Biologia dla ambitnych

ŁAŃCUCH ODDECHOWY I JEGO BLOKERY

Mitochondria są odpowiedzialne za wytwarzanie energii w postaci adenozynotrifosforanu (ATP). Te otoczone błonami struktury występują we wszystkich komórkach eukariotycznych, poza czerwonymi krwinkami(erytrocytami) i ostatecznymi keratynocytami. Występują licznie w komórkach zużywających duże ilości energii, np. w komórkach mięśni szkieletowych i mięśnia sercowego, w komórkach egzokrynowych trzustki, w plemnikach.

Wiele enzymów mitochondrialnych jest kodowana przez DNA jądrowe, ale Mitochondria mają własne DNA, obdarzone zdolnością kodowania.

Zarówno w błonach, jak i macierzy mitochondrialnej znajduje się wiele enzymów katalizujących przebieg dalszych (po glikolizie) procesów oddychania tlenowego.

W zewnętrznej, gładkiej błonie występują monoaminooksydazy, syntazy acetylokoenzymu A (CoA) i fosfolipazy. Druga, grubsza błona wewnętrzna, jest wyspecjalizowaną błoną bogatą w fosfolipid - kardiolipinę, mający cztery łańcuchy kwasów tłuszczowych związane z glicerolem. Czyni ona błonę nieprzepuszczalną dla jonów. Ponadto błona ta zawiera białka działające w reakcjach oksydacyjnych w czasie transportu elektronów przez łańcuch oddechowy, kompleks enzymów syntazy ATP oraz białka transportowe, które regulują transport metaboliczny do i z macierzy. Enzymy łańcucha oddechowego są zagłębione w błonie i odpowiadają za fosforylację oksydacyjną, w wyniku której wytwarzany jest ATP. Według teorii chemioosmozy Mitchell'a (Nagroda Nobla w 1975r.) ATP powstaje w wyniku magazynowania energii podczas transportu protonów.

Pompa protonowa przenosi jony wodorowe (H⁺) w poprzek błony wewnętrznej do przestrzeni śródbłonowej. Taki transfer protonów kończy się ustaleniem elektrochemicznego gradientu protonowego w poprzek błony wewnętrznej. Gradient ten kieruje reakcjami, w których wytwarzana jest energia w czasie, gdy protony płyną z powrotem „z góry na dół” przez integralne białka błonowe osadzone w mitochondrialnej błonie wewnętrznej (np. białkiem tym jest syntaza ATP).

Pompy protonowe są napędzane przez energię swobodną, która jest uwalniana podczas przenoszenia kolejno elektronów przez łańcuch transportujący, nazywany systemem transportu elektronów.

System transportu elektronów składa się z trzech dużych kompleksów białkowych (I, II, III) i ubichinonu, odpowiedzialnych za kolejne dostarczenie wysokoenergetycznych elektronów przenoszonych przez NADH i FADH₂ na tlen cząsteczkowy. W każdym kompleksie wyróżniamy:

- złożony z wielu podjednostek główny kompleks enzymatyczny, który katalizuje przenoszenie elektronów

- grupy prostetyczne, które wiążąc się z enzymem przyjmują i uwalniają elektrony

- białka, które ułatwiają ruch protonów

Między trzema dużymi kompleksami oscylują dwa małe przenośniki energii: cytochrom c i ubichinon. (rys. 1)

Transport elektronów zaczyna się, gdy dwa elektrony uwolnione z NADH są przeniesione na pierwszy przenośnik elektronów w łańcuchu oddechowym. Mają one najwyższą energię. Podczas przenoszenia elektronów wzdłuż łańcucha ( w praktyce elektrony są przekazywane z atomów metalu występujących w grupach prostetycznych) energia jest stopniowo rozpraszana. Elektrony wędrują wzdłuż łańcucha dopóki nie zostaną przeniesione na tlen cząsteczkowy, który wykazuje największe powinowactwo do elektronów.

Grupy prostetyczne przechodzą cyklicznie między stanem utlenienia i redukcji, gdy elektrony są przekazywane wzdłuż szlaku.

Pierwszy typ grupy prostetycznej (w II kompleksie) zawiera FAD, który w cyklu Krebsa przyłącza elektrony z utleniania bursztynianu:

COO ^- COO ^-

| FAD FADH₂ |

H - C - H H - C

| ||

H - C - H C - H

| |

COO ^- COO ^-

bursztynian fumaran

Rys. 1. Sprzężenie chemioosmotyczne i synteza ATP. Tworzenie ATP przez syntazę ATP jest związane z przejściem protony przez wewnętrzną błonę ( u góry). Utlenianie w łańcuchu oddechowym polega na przeniesieniu protonu z macierzy do przestrzeni śródbłonowej, co chroni gradient protonowy (po stronie prawej). F₁ i F₀ są podjednostkami białkowymi, które uczestniczą w fosforylacji.

Utlenione lub zredukowane części cząsteczek w FAD i mononukleotydzie lawinowym, (FMN), które występują w kompleksie I wywodzą się z ryboflawiny (witamina B₂). Przenośniki te transportują pary elektronów i w czasie redukcji wiążą dwa atomy wodoru tworząc FMNH₂.

Drugą grupą przenośników są cytochromy, które posiadają grupę hemową z centralnie położonym atomem żelaza zmieniającym stopień utlenienia między Fe³⁺ a Fe²⁺.

Trzecią grupę przenośników elektronów stanowią białka żelazo- siarkowe, których dwa lub trzy atomy żelaza są kowalencyjnie związane z równą ilością atomów siarki, w wyniku czego formuje się centrum żelazo- siarkowe. Podobnie, jak w cytochromach, atomy żelaza zmieniają na przemian stan między Fe²⁺ a Fe³⁺ ,kiedy kompleks zyskuje i oddaje elektrony.

Grupy prostetyczne czwartego kompleksu przenośników działają, gdy przenośnikiem elektronów jest centrum z miedzią. Sądzi się, że stan atomu miedzi waha się między Cu⁺ a Cu²⁺, kiedy kompleks jest zredukowany i utleniony. Miedź może uczestniczyć w tworzeniu centrum bimetalicznego z atomem żelaza związanym z hemem w końcowym stadium szlaku transportu elektronów.

Ubichinon nie jest związany z białkiem, a jego hydrofobowa cząsteczka jest rozpuszczalna w warstwie lipidowej. Ubichinon może przyłączać jeden H⁺ dla każdego elektronu, który przyłączył i może przenieść jeden albo dwa elektrony. Kiedy elektrony są transportowane do następnego przenośnika w łańcuchu, protony są uwalniane.

W łańcuchu oddechowym bardzo ważną rolę odgrywają powiązania chemioosmotyczne pomiędzy przenośnikami. Głównym jego celem jest uzyskiwanie i akumulowanie energii w postaci ATP. Dlatego należy zwrócić uwagę na związki chemiczne, które naruszają powiązania chemioosmotyczne i prowadzą do blokady syntezy ATP, gdyż ma to skutki zdrowotne dla organizmu. Do tzw. „blokerów” należą między innymi:

- dinitrofenol - czynnik rozprzęgający, powodujący permeabilizację błony wewnętrznej dla protonów

- oligomycyna - działa na syntazę ATP, blokując przejście protonów do macierzy

- malonian - blokujący przejście wodoru na FAD

- karboksyna, TTFA - blokujący oksydoreduktazy NADH, ubichinon; TTFA jest czynnikiem helatującym żelazo

- amobarbital, rotenon - blokujący przejście wodoru i elektronów na ubichinon

- antymycyna A - blokująca przejście elektronu z kompleksu III (cytochrom b, FeS, cytochrom c₁) na dalsze cytochromy

- nieorganiczne związki chemiczne: H₂S, CO, CN^- - blokujące kompleks IV i przejście elektronu na tlen.

Rys. 2. Hamowanie łańcucha oddechowego przez różne związki chemiczne. Wykres pokazuje cztery kompleksy łańcucha oddechowego i możliwe miejsca działania różnych inhibitorów chemicznych.

mgr Beata Urbańczyk

Literatura:

Solomon, Berg, Martin, Villee: „Biologia”

P. Hoser: „Fizjologia organizmów z elementami anatomii człowieka”

B.Filipowicz, W.Więckowski: „Zarys biochemii”

G.M.Fuller, D.Shields: „Podstawy molekularne biologii komórki”

Czasopismo „Świat nauki” na 10 (74) z X. 1997, artykuł pt. „Mitochondrialny DNA w starzeniu się i chorobie” D.C.Wallace

---