2.3 Sitronsyresyklusen og elektrontransportkjeden

Sitronsyresyklus og elektrontransportkjeda

Etter glykolysen har pyruvat framleis mykje kjemisk energi. I aerobe organismar vert pyruvat transportert inn i mitokondriane der det vert fullstendig oksidert gjennom sitronsyresyklusen og elektrontransportkjeda.

Lokalisering i mitokondriane

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

Mitokondriane vert kalla "kraftverket til cella" fordi mesteparten av ATP vert produsert her.

Pyruvatoksidasjon

Før pyruvat kan gå inn i sitronsyresyklusen, må det omdannast 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 eit stort enzymkompleks som utfører tre reaksjonar:
1. Dekarboksylering: CO$_2$ vert fjerna frå pyruvat
2. Oksidasjon: NADH vert danna
3. Kobling til CoA: Acetyl-CoA vert danna

Produkt per glukose (frå 2 pyruvat)

Sitronsyresyklusen (Krebs-syklus)

Sitronsyresyklusen er ein syklisk serie av åtte enzymkatalyserte reaksjonar som fullstendig oksiderer acetylgruppa frå acetyl-CoA.

Oversikt

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

Dei åtte trinna

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 bunde til indre mitokondriemembran

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

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

Produkt per acetyl-CoA

Produkt per glukose (2 acetyl-CoA)

Elektrontransportkjeda (ETC)

Elektrontransportkjeda er ein serie av proteinkompleks i den indre mitokondriemembranen som overfører elektron frå NADH og FADH$_2$ til oksygen.

Dei fire kompleksa

Kompleks I (NADH-dehydrogenase)
- NADH avgir elektron
- Pumpar 4 H$^+$ til intermembranrommet
- Elektron vert overførte til ubiquinon (Q)

Kompleks II (Suksinat-dehydrogenase)
- FADH$_2$ avgir elektron
- Pumpar ikkje proton
- Elektron vert overførte til ubiquinon (Q)

Kompleks III (Cytokrom bc$_1$)
- Tek imot elektron frå ubiquinon
- Pumpar 4 H$^+$ til intermembranrommet
- Elektron vert overførte til cytokrom c

Kompleks IV (Cytokrom c-oksidase)
- Tek imot elektron frå cytokrom c
- Pumpar 2 H$^+$ til intermembranrommet
- Overfører elektron til O$_2$:

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

Kjemiosmose og ATP-syntase

Protongradienten

Kompleks I, III og IV pumpar proton (H$^+$) frå matrisen til intermembranrommet. Dette skaper:

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

Saman utgjer dette proton-motive force (PMF).

ATP-syntase (Kompleks V)

ATP-syntase er eit roterande enzymmaskineri som brukar protongradienten til å syntetisere ATP.

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

Mekanisme:
1. Proton strøymer gjennom F$_0$ ned konsentrasjonsgradienten
2. Protonstraumen driv rotasjon av F$_0$-ringen
3. Rotasjonen overfører konformasjonsendringar til F$_1$
4. F$_1$ katalyserer: ADP + $P_i$ → ATP

ATP-utbytte

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

(Verdiane varierer litt mellom organismar og betingelsar)

Oppsummering

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

Sitronsyresyklus:
- Acetyl-CoA vert fullstendig oksidert til 2 CO$_2$
- Produserer: 3 NADH, 1 FADH$_2$, 1 GTP per acetyl-CoA
- 8 reaksjonar i mitokondriematrisen
- Oksaleddiksyre vert regenerert kvar runde

Elektrontransportkjeda:
- 4 kompleks i indre mitokondriemembran
- NADH → Kompleks I → Q → Kompleks III → Cytokrom c → Kompleks IV → O$_2$
- FADH$_2$ → Kompleks II → Q → ...
- Byggjer opp protongradient ved å pumpe H$^+$

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

Totalt utbytte: ca. 30-32 ATP per glukose