Łańcuch oddechowy i fosforylacja

Łańcuch oddechowy inaczej zwany łańcuchem transportu elektronów jest ostatnim etapem przekształcenia glukozy do wody i dwutlenku węgla. Proces ten zachodzi na grzebieniach mitochondrialnych, a efektem jego jest powstanie przy pomocy pompy wodorowej cząsteczek wody oraz energii w postaci wiązań wysokoenergetycznych w ATP. Produkt tej reakcji – woda powstaje z jonów wodoru przeniesionych z NADH+H⁺ oraz FADH₂ oraz tlenu wdychanego przez organizmy.

Całość procesu ma miejsce w mitochondrium komórkowym. Jest to organella komórkowa, pełniąca funkcję generatora energii. Przetwarza ona energię chemiczną, która została zawarta w substratach energetycznych w energię bezwodnikowych wiązań pirofosforanowych, zawartych w adenozynotrifosforanie, zwanym w skrócie ATP. Energia w tej postaci jest używana do napędzania re­akcji endoergicznych w komórce. Występują w organizmie komórki (na przykład krwinki czerwone), które nie posiadają mitochondriów, w związku z czym nie mają zdolności do utleniania substratów energetycznych do dwutlenku węgla oraz wody, ani produkcji ATP drogą fosforylacji oksydacyjnej. Czerpią one energię jedynie z glikolizy beztlenowej czyli beztlenowej przemiany glukozy, której towarzyszy fosforylacja nieoksydacyjna, polegająca na tworzeniu ATP kosztem rozpadu innych bogatoenergetycznych związków fosforanowych(takich jak: fosfoetiolopirogronian i 1,3-bis-fosfoglicerynian).Mięsień sercowy, natomiast potrzebuje dużej ilości energii do utrzymania jego czynności skurczowej w związku z tym zawiera dużo mitochondriów w komórkach. Mogą one zajmować nawet połowę objętości cytoplazmy. Komórki wątrobowe również są bogate w mitochondria, gdyż są one miejscem licznych procesów biosyntezy, do których potrzeba dużej ilości energii z wiązań ATP.

Źródło:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ea/Animal_mitochondrion_diagram_pl.svg

Centrum żelazowo-siarkowe. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/49/Rieske_Fe2S2.svg

Mitochondrium jest otoczone dwiema błonami: zewnętrzną i wewnętrzną. Rozdziela je prze­strzeń między błonowa. W środku znajduje się matriks mitochondrialne, które obfituje w liczne enzymy. Łańcuch transportu elektronów, znajduje się w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Jest on wspólnym szlakiem, przejścia elektronów pochodzących z różnych substratów energetycznych na tlen. Transport elektronów i synteza ATP drogą fosforylacji oksydacyjnej zacho­dzi w mitochondriach wszystkich komórek organizmu. Zewnętrzna błona mitochondrialna zbudowana jest z białek i lipidów w proporcji 1 do 1. Błona zewnętrzna posiada liczne pory, które pozwalają na swobodne wnika­nie do przestrzeni międzybłonowej większości jonów i małych cząstek. Wewnętrzna błona jest nieprzepuszczalna dla większości jonów takich jak jony wodoru, sodu i potasu oraz małych cząsteczek (między innymi ATP, ADP, pirogronianu, kwasów tłuszczowych i innych). W celu transportu tych substratów w poprzek błony istnie­ją wyspecjalizowane mechanizmy. Błona wewnętrzna jest znacznie bogatsza od zewnętrznej w białka, które stanowią prawie że 80% masy błony. Ich funkcją jest transport jonów H⁺, elektronów oraz udział w fosforylacji oksydacyjnej. Znaczną ich część stanowią przenośniki transbłonowe. Białka enzymatyczne to między innymi cytochromy: b, c, c₁ a+a₃, enzymy utleniające(takie jak: dehydrogenaza β-hydroksymaślanowa, dehydrogenaza bursztynianowa i białka przenośnikowe - między innymi translokazy, aminotransferazy). Wewnętrzna błona jest bardzo silnie pofałdowana. Pofałdowania te nazywane są grzebie­niami mitochondrialnymi. Powiększają one wielokrotnie powierzchnię tej błony. Po stronie wewnętrznej występują kuliste twory, które wystają w kierunku matriks mitochondrialnego, tak występuje między innymi syntaza-ATP. Matriks, zwana inaczej macierzą mitochondrialną. Ma ona konsystencję żelu, który wypełnia wnętrze mitochondrium. Dominującymi składnikami matriks są białka(wśród nich liczne enzymy, które uczestniczą w utlenianiu kwasów tłuszczowych, pirogronianu, aminokwasów i metabolitów cyklu krebsa oraz katalizujące reakcje biosyntezy hemu i mocznika. Dodatkowo zawiera ona NAD⁺ i FAD, będące akceptorami protonów i elektronów w reakcjach utleniania substratów energetycznych oraz ADP i fosforan nieorganiczny (Pi), służących do syntezy ATP. Transport protonów oraz elektronów z substratu energetycznego na tlen atmosferyczny, który jest dostarczany do tkanek przez hemoglobinę znajdującą się w krwinkach, jest zawiłym procesem, charakteryzującym się wieloma etapami zachodzącymi z udzia­łem szeregu ogniw pośrednich. Pierwszym akceptorem wodoru odłączanych podczas odwodornienia od substratu jest najczęściej NAD⁺. Kolejnym akceptorem jest FMN, a następnym koenzym Q. W tym etapie trans­port protonów i elektronów przebiega wspólnie. Następnie przemieszczanie elektronów zachodzi niezależnie od transportu protonów. Elektrony przechodzą poprzez kolejne cytochromy: cytochrom b, cytochrom c₁ cytochrom c oraz cytochrom a+a₃ na cząsteczki tlenu. Powstaje anion tlenkowy O^2-, który wiąże się z dwoma protonami i następnie tworzy cząsteczkę H₂O. Łańcuch oddechowy zachodzący w mitochondrium jest sprzężony z reakcjami fosfo­rylacji oksydacyjnej w trzech miejscach. W każdym z tych miejsc ADP wiąże Pi, tworząc ATP. W związku z tym przyjęło się że transport j ednej pary ato­mów wodoru z substratu na tlen przy udziale NAD⁺ dostarcza trzech cząsteczek ATP. W przypadku gdy utlenianie zachodzi przez dehydro­genazy zależne od FAD. Do takich substratów energetycznych należą: bursztynian czy acylo—S-CoA. FAD przekształca się w FADH₂ poprzez wiązanie dwóch atomów wodoru na pierścieniach dimetyloizoalloksydazy. Następnie są one przekazywane z FADH₂ bezpośrednio na koenzym Q. W procesie tym zostaje pominięte NAD⁺ i FMN, w związku z tym nie dochodzi do pierwszej fosforylacji, a w efekcie tego reakcje utleniania substratów energetycznych, zachodzące z udziałem FAD, dostarczają jedynie dwóch cząsteczek ATP w przeliczeniu na parę atomów wodoru, a nie trzy tak jak to miało

miejsce w przypadku NADH+H⁺. Wszystkie elementy łańcucha

oddechowego są białkami, większość z nich są enzymami

(cytochromy i dehydrogenaz) a inne białkami nieenzymatynymi zawierającymi centra żelazowo-siarkowe, wyjątkiem jest koenzym Q. Jon żelazowy pośredniczy w przenoszeniu elektronów między FMN a koenzymem Q oraz między cytochromami: b i a. Każdy cytochrom zawiera cząsteczkę hemu z jonem Fe^2+/3.Natomiast cytochrom a+a₃ zawiera jon Cu^+/2+.

Przyłączenie pary at. Wodoru do kw. Nikotynowego. „Biochemia(…)”E. Bańkowski, wyd. Medyczne Urban & Partner, Wrocław.

Z NAD⁺ współdziałają liczne dehydrogenazy które oddzielają pary atomów wodoru, jest to utlenianie.

Zmiany w strukturze pierścienia dimetyloizoalloksazyny w wyniku redukcji FMN do FMNH₂ lub FAD do FADH₂. „Biochemia(…)”E. Bańkowski, wyd. Medyczne Urban & Partner, Wrocław.

Wzór strukturalny koenzymu Q.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/30/Ubiquinone3.png

Dehydrogenazy dzielą pary atomów wodoru w bardzo szczególny sposób. Jeden z atomów jest wiązany w całości przez pierścień kwasu nikotynowego, który znajduje się w NAD+(zanika jedno z podwójnych wiązań). Drugi atom wodoru dysocjuje, powstaje proton i elektron, który wiąże się z atomem azotu w pierścieniu kwasu nikotynowego przez co zobojętnia jego ładunek dodatni), natomiast powstały proton jest uwalniany do środowiska reakcji. Para elektronów występujących w tym procesie zwana jest równoważnikiem redukcyjnym. Zarówno elektrony jaki i protony z NADH+H⁺ przekazywane są na FMN. FMN czyli mononukleotyd flawinowy jest estrem fosforanowym ryboflawiny i w organizmie powstaje z witaminy B₂(czyli inaczej ryboflawiny). Wchodzi on w skład pierwszego kompleksu łańcucha oddechowego, czyli kompleksu dehydrogenazy NADH. Po przyjęciu związków przekształca się w FMNH₂. Następnie protony przekazywane są, za pomocą tego samego kompleksu na koenzym Q (Ubichinion). Ubichinion zawiera pierścień chinonowy, połączo­ny z długim łańcuchem zbudowanym z sześciu do dziesięciu jedno­stek izoprenowych. przenośnikiem pary jonów wodoru i elektronów jest w tym związku pierścień chinonowy. Długi łańcuch izoprenoidowy ma właściwości hydrofobowe i to umożliwia mu zakotwiczenie koenzymu Q wewnętrznej błonie mitochondriainej, zbudowanej z lipidów. Ubichinion charakteryzuje się jeszcze jedną znamienitą właściwością. Mianowicie może przyjąć parę protonów i elektronów(2H⁺ + 2e^-) zarówno od FMNH₂ jak i od FADH₂. Koenzym Q reagując z jonami w odoru przekształca się w Ubichinol (wedle nomenklatury: ubihydrochinon). W tym momencie kończy się wspólny szlak transportu protonów i elektronów. Dal­ej następuje przemieszczanie pojedynczych elektronów między następnymi ogni­wami łańcucha oddechowego. Dalszy etap łańcucha odbywa się na cytochromach. Jak już pisałem wyróżniamy cytochromy: b, c, c₁ a+a₃. Są one niewielkimi białkami o masie cząsteczkowej, 13-22 kDa. Każdy z nich wiąże cząsteczkę hemu. Hem jest grupą prostetyczną wielu enzymów i występuje powszechnie w organizmie, oprócz cytochromów znajduje się w hemoglobinie i mioglobinie. Zbudowany jest z płaskiej struktury podobnej do porfiryny, wiążąc w centrum jon żelaza: Fe^2+/3+. W przeciwieństwie do hemu zawartego w hemoglobinie lub w mioglobinie żelazo cytochromowe może być łatwo oraz odwracalnie utleniane i redukowane: z Fe²⁺ do Fe³⁺ i z Fe³⁺ do Fe²⁺. Dzięki tej właściwości cytochromy mogą być na przemian dawcami i ak­ceptorami elektronów. Elektrony są przekazywane w następującym porządku:

• Z Ubichinionu wędrują one na dwa cyt[ochromy] b

• Z cyt. b wędrują na 2 cyt. c₁

• Następnie przechodzą one na 2 cyt. c

• Z cyt. C wędrują na 2 cyt. a+a₃

• 

  Wzór strukturalny ubichinolu.http://upload. wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/10/Ubihydrochinon.svg/290px-Ubihydrochinon.svg

  A z nich przechodzą na tlen dając jon O^2- który natychmiast łączy się z dwoma protonami(2H⁺).

Z pośród wszystkich cytochromów dobrze poznano budowę tylko dwóch z nich. Cytochrom C jest enzymem składającym się z 103 reszt aminokwasowych. Zawiera grupę prostetyczną w postaci hemu C, związanego z białkiem dwoma wiązaniami kowalencyjnymi. Łatwo rozpuszcza się w wodzie dlatego też, łatwo go było wyizolować. Inne cytochromy są nie rozpuszczalne w H₂O. Drugim dobrze poznanym cytochromem jest cyt. a+a_3. Jak sama nazwa wskazuje zbudowany jest on z podjednostek: a i a₃. Podjednostki a są 2, natomiast a₃ jest aż 4. Obie jednostki mają identyczną budowę, różnią się jedynie położeniem, przez co pracują w nieco innych warunkach środowiskowych. Wiążą się one wyjątkowo, nie tak jak wszystkie cytochromy z hemem typu C, a z hemem typu A, które wiąże się z podjednostkami wiązaniami koordynacyjnymi, a nie kowalencyjnymi jak to miało miejsce w hemie C.

Wyróżniamy 5 kompleksów oddechowych zawartych w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Oznacza się je cyframi rzymskimi od I do V. Kompleksy od I do IV są fragmentami łańcucha, a kompleks V to układ syntezujący ATP. I tak wyróżniamy:

- Kompleks I - oksydoreduktaza NADH : ubichinon( inaczej: dehydrogenaza NADH), zawiera białka Fe:S. Przenośnikiem protonów i elektronów jest cząsteczka FMN. Przekazuje ona substraty z NADH na Ubichinion. Proces ten jest sprzężony z reakcją fosforylacji ADP i powstaniem pierwszej cząsteczki ATP.

- Kompleks II - oksydoreduktaza bursztynian : ubichinon, uczestniczy w utlenianiu bursztynianu. Jest kompleksem białka enzymatycznego: dehydrogenazy bursztynianowej (zawierającej FAD oraz białek Fe:S). Przekształca ubichinon w ubichinol.

- Kompleks III - oksydoreduktaza ubichinol : utleniony cytochrom c. Zawiera cyto­chrom b, białka Fe:S oraz cytochrom c_t. Przenosi elektrony z ubichinolu, poprzez cytochrom b na czochrom c. Proces ten również jest sprzężony z reakcją fosforylacji ADP. Powstaje druga cząsteczka ATP.

Schemat łańcucha oddechowego. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons /thumb/3/32/Lancuch_oddechowy.svg/700px-Lancuch_oddechowy.svg.png

- Kompleks IV - oksydoreduktaza zredukowany cytochrom c : tlen. Nazywany również oksydazą cytochromową. Zawiera cytochromy a i a₃. Przekazuje elektrony ze zredukowanego cytochromu c, poprzez cytochrom a + a₃ na tlen. Proces ten jest sprzężony z reakcją fosforylacji ADP i powstaniem trzeciej cząsteczki ATP.

- Kompleks V - syntaza ATP to kompleks enzymatyczny. Przekształca energię wy­zwalaną przez łańcuch oddechowy w energię wiązań pirofosforanowych. Wiąże ADP z fosfo­ranem nieorganicznym - powstaje ATP. Ponieważ FADH₂ oddaje wodory bezpośrednio do kompleksu trzeciego powstają 2, a nie 3 cząsteczki ATP.

I stnieją inhibitory oksydacji łańcucha oddechowego, które poprzez wiązanie się z pewny­mi ogniwami łańcucha i blokują reakcje oksydoredukcji, przez co prowadzą do zatrzymania fosforylacji oksydacyjnej, w wyniku czego przestaje być wytwarzane ATP. Do inhibitorów należą: amytal, rotenon, antymycyna, cyjanek, tlenek węgla i azydek. Substancje te są dlatego silnie toksyczne dla organizmu.

Schemat łańcucha oddechowego. http://imageshack.us/photo/ my-images/607/lancuchoddechowy.jpg/sr=1

Na temat tego jak energia przepływu elektronów przekształca się w energię wiązań chemicznych jest kilka teorii. Obecnie uważana za najbardziej trafną jest teoria chemiosmotyczna Petra Mitchella. Zakłada ona, że kompleksy oddechowe: I, III i IV pełnią funkcję pompy protonowej, która sprawia, iż transport elektronów przez łańcuch oddecho­wy jest sprzężony z jednoczesnym przemieszczaniem protonów (H⁺) w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej, od macierzy do przestrzeni międzybłonowej. Zakłada się, że transportowi jednej pary elektronów towarzyszy transport 3 par protonów na zewnętrzną powierzchnię wewnętrznej błony mitochondrium. Proces ten wytwarza gradient elektryczny i gradient pH po obydwu stronach tej błony. Strona zewnę­trzna ładuje bardziej dodatnio, niż strona wewnętrzna, a pH po stronie zewnętrznej maleje. Teoria ta zakłada, że protony przeniesione na zewnętrzną powierzchnię błony we­wnętrznej powracają do matriks przez kanał w cząsteczce syntazy ATP. Co powoduje rozładowanie gradientów elektrycznego i pH po obu stronach błony, a następnie wyzwala energię wytwarzającą wiązanie między ADP. Oligomycyna, która jest jednym z antybiotyków, wiąże się z syntazą ATP, przez co zamyka kanał protonowy i zapobiega powrotowi protonów do macierzy. Gradienty wywołane przez transport jonów wodoru, nie mogą być rozładowane. Ponieważ funkcjonowanie łańcucha i pompy są ze sobą ściśle sprzężone, zahamowanie jednej automatycznie hamuje drugą.

Łańcuch oddechowy oraz sprzężona z nim fosforylacja oksydacyjna pełnią w organizmie bardzo ważną funkcję, jaką jest wiązanie energii mechanicznej w postaci energii chemicznej. Co pozwala na zachodzenie licznych przemian w naszym organizmie oraz mówiąc ogólnie na funkcjonowanie organizmu. W momencie kiedy łańcuch jest zablokowany i nie dochodzi do produkcji ATP organizm będzie funkcjonował do momentu aż wykorzysta cały zapas wysokoenergetycznych związków. Efekt jest taki że ustają wszystkie przemiany organizmu, co prowadzi do śmierci. Ważnym jest uzmysłowienie sobie faktu, że nie ma życia ludzi i zwierząt bez łańcucha oddechowego.

Autor:

Igor Przegrałek

Bibliografia:

1. „Biochemia. Podręcznik dla studentów uczelni medycznych” E. Bańkowski; Wydawnictwo Medyczne Urban & Partner; Wrocław 2004

2. „Biochemia zwierząt” A. Malinowska; Wydawnictwo SGGW; Warszawa 1999

3. „Biochemia Harpera ilustrowana” D.K. Granner, R. K. Murray, V. W. Rodwell; Wydawnictwo lekarskie PZWL; Warszawa 2010

Źródła wzorów i schematów użytych w referacie znajdują się pod nimi.