2.3 Sitronsyresyklusen og elektrontransportkjeden

Sitronsyresyklus og elektrontransportkjeden

Etter glykolysen har pyruvat fortsatt mye kjemisk energi. I aerobe organismer transporteres pyruvat inn i mitokondriene der det oksideres fullstendig gjennom sitronsyresyklusen og elektrontransportkjeden.

Lokalisering i mitokondriene

- Pyruvatoksidasjon: Mitokondriematrisen
- Sitronsyresyklus: Mitokondriematrisen
- Elektrontransportkjeden: Indre mitokondriemembran
- ATP-syntase: Indre mitokondriemembran

Mitokondriene kalles "cellens kraftverk" fordi mesteparten av ATP produseres her.

Pyruvatoksidasjon

Før pyruvat kan gå inn i sitronsyresyklusen, må det omdannes til acetyl-CoA. Dette skjer i mitokondriematrisen.

Reaksjonen

$$\text{Pyruvat} + \text{CoA} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Acetyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH}$$

Enzymkompleks: Pyruvat-dehydrogenase (PDH)

PDH er et stort enzymkompleks som utfører tre reaksjoner:
1. Dekarboksylering: CO$_2$ fjernes fra pyruvat
2. Oksidasjon: NADH dannes
3. Kobling til CoA: Acetyl-CoA dannes

Produkter per glukose (fra 2 pyruvat)

Sitronsyresyklusen (Krebs-syklus)

Sitronsyresyklusen er en syklisk serie av åtte enzymkatalyserte reaksjoner som fullstendig oksiderer acetylgruppen fra acetyl-CoA.

Oversikt

$$\text{Acetyl-CoA (2C)} + 3\text{NAD}^+ + \text{FAD} + \text{GDP} + P_i + 2H_2O$$
$$\rightarrow 2\text{CO}_2 + 3\text{NADH} + \text{FADH}_2 + \text{GTP} + \text{CoA}$$

De åtte trinnene

1. Kondensasjon
- Acetyl-CoA + oksaleddiksyre → sitrat (6C)
- Enzym: Sitrat-syntase

2. Isomerisering
- Sitrat ⇌ isositrat
- Enzym: Aconitase

3. Oksidasjon og dekarboksylering
- Isositrat → α-ketoglutarat (5C) + CO$_2$ + NADH
- Enzym: Isositrat-dehydrogenase

4. Oksidasjon og dekarboksylering
- α-ketoglutarat → succinyl-CoA (4C) + CO$_2$ + NADH
- Enzym: α-ketoglutarat-dehydrogenase

6. Oksidasjon
- Suksinat → fumarat + FADH$_2$
- Enzym: Suksinat-dehydrogenase
- Dette enzymet er bundet til indre mitokondriemembran

7. Hydrering
- Fumarat + H$_2$O → malat
- Enzym: Fumarase

8. Oksidasjon
- Malat → oksaleddiksyre + NADH
- Enzym: Malat-dehydrogenase
- Oksaleddiksyre regenereres og kan binde ny acetyl-CoA

Produkter per acetyl-CoA

Produkter per glukose (2 acetyl-CoA)

Elektrontransportkjeden (ETC)

Elektrontransportkjeden er en serie av proteinkomplekser i den indre mitokondriemembranen som overfører elektroner fra NADH og FADH$_2$ til oksygen.

De fire kompleksene

Kompleks I (NADH-dehydrogenase)
- NADH avgir elektroner
- Pumper 4 H$^+$ til intermembranrommet
- Elektroner overføres til ubiquinon (Q)

Kompleks II (Suksinat-dehydrogenase)
- FADH$_2$ avgir elektroner
- Pumper ikke protoner
- Elektroner overføres til ubiquinon (Q)

Kompleks III (Cytokrom bc$_1$)
- Mottar elektroner fra ubiquinon
- Pumper 4 H$^+$ til intermembranrommet
- Elektroner overføres til cytokrom c

Kompleks IV (Cytokrom c-oksidase)
- Mottar elektroner fra cytokrom c
- Pumper 2 H$^+$ til intermembranrommet
- Overfører elektroner til O$_2$:

$$\frac{1}{2}O_2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2O$$

Kjemiosmose og ATP-syntase

Protongradienten

Kompleks I, III og IV pumper protoner (H$^+$) fra matrisen til intermembranrommet. Dette skaper:

1. Konsentrasjonsgradient: Høyere [H$^+$] i intermembranrommet
2. Elektrisk gradient: Positiv ladning i intermembranrommet

Sammen utgjør dette proton-motive force (PMF).

ATP-syntase (Kompleks V)

ATP-syntase er et roterende enzymmaskiner som bruker protongradienten til å syntetisere ATP.

Struktur:
- F$_0$: Membrankomponent med protonkanal
- F$_1$: Matrikskomponent der ATP syntetiseres

Mekanisme:
1. Protoner strømmer gjennom F$_0$ ned konsentrasjonsgradienten
2. Protonstrømmen driver rotasjon av F$_0$-ringen
3. Rotasjonen overfører konformasjonsendringer til F$_1$
4. F$_1$ katalyserer: ADP + $P_i$ → ATP

ATP-utbytte

$$\text{NADH} \rightarrow \sim 2,5 \text{ ATP}$$
$$\text{FADH}_2 \rightarrow \sim 1,5 \text{ ATP}$$

(Verdiene varierer litt mellom organismer og betingelser)

Oppsummering

Pyruvatoksidasjon:
- Pyruvat → Acetyl-CoA + CO$_2$ + NADH
- Utføres av pyruvat-dehydrogenase i matrisen

Sitronsyresyklus:
- Acetyl-CoA oksideres fullstendig til 2 CO$_2$
- Produserer: 3 NADH, 1 FADH$_2$, 1 GTP per acetyl-CoA
- 8 reaksjoner i mitokondriematrisen
- Oksaleddiksyre regenereres hver runde

Elektrontransportkjeden:
- 4 komplekser i indre mitokondriemembran
- NADH → Kompleks I → Q → Kompleks III → Cytokrom c → Kompleks IV → O$_2$
- FADH$_2$ → Kompleks II → Q → ...
- Bygger opp protongradie ved å pumpe H$^+$

ATP-syntase:
- Bruker protongradienten til å syntetisere ATP
- Roterende enzymmaskineri
- NADH gir ~2,5 ATP, FADH$_2$ gir ~1,5 ATP

Totalt utbytte: ca. 30-32 ATP per glukose