Utlenianie biologiczne - procesy utleniania różnego rodzaju związków organicznych, którego efektem końcowym będzie dostarczenie energii w postaci wiązań wysokoenergetycznych ATP; przenoszenie e i H⁺ przez różnego rodzaju przenośniki w różnych kompartymentach (przedziały wewnątrzkomórkowe), które w końcowym etapie posłużą do syntezy wiązań energetycznych.

Źródła energii:

1. cukry (glukoza - główne źródło energii)

2. związki lipidowe (kw. tłuszczowe, ciała ketonowe)

3. aminokwasy (z hydrolizy białek)

Proces utleniania składa się z 5 - ciu etapów:

1. proces glikolizy (w cytozolu); produkty: pirogronian, NADH

2. (pirogronian transportowany do mitochondriów) reakcja łącznikowa - reakcja prowadzona przez dehydrogenazę pirogronianową, powstaje acetylo-CoA i CO₂

3. (acetylo-CoA „transportowany” do cyklu Krebsa) cykl Krebsa w macierzy mitochondrialnej; produkty: 3 NADH, 1 FADH₂, 1 GTP

4. (NADH, FADH₂ - substraty dla utleniania) łańcuch oddechowy w wewnętrznej błonie mitochondrialnej; produkt: woda; energia z przenoszenia e i H⁺, która mogłaby się wytworzyć wykorzystywana jest w piątym etapie

5. fosforylacja oksydacyjna

Mitochondrium

• (w liczbie mnogiej Mitochondria) - organellum komórki eukariotycznej pochodzenia endosymbiotycznego, w którym zachodzą procesy będące głównym źródłem energii (w postaci ATP) dla komórki, w szczególności proces fosforylacji oksydacyjnej.

• Mitochondria posiadają własny genom. Genom mitochondriów jest nieduży - koduje tylko od kilkunastu do kilkudziesięciu białek z kilkuset białek niezbędnych do funkcjonowania mitochondrium.

• Przeciętna komórka eukariotyczna zawiera od kilkudziesięciu do kilkuset tysięcy mitochondriów. Przyrost ich liczby jest możliwy dzięki zdolności tego organellum do podziału przebiegającego podobnie jak podział wolno żyjących bakterii.

• U prokariontów funkcję mitochondriów pełnią mezosomy.

• Mitochondria dziedziczone są po matce.

Budowa

Schemat ludzkiego mitochondrium

1. Błona wewnętrzna
2. Błona zewnętrzna

3. Grzebień
4. Macierz mitochondrialna (matrix)

Mitochondrium otaczają dwie błony białkowo-lipidowe, obie podobne w budowie do zwykłej błony komórkowej, ale o bardzo różnych właściwościach. Błona zewnętrzna otaczająca całe organellum jest naszpikowana białkami zwanymi porynami. Poryny są w istocie dużymi (około 2-3 nm średnicy) kanałami, przez które mogą się przedostawać wszystkie cząsteczki o masie nie przekraczającej 5000 daltonów oraz jony. Większe cząsteczki mogą pokonać zewnętrzną błonę tylko przy pomocy transportu aktywnego. Połowę masy zewnętrznej błony stanowią fosfolipidy. Wśród białek ją budujących są enzymy odpowiadające za bardzo rozmaite reakcje, jak np. wydłużanie łańcuchów kwasów tłuszczowych, utlenianie adrenaliny i rozkład tryptofanu.

VDAC (kanał anionowy zależny od potencjału) - mitochondrialna poryna (wszystkie poryny w mitochondriom to jego kopie) - kontroluje przepływ anionów (fosforany, chlorki, aniony organiczne, nukleotydy adeninowe); otwarta beczułka utworzona z kilkunastu harmonijek beta

Enzymem markerowym (markerem) błony zewnętrznej jest oksydaza monoaminowa (MAO). Enzymem markerowym (markerem) przestrzeni międzybłonowej jest kinaza adenilanowa.

Błona wewnętrzna jest silnie pofałdowana (fałdy te tworzą szereg skierowanych do matriks grzebieni mitochondrialnych), nie zawiera poryn i jest nieprzepuszczalna - transport jonów i innych cząsteczek do jej wnętrza wymaga specjalnych transporterów błonowych. Umożliwia to wytworzenie gradientu protonowego niezbędnego do działania łańcucha oddechowego. Błona wewnętrzna zawiera ponad 100 rozmaitych polipeptydów, a białka stanowią ponad ¾ jej masy. Są to białka łańcucha oddechowego, syntaza ATP wytwarzająca ATP w macierzy mitochondrialnej oraz białka transportujące metabolity do wnętrza macierzy i na zewnątrz. Szczególnym fosfolipidem w tej błonie jest kardiolipina, lipid typowy dla komórek bakteryjnych. Enzymem markerowym (markerem) błony wewnętrznej jest oksydaza cytochromu c.

Błona wewnętrzna tworzy wpuklenia - grzebienie mitochondrialne, w których zakotwiczone są enzymy łańcucha oddechowego. Wpuklenia zwiększają powierzchnię błony - i tak np. w mitochondriach wątroby powierzchnia wewnętrznej błony mitochondrialnej jest pięciokrotnie większa od powierzchni zewnętrznej błony mitochondrialnej.

Wnętrze mitochondrium wypełnia macierz (matriks) mitochondrialna. Jest to rodzaj żelu - wodny roztwór białek i metabolitów zużywanych na potrzeby mitochondrium. Białkami wewnętrznymi mitochondrium są wszystkie enzymy β-oksydacji kwasów tłuszczowych, cyklu Krebsa, syntezy steroidów itp. Macierz zawiera również mitochodndrialny DNA (mtDNA), rybosomy mitochondrialne i tRNA mitochondrialne. Enzymem markerowym (markerem) matrix mitochondrialnej jest syntetaza cytrynianowa.

Na podstawie mikrofotografii elektronowych sądzono, że mitochondria to owalne lub cygarowate twory. W rzeczywistości mitochondria tworzą w komórce dynamiczną sieć łączących się i rozdzielających organelli, a uprzednio obserwowany kształt to artefakt powstający podczas przygotowywania preparatów mikroskopowych. Kształt organelli, stopień pofałdowania wewnętrznej błony jest charakterystyczny dla poszczególnych tkanek.

Pojedyncza komórka zawiera od kilku sztuk do kilku tysięcy mitochondriów, przeciętnie setki tych organellów. Ich liczba zależy od zapotrzebowania energetycznego danej tkanki, np. neurony i komórki mięśniowe zawierają szczególnie dużo mitochondriów.

Funkcje mitochondriów

Główną rolą mitochondriów jest uzyskiwanie energii w formie wysokoenergetycznych wiązań chemicznych wewnątrz ATP wskutek przekształcania innych związków organicznych, ale mitochondria biorą również udział w innych procesach metabolicznych takich, jak:

• Apoptoza - programowana śmierć komórki

• Regulacja stanu redoks komórki

• Synteza hemu

• Synteza sterydów

• Wytwarzanie ciepła

• Cykl mocznikowy - w mitochondriach wątroby.

Transport przez wewnętrzną błonę mitochondrialną

związki powstające w cytozolu, a będące substancjami dla innych reakcji

1. nukleotydy adenylowe - transportowane dzięki translokazie adenylowej - białko, które do wnętrza mitochondriów wprowadza ADP a na zewnątrz wyprowadza ATP; nie ma zdolności do transportu AMP; wymiana ta jest energetycznie kosztowna; hamowana przez atraktylozyd lub karboksyatraktylozyd - związki te mają zdolność do łączenia się z translokazą, uniemożliwiają jej przemieszczanie się

2. fosforany nieorganiczne - przenośnik fosforanowy (współpracujący z translokazą ATP - ADP) na zasadzie antyportu jonów ^-OH z jabłczanem; z protonami na drodze symportu

3. metabolity pośrednie cyklu Krebsa

przenośnik dikarboksylanowy tansportuje jabłczan, bursztynian, fumaran,

malonian z udziałem jonów fosforanowych

- antyport między jonem dikarboksylanowym a fosforanowym

- antyport między dwoma jonami dikarboksylanowymi

- współpraca dwóch nośników: dikarboksylanowy

fosforanowy

Przenośnik trikarboksylowy: cytrynian i izocytrynian - na zasadzie antyportu: cytrynian

jabłczan

nośnik dla α - ketoglutaranu - antyport:

α - ketoglutaran

jabłczan

4. aminokwasy:

- obojętne: swobodnie przez błonę - dyfuzja prosta

- układ nośników: Glu, Asp:

Nośnik glutaminonowy na wymianę z ^-OH

Nośnik Glu - Asp - antyport; cecha charakterystyczna: Glu w formie obojętnej, Asp w formie zjonizowanej

5. równoważniki redukcyjne: zredukowany NAD - transportowany przez czółenka fosfodihydroksyacetonowe (fosfoglicerynianowe) oraz jabłczanowo-asparaginianowe

6. kwasy tłuszczowe:

krótkocząsteczkowe - swobodnie (do 10)

długie w połączeniu z karnityną

7. acetylo-CoA - w pierwszej reakcji cyklu Krebsa (łączy się ze szczawiooctanem przy udziale syntazy cytrynianowej na nośniku cytrynianowym do cytoplazmy hydroliza do szczawiooctanu i acetylo-CoA przy udziale liazy cytrynianowej zależnej od ATP

8. jony

jony Ca²⁺ - razem z protonami; poprzez związanie z kardiolipiną oraz

kalmoduliną

^-OH - wynoszone z matrix na wymianę z jonami PO₄^3-

K⁺ - z matrix przez nośnik dla jonów jednododatnich - transport sprzężony z

nośnikiem H⁺/PO₄^3-

Reakcja łącznikowa

- w matrix

- kompleks dehydrogenazy pirogronianowej - katalizuje oksydacyjną dekarboksylację pirogronianu do acetylo-CoA. Kofaktory tej reakcji: CoA, NAD⁺, TPP, amid kw. liponowego i FAD.

Budowa:

1. pierwsza podjednostka: dehydrogenaza (dekarboksylaza pirogronianowa) - jej zadaniem jest dekarboksylacja pirogronianu, powstanie grupy acetylowej i przeniesienie jej na kw. liponowy; enzym ten składa się z dwóch podjednostek: α - wiąże grupę prostetyczną, pirofosforan tiaminy TPP; β - wiąże Mg²⁺ ; α i β tworzą dwa miejsca katalityczne (tworzone przez domeny białkowe: duża - wiąże FAD, mała - NAD; domena wiążąca pozostałe składniki kompleksu to domena katalityczna); enzym ten hamowany jest:

a) zwrotnie przez acetylo-CoA oraz NADH

b) allosterycznie przez ATP

c) fosforylacja przez specyficzną kinazę

aktywowany jest przez AMP, fosfoenolopirogronian; podlega indukcji przez insulinę

2. druga podjednostka: acetylotransferaza dihydroliponianowa - jej rdzeń tworzą dwie grupy prostetyczne: dwie cząsteczki kw. liponowego; jej zadaniem jest przeniesienie reszty acetylowej na CoA; hamowana przez duże stężenie acetylo-CoA

3. trzecia podjednostka: dehydrogenaza dihydroliponianowa - grupą prostetyczną jest: FAD, koenzymem jest NAD; jej zadaniem jest aktywacja nieczynnej acetylotransferazy dihydroliponianowej; hamowana przez NADH

Cykl kwasu cytrynowego:

1. acetylo-CoA + szczawiooctan + H2O cytrynian + CoA + H+

typ reakcji: kondensacja

enzym: synteza cytrynianowa - homodimer składający się z podjednostek o indentycznej masie. Każde z miejsc aktywnych jest umieszczone w szczelinie znajdującej się między dużą i małą domeną każdej podjednostki, w pobliżu styku obu podjednostek. Podczas katalizy ulega znacznym zmianom konformacyjnym. Najpierw wiąże szczawiooctan , a następnie acetylo-CoA (szczawiooctan indukuje w syntezie dużą zmianę konformacyjną , prowadzącą do utworzenia miejsca wiązania dla acetylo-CoA. Podlega regulacji allosterycznej; hamowana przez NADH, ATP, cytrynian i w warunkach wysokiego stosunku acetylo-CoA do CoA

2. a. cytrynian cis-akonitan + H2O

typ reakcji: odwodnienie

enzym: akonitaza

2. b. cis-akonitan + H2O izocytrynian

typ reakcji: uwodnienie

enzym: akonitaza - białko żelazowo - siarkowe (składnikiem jest żelazo niehemowe). Centrum tego enzymu zawiera cztery atomy żelaza, nie wbudowane w grupę hemową. Tworzą one kompleks z czterema atomami siarki nieorganicznej i trzema atomami siarki cysteiny ; pozycja jednego at. Fe umożliwia wiązanie cytrynianu a następnie izocytrynianu, poprzez ich grupy - karboksylową i hydroksylową. Centrum zawierające żelazo wspólnie z innymi grupami enzymu ułatwia reakcje odłączenia i przyłączenia wody. Hamowana przez fluorooctan, nadtlenki.

3. izocytrynian + NAD⁺ α-ketoglutaran + CO₂ + NADH

typ reakcji: dekarboksylacja + utlenienie

enzym: dehydrogenaza izocytrynianowa - hamowana przez NADH i ATP, wzrost stężenia α-ketoglutaranu; aktywowana allosterycznie przez ADP. Do aktywności potrzebuje Mg²⁺ lub Mn²⁺ ; oksydacyjna dekarboksylacja typu II - przez pojedyncze białko enzymatyczne: najpierw erdoks, który jest przyczyną zajścia samoistnej dekarboksylacji

* typu I - przez kompleks enzymatyczny; dekarboksylacja wymusza następczy proces redkos

4. α-ketoglutaran + NAD+ + CoA bursztynylo-CoA + CO2 + NADH

typ reakcji: dekarboksylacja + utlenienie

enzym: kompleks dehydrogenazy α-ketoglutaranowej - grupami prostetycznymi są: kwas liponowy, FAD, TPP (analogia do dekarboksylacji pirogronianu: zachodzi dekarboksylacja α-ketokwasu, a następnie połączenie z CoA wiązaniem tioestrowym o wysokim potencjale przenoszenia; hamowana przez NADH i bursztynylo-CoA

5. bursztynylo-CoA + Pi + GDP bursztynian + GTP + CoA

typ reakacji: fosforylacja substratowa

enzym: syntetaza bursztynylo-CoA (tiokinaza bursztynianowa) - hetero dimer złożony z podjednostek α₂ β₂; jednostkę funkcjonalną stanowi jedna para αβ; hydrolizuje ona bursztynylo-CoA (sukcynylo-CoA) - związek wysokoenergetyczny. W trakcie hydrolizy powstaje przejściowo bursztynylofosforan (też zw. wysokoenergetyczny). Energia pochodząca z hydrolizy wykorzystywana jest do przekształcenia GDP do GTP

6. bursztynian + FAD (związany z enzymem) fumaran + FADH₂ (związany z enzymem)

typ reakcji: utlenienie

enzym: dehydrogenaza bursztynianowa - białko żelazowo - siarkowe: trzy różne rodzaje ugrupowań żelazo - siarkowych (2Fe-2S, 3Fe-4S, 4Fe-4S). Stanowi integralną część bł. mitochondrialnej. Łącząc się bezpośrednio z łańcuchem oddechowym stanowi pomost między cyklem kwasy cytrynowego a syntezą ATP. Powstający FADH₂ nie oddysocjowuje od enzymu dwa elektrony z FADH₂ bezpośrednio do ugrupowań Fe-S. Końcowym akceptorem tych elektronów jest O₂. Hamowana: inhibicja kompetencyjna przez malonian, allosterycznie przez ATP i szczawiooctan; aktywacja allosteryczna przez ADP.

7. fumaran + H2O L-jabłczan

typ reakcji: uwodnienie

enzym: fumaraza - katalizuje stereo specyficzne przyłączenie wodoru i grupy hydroksylowej w układzie trans. Grupa hydroksylowa przyłączana jest tylko z jednej strony podwójnego wiązania fumaranu, dzięki czemu tworzy się wyłącznie izomer L jabłczanu.

8. L-jabłczan + NAD+ szczawiooctan + NADH + H+

typ reakcji: utlenienie

enzym: dehydrogenaza jabłczanowa - trzy izoformy: w mitochondriach zależna od NAD, w cytozolu zależna od NAD i NADP.

---