagos aktív transzporttal táplálkozhatnak

1. H+-Na+ antiporter: H+ passzívan be, Na+ aktívan kiszállítódik, így a felesleges Na+-tól szabadulhat meg a baktérium
2. Ostorok/csillók mozgatása: proton passzív áramlásával a nagyobb koncentrációjú helyről a kisebb konc. hely felé energiát termel, ezzel az ostor forogni kezd

Question 18

Az ATP szintáz és az elektrontranszport-lánc együttes evolúciója

Answer 18

F0F1 ATP szintáz előbb kialakult, mint az elektrontranszport-lánc

ősi anaerob heterotróf baktériumok anyagcseréje oxidatív helyett fermentatív volt –> katabolizmus savanyította a belső teret

• -> ATP szintáz fordítottan működött
• -> Később megjelent az elektrontranszport-lánc (hatékonyabb, ATP-t sem használ és nagyobb protongradienst állít elő), és még később megfordult az ATP szintáz működése (ATP szintézis)

Question 19

Fő pontok

Answer 19

1. Mitokondrium tulajdonságai
2. Kettős membrán feladata, felépítése. A mátrixban zajló biokémiai folyamatok (acetil-KoA képzés, citrát-ciklus, terminális oxidáció)
3. A kemiozmózisos mechanizmus lényege (pH különbség és H+ impermeabilitása a kardiolipin miatt)
4. Az elektrontranszport-lánc felépítése (40 fehérje, 3 komplex: NADH-reduktáz, citokróm-reduktáz, citokróm-oxidáz, köztük ubikvinon és citokróm-c)
5. Az elektrontranszport-lánc potenciálja (-300mV- 800 mV összesen 140 + 60 mV elektrokémiai gradiens)
6. A lánc protonpumpáinak mechanizmusa
7. Transzportfolyamatok a belső membránban: Szimport: proton és piruvát, proton és foszfát, Antiport: ADP (3-) be, ATP (4-) ki
8. Az ATP szintáz felépítése és egységeinek vizsgálata
9. H+ ionofórok (2,4-dinitrofenol)
10. Mesterséges ATP szintetizáló rendszer bakteriorodopszinnal
11. Baktériumok proton pumpálása a külvilágba
12. Az ATP-szintáz és az elektrontranszport-lánc együttes evolúciója