! 3. TERMINÁLIS OXIDÁCIÓ vagy VÉGOXIDÁCIÓ Az eddig tárgyalt folyamatokban a glükóz szén- és oxigénatomjai mind eltávoztak CO2 formájában, a hidrogének azonban redukált koenzimeken (glükózonként összesen 10 NADH+H+ és 2 FADH2) tartózkodnak. Mint azt az erjesztéseknél említettük, a sejt számára létfontosságú ezek visszaoxidálása. És mivel rendelkezésre áll oxigén, mint igen nagy redoxpotenciálú oxidálószer (elektronakceptor) is, az ebben az égésben felszabaduló energia el is raktározható ATP formájában. FUNKCIÓJA: A redukált koenzimek visszaoxidálása és a felszabaduló energia kezelése. LÉNYEGE: A glikolízisben és a citrát-körben képződött redukált koenzimek eloxidálása légköri oxigénnel víz (mint végső égéstermék) keletkezése mellett. Eközben a felszabaduló energia membránon keresztüli protonkoncentráció-különbség kiépítésére fordítódik, mely kiegyenlítődése közben ATP-t szintetizáló enzimkomplexet hajt meg. ! HELYE: A mitokondrium belső membránja Tartalomhoz

NADH+H+ NAD+ e- p+ A redukált koenzimekről származó hidrogének elektronjai egy úgynevezett membránkapcsolt elektrontranszport-láncon vonulnak végig. (A hidrogénionok vagyis protonok más utat járnak be.) Ez a „lánc” nem más, mint a mitokondrium belső membránjába ágyazott, többnyire transzmembrán enzimkomplexek sora. p+ Ezek első tagja oxidálja a koenzimet (NADH+H+  NAD+ ), majd átadja az elektronokat a következő tagnak, vagyis ő maga is oxidálódik, míg a következő tag redukálódott. És így megy tovább az elektron a transzportlánc mentén az egyre pozitívabb redokpotenciálú komplexek során. A transzportlánc utolsó tagját már csak az oxigén képes oxidálni (ezzel az oxigén vízzé redukálódik). p+ O2 + p+ H2O ADP + Pi ATP p+ A sok kis lépésben felszabaduló energiát a komplex tagjai arra használják, hogy protonokat pumpálnak a mátrixból ki, a belső és külső membránok közötti térbe. Ezzel a belső membrán két oldala, mint egy kondenzátor, feltöltődik. (Érdemes megemlékeznünk itt arról a termodinamikai törvényszerűségről, hogy minél több kis lépésben alakítunk hasznos munkává egy bizonyos mennyiségű energiát, annál kevesebb veszteséggel (hulladék-hővel) kell számolnunk!) Ezt a kondenzátort „kisütni” csak egy „vezetéken” keresztül lehetséges, ez pedig az ATP-áz enzimkomplex csatornája. A mátrixba visszaáramló protonok meghajtják a komplexet (ahhoz hasonlítható módon, ahogy a duzzasztógát mögött felgyűlt víz meghajtja az áramtermelő turbinákat), mely az így kapott energiát ADP és szervetlen foszfát (Pi) felhasználásával ATP pirofoszfát kötésébe tárolja el. Tartalomhoz

Máshová ne kattints, mert az animáció elakadhat. Az alábbi animáció ezt a folyamatot szemlélteti. A bal oldali i betűkre kattintva további információhoz juthatsz. Az animáció a funkciógombok segítségével átugorható illetve újra indítható. Máshová ne kattints, mert az animáció elakadhat. Az animáció kihagyása

I. animáció indítása… III. IV. Mitokondrium belső membránja Mitokondrium külső membránja

i i i i NAD + NAD + NAD + NAD + NAD + NAD + NAD + NAD + NAD + NAD + elektron Belső oldal Belső oldal Belső oldal Belső oldal Belső oldal Belső oldal Belső oldal Belső oldal Belső oldal Belső oldal Külső oldal Külső oldal Külső oldal Külső oldal Külső oldal Külső oldal Külső oldal Külső oldal Külső oldal Külső oldal proton (H+) pH = 8 pH = 8 pH = 8 pH = 8 pH = 8 pH = 8 pH = 8 pH = 8 pH = 8 pH = 8 pH =5 pH =5 pH =5 pH =5 pH =5 pH =5 pH =5 pH =5 pH =5 pH =5 NAD + NAD + NAD + NAD + NAD + NAD + NAD + NAD + NAD + NAD + NAD+ NAD+ NAD+ NAD+ NAD+ NAD+ NAD+ NAD+ NAD+ NAD+ I. I. I. I. I. I. I. I. I. I. A protonok koncentrációkülönbsége miatt a mitokondrium belső membránja egy feltöltött kondenzátorhoz hasonlítható. Ennek kisülése, vagyis a protonok visszajutása a mátrixba csak az ATP-áz enzimkomplex csatornáján át valósulhat meg. A protonáramlás meghajtja a komplexet, amely az így nyert energiával ADP-ből és szervetlen foszfátból ATP-t állít ellő, más szóval ATP pirofoszfát-kötésébe raktározza az energiát. 2 p+ áthaladása fedezi 1 ATP képződését, így 1 NADH+H+ eloxidálása 6 p+ kipumpálásával 3 ATP-t eredményez. Ha elfogy az oxigén, nincs mi oxidálja a citokróm a-a3 komplexet, a transzportlánc megreked, a protonpumpák leállnak, és hamarosan az ATP-áz is leáll. ATP hiányában a sejt energia nélkül marad. Ezt pl. az idegsejtek nagyon rosszul tűrik. Ez által vezet végül fulladáshoz az oxigénhiány. I. komplex I. komplex I. komplex I. komplex I. komplex I. komplex I. komplex I. komplex I. komplex I. komplex FADH2 FADH2 FADH2 FADH2 FADH2 FADH2 FADH2 FADH2 FADH2 FADH2 II. II. II. II. II. II. II. II. II. II. ubikinon ubikinon ubikinon ubikinon ubikinon ubikinon ubikinon ubikinon ubikinon ubikinon i Az membránkapcsolt elektron-transzportlánc tagjai sorban redukálják illetve oxidálják egymást (redoxpotenciáljuk mindig pozitívabb, mint a sorban előttük állóé), az arra képes enzimkomplexek pedig e redoxreakciókban felszabaduló energiával protonokat pumpálnak ki kettesével a membránközti térbe. Így tovább növelik a protonkoncentrációk különbségét. A NADH+H+ oxidációjából származó 2 e- három komplexen halad át, így 6 p+ kipumpálását fedezi. (A FADH2 e- -jai két komplexen áthaladva 4 p+ kipumpálását teszik lehetővé [ez nem szerepel az animációban]. Ezért is jut majd kevesebb képződő ATP 1 mol FADH2 –re (2 mol), mint 1 mol NADH+H+-ra (3 mol)). A redukált NADH+H+ koenzim főként a citrát-körből érkezik, amely a közelben, a mitokondrium mátrixában zajlik (ugyanitt keletkezik FADH2 koenzim is). A NADH+H+-t az I. enzimkomplex oxidálja, s a felszabaduló energiával a két protont kipumpálja a mátrixból 1000-szeres koncentráció-különbség (3-as pH-értékkülönbség!) ellenében. A FADH2 koenzimet a II. komplex oxidálja, amely azonban nem pumpál protonokat. Az I., III. és IV. komplex között a membránhoz kapcsolódó mobilis elemek, az ubikinon (egy lipid) és a citokróm-c (hem-tartalmú fehérjekomplex) szállítják. A transzportlánc végén a citokróm a-a3 nevű, szintén hem-vasat és réz-ionokat tartalmazó komplex áll, amely képes a levegőből származó O2-t felbontani, majd atomjait vízzé redukálni a két-két érkező elektronnal és a mátrixból felvett két-két protonnal. Ezzel fejeződik be a kiindulási szerves anyag hidrogénjeinek égése, itt képződik a víz, mint égéstermék. (A CO2 már felszabadult a citrát-körben ugyebár) FAD FAD FAD FAD FAD FAD FAD FAD FAD FAD i III. III. III. III. III. III. III. III. III. III. légzési oxigén légzési oxigén légzési oxigén légzési oxigén légzési oxigén III. komplex III. komplex III. komplex III. komplex III. komplex III. komplex III. komplex III. komplex III. komplex III. komplex O O O O O i O O O O O O citokróm-c citokróm-c citokróm-c citokróm-c citokróm-c citokróm-c citokróm-c citokróm-c citokróm-c citokróm-c i O O O O O O O O O O IV. IV. IV. IV. IV. IV. IV. IV. IV. IV. O O O O O légzési víz (égéstermék) légzési víz (égéstermék) légzési víz (égéstermék) légzési víz (égéstermék) légzési víz (égéstermék) légzési víz (égéstermék) légzési víz (égéstermék) légzési víz (égéstermék) légzési víz (égéstermék) légzési víz (égéstermék) ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ADP + Pi ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP-áz enzim ATP-áz enzim ATP-áz enzim ATP-áz enzim ATP-áz enzim ATP-áz enzim ATP-áz enzim ATP-áz enzim ATP-áz enzim ATP-áz enzim Mitokondrium belső membránja Mitokondrium belső membránja Mitokondrium belső membránja Mitokondrium belső membránja Mitokondrium belső membránja Mitokondrium belső membránja Mitokondrium belső membránja Mitokondrium belső membránja Mitokondrium belső membránja Mitokondrium belső membránja protonok… Mitokondrium külső membránja kilépés az animációból animáció újrajátszása

i i i i 2H+ + ½ O2 - NADH + H+ 2 H+ I. 0,4 0,8 NAD+ 2 e- FADH2 II. FAD Vissza az animációhoz… Belső oldal Külső oldal pH = 8 pH =5 - i Redukált koenzimek NADH + H+ 2 H+ I. 0,4 0,8 I. komplex Megy vissza oxidálni pl. a citrát-körbe NAD+ A protonok koncentrációkülönbsége miatt a mitokondrium belső membránja egy feltöltött kondenzátorhoz hasonlítható. Ennek kisülése, vagyis a protonok visszajutása a mátrixba csak az ATP-áz enzimkomplex csatornáján át valósulhat meg. A protonáramlás meghajtja a komplexet, amely az így nyert energiával ADP-ből és szervetlen foszfátból ATP-t állít ellő, más szóval ATP pirofoszfát-kötésébe raktározza az energiát. 2 p+ áthaladása fedezi 1 ATP képződését, így 1 NADH+H+ eloxidálása 6 p+ kipumpálásával 3 ATP-t eredményez. Ha elfogy az oxigén, nincs mi oxidálja a citokróm a-a3 komplexet, a transzportlánc megreked, a protonpumpák leállnak, és hamarosan az ATP-áz is leáll. ATP hiányában a sejt energia nélkül marad. Ezt pl. az idegsejtek nagyon rosszul tűrik. Ez által vezet végül fulladáshoz az oxigénhiány. 2 e- FADH2 II. ubikinon i Az membránkapcsolt elektron-transzportlánc tagjai sorban redukálják illetve oxidálják egymást (redoxpotenciáljuk mindig pozitívabb, mint a sorban előttük állóé), az arra képes enzimkomplexek pedig e redoxreakciókban felszabaduló energiával protonokat pumpálnak ki kettesével a membránközti térbe. Így tovább növelik a protonkoncentrációk különbségét. A NADH+H+ oxidációjából származó 2 e- három komplexen halad át, így 6 p+ kipumpálását fedezi. (A FADH2 e- -jai két komplexen áthaladva 4 p+ kipumpálását teszik lehetővé [ez nem szerepel az animációban]. Ezért is jut majd kevesebb képződő ATP 1 mol FADH2 –re (2 mol), mint 1 mol NADH+H+-ra (3 mol)). FAD A redukált NADH+H+ koenzim főként a citrát-körből érkezik, amely a közelben, a mitokondrium mátrixában zajlik (ugyanitt keletkezik FADH2 koenzim is). A NADH+H+-t az I. enzimkomplex oxidálja, s a felszabaduló energiával a két protont kipumpálja a mátrixból 1000-szeres koncentráció-különbség (3-as pH-értékkülönbség!) ellenében. A FADH2 koenzimet a II. komplex oxidálja, amely azonban nem pumpál protonokat. Az I., III. és IV. komplex között a membránhoz kapcsolódó mobilis elemek, az ubikinon (egy lipid) és a citokróm-c (hem-tartalmú fehérjekomplex) szállítják. A transzportlánc végén a citokróm a-a3 nevű, szintén hem-vasat és réz-ionokat tartalmazó komplex áll, amely képes a levegőből származó O2-t felbontani, majd atomjait vízzé redukálni a két-két érkező elektronnal és a mátrixból felvett két-két protonnal. Ezzel fejeződik be a kiindulási szerves anyag hidrogénjeinek égése, itt képződik a víz, mint égéstermék. (A CO2 már felszabadult a citrát-körben ugyebár) redoxpotenciál 2 H+ III. III. komplex Itt már egy körben megmutatkozik mind a 3 ATP A cianid-ionok a IV. komplex részét képező citokróm-oxidáz enzim hem-csoportjának Fe3+-ionjaihoz kapcsolódnak, amelyek fontos elektronátvivők. Így elakad az elektrontranszport, ami végső soron a sejtlégzés bénulásához, kritikus dózis felett pedig a sejt, illetve az egyed halálához vezet. C N cianid-ion Jött a véren át a tüdőből vagy a gázcserenyíláson át a levegőből citokróm-c Légköri oxigén i 2H+ + ½ O2 2 H+ + 2 e- IV. 2 H+ H2O IV. komplex Képződő ATP ADP + Pi Elkeveredik a mátrix víztartalmával. A felesleg a légzéssel távozhat. i ATP-áz enzim Hogyan öl a cián? Mitokondrium belső membránja Mitokondrium külső membránja Tartalomhoz