Adenozynotrifosforan, ATP - jeden z nukleotydów w komórce, pełniący funkcję uniwersalnego akumulatora i przenośnika energii.

Funkcje ATP

Jeden z wielu w organizmie związków, z którego czerpie on energię do życia i jego przejawów. Wszystkie procesy energetyczne służą, w końcowym rozrachunku, do tworzenia ATP lub jego redukcji. Związek ten nie jest magazynowany, tylko tworzony na bieżąco. Ostatnie badania wskazują na funkcje puryn adeninowych pojawiających się w przestrzeni ektocelularnej jako zewnątrzkomórkowych cząsteczek sygnalizacyjnych aktywujących receptory purynowe. I tak np. ADP pojawiający się na skutek uszkodzenia jest sygnałem przerwania ciągłości naczyń krwionośnych.

ATP natomiast bierze udział w regulacji ciśnienia krwi oddziałując na receptory P2OOO oraz P2Ysa. Efekt działania adenozynotrójfosforanu zależny jest od umiejscowienia tych receptorów. Głównymi mechanizmami uwalniania e-puryn jest egzocytoza oraz transport przez transbłonowe transportery i białka transportujące. Właściwości chemiczne :Cząsteczka ATP jest nukleotydem składającym się z zasady azotowej - adeniny połączonej wiązaniem N-glikozydowym z cząsteczką cukru - rybozy i trzech reszt fosforanowych połączonych ze sobą dwoma wiązaniami bezwodnikowymi. Reszty fosforanowe są oznaczane w ogólnie przyjętej notacji greckimi literami α, β i γ. Źródłem energii w większości procesów biochemicznych przebiegających z udziałem ATP jest hydroliza wiązania bezwodnikowego pomiędzy resztami β i γ zgodnie z równaniem reakcji:ATP + H₂O → ADP + P_i W wyniku tego procesu powstaje cząsteczka ADP oraz anion fosforanowy (P_i).

Rzadziej dochodzi do rozpadu ATP na AMP i pirofosforanu w wyniku hydrolizy wiązania bezwodnikowego pomiędzy resztami α i β:ATP + H₂O → AMP +PP_i Wydziela się przy tym więcej energii niż przy dwóch rozpadach ATP do ADP.

Występowanie rybozy (brak deoksyrybozy) w tak ważnej dla procesów życiowych cząsteczce jest uważane za relikt świata RNA.

Dinukleotyd nikotynamidoadeninowy NAD:

Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy - organiczny związek chemiczny, nukleotyd pełniący istotną rolę w procesach oddychania komórkowego. Różne pochodne tego związku są akceptorami elektronów i protonów w procesach utleniania komórkowego. Pełnią też rolę koenzymów oksydoreduktaz. Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy nie występuje w zasadzie w organizmach żywych w stanie wolnym, lecz występuje w postaci jonów (NAD⁺ i NADP⁺) oraz w formie zredukowanej (NADH i NADPH).

• NAD⁺ - forma utleniona dinukleotydu

• NADP⁺ - kation fosforanowy dinukleotydu

• NADH - forma zredukowana NAD⁺

• NADPH - forma zredukowana NADP⁺

NAD⁺

Cząsteczka NAD jest dinukleotydem składającym się z adenozyno-5'-monofosforanu i nukleotydu nikotynoamidowego połączonych ze sobą wiązaniem bezwodnikowym. Cząsteczka NAD⁺ wiąże jeden proton i dwa elektrony. Miejscem ich działania jest amid kwasu nikotynowego. Drugi proton pozostaje w środowisku reakcji. Zredukowany NAD⁺ (NADH) jest utleniany na kompleksie I łańcucha oddechowego. W wyniku przenoszenia elektronów przez kolejne elementy łańcucha oddechowego zostaje wytworzony gradient elektrochemiczny zamieniany przez syntazę ATP na energia zmagazynowaną w ATP.

Reakcje utleniania i redukcji NAD

NADP⁺ [edytuj]

Cząsteczka NADP⁺ różni się do NAD⁺ obecnością reszty fosforanowej przy węglu 2' rybozy nukleotydu adeninowego.

NADP⁺ jest także akceptorem protonu i elektronów w reakcjach redukcji, w ten sposób powstaje NADPH wytwarzany przez reduktazę ferredoksyna- NADP⁺ w fazie jasnej fotosyntezy. Powstały NADPH wykorzystywany jest do syntezy cukrów w cyklu Calvina.

NADPH wytwarzany jest także w szlaku metabolicznym określanym jako szlak pentozofosforanowy. Jest on następnie zużytkowywany w różnych reakcjach redukcji, głównie w przebiegu biosyntezy kwasów tłuszczowych i cholesterolu.

Koenzym A :

Wzór strukturalny koenzymu A, wzór sumaryczny: C₂₁H₃₆N₇O₁₆P₃S

Wzór strukturalny Acetyl-CoA

Koenzym A (w skrócie CoA, czasem CoASH w celu uwidocznienia niepodstawionej grupy tiolowej) - związek organiczny powstający w organizmie z adenozynotrifosforanu, pantotenianu oraz β-merkaptoetyloaminy, służący jako przenośnik grup acylowych. Cząsteczkę koenzymu A związaną z resztą acylową nazywa się acylokoenzymem A (acylo-CoA). Najważniejszym z takich połączeń jest acetylokoenzym A (acetyl-CoA).

Acylo-CoA czyli acylokoenzym A to połączenie koenzymu A z resztą acylową umożliwiające jej transport w organizmie. Acylo-CoA powstaje w wyniku acylowania grupy tiolowej CoA:

CoASH + RCOOH → CoAS~COR + H₂O

Najważniejszym przykładem takiego połączenia jest acetylokoenzym A (Acetyl-CoA), tzw. aktywny octan - produkt acetylowania koenzymu A uczestniczący w wielu przemianach zachodzących w organizmie, np. w cyklu kwasu cytrynowego. Acetylo-CoA odgrywa kluczową rolę w metabolizmie. Składa się z grupy octanowej (acylowej -COCH₃) związanej kowalencyjnie z koenzymem A. Uczestniczy w przemianie tlenowej sacharydów w Cyklu Krebsa, w syntezie kwasów tłuszczowych oraz w syntezie steroidów.

Tworzenie acetylo-CoA w mitochondriach [edytuj]

Pirogronian po wejściu do mitochondriów może ulec utlenieniu do CO₂ i H₂O (w cyklu kwasów trójkarboksylowych) bądź być wykorzystany do syntezy kwasów lub innych związków. Uprzednio jednak musi ulec utleniającej dekarboksylacji, tworząc "aktywny octan" - acetylo-CoA.

pirogronian + NAD⁺ + CoA → acetylo-CoA + NADH + H⁺ + CO₂

ΔG°= -33,5 kJ (-8,0 kcal/mol)

Faktyczny mechanizm reakcji jest znacznie bardziej złożony. W katalizującym kompleksie uczestniczą trzy enzymy główne (dehydrogenaza pirogronianowa, transacylaza liponianowa, dehydrogenaza liponianowa), pięć koenzymów (pirofosforan tiaminy, kwas liponowy, NAD+, FAD, CoA) oraz dwa enzymy regulujące (kinaza i fosfataza dehydrogenazy pirogronianowej).Przebieg procesu zależy od stanu energetycznego komórki. Przy wysokim stężeniu ATP dehydrogenaza pirogronianowa przy udziale odpowiedniej kinazy przechodzi w nieaktywną formę ufosforylowaną, dzięki czemu cały proces ulega zahamowaniu. Przy niskim stężeniu ATP, o wysokim ADP oraz Ca²⁺ następuje pod wpływem swoistej fosfatazy defosforylacja dehydrogenazy pirogronianowej, z utworzeniem formy aktywnej enzymu.Proces utleniającej dekarboksylacji α-ketokwasów jest źródłem czterech wiązań wysokoenergetycznych. Trzy tworzone są podczas utleniania poprzez łańcuch oddechowy powstałego NADH+H+. Czwarte, powstałe na poziomie substratu zmagazynowane jest w postaci ~S-CoA. Przy dekarboksylacji pirogronianu wiązanie to nie jest źródłem ATP, jest jednak wykorzystywane w procesach syntezy. Proces utleniającej dekarboksylacji pirogronianu jest nieodwracalny.

Glikoliza :

Glikoliza, schemat Embdena-Meyerhofa-Parnasa - ciąg reakcji biochemicznych, podczas których jedna cząsteczka glukozy zostaje przekształcona w dwie cząsteczki pirogronianu. Glikoliza zachodzi w pozamitochondrialnej, rozpuszczalnej frakcji komórkowej - cytoplazmie - wszystkich eukariotów i prokariotów

Sumaryczna reakcja glikolizy jest następująca:

glukoza + 2 P_i + 2 ADP + 2 NAD⁺ → 2 cząsteczki pirogronianu + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 H₂O

Rolą glikolizy jest:

• dostarczanie energii - w wyniku glikolizy powstają 2 cząsteczki ATP oraz substraty do cyklu kwasu cytrynowego i fosforylacji oksydacyjnej, gdzie wytwarzana jest większa ilość ATP.

• wytwarzanie intermediatów dla szlaków biosyntetycznych.

Etapy [edytuj]

etap 1

1. Fosforylacja glukozy i powstanie glukozo-6-fosforanu - nieodwracalna reakcja katalizowana przez heksokinazę lub bardziej specyficznie w wątrobie przez glukokinazę. Jako dawca fosforanu potrzebny jest do tej reakcji ATP, reagujący w formie kompleksu Mg-ATP, ze względu na jednoczesną konieczność dostarczenia jonów magnezu Mg⁺².

2. Przekształcenie glukozo-6-fosforanu we fruktozo-6-fosforan przy pomocy izomerazy glukozo-6-fosforanowej, z zastrzeżeniem, że przemianie tej ulega tylko anomer α glukozo-6-fosforanu.

3. Fosforylacja fruktozo-6-fosforanu przez ATP i przy pomocy enzymu fosfofruktokinazy I (PKF), powstaje fruktozo-1,6-bisfosforanu oraz ADP. Reakcja ta jest nieodwracalna w warunkach fizjologicznych.

4. Rozszczepienie przez aldolazę fruktozo-1,6-bisfosforanu na dwie fosfotriozy - aldehyd 3-fosfoglicerynowy oraz fosfodihydroksyaceton. Dziedziczny niedobór aldolazy w erytrocytach może wywoływać niedokrwistość hemolityczną.

5. Przekształcenie fosfodihydroksyacetonu w aldehyd 3-fosfoglicerynowy przez izomerazę triozofosforanową.

6. Przekształcenie aldehydu 3-fosfoglicerynowego w 1,3-bisfosfoglicerynian (1,3-BPG) z użyciem fosforanu nieorganicznego, NAD⁺ i enzymu dehydrogenazy aldehydu 3-fosfoglicerynowego. Jest to jednoczesna reakcja utleniania i fosforylacji, która może być zmodyfikowana w obecności arsenianu - reaguje on z nieorganicznym fosforanem i tworzy 1-arseno-3-fosfoglicerynian i - zamiast ATP - energię cieplną.

7. Przeniesienie grupy fosforanowej z 1,3-BPG do ADP i utworzenie ATP (fosforylacja substratowa) oraz 3-fosfoglicerynianu - reakcja katalizowana przez kinazę fosfoglicerynianową.

8. Przekształcenie 3-fosfoglicerynianu w 2-fosfoglicerynian przez fosfogliceromutazę. Prawdopodobnym produktem pośrednim tej reakcji jest 2,3-bisfosfoglicerynian (2,3-BPG).

9. Odwodnienie 2-fosfoglicerynianu i powstanie fosfoenolopirogronianu (PEP) - reakcja katalizowana przez enolazę. Aktywność enzymu zależy od obecności jonów magnezu lub manganu, hamowana jest w obecności fluorków.

10. Przeniesienie grupy fosforanowej z PEP na ADP i powstanie ATP oraz pirogronianu - reakcja katalizowana przez kinazę pirogronianową. Ze względu na znaczną utratę energii swobodnej w postaci ciepła, musi być traktowana jako reakcja fizjologicznie nieodwracalna. Dziedziczny niedobór kinazy pirogronianowej w erytrocytach może wywoływać niedokrwistość hemolityczną.

Glikoliza tlenowa

W warunkach tlenowych pirogronian, otrzymany w wyniku glikolizy pobierany jest przez mitochondria, w których po przekształceniu do acetylo-CoA (reakcja ta katalizowana jest przez wieloenzymatyczny kompleks dehydrogenazy pirogronianowej, do której działania niezbędna staje się difosfotiamina - pochodna witaminy B1), zostaje utleniony do dwutlenku węgla w cyklu Krebsa. Powstałe w glikolizie równoważniki redukujące są przenoszone zaś z NADH+H⁺ do wnętrza mitochondriów. Glikolizie tlenowej towarzyszy wytworzenie ok. 38 moli ATP.

Glikoliza beztlenowa

Jeśli przeważają warunki beztlenowe, uniemożliwiona staje się reoksydacja NADH w łańcuchu oddechowym przez przeniesienie równoważników redukujących na tlen. Pirogronian ulega redukcji przez NADH do mleczanu w reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę mleczanową. Reoksydacja NADH w reakcji powstawania mleczanu przez odtworzenie NAD potrzebnego w następnym cyklu reakcji umożliwia dalszy przebieg glikolizy w przypadku nieobecności tlenu.Przykładem komórek, które przeprowadzają wyłącznie glikolizę beztlenową są erytrocyty, ze względu na brak mitochondriów, niezbędnych do przeprowadzanie reakcji łańcucha oddechowego. Jednak w przypadku krwinek czerwonych glikoliza zachodzi z ominięciem reakcji katalizowanej przez kinazę fosfoglicerynianową. Dodatkowy enzym, jakim jest mutaza bisfosfoglicerynianowa katalizuje przekształcenie 1,3-BPG w 2,3-BPG, który ostatecznie ulega przemianie do 3-fosfoglicerynianu przy udziale fosfatazy 2,3-bisfosfoglicerynianowej.

Regulacja procesu glikolizy

Glikoliza regulowana jest na trzech etapach obejmujących reakcje nieodwracalne, tj. w miejscu działania heksokinazy (lub glukokinazy), fruktokinazy I oraz kinazy pirogronianowej.

1. Reakcja katalizowana przez heksokinazę nie jest właściwa tylko dla glikolizy, gdyż jest to wspólny etap dla wszystkich dróg metabolizmu węglowodanów, w których glukoza jest substratem (szlak pentozofosforanowy, synteza glikogenu). Regulacja tej reakcji polega na hamującym działaniu nadmiaru glukozo-6-fosforanu, powstającego w wyniku rozpadu glikogenu - sprawia to bowiem, iż reakcja staje się na daną chwilę zbędna.

2. Reakcja z użyciem fosfofruktokinazy I jest najważniejszym miejscem regulacji glikolizy. Enzym hamowany jest allosterycznie przez wzrost stężenia ATP (komórka otrzymuje sygnał o wystarczającym zapasie energii), cytrynianu (związany z dostarczaniem acetylo-CoA do cytozolu - stężenie cytrynianu jest sygnałem, iż prekursory syntezy kwasów tłuszczowych są obecne w dostatecznej ilości i nie ma potrzeby ich dalszej produkcji) i jonów wodorowych (przy obniżonej wartości pH komórka broni się przed nadmiernym gromadzeniem się kwasu mlekowego z glikolizy beztlenowej). Aktywowany zaś jest w obecności AMP.

3. Kinaza pirogronianowa kontroluje wypływ metabolitów glikolizy - regulacja indukowana przez fruktozo-1,6-bisfosforan (aktywujący enzym i tym samym przyśpieszająca proces glikolizy na tym etapie) oraz ATP oraz alaninę (hamujące enzym i spowalniające glikolizę)

Cykl kwasu cytrynowego

Cykl kwasu cytrynowego, cykl kwasów trikarboksylowych (TCA) lub cykl Krebsa - cykliczny szereg reakcji biochemicznych. Stanowi końcowy etap metabolizmu aerobów, czyli organizmów oddychających tlenem. Mechanizm cyklu zbadał w latach 30. XX wieku sir Hans Krebs. Cykl kwasu cytrynowego przebiega w macierzy (matrix) mitochondrialnej eukariontów i w cytoplazmie prokariontów. Substratem cyklu jest acetylokoenzym A (acetylo-CoA, czynny octan), który po połączeniu ze szczawiooctanem daje cytrynian (koenzym A odłącza się), a następnie w wyniku kolejnych reakcji izomeryzacji, dehydrogenacji, hydratacji, dehydratacji i dekarboksylacji zostaje utleniony do dwu cząsteczek dwutlenku węgla. Jednocześnie regeneruje się cząsteczka szczawiooctanu. W wyniku utleniania z jednej reszty octanu redukują się 3 cząsteczki NAD i jedna FAD, powstaje też cząsteczka guanozynotrifosforanu (GTP, równoważnik ATP), sumarycznie daje to 12 cząsteczek ATP zysku z jednej cząsteczki Acetylo-CoA.

Substraty

Głównym substratem cyklu kwasu cytrynowego jest acetylo-CoA (CoASAc). Może on pochodzić z różnych źródeł. Zwykle powstaje z pirogronianu (produktu glikolizy) w reakcji katalizowanej przez kompleks dehydrogenazy pirogronianowej w mitochondrium. Stanowi także produkt β-oksydacji kwasów tłuszczowych.Drugim substratem pierwszej reakcji cyklu jest szczawiooctan, odnawiany przez sam cykl, w razie niedoboru wytwarzany także dzięki reakcjom anaplerotycznym. Jego powstawanie z pirogronianu stymuluje sam acetylo-CoA, pobudzając karboksylazę pirogroniamową. Związek ten może powstać także na drodze transaminacji z odpowiedniego aminokwasu: kwasu asparaginowego.

Przebieg [edytuj]

Cykl kwasu cytrynowego

Synteza cytrynianu:

]

ΔG'°=-31.4 kJ/mol

W pierwszej reakcji cyklu acetylo-CoA łączy się ze szczawiooctanem w reakcji katalizowanej przez syntazę cytrynianową. W efekcie tworzy się cytrynylo-CoA, który rozpada się na wolny koenzym A (CoASH) i cytrynian. Należy zwrócić uwagę, że ten ostatni jest związkiem sześciowęglowym. Inhibitorami tego etapu są ATP (gdyż jego obecność świadczy o mniejszym zapotrzebowaniu energetycznym komórki) oraz acyli-CoA o długich łańcuchach alifatycznych (są to reszty kwasów tłuszczowych).

Izomeryzacja [edytuj]

ΔG'°=+6.3 kJ/mol

Cytrynian powstały w poprzedniej reakcji zazwyczaj nie jest przekazywany do środowiska wodnego macierzy mitochondrialnej, ale przechodzi od razu do kolejnego enzymu: akonitazy, czyli hydratazy akonitanowej. Zjawisko to zwane jest chanellingiem. Zwiększa to znacznie szybkość reakcji, bowiem enzym nie musi czekać, aż substrat się na niego "natknie", ale rozpoczyna katalizę swej reakcji natychmiast po zakończeniu poprzedniej. Poza tym dzięki temu dwie identyczne grupy -CH₂COO^- są rozróżniane przez enzym: reakcji zawsze będzie ulegała ta pochodząca od szczawiooctanu. Jeśli zaś akonitaza jest wysycona, cytrynian przechodzi do cytoplazmy, gdzie rozpada się do substratów, z których powstał. Dzięki temu nadmiar acetylo-CoA może zostać użyty do przebiegającej tam syntezy kwasów tłuszczowych. Akonitaza przeprowadza wpierw odłączenie cząsteczki wody od cytrynianu, tworząc wiązanie podwójne. Powstaje cis-akonitan. Metabolit ten przyłącza zaś ponownie cząsteczkę wody, ale tym razem grupą hydroksylową zostaje podstawiony 2., a nie 3. atom C. Powstałą sól hydroksykwasu nazywamy izocytrynianem .W probówce reakcja izomeryzacji przebiegałaby w odwrotną stronę, wobec czego in vivo zachodzić musi nieustanne dostarczanie substratu i usuwanie produktu, co wymusza prawidłowy przebieg.

Etap ten blokowany jest przez fluorocytrynian, który może być produktem syntazy cytrynianowej, jeśli zamiast reszty acetylowej do szczawiooctanu dołączy ona fluoroacetylową.

Pierwsze utlenienie [edytuj]

ΔG'°=-8.4 kJ/mol

Budowa dehydrogenazy izocytrynianowej u Escherichia coli^[3].

Izocytrynian zostaje utleniony przy użyciu NAD⁺ przez dehydrogenazę izocytrynianową. Grupa hydroksylowa zostaje przekształcona w karbonylową. W ten sposób powstaje szczawiobursztynian. Związek ten, będąc β-ketokwasem (licząc od "środkowej" grupy karboksylowej), ulega dekarboksylacji, zanim jeszcze odłączy się od enzymu. Produkty tej reakcji to dwutlenek węgla oraz α-ketoglutaran. W przeciwieństwie do poprzednich związek ten posiada 5 atomów C.

Oksydacyjna dekarboksylacja [edytuj]

ΔG'°=-30.1 kJ/mol

Α-ketoglutaran ulega oksydacyjnej dekarboksylacji analogicznej do podobnego procesu, w którym substratem jest pirogronian. Tym razem proces katalizuje kompleks dehydrogenazy α-ketoglutaranowej. Utlenianie i dekarboksylacja także przebiega analogicznie. Wymaga ona następujących kofaktorów:

• pirofosforan tiaminy, TPP (aktywna postać witaminy z grupy B), na który przeniesieniu ulega substrat, by odłączyć CO₂

• liponamid (amid kwasu liponowego) - przenosi z TPP zdekarboksylowaną resztę pochodzącą od ketoglutaranu, redukując się

• koenzym A - odbiera tą resztę liponamidowi, w wyniku czego powstaje bursztynylo-CoA, zwany także sukcynylo-CoA

• dinukleotyd flawinoadeninowy, FAD - utlenia zredukowany liponamid, przekształcając się w FADH₂

• dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy, NAD⁺ - utlenia z kolei zredukowany FADH₂, przechodząc w NADH

NADH wędruje oddać równoważniki redukcyjne na łańcuch oddechowy.Produkt, bursztynylo-CoA, posiada resztę posiadającą już tylko 4 węgle.

Fosforylacja substratowa [edytuj]

ΔG°′ = -3.3 kJ mol^-1

Bursztynylo-CoA, posiadając wiązanie wysokoenergetyczne, zostaje wykorzystany do przeprowadzenia fosforylacji substratowej przy użyciu fosforanu nieorganicznego. Katalizujący ten proces enzym nazywany jest syntetazą sukcynylo-CoA albo tiokinazą bursztynianową. W większości tkanek związkiem, na który przenosi się energia, jest ADP (adenozynodifosforan). Jednakże w komórkach przeprowadzających proces glukoneogenezy i w związku z tym potrzebujących GTP (wykorzystywanego przez karboksykinazę fosfoenolopirogronianową) występuje także drugi izoenzym - fosforylujący GDP. Wiąże się z tym pewien rodzaj regulacji glukoneogenezy. Mianowicie odnawianie puli glukozy ma sens tylko, kiedy ładunek energetyczny jest dość duży. Jeśli cykl Krebsa dostarczałby zbyt mało energii, produkowałby więc też mało GTP i ograniczałby glukoneogenezę.

W reakcji oprócz trójfosforanu puryny powstają wolny koenzym A i bursztynian. Ponieważ cząsteczka tego ostatniego jest symetryczna i oba jej końce nie różnią się między sobą, od tego momentu nie możemy już odróżnić, który atom węgla pochodził z wprowadzonej do cyklu reszty acetylowej, a który ze szczawiooctanu.

Utlenienie bursztynianu [edytuj]

ΔG'°=0 kJ/mol

Bursztynian ulega odwodornieniu katalizowanemu przez dehydrogenazę bursztynianową. Przenosi ona równoważniki redukcyjne z bursztynianiu na dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD), tworząc fumaran oraz FADH₂. Nadmienić należy, że w przeciwieństwie do innych enzymów cyklu Krebsa dehydrogenaza ta jest trwale związana z wewnętrzną błoną mitochondrium, stanowi bowiem 2. kompleks przenośników elektronów łańcucha oddechowego.

Przyłączenie cząsteczki wody [edytuj]

ΔG'°=-3.8 kJ/mol

Fumaran posiada wiązanie podwójne węgiel-węgiel w konfiguracji trans, do którego przyłącza się cząsteczka wody. Reakcję tą katalizuje fumaraza nazywana także hydratazą fumaranową. W rezultacie powstaje L-jabłczan. Ponieważ oba końce cząsteczki fumaranu są nieodróżnialne, grupa hydroksylowa jabłczanu może znajdować się zarówno przy atomie węgla pochodzącym ze szczawiooctanu, jak i przy dostarczonym przez acetylo-CoA.

Odtworzenie szczawiooctanu [edytuj]

ΔG'°=+29.7 kJ/mol

L-jabłczan ulega w ostatniej reakcji cyklu utlenieniu z odtworzenie szczawiooctanu, który może przyłączyć kolejną resztę acetylową. Proces ten katalizuje dehydrogenaza jabłczanowa, enzym przenoszący równoważniki redukcyjne na dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy NAD⁺, tworząc jego zredukowaną formę NADH.Pamiętać trzeba, że substrat dla tego specyficznego biokatalizatora może stanowić jedynie występujący w naturze izomer L jabłczanu. Otrzymany sztucznie enancjomer D nie jest rozpoznawany przez białko.

Biosynteza białka

Biosynteza białka - proces doprowadzający do wytworzenia w pełni funkcjonalnych cząsteczek białek. Proces zachodzi w większości komórek żywych, a także jest możliwy do przeprowadzenia in vitro.Informacja o sekwencji danego białka jest zapisana w genach. W trakcie procesów syntezy białka, informacja genetyczna, zakodowana w sekwencji nukleotydów kwasu nukleinowego, musi zostać odczytana i na jej podstawie syntezowany jest łańcuch aminokwasów o określonej kolejności. Sekwencja aminokwasów decyduje w głównej mierze o właściwościach białka.

Synteza białka jest procesem wieloetapowym, na który składają się w większości komórek:

1. transkrypcja - przepisanie informacji z DNA na RNA

2. translacja - odkodowanie informacji zawartej w RNA i na tej podstawie utworzenie łańcucha polipeptydowego

3. ukształtowanie struktury drugo- i trzeciorzędowej, czyli odpowiednie zwinięcie się łańcucha aminokwasów

4. potranslacyjna modyfikacja cząsteczki białkowej (etap nie zawsze obecny).

Transkrypcja [edytuj]

Geny mieszczą się w jądrze komórkowym. Są one zawarte w podwójnej nici kwasu DNA. Jeżeli jakieś białko lub RNA jest potrzebne w komórce, to odpowiedni fragment nici DNA ulega rozplątaniu na dwie oddzielne nici na niewielkim obszarze. Aby się rozplątać musi dość szybko wirować. Jak wiadomo - łańcuch jest helisą. Gdy fragment DNA rozplącze się na dwie nici, to enzym polimeraza RNA na bazie jednej z nici składa komplementarną nitkę RNA, której sekwencja nukleotydów odpowiada oryginalnemu DNA. Wygląda to tak, jakby powstający łańcuch RNA był negatywową kopią fragmentu łańcucha DNA. Helisa DNA zwija się z powrotem w niewielkiej odległości za przesuwającą się polimerazą. Po zakończeniu transkrypcji gotowy łańcuch RNA odłącza się od polimerazy, i może zostać przetransportowany w odpowiednie miejsce w komórce.

W uproszczeniu: proces transkrypcji polega na przepisaniu informacji genetycznej z kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) na kwas rybonukleinowy (RNA).

Translacja [edytuj]

Translacja - odbywa się w rybosomach. Rybosom składa się z białek i kwasu RNA, tzw. rRNA (rybosomalny RNA). Jest on mniej więcej w kształcie kuli z pokrywką na zawiasach. Po zamknięciu "pokrywy" pozostaje jednak prześwit, przez który może przesuwać się mRNA, zawierający informację o sekwencji aminokwasów w białku.

Następny rodzaj kwasu RNA, tzw. tRNA (transportowy, translacyjny) przenosi "na plecach" poszczególne rodzaje aminokwasów, w zależności od tego jaki kod zawiera na "stopce". Kod na "stopce" tRNA składa się z 3 nukleotydów. Fragment kwasu nukleinowego (RNA lub DNA), kodujący cząsteczkę aminokwasu nazywamy kodonem. W komórce musi być co najmniej tyle rodzajów tRNA z różnymi kodami, ile jest rodzajów aminokwasów wchodzących w skład białek. tRNA, którego "stopka" (tzw. antykodon) pasuje do kodu prezentowanego przez łańcuch mRNA na rybosomie, pozostawia swój aminokwas na tym rybosomie, łańcuch mRNA przesuwa się o trójkę, i następny tRNA, który się dopasuje, pozostawia z kolei swój aminokwas, który tworzy wiązanie z poprzednim aminokwasem, wydłużając stopniowo łańcuch peptydowy.

Jeżeli ten proces dojdzie do trójki kończącej (kod UGA, UAG lub UAA), to łańcuch peptydowy odrywa się od rybosomu i wchodzi do "woreczka" retikulum endoplazmatycznego, gdzie odbywają się następne fazy syntezy białek - modyfikacje posttranslacyjne.

Biosynteza białka, zachodzący w żywych komórkach organizmu proces powstawania białka uwarunkowany przez zapisaną w DNA (kwasy nukleinowe) informację genetyczną (gen).
Pierwszym jego etapem jest transkrypcja odpowiedniego odcinka DNA, która polega na syntezie RNA na matrycy określonego odcinka DNA przy udziale polimerazy RNA. RNA powstały w wyniku transkrypcji, zawierający informacje dla syntezy białek, zwany jest mRNA. Przenosi on transkrybowaną informację genetyczną z jądra do cytoplazmy. Tutaj dochodzi do modyfikacji mRNA, tzn. do wycinania, z udziałem odpowiednich enzymów, sekwencji niekodujących - intronów i pozostawiania sekwencji kodujących - egzonów. Tak zmodyfikowane i skrócone cząsteczki mRNA wnikają pomiędzy dwie podjednostki rybosomów, gdzie odbywa się właściwe odczytywanie kodu genetycznego i przepisywanie go na sekwencję aminokwasową białka w procesie zwanym translacją.

Znajdujące się w cytoplazmie aminokwasy są przenoszone na rybosomy za pomocą tRNA. Cząsteczki tRNA z doczepionymi aminokwasami przedostają się do rybosomów i kolejno dopasowują się, na zasadzie komplementarności, swoimi antykodonami do odpowiednich kodonów mRNA. Translacja zaczyna się od kodonu startowego, zapewniającego dalsze odczytywanie mRNA we właściwej kolejności - najczęściej jest to kodon AUG lub GUG, a kończy się kodonem symbolizującym ostatni aminokwas (u prokariontów są to kodony nonsensowne - nie oznaczające żadnego aminokwasu). Po zakończeniu syntezy cząsteczki białka wędrują przez przestrzenie pomiędzy błonami reticulum endoplazmatycznego do aparatu Golgiego albo wydzielane są na zewnątrz komórki, lub pozostają przez jakiś czas związane z błonami ziarnistego (szorstkiego) reticulum endoplazmatycznego i wykorzystywane jako białka wewnątrzkomórkowe. Energia potrzebna do syntezowania wiązań peptydowych pochodzi z wysokoenergetycznych wiązań ATP.
Biosynteza białka może zachodzić również w mitochondriach i plastydach roślinnych, w których występuje DNA.

W biologii molekularnej translacja (łac. translatio - tłumaczenie) to proces syntezy łańcucha polipeptydowego białek na matrycy mRNA. W jego wyniku dochodzi do ostatecznego przetłumaczenia informacji genetycznej zawartej pierwotnie w kodzie genetycznym DNA na konkretną strukturę białka, zależną od uszeregowania aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym.

Translacja jest drugim (po transkrypcji) procesem w biosyntezie białka. Powstawanie łańcucha polipeptydowego sterowane jest przez sekwencję mRNA. Translacja odbywa się w cytoplazmie lub na błonach szorstkiej siateczki wewnątrzplazmatycznej. Proces ten jest katalizowany przez rybosom obejmujący podjednostkami przesuwającą się nić mRNA. Rybosomy składają się z dwóch podjednostek, większej i mniejszej, które są zbudowane z białek i rRNA, a funkcję katalityczną pełnią enzymy (rybozymy) zawarte w dużej podjednostce rybosomu. Translacja na jednej cząsteczce mRNA może być prowadzona przez wiele rybosomów równocześnie. Taki kompleks mRNA związanego z wieloma rybosomami nazywa się polisomem lub polirybosomem.

Translacja składa się z czterech faz:

• aktywacji

• inicjacji

• elongacji

• terminacji

W aktywacji właściwy aminokwas jest dołączany do właściwego tRNA za pomocą wiązania estrowego, powstałego przez reakcję grupy karboksylowej aminokwasu i grupy OH przy końcu 3' tRNA. Taki zespół określa się mianem aminoacylo-tRNA. Inicjacja translacji ma miejsce, kiedy mała podjednostka rybosomu przyłącza się do końca 5' mRNA. Do małej podjednostki przyłącza się duża podjednostka rybosomu. Na podjednostce 50s uaktywniają się dwa miejsca: P - miejsce peptydowe i A - miejsce akceptorowe. Pierwszy aminoacylo-tRNA ustawia się w miejscu P. Elongacja ma miejsce, kiedy następny aminoacylo-tRNA przyłącza się do rybosomu w miejscu A. Następnie proces translacji zachodzi na zasadzie komplementarności kodonu mRNA z antykodonem na tRNA. Rybosom i tRNA są tak ukształtowane, aby dwa aminokwasy, przyłączone do tRNA zajmujące w rybosomie miejsca A i P znajdowały się blisko siebie. Dzięki temu zachodzi reakcja między resztą aminową i karboksylową - dwa aminokwasy łączą się. Ten proces - tworzenie wiązań peptydowych jest katalizowany przez peptydylotransferazę - rybozym (rRNA) wchodzący w skład rybosomu. Po syntezie, tRNA szybko zwalnia miejsce P i wraca do cytoplazmy, z kolei aminoacylo-tRNA ulega przesunięciu z miejsca A na miejsce P. Proces ten nazywamy translokacją. Jednocześnie przesuwa się także mRNA. Wielkość tego przesunięcia wynosi zawsze trzy nukleotydy. Na miejsce A nasuwa się nowy tRNA zawierający antykodon odpowiadający kolejnemu kodonowi na mRNA. Proces elongacji powtarza się aż do napotkania przez podjednostkę mniejszą rybosomu w miejscu A kodonu stop (UAA, UAG lub UGA). Tych trójek kodonowych, w normalnych warunkach, nie koduje żaden tRNA. W tym momencie następuje terminacja translacji. Łańcuch polipeptydowy zostaje uwolniony do cytoplazmy, tRNA zostaje oddzielone od mRNA, a rybosom rozpada się na podjednostki, które mogą zostać ponownie wykorzystane do inicjacji translacji kolejnego mRNA.

Translacja u Prokariota

U organizmów prokariotycznych inicjacja translacji wymaga małej i dużej podjednostki rybosomu, czynników inicjacji translacji, GTP jako źródła energii, oraz inicjatorowego aminoacylo-tRNA (ze związanym aminokwasem formylometioniną). Mała podjednostka rybosomu wiąże się z czynnikiem inicjacji translacji IF3. 16S rRNA z małej podjednostki rybosomu 30S rozpoznaje i wiąże komplementarną sekwencję Shine-Dalgarno w mRNA. Czynnik inicjacji translacji IF2 wiąże się z fMet-tRNA i pomaga mu związać się z małą podjednostką rybosomu. W rybosomie są trzy miejsca, w których może znajdować się tRNA: miejsce A, przez które wchodzi aminoacylo-tRNA (z wyjątkiem pierwszego aminoacylo-tRNA - fMet-tRNA, które wchodzi przez miejsce P), miejsce P, gdzie tworzy się peptydylo-tRNA, oraz miejsce E, przez które tRNA opuszcza rybosom po oddaniu aminokwasu. Aminoacylo-tRNA (fMet-tRNA) znajdujące się w miejscu P rybosomu rozpoznaje kodon inicjujący AUG. Inicjacja kończy się przyłączeniem dużej podjednostki rybosomu i uwolnieniem czynników inicjacji translacji.

Po wejściu fMet-tRNA do miejsca P miejsce A otwiera się i umożliwia związanie się kolejnego aminoacylo-tRNA. W tym wiązaniu bierze udział czynnik elongacji translacji EF-Tu. W ten sposób rozpoczyna się elongacja. Rosnący polipeptyd odłącza się od tRNA w miejscu P, a między ostatnim aminokwasem a aminokwasem przyłączonym do tRNA w miejscu A tworzy się wiązanie peptydowe. Reakcja ta jest katalizowana przez rybozym peptydylotransferazę - 23S rRNA w podjednostce 50S rybosomu. Rybosom przesuwa się o trzy nukleotydy na nici mRNA, z którą są związane tRNA. Dzięki temu polipeptyd przesuwa się z miejsca A do miejsca P, a nienaładowane tRNA trafia do miejsca E. Powstające białko wysuwa się z rybosomu przez otwór w dużej podjednostce. Elongacja trwa, dopóki rybosom nie natrafi na jeden z kodonów STOP w mRNA.

Kiedy kodon STOP znajdzie się w miejscu A rybosomu, następuje terminacja translacji. Kodony STOP nie są rozpoznawane przez żadne tRNA, tylko przez czynniki uwalniające, które są odpowiedzialne za hydrolizę wiązania estrowego peptydylo—tRNA i uwolnienie nowo powstałego białka z rybosomu. U Prokaryota za proces terminacji translacji odpowiedzialne są dwa czynniki — RF1 i RF2. Czynnik RF1 rozpoznaje kodony UAA i UAG, a RF2 rozpoznaje kodony UAA i UGA^[1].

Po terminacji mRNA i tRNA są uwalniane z rybosomu, a on sam dysocjuje na podjednostki, które mogą zostać ponownie wykorzystane do inicjacji translacji kolejnego mRNA.

Translacja u Eukariota [edytuj]

U organizmów eukariotycznych inicjacja translacji może przebiegać na dwa sposoby.

Pierwszy z nich to inicjacja zależna od czapeczki. Złożony z czynników inicjacji translacji eIF4E, eIF4G i eIF4A kompleks eIF4F wiąże się z czapeczką i z białkiem PABP wiążącym ogon poli-A. Mała podjednostka rybosomu 40S wiąże eIF1, eIF3, eIF5 i kompleks eIF2-GTP-Met-tRNAi. Następnie eIF3 wchodzi w interakcje z eIF4G związanym z czapeczką. Taki kompleks inicjacyjny zaczyna przesuwać się wzdłuż cząsteczki mRNA w kierunku od 5' do 3', aż natrafi na kodon start AUG. Wtedy następuje uwolnienie niektórych czynników i związanie się dużej podjednostki rybosomu 60S z małą. Powstaje funkcjonalny rybosom i rozpoczyna się elongacja.

Inicjacja niezależna od czapeczki u eukariotów nie wymaga wędrówki rybosomu od czapeczki do kodonu start. Czynniki ITAF umożliwiają małej podjednostce rybosomu 40S związanie się z sekwencją IRES (ang. internal ribosome entry site - wewnętrzne miejsce wiązania rybosomu). Sekwencje IRES występują m.in. w genach ulegających ekspresji pod wpływem czynników stresowych. Można je znaleźć także u wirusów.

Kwasy tłuszczowe - kwasy monokarboksylowe o wzorze ogólnym R-COOH (gdzie R - łańcuch węglowodorowy), występujące naturalnie jako składniki tłuszczów. Łańcuch węglowodorowy naturalnych kwasów tłuszczowych jest zazwyczaj prosty (nierozgałęziony) i może zawierać kilka wiązań podwójnych (o konfiguracji Z). Naturalne kwasy tłuszczowe zbudowane są z parzystej liczby atomów węgla, a ich liczba wynosi najczęściej 12-20^[1]. Pojęcie kwasów tłuszczowych bywa rozszerzane na wszystkie alifatyczne niecykliczne kwasy karboksylowe^[2]. Od niższych kwasów karboksylowych różnią się głównie tym, że z powodu przewagi części hydrofobowej nad hydrofilową są nierozpuszczalne w wodzie i mają neutralne pH. Kwasy tłuszczowe często oznacza się w notacji n:m, gdzie n to liczba atomów węgla w cząsteczce (wliczając w to atom zawarty w grupie karboksylowej), zaś m to liczba wiązań podwójnych między nimi.

Kwasy tłuszczowe pełnią istotną rolę biologiczną. W wyniku procesu β-oksydacji Knoopa są rozkładane do reszt acetylowych związanych tioestrowo z koenzymem A. Powstały acetylokoenzym A ulega w cyklu Krebsa rozkładowi z utlenieniem do CO₂ i wydzieleniem atomów wodoru, które są następnie utleniane do wody w łańcuchu oddechowym. Kwasy tłuszczowe są ważnym zapasowym materiałem energetycznym, przechowywanym w postaci trójglicerydów w tkance tłuszczowej. W wyniku utleniania kwasów tłuszczowych powstaje energia potrzebna do procesów życiowych.

Kwasy tłuszczowe dzielą się na nasycone i nienasycone.

Kwasy nasycone [edytuj]

Nasycone kwasy tłuszczowe to kwasy tłuszczowe nie zawierające podwójnych wiązań w cząsteczce. W warunkach normalnych są zwykle białymi ciałami stałymi. Kwasy zawierające w łańcuchu więcej niż 10 atomów węgla są nierozpuszczalne w wodzie i są nielotne. Przykładowe nasycone kwasy tłuszczowe to:

Kwasy nienasycone [edytuj]

Nienasycone kwasy tłuszczowe są to kwasy tłuszczowe zawierające wiązania podwójne. Są one z reguły bezbarwnymi cieczami. W większości z nich wszystkie wiązania podwójne są w pozycji cis, a po każdym wiązaniu podwójnym następuje 3n (gdzie n = 1, 2, 3...) atomów węgla. W przypadku nienasyconych kwasów tłuszczowych nie wystarcza notacja n:m. Należy też wskazać położenie wiązań podwójnych, co można zrobić na dwa sposoby:

• używając notacji Delta-k,l,m... lub Δ^k,l,m..., gdzie k,l,m... oznaczają położenie wiązania podwójnego licząc od grupy karboksylowej (np. zapis Δ^9,12 oznacza, że wiązania podwójne znajdują się przy 9 i 12 atomie węgla) albo

• używając notacji Omega-n lub Ω^-n, gdzie n oznacza położenie ostatniego wiązania podwójnego licząc od końca łańcucha węglowego (np. Ω^-3 oznacza, że ostatnie wiązanie podwójne znajduje się przy trzecim od końca atomie węgla).

Wśród nienasyconych kwasów tłuszczowych wyróżnia się grupę wielonienasyconych kwasów tłuszczowych, które, jak sama nazwa wskazuje, zawierają więcej niż jedno wiązanie podwójne. Są one niezbędnym elementem diety człowieka (stanowią grupę tzw. witamin F, inaczej egzogenne lub niezbędne kwasy tłuszczowe), gdyż są nam potrzebne do tworzenia ważnych związków (np. prostaglandyn), a nie są syntezowane przez nasze organizmy (mogą je syntezować jedynie rośliny).

Izomery cis kwasów tłuszczowych występują w naturze, natomiast izomery trans powstają w wyniku przemysłowej przeróbki tłuszczów. Stwierdzono, że tłuszcze zawierające postać trans kwasów tłuszczowych są szkodliwe dla zdrowia doprowadzając do miażdżycy tętnic i z tego względu należy ograniczyć ich spożycie.

Ważniejsze nienasycone kwasy tłuszczowe to:

• kwasy jednonienasycone (monoenowe), zawierające jedno wiązanie podwójne:

• kwas oleopalmitynowy 16C (zawierający 16 atomów węgla w cząsteczce)

• kwas oleinowy 18C

• kwas erukowy 22C

• kwas nerwonowy 24C

• kwasy dwunienasycone (dienowe), zawierające 2 wiązania podwójne:

• kwas linolowy 18C

• kwasy trójnienasycone (trienowe), zawierające 3 wiązania podwójne:

• kwas α-linolenowy 18C

• kwas γ-linolenowy 18C

• kwasy czteronienasycone (tetraenowe), zawierające 4 wiązania podwójne:

• kwas arachidonowy 20C

Beta-oksydacja

β-oksydacja - szereg reakcji przekształcenia kwasów tłuszczowych w acetylokoenzym A (acetylo-CoA) w przypadku kwasów tłuszczowych o parzystej liczbie węgli oraz acetylo-CoA i propionylo-CoA, gdy liczba atomów węgla jest nieparzysta.

Przebieg [edytuj]

Proces β-oksydacja zachodzi w matrix mitochondrium u eukariotów i w cytozolu u prokariotów. Transport przez błonę wewnętrzną mitochondrium poprzedzony jest aktywacją kwasu tłuszczowego, polegającą na utworzeniu przez niego wiązania tioestrowego z CoA i powstaniem acylo-CoA. Transport cząsteczek acylo-CoA zawierających łańcuchy mające do 10 atomów węgla zachodzi bezpośrednio przez błonę mitochondrialną. Cząsteczki o dłuższych łańcuchach przechodzą przez wewnętrzną błonę mitochondrium po sprzężeniu z cząsteczką karnityny. Bierze w tym udział acylotransferaza karnitynowa I znajdująca się na zewnętrznej powierzchni wewnętrznej błony oraz acylotransferaza karnitynowa II umiejscowiona na wewnętrznej powierzchni błony (od strony matriks).

Reakcje β-oksydacji polegają na takich przemianach by rozczepić "dłuższy" acylo-CoA na acetylo-CoA i acylo-CoA "krótszy", po czym rozpocząć proces od początku, aż do momentu gdy powstają dwie cząteczki acetylo-CoA w przypadku kwasów tłuszczowych o parzystej liczbie węgli lub propionylo-CoA i acetylo-CoA w przypadku kwasów o nieparzystej liczbie węgli. β-oksydacja obejmuje następujące reakcje, zachodzące cyklicznie:

1. Utlenienie (przy pomocy dehydrogenazy acylo-CoA) acylo-CoA do trans-Δ²-enoilo-CoA z wytworzeniem FADH₂.

2. Uwodnienie trans-Δ²-enoilo-CoA do 3-hydroksyacylo-CoA przy pomocy enzymu hydrataza enoilo-CoA.

3. Utlenienie 3-hydroksyacylo-CoA do 3-ketoacylo-CoA przy pomocy dehydrogenazy hydroksyacylo-CoA i z wytworzeniem NADH.

4. Tioliza 3-ketoacylo-CoA przez drugą cząsteczkę CoA i wytworzenie acylo-CoA skróconego o dwa atomy węgla oraz acetylo-CoA. Katalizatorem w tej reakcji jest β-ketotiolaza. Cząsteczka acylo-CoA następnie ponownie ulega reakcjom 1-4.

Jeśli kwas tłuszczowy miał parzystą liczbę atomów węgla, to pod koniec ostatniego cyklu acylo-CoA ma 4 atomy węgla i jest rozszczepiany na 2 cząsteczki acetylo-CoA. W przypadku kwasów o nieparzystej liczbie węgla, acylo-CoA zawiera 5 atomów węgla i rozszczepia się na trzywęglowy propionylo-CoA oraz dwuwęglowy acetylo-CoA.

U roślin powstały acetylo-CoA wchodzi w cykl glioksalowy, w wyniku którego zostaje przekształcony w szczawiooctan.

β-oksydacja nienasyconych kwasów tłuszczowych [edytuj]

β-oksydacja nienasyconych kwasów tłuszczowych angażuje dodatkowe enzymy, nieuczestniczące w β-oksydacji nasyconych kwasów tłuszczowych. Jeśli kwas tłuszczowy posiada wiązania podwójne przy nieparzystych atomach węgla, β-oksydacja zachodzi tak samo, jak w przypadku kwasów nasyconych do momentu pojawienia się w trzecim cyklu cis-Δ³-enoilo-CoA. Związek ten zostaje wtedy przekształcony przy udziale izomerazy w trans-Δ²-enoilo-CoA, który ulega dalszym reakcjom. W przypadku kwasów wielonienasyconych, mających wiązania podwójne przy parzystych atomach węgla, na jednym z etapów β-oksydacji powstaje 2,4-dienoilowy związek pośredni, który jest przekształcany przez reduktazę 2,4-dienoilo-CoA w cis-Δ³-enoilo-CoA, który następnie zostaje przekształcony przez izomerazę w formę trans.

Znaczenie

β-oksydacja jest procesem dostarczającym:

• równoważników redukcyjnych (po cząsteczce FADH₂ i NADH na każdy "obrót cyklu") służących w łańcuchu oddechowym wytworzeniu ATP,

• acetylo-CoA do cyklu Krebsa służącemu wytworzeniu ATP,

• w wątrobie substratów do syntezy ciał ketonowych, zwłaszcza w przypadku zaburzeń (cukrzyca) gospodarki cukrami (szczawiooctan, metabolit pośredni cyklu Krebsa, powstaje z jednego z intermediantów glikolizy).

Łańcuch oddechowy

Łańcuch oddechowy inaczej łańcuch transportu elektronów - zespół związków chemicznych uszeregowanych według wzrastających potencjałów oksydoredukcyjnych (jeden z etapów oddychania komórkowego).

Wprowadzenie

Funkcją transportu elektronów i fosforylacji oksydacyjnej jest utlenianie NADH i FADH₂ oraz zatrzymywanie uwolnionej energii w cząsteczce ATP. U eukariotów transport elektronów i fosforylacja oksydacyjna zachodzą w wewnętrznej błonie mitochondrialnej, u prokariotów zaś procesy te przebiegają w błonie komórkowej.

Transport elektronów z NADH

Elektrony są transportowane z NADH do atomów tlenu przez łańcuch transportu elektronów. NADH przenosi elektrony do dehydrogenazy NADH, dużego kompleksu białkowego zawierającego FMN i dwa typy centrów żelazowo-siarkowych (Fe-S) umieszczonych w białkach żelazowo-siarkowych. FMN przyjmuje elektrony przechodząc w FMNH2 i przekazuje je dalej do centrum Fe-S, gdzie atom żelaza odbiera i oddaje elektrony oscylując między stanem Fe³⁺ a stanem Fe²⁺.Z dehydrogenazy NADH elektrony są przenoszone do ubichinonu (koenzym Q, CoQ), przekształcają go w ubichinol (czyli CoQH2) i przechodzą dalej do kompleksu III cytochromów bc1. Ten ostatni obejmuje cytochrom b i cytochrom c1, a także białko Fe-S.Każdy cytochrom zawiera grupę hemową z umieszczonym w centrum atomem żelaza, który w trakcie przyjmowania elektronu przechodzi ze stanu Fe³⁺ do stanu Fe²⁺. Po oddaniu elektronu do następnego przenośnika atom żelaza powraca do stanu Fe³⁺. Kompleks cytochromów bc1 przenosi elektrony do cytochromu c, który z kolei przekazuje je do oksydazy cytochromowej, kompleksu IV zawierającego dwa cytochromy (cytochrom a i cytochrom a3), związane z dwoma atomami miedzi (odpowiednio Cu A i Cu B). Podczas przenoszenia elektronów atomy miedzi oscylują między stanem Cu²⁺ a stanem Cu⁺.

W końcu oksydaza cytochromowa przenosi 4 elektrony do tlenu cząsteczkowego, z utworzeniem dwóch cząsteczek wody. Uwolniona w wyniku tych procesów energia i atomy wodoru uczestniczą w chemiosmozie

Mitochondrium

Mitochondrium (w liczbie mnogiej mitochondria; dawniej chondriosom^[1]) - organellum komórki eukariotycznej pochodzenia endosymbiotycznego, w którym zachodzą procesy będące głównym źródłem energii (w postaci ATP) dla komórki, w szczególności proces fosforylacji oksydacyjnej, zachodzący w błonie wewnętrznej mitochondriów.

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 kilkuset do kilku tysięcy mitochondriów. W komórkach ameby Chaos chaos L. stwierdzono 500.000 mitochondriów^[2]. Przyrost ich liczby jest możliwy dzięki zdolności tego organellum do podziału przebiegającego podobnie jak podział wolno żyjących bakterii.

Budowa

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 6000 daltonów. 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.Enzymem markerowym (markerem) błony zewnętrznej jest oksydaza monoaminowa (MAO). Enzymem markerowym (markerem) przestrzeni międzybłonowej jest kinaza adenilanowa.

Błona wewnętrzna 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 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 mitochondrialny 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.

Funkcje mitochondriów [edytuj]

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.

migracji zaludniał Ziemię. Pokazują jednak historię zaledwie jednego fragmentu naszego genomu.

Budowa mitochondriów

Mitochondria to organella o kształcie zwykle owalnym, mogą też być kuliste lub nieregularne. Ich wnętrze wypełnia macierz mitochondrialna (matriks). Otoczka mitochondriów jest dwuwarstwowa. Zewnętrzna błona jest gładka i łatwo przepuszcza wiele substancji na zasadzie transportu biernego. Błona wewnętrzna stanowi barierę, przepuszczającą jedynie wybrane związki. Pomiędzy błoną zewnętrzną a wewnętrzną znajduje się przestrzeń międzybłonowa. Błona wewnętrzna tworzy uwypuklenia, tworzące w matriks mitochondrialnej tzw. grzebienie. Na tych grzebieniach znajdują się buławkowate wypukłości.

Funkcja mitochondriów

Mitochondria to organella silnie wyspecjalizowane. Stanowią miejsca produkcji energii dla komórki i są przystosowaniem do przemian oddechowych z udziałem tlenu. Energia wytwarzana w mitochondriach magazynowana jest w postaci wysokoenergetycznych wiązań w związku zwanym ATP. Podstawą procesów zachodzących w mitochondrium jest pirogronian, powstający w wyniku beztlenowego rozkładu glikolizy w cytoplazmie komórki i dostający się do matriks mitochondrialnej. Tutaj ulega przekształceniu do acetylokoenzymu A przy udziale obecnych w matriks enzymów. Następnie acetylokoenzym A ulega utlenianiu w cyklu przemian zwanym cyklem Krebsa, w wyniku czego wydziela się dwutlenek węgla oraz powstaje zredukowana forma dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego - NADH. Na grzebieniach mitochondrialnych następuje szereg reakcji utleniających NADH, co wiąże się z oddawaniem elektronów i protonów. Cząstki te są przenoszone na cząsteczkowy tlen, w wyniku czego powstaje cząsteczka wody. Przenoszenie elektronów i protonów z NADH na tlen nosi nazwę łańcucha oddechowego. Biorą w nim udział specyficzne enzymy, zlokalizowane na błonach mitochondrium. Reakcje łańcucha oddechowego napędzają pracę syntaz ATP. Są to enzymy znajdujące się w buławkowatych wypukłościach błony wewnętrznej. Funkcją syntaz ATP jest produkcja wysokoenergetycznych wiązań w ATP.

Pochodzenie mitochondriów - teoria endosymbiozy

Mitochondria występują jedynie w komórkach eukariotycznych. Budową jednak bardzo przypominają organizmy prokariotyczne - posiadają własny materiał genetyczny w postaci podwójnej nici DNA, koliście zwiniętej w matriks, zawierają również rybosomy typu 70S. Oprócz DNA w matriks występują też enzymy potrzebne do jego replikacji oraz syntezy białek. Dzięki temu mitochondria są organellami półautonomicznymi - posiadają wprawdzie cały aparat niezbędny do produkcji własnych białek, ale większość z nich powstaje w cytoplazmie komórki na matrycy genów jądrowych. Podobieństwa do budowy prokariotycznej przyczyniły się do powstania teorii o pochodzeniu tych organelli. Uważa się mianowicie, że jakiś czas temu pewne prokariotyczne komórki, oddychające tlenowo, wniknęły do komórek eukariotycznych i żyły w nich na zasadzie symbiozy. W toku ewolucji związek ten uległ tak silnej specjalizacji, że endosymbiont przekształcił się w półautonomiczne organellum, będące integralnym składnikiem komórki eukariotycznej. Zgodnie z ta teorią wewnętrzna błona mitochondrium byłaby pierwotną błoną endosymbionta, a błona zewnętrzna - błoną eukarionta, porwaną podczas wnikania symbionta do komórki.

ODDYCHANIE KOMÓRKOWE Potencjał oksydoredukcyjny łańcucha oddechowego Proces utleniania jest zawsze sprzężony z procesem redukcji i odwrotnie, z tego względu tego typu reakcje są nazywane reakcjami oksydacyjno-redukcyjnymi. Zredukowana forma donatora elektronów po ich oddaniu staje się postacią utlenioną. Następuje redukcja akceptora, który przyjął elektrony. Elektrony nie mogą występować w środowisku reakcji w postaci wolnej, zatem zawsze dochodzi do ich wymiany między formą zredukowaną a formą utlenioną. Obydwie formy tworzą razem układ oksydacyjno-redukcyjny. Jeśli w środowisku znajduje się więcej niż jeden układ oksydacyjno-redukcyjny, to będzie przebiegała między nimi reakcja oksydacyjno-redukcyjna aż do osiągnięcia równowagi chemicznej. Kierunek przepływu elektronów z jednego układu do innego będzie zależał od wartości potencjału oksydoredukcyjnego tych układów. Aby można było porównywać z sobą wartości potencjału oksydoredukcyjnego różnych układów, dokonuje się ich pomiarów wobec elektrody wodorowej. Potencjał elektrody wodorowej przy pH = 0 określa się jako wzorcowy (Eo) i przyjmuje, że wynosi on 0,0 mV. Dla pomiaru potencjału układów biologicznych stosuje się pH = 7,0, przy którym potencjał elektrody wodorowej (E^'o) wynosi -420 mV. Przepływ elektronów między układami odbywa się w kierunku od niższego do wyższego potencjału oksydoredukcyjnego i jest związany z wydzielaniem energii. Jego związek z entalpią swobodną obrazuje następujące równanie: ΔG=n·F·ΔE^'o gdzie: ΔG oznacza zmianę entalpii swobodnej, n-liczbę przenoszonych elektronów, F - stała Faradaya, a ΔE^'o - różnicę potencjałów oksydoredukcyjnych między dwoma układami. Każdy układ oksydacyjno-redukcyjny, który redukuje wodór, ma potencjał oksydoredukcyjny ujemny, natomiast każdy układ utleniający wodór ma potencjał dodatni. Potencjał^ elektrody wodorowej wynosi -420 mV, a elektrody tlenowej -+810 mV. Różnica potencjałów między nimi wynosi zatem 1230 mV. Proces utleniania komórkowego nie rozpoczyna się od wodoru cząsteczkowego, lecz od zredukowanych nukleotydów, których potencjał jest mniejszy od potencjału elektrody wodorowej. Wartości Eo dla różnych układów oksydacyjno-redukcyjnych łańcucha oddechowego przedstawiają się następująco:   układy oksydacyjno-redukcyjne wartości E  w mV NADP+/NADPH - 324 NAD+/NADH -320 FAD/FADH2 -210 FMN/FMNH2 -185 cytochrom b utl./red. +70 ubichinon Q/QH2 +100 cytochrom C1 utl./red +220 cytochrom c utl./red. +254 cytochrom a+a3 utl./red.  0/0^-- +280 +810

Przenoszenie elektronów w łańcuchu oddechowym zachodzi niezwykle szybko dzięki działaniu enzymów. W miarę przenoszenia elektronów w kierunku tlenu potencjał oksydoredukcyjny staje się dodatni i wzrasta

Przekształcanie energii w mitochondriach STUDIA PODYPLOMOWE Chemia z elementami informatyki w liceum 1. MITOCHONDRIA -TRANSFORMATORY ENERGII Podstawowym materiałem energetycznym komórki są białka , tłuszcze i węglowodany.Pozyskanie energii w takiej formie aby mogła być wykorzystana do wszystkich procesów życiowych , a więc energii łatwo dostępnej, nie odbywa się w sposób bezpośredni , ale na drodze skomplikowanych , kolejno po sobie następujących reakcji. Utlenianie biologiczne , obejmuje szereg procesów enzymatycznych , w wyniku których cząsteczki węglowodanów , kwasów tłuszczowych i aminokwasów zostają ostatecznie rozłożone do dwutlenku węgla i wody.Wyzwalająca się w tych procesach energia zostaje natomiast zachowana i zmagazynowana w postaci biologicznie użytecznej. Liczne enzymy katalizujące reakcje utleniania i redukcji są zlokalizowane w mitochondriach . Często można spotkać się z twierdzeniem, że mitochondria są generatorami energii. W rzeczywistości mitochondria nie produkują energii ,lecz ją transformują. Energia promieniowania słonecznego została przekształcona przez komórki roślin zielonych w procesie fotosyntezy w energie chemiczną. Kinetyczna energia promieniowania słonecznego została więc transformowana w energię potencjalną wiązań chemicznych, łączących atomy cząsteczek węglowodanów. Mitochondria są więc transformatorami energii. 2. BUDOWA MITOCHONDRIÓW. Mitochondria otoczone są dwiema błonami i wykazują charakterystyczną strukturę wewnętrzna w formie grzebieni lub tubul, które powstają w wyniku sfałdowania do środka wewnętrznych błon mitochondriów.Przestrzeń zamknięta błoną wewnętrzną określa się jako matriks ( matrixmitochondrialis). Przestrzeń między dwiema błonami i wewnątrz grzebieni - jako matriks zewnętrzną. W wewnętrznej błonie mitochondrialnej , wewnątrz błony lub bezpośrednio na jej powierzchni , przebiegają ważne reakcje energetyczne : tworzenie się ATP przy udziale czynników pochodzących z cząstek elementarnych oraz transport elektronów na tlen . 3. CYKL KWASU CYTRYNOWEGO powstanie cytrynianu Cykl kwasu cytrynowego jest końcowym, wspólnym szlakiem utleniania cząsteczek materiału energetycznego - aminokwasów, kwasów tłuszczowych i węglowodanów. Pomostem łączącym glikolizę z cyklem kwasu cytrynowego jest zachodząca w matrixmitochondriów oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu. Pirogronian + CoA +NAD+acetylo-CoA+ CO2+ NADH To nieodwracalne przekazanie produktu glikolizy do cyklu kwasu cytrynowego jest katalizowane przez kompleks enzymatyczny o skomplikowanej budowie - dehydrogenaza pirogronianowa. Cykl kwasu cytrynowego zaczyna się od kondensacji związku czterowęglowego , szczawiooctanu z dwuwęglowym fragmentem acetylowym , acetylo-CoA. Szczawiooctan reaguje z acetylo-CoA i H2O,tworząc cytrynian i CoA. szczawiooctan acetylo-CoA cytrynian Reakcja ta przebiega w dwóch etapach: Kondensacji aldolowej Hydrolizy Jest katalizowana przez syntetazę cytrynianową . Cytrynian jest izomeryzowany do izocytrynianu Izomeryzacja cytrynianu przebiega w dwóch etapach: Odwodnienia Uwodnienia Rezultatem tych reakcji jest zmiana położenia grup H i OH. Enzym katalizujący te dwa etapy nazywa się hydratazą akonitanową . Izocytrynian jest utleniany i dekarboksylowany do alfa-ketoglutaranu. Oksydacyjna dekarboksylację izocytrynianiu katalizuje - dehydrogenaza izocytrynianowa. Izocytrynian +NAD+ ketaglutaran+ CO2+NADH Oksydacyjna dekarboksylacja alfa- ketaglutaranu prowadzi dobursztynylokoenzymu A -ketoglutaran+NAD++CoA bursztynylo-CoA+CO2 + NADH Reakcję tę katalizuje kompleks dehydrogenazy alfa - ketaglutaranowej. Kosztem bursztynylokoenzymu A powstaje jedno wysokoenergetyczne wiązanie fosforanowe. Bursztynylo -CoA + Pi+GDPbursztynian+GTP+ CoA Tareakcja syntetyzowana jest przez syntetazę bursztynylo-CoA. Grupa fosforanowa z guazynotrójfosforanu jest łatwo przenoszona na adenozyno-5- dwufosforan, tworząc ATP. GTP+ADPGDP+ATP Reakcje tę katalizuje enzym - dwufosfokinaza nukleozydów. Regeneracja szczawiooctanu przez utlenianie bursztynianu W trzech reakcjach ( utlenienia ,uwodnienia , utlenienia ) bursztynian przekształcany jest w szczawiooctan.w ten sposób regeneruje się szczawiooctan potrzebny do następnego obrotu cyklu. Utlenianie bursztynianu dofumaranu.( enzym - dehydrogenaza bursztynianowa) Uwodnienie fumaranu itworzenie L-jabłczanu ( enzym- hydrataza fumaranowa) Utlenianie jabłczanu doszczawiooctanu ( enzym - dehydrogenaza jabłczanowa) W czasie tych reakcji energia magazynowana jest w formie FADH2 i NADH. Podczas czterech reakcji oksydoredukcyjnych zachodzących w cyklu, przekazywane są trzy pary elektronów na NAD+ i jedna na FAD. Utlenienie tych zredukowanych przenośników elektronów przez łańcuch oddechowy dostarcza 11 cząsteczek ATP. Dodatkowo,bezpośrednio w cyklu tworzy się wysokoeneretyczne wiązanie fosforanowe . W ten sposób podczas utleniania każdego fragmentu dwuwęglowego do CO2 i H2O , w cyklu Krebsa powstaje 12wysokoenergetycznych wiązań fosforanowych. Cykl kwasu cytrynowegodziala wyłącznie w warunkach tlenowych, ponieważ wymaga stałego dopływu NAD+i FAD. Przenośniki energii są regenerowane , gdy NADH i FADH2 przekazują elektrony na cząsteczkę tlenu za pośrednictwem łańcucha oddechowego, przy jednoczesnej produkcji ATP. 1. FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA Utworzone podczas glikolizy, utlenienia kwasów tłuszczowych oraz cyklu kwasu cytrynowego NADH i FADH2 są cząsteczkami bogatymi energetycznie , ponieważ zawierają pary elektronów o dużym potencjale przenoszenia . Podczas ich przenoszenia na cząsteczkę tlenu wydziela się znaczna ilość energii. Energia tajest wykorzystywana do syntezy ATP . Proces syntezy ATP , zachodzący w miarę przepływu elektronów z NADH lub FADH2na O2 przez zespół przenośników elektronów nosi nazwę -fosforylacja oksydacyjna . Jest ona głównym źródłem ATP. Fosforylacja zachodzi wzespołach oddechowych , zlokalizowanych w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Utlenienie jednej cząsteczki NADP dostarcza 3 cząsteczek ATP. Utlenienie FADH2 dostarcza 2 ATP Zespół oddechowy zawiera liczne przenośniki elektronów , takie jak na przykład cytochromy. Stopniowe przekazywanie elektronów za pośrednictwem przenośników łańcucha oddechowego dzieli sumaryczną zmianę swobodnej energii zachodzącą w trakcie tej tak bardzo egzoergicznej reakcji , na małe porcje ,co umożliwia syntezę więcej niż jednej cząsteczki ATP . Potencjał oksydoredukcyjny i zmiany swobodnej energii Różnica potencjału oksydocyjnoredukcyjnego łańcucha oddechowego wynosi 1,14 V , co odpowiada 220 kJ (53 kcal) Elektrony z NADH sa przenoszone na O2 poprzez flawiny, kompleksy żelazowo- siarkowe,chinony i grupy hemowe. Utlenienie NADH przez reduktazę NADH -Q. Grupą prostetyczną tego enzymu jest FMN. Z NADH na FMN przenoszone są 2 elektrony co powoduje powstanie FMNH2. Z FMNH2 elektrony są przekazywane na kompleksy żelazowo - siarkowe FeS. Atom żelaza w kompleksach FeS może występować w stanie zredukowanym Fe2+ lub utlenionym Fe3+. Żelazo-siarkowe centrareduktazy NADH-Q przekazują następnie elektrony na koenzym Q. CoQ służy jako bardzo ruchliwy przenośnik elektronów pomiędzy flawoproteidami i cytochromami łańcucha oddechowego. Cytochromy to białka , które przenoszą elektrony i które zawierają hem jako grupę prostetyczną. Podczas transportu elektronów wartościowość żelaza zmienia się z Fe2+ do Fe3+ . Grupa hemowa przenosi jednorazowo tylko jeden elektron. Tak więc cząsteczka zredukowanego CoQ musi przekazać przenoszone 2 elektrony na dwie cząsteczki cytochromu. Łańcuch oddechowy pomiędzy CoQ i O2składa się z 5 cytochromów o stopniowo wzrastającym potencjale oksydoredukcyjnym. CoQ Utlenienie jest sprzężone z fosforylacją przez gradient protonowy Podstawowym procesem umożliwiającym wychwytywanie i zachowanie energii uwalnianej podczas utleniania komórkowego jest przepływ protonów w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej. Gradient protonowy tworzy się w trzech miejscach: Kompleks reduktazy NADH-Q Kompleks reduktazy CoQH2 Kompleks oksydazy cytochromuc. Gradient protonowy wytworzony w każdym z tych miejsc przez przepływ pary elektronów pochodzących z jednej cząsteczki NADH jest wykorzystywany do syntezy jednej cząsteczki ATP (przy utworzeniu gradientu we wszystkich 3 miejscach utlenienie jednej cząsteczki NADH prowadzi do syntezy 3 cząsteczek ATP) Powstawanie gradientu protonowego podczas przepływu elektronów przez "wyłapujące" energie trzy miejsca w łańcuchu oddechowym wymaga aby miejsca te były zorientowane asymetrycznie . Kompleksy enzymatyczne muszą ponadto obejmować taki odcinek w poprzek błony , aby protony mogły być przenoszone z jej matriksowej strony na stronę cytoplazmatyczną . Synteza ATP następuje wtedy , gdy protony wracaja przez kanały protonowe z powrotem do matriks. Elektrony z cytoplazmatycznego NADH wchodzą do mitochondriów za pośrednictwemglicerylo-3- fosforanu. ATPi ADP nie mogą swobodnie dyfundować przez wewnetrzna blonę mitochondrialna .Istnieje specyficzny przenośnik , umozliwiający tym cząsteczkom pokonanie bariery przepuszczalności. ADP może dostać się tylko wtedy do matriksmitochondium ,gdy ATP je opuszcza i vice versa. Podczas tego przemieszczenia nie jest wydatkowana energia . ( jest to ułatwiona dyfuzja wymienna). Produkcja ATP w mitochondriach Kolejność reakcji Wydajność ATP na cząsteczkę glukozy Przeksztalcenie pirogronianu w acetylo-CoA Powstają dwie cząsteczki NADH Cykl kwasu cytrynowego Powstawanie 2 cząsteczek guazynotrójfosforanu z 2 cząsteczek bursztynylo-CoA +2 Przy utlenianiu 2 cząsteczek izocytrynianu , alfa-ketoglutaranu i jabłczanu powstaje 6 cząsteczek NADH Przy utlenianiu 2 cząsteczek burszynianu powstaja 2 cząsteczki FADH2 Fosforylacja oksydacyjna Każda z 2 cząsteczek NADH utworzonych podczs glikolizy daje 2 cząsteczki ATP( nie trzy, bo koszt transportu) +4 Każda z 2 cząsteczek NADH utworzonych przy oksydacyjnej dekarboksylacji pirogronianu daje 3 ATP +6 2 czasteczki FADH2utworzone w cyklu kwasu cytrynowego dają po 2 ATP +4 6 czasteczek NADH utworzonych w cyklu kwasu cytrynowego daje po 3 ATP +18 Wydajnośc netto na cząsteczkę glukozy 34 Podczas oksydacyjnejfosforylacji synteza ATP jest sprzężona z przepływem elektronów od NADH do O2.Czynnikiem sprzęgającym fosforylację z utlenianiem jest gradient protonowy formującysię w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej. Przepływ elektronów przeztrzy transbłonowe kompleksy powoduje pompowanie protonów z matriksmitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej i prowadzi do wytworzenia siępotencjału błonowego. Synteza ATP następuje wtedy , gdy protony przepływają zpowrotem do matriks przez kanały w kompleksie syntezującym ATP . Przenośnikami elektronów włańcuchu oddechowym wewnętrznej błony mitochondrialnej są flawiny, kompleksyżelazo-siarkowe , chinony i grupy hemowe cytochromów. Przepływ elektronów przezkażdy z trzech kompleksów transbłonowych prowadzi do utworzenia się gradientuprotonowego wystarczającego do syntezy jednej cząsteczki ATP. Przy utlenianiuNADH powstają 3 czasteczki ATP, natomiast przy utlenianiu FADH2tylko dwie , ponieważ elektrony z FADH2 wchodzą do łańcucha oddechowego poniżej pierwszegomiejsca pompującego protony. Dwie cząsteczki ATP powstają też przy utlenianiucytozolowego NADH, gdyż " czółenko" glicerolo-3-fosforanowe może przekazać elektronydo mitochondriów kosztem jednejcząsteczki ADT. Wejście do mitochondrium1 cząsteczki ADP jest sprzężone z wyjściem jednej cząsteczkiATP. Przy całkowitym utlenianiu 1 cząsteczki glukozy do dwutlenku węgla i wodypowstaje 36 cząsteczek ATP.

Fosforylacja oksydacyjna - jest szlakiem metabolicznym, w którego wyniku energia uwalniana podczas utleniania zredukowanych nukleotydów przekształcana jest w energię ATP. Organizmy żywe wykorzystują wiele różnych związków organicznych, jednak aby wytworzyć z nich energią przydatną metabolicznie, cząsteczki ATP, w większości przeprowadzają fosforylację oksydacyjną. Szlak ten jest dominujący ze względu na wysoką efektywność w porównaniu do alternatywnych sposobów syntezy ATP, czyli fermentacji

Podczas fosforylacji oksydacyjnej, w wyniku szeregu reakcji redoks, elektrony przenoszone są ze zredukowanych nukleotydów, NADH⁺ i FADH₂, na pełniący funkcję akceptora elektronów tlen. Zachodzące reakcje prowadzą do zmagazynowania energii, służącej następnie do syntezy ATP. W komórkach eukariotycznych, szereg reakcji redoks zachodzi na kompleksach białkowych znajdujących się w mitochondriach. W komórkach prokariotycznych kompleksy białkowe zlokalizowane są w błonach komórkowych. Zestaw enzymów biorących udział w przenoszeniu elektronów określa się jako łańcuch oddechowy. U eukariotów składa się on z pięciu głównych enzymów, u prokariotów odnaleziono wiele różnych enzymów pełniących funkcję donorów i akceptorów elektronów.

Energia uwalniana podczas transportu elektronów w łańcuchu oddechowym zużywana jest do przenoszenia protonów przez wewnętrzną błonę mitochondrialną, proces ten przez jego odkrywcę został nazwany chemiosmozą. Energia potencjalna gromadzona jest w postaci gradientu pH i potencjału elektrycznego w poprzek błony. Zgromadzona w tej formie energia wykorzystywana jest przez kompleks enzymatyczny syntazy ATP, który pozwala protonom przejść przez błonę zgodnie z gradientem stężeń. Enzym ten zamienia jednocześnie energię gradientu pH i elektrycznego na energię wiązań chemicznych ATP, wytwarzanego przez przyłączenie do ADP reszty kwasu ortofosforowego, czyli reakcji fosforylacji. Niezwykłość reakcji syntezy ATP związana jest z obracaniem się części enzymu napędzanej przepływającymi protonami, przypominając działanie silnika elektrycznego. Obrót części enzymu odłącza wytworzoną cząsteczkę ATP.

Fosforylacja oksydacyjna jest ważnym procesem metabolicznym, jednak jej zachodzenie prowadzi do powstawania reaktywnych form tlenu, takich jak nadtlenek wodoru oraz wolnych rodników, niszczących komórki, a w efekcie powodujących choroby i prawdopodobnie przyspieszających starzenie się. Enzymy przeprowadzające ten szlak metaboliczny są wrażliwe na wiele leków i trucizn, takich jak cyjanek.

Wstęp [edytuj]

Fosforylacja oksydacyjna zachodzi dzięki dostarczaniu energii w szeregu reakcji określanych jako łańcuch oddechowy i zużywaniu zmagazynowanej energii w reakcji przeprowadzanej przez syntazę ATP. Pierwsze i druga reakcja są ze sobą sprzężone. Oznacza to, że żadna nie może zachodzić bez zachodzenia drugiej. Przepływ elektronów z donorów w postaci cząsteczek NADH na akceptory w postaci cząsteczek tlenu, odbywający się przez szereg przenośników biorących udział w łańcuchu transportu elektronów, jest procesem egzoenergetycznym - uwalniającym energię. Synteza ATP jest zaś procesem endoenergetycznym który, aby zachodzić, wymaga dostarczenia energii. Zarówno łańcuch oddechowy, jak i synteza ATP zachodzi na błonach białkowo-lipidowych. Energia z łańcucha transportu elektronów jest przenoszona na syntazę ATP dzięki wytworzeniu różnicy stężeń jonów w poprzek błony, nazywanej gradientem elektrochemicznym. Proces przenoszenia protonów przez błonę został nazwany chemiozmozą ^[1]. Przenoszenie protonów przez błonę odbywa się dzięki enzymom obecnym w błonach, tłoczącym protony z jednej strony na drugą podczas zachodzenia łańcucha transportu elektronów i określanych nazwą pompy protonowe. Enzymy te podobnie jak urządzenia elektryczne wykonują pracę gdy przepływa przez nie prąd elektryczny. Powstający, w efekcie ich pracy, gradient elektrochemiczny, nazywany często siłą protonomotoryczną, składa się z dwóch elementów: różnicy stężeń protonów (gradient pH) oraz różnicy potencjałów, wynikającej z ładunków przemieszczanych cząsteczek (po jednej stronie błony istnieje ładunek ujemny, po drugiej dodatni). W przypadku mitochondriów większe znaczenie odgrywa różnica potencjałów, a w przypadku chloroplastów większe znaczenie ma gradient pH^[2].

Syntaza ATP zużywa energię gradientu elektrochemicznego, pozwalając przejść ładunkom (protonom) z powrotem przez błonę^[3]. Enzym ten działa podobnie jak silnik elektryczny wykorzystując energię w postaci siły protonomotorycznej do obracania jednym z białek kompleksu. Obroty umożliwiają wytworzenie ATP.

Ilość energii wytworzona podczas fosforylacji oksydacyjnej jest zdecydowanie większa od ilości produkowanych podczas zachodzenia fermentacji. Glikoliza dostarcza jedynie 2 cząsteczki ATP, podczas gdy w procesie fosforylacji oksydacyjnej z 10 cząsteczek NADH i 2 bursztynianu, powstałych przy pełnym utlenieniu cząsteczki glukozy do wody i dwutlenku węgla powstaje około 30-36 cząsteczek ATP^[4]. Podana ilość ATP jest maksymalną teoretyczną wydajnością, w rzeczywistości cześć protonów przenika przez błonę, omijając syntazę ATP i obniżając wydajność zamiany gradientu elektrochemicznego na ATP^[5].

Cząsteczki przenoszące elektrony i protony [edytuj]

Redukcja koenzymu Q z formy utlenionej - ubichinonu, (Q), do formy zredukowanej - ubichinolu, (QH₂).

Zachodzenia łańcucha oddechowego prowadzi do przemieszczania są zarówno protonów, jak i elektronów. Podczas przemieszczania elektronów z donorów na akceptory następuje przeniesienie protonów przez błonę białkowo-lipidową. W procesie uczestniczą związki budujące błony oraz cząsteczki rozpuszczalne. W mitochondrialnym łańcuchu oddechowym elektrony przenoszone są między innymi w przestrzeni międzybłonowej przez niewielkie białko rozpuszczalne, cytochrom c^[6]. Cząsteczka ta przenosi jedynie elektrony dzięki redukcji i utlenianiu atomów żelaza zawartego w hemie, będącego składnikiem cytochromu. Cytochrom c został także wykryty w przestrzeni periplazmatyczne części bakterii^[7].W wewnętrznej błonie mitochondrialnej, lipofilny przenośnik elektronów, koenzym Q10 (Q), przenosi zarówno elektrony, jak protony, dzięki cyklicznej redukcji i utlenianiu^[8]. Mała cząsteczka benzochinonu, o silnie hydrofobowym charakterze może swobodnie dyfundować w błonie. Po przyjęciu dwóch elektronów i dwóch protonów ubichinon przekształca się w formę zredukowaną - ubichinol (QH₂). Gdy QH₂ podczas utleniania przekazuje dwa elektrony i uwalnia dwa protony, powraca do swojej formy utlenionej - ubichononu. W efekcie dzięki lokalizacji miejsca redukcji Q po jednej stronie błony, a miejsca utleniania QH₂ po drugiej, ubichinon bierze udział w przenoszeniu protonów przez błonę^[9]. U części bakterii poza ubichinonem w łańcuchu transportu elektronów uczestniczą inne chinony, na przykład menachinon^[10]

Białka uczestniczące w łańcuchu oddechowym przenoszą elektrony dzięki obecności grup flawinowych^[11][3], centrów żelazo-siarkowych i cytochromów. Istnieje kilka typów centrów żelazo-siarka. Najprostsze, ze znalezionych w łańcuchu oddechowym, zawiera dwa atomu żelaza i dwa atomu nieorganicznej siarki i jest określane jako centrum [2Fe-2S]. Drugi rodzaj, nazywany [4Fe-4S], zawiera sześcian z czterech atomów żelaza i czterech siarki. Każdy z atomów żelaza wchodzących w skład centrów jest koordynowany przez aminokwas, zwykle grupę -SH cysteiny. Jony metalu, tworzącego kofaktor, ulegają redukcji podczas przenoszenia elektronów przez przenośniki białkowe. W tym przypadku wraz z elektronem nie są przemieszczane protony. Elektrony mogą pokonywać stosunkowo duże odległości podczas przemieszczania się przez szereg kofaktorów^[12]. Następuje to dzięki zjawisku tunelowemu, które umożliwia szybkie pokonanie odległości mniejszych niż 1,4 10^-9 m^[13].

Łańcuch transportu elektronów u eukariotów [edytuj]

Wiele katabolicznych szlaków metabolicznych, takich jak glikoliza, cykl kwasu cytrynowego, β-oksydacja, prowadzi do wytworzenia NADH. Koenzym ten zawiera elektrony, które mają wysoki potencjał standardowy, prowadzą do uwolnienia dużej ilości energii podczas utleniania. Komórka nie uwalnia całej tej energii natychmiast, w sposób niekontrolowany. Elektrony są pobrane z NADH przeniesione na tlen przez kilka enzymów, których każdy uwalnia tylko cześć energii. Ten zestaw enzymów, zawierający kompleksy od I do IV, nazywany jest łańcuchem transportu elektronów i znajduje się w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. W reakcjach łańcucha oddechowego utleniany jest także bursztynian, jednak wchodzi do szlaku w dodatkowym punkcie.

W komórkach eukariotycznych, enzymy przenoszące elektrony, wykorzystują energię uwalnianą podczas utleniania NADH do przeniesienia protonów przez wewnętrzną błonę mitochondrialną do przestrzeni międzybłonowej i wytwarzają gradient elektrochemiczny w poprzek błony. Energia zmagazynowana w postaci gradientu zużywana jest przez syntazę ATP do wytwarzania ATP. Fosforylacja oksydacyjna w mitochondriach eukariotów, jest najlepiej poznanym przykładem tego procesu. Mitochondria są obecne u prawie wszystkich eukariotów z wyjątkiem oddychających beztlenowo pierwotniaków takich jak Trichomonas vaginalis oraz niektórych grzybów, u których protony przekształcane są do wodoru w zmodyfikowanych mitochondriach określanych jako hydrogenosomy^[14][15].

Oksydoreduktaza NADH-koenzym Q (Kompleks I) [edytuj]

Oksydoreduktaza NADH-koenzym Q, nazywana także dehydrogenazą NADH lub kompleksem I, jest pierwszym białkiem łańcucha transportu elektronów^[16]. U ssaków kompleks I jest ogromnym enzymem, składającym się z 46 podjednostek o łacznej masie około 1000 kDa^[17]. Struktora kompleksu została dobrze poznana jedynie u bakterii^[18], u więszości organizmów kompleks ma kształt litery L z pionowym ramieniem umieszczonym w błonie a pionowym skierowanym do wnętrza mitochondrium ^[19][20]. Geny kodujące poszczególne podjednostki, podobnie jak ma to miejsce dla wielu enzymów mitochondrialnych, zawarte są zarówno w jądrze komórkowym, jak i genomie mitochondrialnym.

Reakcja katalizowana przez enzym polega na przeniesieniu dwóch elektronów z NADH na koenzym Q₁₀ (ubichinon, Q), związek lipofilny swobodnie dyfundujący w błonie mitochondrialnej:

  

Reakcja rozpoczynająca łańcuch transportu elektronów rozpoczyna się od przyłączenia cząsteczki NADH do kompleksu I i oderwaniu dwóch elektronów. Elektrony przekazywane są na kompleks przez grupę prostetyczną wchodzącą w skład enzymu, mononukleotyd flawinowy (FMN). Przekazanie dwóch elektronów na FMN przekształca go w zredukowaną formę, FMNH₂. Następnie elektrony przenoszone są przez kolejne centra żelazo-siarka, drugi rodzaj grup prostetycznych obecnych w kompleksie^[18]. W enzymie znajdują się centra [2Fe-2S] oraz [4Fe-4S].Podczas przejścia przez kompleks dwóch elektronów cztery protony przemieszczane są z macierzy mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej. Mechanizm przenoszenia protonów nie jest w pełni poznany, prawdopodobnie dochodzi do zmian konformacyjnych w wyniku których protony przyłączone po stronie macierzy mitochondrialnej zostają przeniesione na stronę przestrzeni międzybłonowej i tam odłączone od białka^[21]. Pobrane elektrony poprzez centra żelazo-siarka przenoszone są ostatecznie na cząsteczkę ubichinonu w błonie^[16]. Zredukowanie ubichinonu również przyczynia się do wytworzenia gradientu protonowego, ponieważ oba przyłączane protony pobierane są z macierzy mitochondrialnej, co prowadzi do wytworzenia ubichonolu (QH₂).

Łańcuch transportu elektronów u prokariotów [edytuj]

W przeciwieństwie do ogólnego podobieństwa w strukturze i działaniu łańcucha oddechowego w komórkach eukariotycznych, u bakterii i archeanów istnieje o wiele większa różnorodność enzymów biorących udział w przenoszeniu elektronów. Jako akceptor elektronów może być użyte wiele substancji chemicznych^[53]. Podobnie jak u eukariotów transport elektronów przez kolejne przenośniki prowadzi do przenoszenia protonów przez błonę i wytwarzania gradientu elektrochemicznego. Przebieg fosforylacji oksydacyjnej został dobrze poznany na przykładzie Escherichia coli u bakterii, jednak u archeanów przebieg procesu jest stosunkowo mało poznany^[54].Główną różnicą w fosforylacji oksydacyjnej pomiędzy komórkami eukariotycznymi a prokariotycznymi jest używanie przez bakterie i archeany wielu rożnych substancji jako donora lub ostatecznego akceptora elektronów. Pozwala to na wzrost organizmów prokariotycznych w wielu różnych warunkach środowiska^[55]. Na przykład, u E. coli, fosforylacja oksydacyjna może być napędzana przez liczne pary związków utlenianych i redukowanych, które zostały wymienione w tabeli. Potencjał redoks obrazuje ile energii uwalniane jest podczas utleniania lub redukcji, dla redukcji wartość potencjału jest ujemna a dla utleniania wartości są dodatnie.

Jak przedstawiono w tabeli, E. coli może do wytwarzania energii metabolicznej używać związki takie jak mrówczany, wodór, kwas mlekowy jako donory elektronów i azotany, DMSO lub tlen jako akceptory^[55]. Wyższy potencjał redoks oznacza uwolnienie większej ilości energii podczas reakcji. Niezwykłą parę tworzą bursztynian/fumaran przy których potencjał redoks jest niema równa zeru. Dlatego też przy utlenianiu bursztynianu konieczny jest silny utleniacz w postaci tlenu lub fumaran może być zredukowany do bursztynianu przy użyciu silnego reduktora, czyli mrówczanu. Te alternatywne reakcje są katalizowane przez odpowiednio dehydrogenazę bursztynianu lub reduktazę fumaranu^[57].

Niektóre prokarioty używają par związków o niskim potencjale redoks. Na przykład bakterie nitryfikacyjne, takie jak Nitrobacter, utleniają azotyny do azotanów, przekazując elektrony na tlen. Niewielka ilość energii uwalniana podczas reakcji wystarcza do przenoszenia protonów przez błonę i syntezy ATP, lecz nie wystarcza do wytworzenia NADH lub NADPH niezbędnych do procesów anabolicznych^[58]. Ten problem zostaje rozwiązany dzięki oksydoreduktazie azotynowej, która wytwarza wystarczająco duża siłę protonomotoryczną, aby wymusić odwrotny przebieg łańcucha transportu elektronów, powodując wytwarzanie NADH^[59][60].

Użycie odpowiednich donorów lub akceptorów elektronów przez prokarioty regulowane jest przez czynniki środowiskowe^[61]. Elastyczność procesów metabolicznych jest możliwa dzięki używaniu przez wielu oksydaz i reduktaz tej samej pulu ubichinonu. Pozwala to wielu zestawom enzymów współdziałać, poprzez współdzielenie ubichinonu obecnego w błonach jako związku pośredniego^[56]. Łańcuch oddechowy o strukturze modułowej umożliwia łatwą zmianę zestawów enzymów.

Po za metaboliczną różnorodnością, prokarioty posiadają także zestaw izoenzymów - różnych enzymów, katalizujących te same reakcje. Na przykład, u E. coli występują dwie różne oksydazy ubichinonu, używające tlenu jako akceptora elektronów. W warunkach dobrej dostępności tlenu komórka używa oksydazy o niskim powinowactwie do tlenu, która jest zdolna do przeniesienia dwóch protonów na każdy elektron. Gdy poziom tlenu spadnie komórka przenosi elektrony na tlen poprzez oksydazę, która nie bierze udziału w wytwarzaniu gradientu elektrochemicznego, jednak posiada wysokie powinowactwo do tlenu^[62].

Syntaza ATP [edytuj]

Syntaza ATP. Domena F_O tworzy kanał jonowy i trzon oznaczone kolorem niebieskim, domena F₁ oznaczona kolorem czerwonym, jest właściwym enzym tworzącym ATP, błona oznaczona kolorem szarym.

Syntaza ATP, nazywana także kompleksem V, jest ostatnim enzymem biorącym udział w szeregu reakcji fosforylacji oksydacyjnej. Enzym ten został znaleziony we wszystkich żywych organizmach, zarówno prokariotycznych, jak i eukariotycznych^[63]. Enzym zużywa energię zgromadzoną w postaci gradientu elektrochemicznego do syntezy ATP z ADP i fosforanu nieorganicznego (P_i). Do syntezy jednej cząsteczki ATP potrzebne jest przejście przez syntazę od 3 do 4 protonów^[64][65], w niektórych komórkach ilość protonów może się zmieniać, w zależności od warunków^[66].

  

Reakcja fosforylacji jest reakcją odwracalną, a przewaga jednego z kierunków reakcji zależy od siły protonomotorycznej. Przy braku gradientu protonowego, syntaza ATP przeprowadza reakcję hydrolizy ATP, przenosząc jednocześnie protony przez błonę. Gdy jednak siła protonomotoryczna jest odpowiednio duża, zachodzi odwrotna reakcja, protony przepływają zgodnie z gradientem stężeń, a ADP łączone jest z P_i z wytworzeniem ATP^[63]. Bardzo podobny enzym H⁺-ATPaza obecna w błonie wakuoli, wywołuje obniżenie pH wnętrza organellum, przenosząc protony i jednocześnie hydrolizując ATP^[67].

Syntaza ATP jest dużym kompleksem, kształtem przypominającym grzyb. U ssaków kompleks syntazy składa się z 16 podjednostek o łącznej masie około 600 kDa^[68]. Domena będąca białkiem błonowym określana jest nazwą F_o i zawiera pierścień zbudowany z podjednostek c oraz kanał jonowy. Trzon wraz z przytwierdzoną do niego częścią kulistą, określany jest nazwą F₁, jest miejscem syntezy ATP. Domena F₁ składa się z sześciu podjednostek, należących do dwóch grup: trzech podjednostek α i trzech podjednostek β. Trzon łączący część kulista z domeną błonową zawiera tylko jedną podjednostkę γ^[69]. Podjednostki α i β wiążą nukleotydy, jednak tylko podjednostka β katalizuje reakcję syntezy ATP. Wystająca z domeny F₁, skierowany w stronę błony, to przypominająca pręt podjednostka kotwicząca zespół podjednostek α i β w głównej części kompleksu.

Protony przepływając przez kanał jonowy domeny F_o powodują obracanie się zestawu podjednostek c^[70]. Obroty prawdopodobnie powodowane są zmianami w jonizacji aminokwasów w pierścieniu podjednostek c, co wywołuje zmiany elektrostatyczne , które napędzają pierścień podjednostek c przy kanale jonowym^[71]. Obroty pierścienia przenoszone są przez, tworzącą oś, podjednostkę γ do wnętrza podjednostek α i β, które nie mogą się obracać ze względu na tworzącą stojan długa podjednostkę w kształcie pręta. Ruch obrotowy podjednostki γ wewnątrz kulistej struktury podjednostek α i β dostarcza energii do centrów aktywnych na podjednostkach β, powodując oderwanie cząsteczek ATP^[2].

Reakcja syntezy ATP zachodzi dzięki mechanizmowi zmian konformacyjnych, centrum aktywne podjednostki β występuje w dwóch cyklicznie zmieniających się stanach^[72]. W stanie pierwszym jest otwarte i może przyłączyć cząsteczkę ADP i P_i. Gdy oba substraty zostaną przyłączone białko zmienia kształt, powodując połączenie cząsteczek. Powstała cząsteczka ATP ma wysokie powinowactwo do enzymu i jest z nim silnie związana. Ostatni etap polega na powrocie enzymu do stanu pierwszego, centrum aktywne otwiera się, uwalniając cząsteczkę ATP i pozostając otwarte dla kolejnych substratów. Synteza ATP nie wymaga dostarczenia energii. Energia obrotów podjednostki γ konieczna jest do oderwania wytworzonej cząsteczki ATP (otwarcia centrum aktywnego).

U części bakterii i archeanów, synteza ATP napędzana jest nie przepływem protonów przez błonę komórkową, lecz jonów sodowych^[73][74]. Archenany takie jak Methanococcus posiadają także syntazę A₁A_o, formę enzymu o niewielkim podobieństwie sekwencji aminokwasów do białek syntazy ATP obecnych u pozostałych bakterii i komórek eukariotycznych. Prawdopodobnie u części gatunków forma syntazy A₁A_o napędzana jest jonami sodu^[75], jednak jest możliwe, że jest tak u wszystkich organizmów z tą postacią enzymu^[74].

Inhibitory [edytuj]

Istnieje kilka dobrze znanych leków i toksyn, hamujących zachodzenie fosforylacji oksydacyjnej. Chociaż każda z tych substancji jest inhibitorem tylko jednego enzymu w łańcuchu transportu elektronów, inhibicja jednego z ogniw zatrzymuje cały proces. Na przykład oligomycyna jest inhibitorem syntazy ATP, powoduje, że protony nie mogą wrócić z powrotem do macierzy mitochondrialnej^[81]. W efekcie kompleksy łańcucha oddechowego przenoszące protony przestają działać, ponieważ nie są w stanie pokonać wysokiego gradientu stężeń. NADH przestaje być utleniany a cykl kwasu cytrynowego ustaje na skutek spadku stężenia NAD⁺ niezbędnego do działania części enzymów cyklu.

Nie wszystkie inhibitory fosforylacji oksydacyjnej są toksynami. W brunatnej tkance tłuszczowej występują podlegające regulacji białka rozprzęgające (UCP), spełniające funkcję kanałów jonowych pozwalających na przejście przez błonę protonów, co prowadzi do rozprzężenia oddychania i syntezy ATP ^[86]. Szybkie zachodzenie oddychania, nie powiązane z fosforylacją, prowadzi do uwalniania energii w postaci ciepła, co pozwala utrzymać odpowiednią temperaturę ciała zwierzętom podczas snu zimowego. Białka rozprzęgające mogą także pełnić bardziej ogólną funkcję w komórkowej odpowiedzi na stres^[87].

ODDYCHANIE KOMÓRKOWE

Fosforylacja oksydacyjna

W procesie fosforylacji oksydacyjnej, związanej bezpośrednio z łańcuchem oddechowym, zmiany entalpii swobodnej reakcji przenoszenia elektronów umożliwiają wychwytywanie części wytwarzanej energii przez cząsteczki ADP, które są ważnymi składnikami procesu fosforylacji. Dzięki tej energii z ADP przy udziale fosforanów nieorganicznych jest syntetyzowany ATP.
Przeniesienie 2 elektronów z atomów wodoru na tlen powoduje wydzielenie 237,6 kJ/mol energii. W warunkach środowiska komórki, podczas transportu elektronów z NADH na tlen wyzwolona energia jest równa 220,8 kJ/mol. Z energii tej mogą być wytwarzane wysokoenergetyczne wiązania ATP przez przyłączanie fosforanów do cząsteczek ADP. Tego rodzaju wytwarzanie wiązań wysokoenergetycznych, sprzężone z przenoszeniem w łańcuchu oddechowym, nosi nazwę fosforylacji oksydacyjnej. Fosforylacja oksydacyjna zachodzi tylko w mitochondriach. Poza nimi w komórce nie ma układu tlenowych fosforylacji, wobec czego procesy utleniania zachodzące z udziałem tlenu nie są sprzężone z syntezą ATP. Nie związana w ATP energia wykorzystywana jest jako energia cieplna na utrzymanie temperatury ciała zwierząt stałocieplnych.
Doświadczenia przeprowadzone na oddychających mitochondriach wskazują, że podczas przenoszenia elektronów w łańcuchu oddechowym rozpoczynającym się od dehydrogenaz współdziałających z NAD, na 1/2 mola O2 są zużywane 3 mole fosforanów nieorganicznych. Jeśli proces rozpoczyna się od dehydsogenaz flawopro-teinowych, zużycie fosforanów nieorganicznych na tę samą ilość tlenu wynosi 2 mole. Wskazuje to, że gdy łańcuch oddechowy rozpoczyna się od zredukowanego NAD, przy wykorzystaniu 1/2 cząsteczki O2 są syntetyzowane 3 cząsteczki ATP, natomiast jeśli rozpoczyna się od flawoprotein, powstają tylko 2 cząsteczki ATP.
Energia związana w powstałym makroergicznym wiązaniu fosforanowym wynosi około 30,6 kJ/mol. Tego rodzaju wiązania w 3 cząsteczkach ATP magazynują około 91,8 kJ/mol energii, co stanowi około 40% całkowitej wydajności energetycznej łańcucha oddechowego.
Mechanizm wytwarzania zarówno wysokoenergetycznych wiązań ATP w procesie fosfory lacj i oksydacyjnej, jak i miejsce ich wytwarzania w łańcuchu oddechowym nie zostały dotychczas wyjaśnione w sposób jednoznaczny. Istnieje wiele teorii, które usiłują tłumaczyć te zagadnienia.
Najbardziej znane są 3 hipotezy, których założenia zostaną w skrócie przedstawione, a mianowicie: hipoteza chemiczna, hipoteza chemiosmotyczna i hipoteza konformacyjna.
 

Hipoteza chemiczna jest znana jako teoria Slatera. Według tej teorii w procesie tworzenia wysokoenergetycznego wiązania ATP bierze udział przenośnik X o nieznanej budowie oraz nośnik A, którym może być jeden z układów oksydacyjno-re-dukcyjnych łańcucha oddechowego. Przenośnik reaguje najpierw ze zredukowanym nośnikiem, tworząc makroergiczny kompleks A ~ X, a następnie z ortofosforanem, przenosząc energię i tworząc kompleks przenośnika z fosforanem X ~(P). W ostatnim etapie następuje przeniesienie wysokoenergetycznego wiązania fosforanu na ADP i wytworzenie ATP:
A + X     A~X

A~X+(P)    X~(P)+A

X~(P) + ADP     ATP + X

Zakłada się, że w tym mechanizmie bierze udział także enzym wytwarzający ATP. Nie udało się jednak dotychczas wydzielić żadnych intermediantów wysokoenergetycznych tego procesu ani przenośnika X.
Hipoteza chemiczna sprzęga fosforylację tlenową z określonymi reakcjami łańcucha oddechowego. Według tej hipotezy fosforylacja zachodzi w tych miejscach łańcucha oddechowego, gdzie występuje znaczna różnica potencjałów oksydoredu-kcyjnych między układami. Im większa jest różnica potencjałów, tym wydziela się więcej energii. Część tej energii ulega rozproszeniu i wydziela się w postaci ciepła, część zaś zostaje zmagazynowana w postaci ATP. Magazynowanie energii chemicznej odbywa się w tych miejscach łańcucha oddechowego, gdzie różnica potencjałów wynosi około 160 mV.
Przypuszcza się, że jeśli łańcuch oddechowy rozpoczyna się od NADH, powstają 3 cząsteczki ATP w następujących miejscach:
- przy przeniesieniu elektronów z koenzymów nikotynamidowych na flawopro-teiny;
- przy przeniesieniu elektronów z ubichinonu lub z flawoprotein na cytochro-my c;
- przy przeniesieniu elektronów z oksydazy cytochromowej (cytochromu a+a3) natleń.
Na tym ostatnim etapie jest największa różnica potencjałów i wyzwala się największa ilość energii.
Wiele hipotez uważa błonę mitochondrialną za ważny czynnik sprzężenia energetycznego. Należy do nich hipoteza chemiosmotyczna Mitchella, wykluczająca udział pośredników. Hipoteza ta jest obecnie uznawana za najbardziej zgodną z różnymi danymi doświadczalnymi i najlepiej tłumaczącą wiele zagadnień dotyczących fosforylacji tlenowej. Istotną rolę według tej hipotezy spełnia rozdział ładunków elektrycznych po obydwu stronach błony mitochondrium. Szczególne znaczenie ma różnica stężeń protonów w poprzek błony oraz ich wymiana przez błonę (rys. 1). Wymiana ta odbywa się za pośrednictwem mechanizmu określonego jako "pompa protonowa" (rys.2).
Według hipotezy chemiosmotycznej łańcuch oddechowy jest wewnątrz błony mitochondrium zwinięty w 3 pętle odpowiadające 3 miejscom syntezy ATP (które zakłada hipoteza chemiczna). 2 elektrony transportowane przez łańcuch oddechowy
 

Rysunek 1. Schemat hipotetycznego ułożenia pętli łańcucha oddechowego oraz przemieszczania protonów przez błonę mitochondrium.

Rysunek 12. Schemat działania "pompy protonowej"; * syntaza ATP transportująca H⁺(F₁, F₀)

ze zredukowanego NAD na tlen powodują przemieszczenie 6 protonów od wewnętrznej strony błony mitochondrialnej na jej stronę zewnętrzną, czyli ze środowiska matriks do środowiska cytosolu.
Cały proces rozpoczyna się po wewnętrznej stronie błony. Zredukowany NAD przekazuje 2 elektrony oraz proton znajdującym się wewnątrz błony flawoprotei-nom zawierającym FMN. Po dołączeniu jeszcze jednego protonu ze środowiska, FMN ulega przejściu w FMNH2. Kompleks białkowy zawierający FMNjest tak duży, że styka się z zewnętrzną stroną błony mitochondrium. Istnieje zatem możliwość uwolnienia do cytosolu pary protonów. Natomiast elektrony redukują 2 cząsteczki białek żelazowo-siarkowych i dzięki nim przedostają się do wewnętrznej strony błony, skąd pobiera je cząsteczka ubichinonu. Po dołączeniu dwóch protonów od strony matriks powstaje QH2, który jako dobrze rozpuszczalny w tłuszczach łatwo przemieszcza się do zewnętrznej strony błony. Odłącza do cytosolu 2 protony, natomiast 2 elektrony oddaje 2 cząsteczkom cytochromu b, które przenoszą je na stronę wewnętrzną błony. Tu następuje przekazanie ich następnej cząsteczce ubichinonu, który po przyjęciu pary protonów przechodzi w formę QH2, wędrującą do zewnętrznej strony błony. Po uwolnieniu protonów do cytosolu następuje przekazanie elektronów 2 cząsteczkom cytochromu c, znajdującym się w pobliżu strony zewnętrznej błony, skąd przez dalsze ogniwa łańcucha są przenoszone na wewnętrzną stronę błony do 2 cząsteczek cytochromu a3, wchodzących w skład 2 cząsteczek oksydazy cytochromowej. Następuje przekazanie elektronów na atom tlenu, po czym jon tlenkowy, łącząc się z 2 protonami ze środowiska matriks, tworzy cząsteczkę wody.
Wszystkie składniki łańcucha oddechowego znajdują się w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Z wyjątkiem CoQ, który występuje w pewnym nadmiarze, pozostałe składniki łańcucha mają zachowane proporcje molowe. Zgodnie ze współczesnymi poglądami, wszystkie składniki są zgrupowane w pięciu kompleksach lipidowo-białkowych w celu pełnienia określonych funkcji:
- kompleks I: oksydoreduktaza NADH : ubichinon,
- kompleks II: oksydoreduktaza bursztynian : ubichinon,
- kompleks III: oksydoreduktaza ubichinon : utleniony cytochrom c,
- kompleks IV: oksydoreduktaza zredukowany cytochrom c : tlen.
Według hipotezy Mitchella, utlenianie przenośników redukujących powoduje uwalnianie protonów (H+). Od CoQ przez dalsze ogniwa łańcucha oddechowego biegną już dalej tylko elektrony. Protony, które na skutek działania łańcucha oddechowego wydostały się na zewnątrz mitochondrium, wywierają wpływ na wytworzenie różnicy potencjałów elektrochemicznych po obydwu stronach błony. Różnica ta jest siłą napędową syntezy ATP. Na powstanie tejże siły napędowej oprócz protonów wpływają także potencjał błonowy oraz gradient pH po obydwu stronach błony. Błona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla protonów. Za usuwanie protonów na zewnątrz mitochondrium jest odpowiedzialna pierwotna pompa protonowa. Jako pierwotna pompa protonowa działają kompleksy: I, III i IV, przemieszczające H+ na zewnętrzną powierzchnię błony. Wykorzystanie potencjału elektrochemicznego transmembranowego umożliwia powrót H+ do mitochondrium, związany z syntezą ATP. Umożliwia to:
 

- kompleks V: syntaza ATP transportująca H+ (Fl5 Fo).

Funkcja kompleksu V polega na syntezie ATP z ADP i Pnjeora o Fosforylację warunkują 2 czynniki białkowe Fj i Fo. Syntaza ATP, transportująca H+, działa jako wtórna pompa protonowa, przemieszczająca protony (H+) w kierunku odwrotnym do działania pompy pierwotnej, tj. do wewnątrz mitochondrium.
Oprócz hipotezy chemicznej i najbardziej powszechnej hipotezy chemiosmotycznej istnieje jeszcze hipoteza konformacyjna. Według tej teorii, energia pochodząca z utleniania zostaje przekształcona w energię przechowywaną w stanach konformacyjnych białek mitochondrialnych. Bogaty w energię stan konformacji może ulegać zmianom, które wyzwalają energię na potrzeby syntezy ATP.
Błona mitochondrialna oddziela wnętrze mitochondrium od cytoplazmy. Wewnątrz mitochondrium, oprócz łańcucha oddechowego, zachodzą również reakcje cyklu Krebsa i beta-oksydacji kwasów tłuszczowych. Wszystkie te procesy są uzależnione od przepuszczalności błony mitochondrialnej. Błona zewnętrzna mitochondrium jest przepuszczalna dla większości metabolitów, natomiast przepuszczalność błony wewnętrznej jest bardzo ograniczona. Dehydrogenazy, dla których akceptorem atomów wodoru jest FAD, jak np. dehydrogenaza bursztynianowa - znajdująca się po wewnętrznej stronie błony mitochondrialnej - może bez przeszkód oddać atomy wodoru na ubichinon, z pominięciem kompleksu I.
Błona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla zredukowanego NAD. Może on być wytwarzany podczas glikolizy zachodzącej w cytozolu. Istnieje sposób przekazywania równoważników redukcyjnych za pomocą tzw. mostków substratowych:

Po obydwu stronach błony występuje taka sama para substratów, która może przyjąć lub oddać atomy wodom, oraz enzym dehydrogenaza. Przez błonę mitochondrialną mogą przenikać cząsteczki zredukowanego przez NADH substratu i wewnątrz mitochondrium przekazać atomy wodoru na FAD. Powoduje to stratę jednej cząsteczki ATP, ale są inne korzyści metaboliczne. Parę substratów i enzym mogą stanowić np. glicerolo-3-fosforan i dihydroksyacetonofosforan oraz enzym dehydrogenaza glicerolo-3-fosforanowa.
 

Fosforylacja oksydacyjna (utleniająca) to reakcja przyłączenia reszty kwasu otrofosforowego do związków chemicznych połączona ze zmianą stopnia utlenienia atomu, do którego ta grupa bezpośrednio się przyłącza.
W organizmach żywych reakcja ta jest katalizowana przez enzymy zwane fosfotransferazami (kinazy), które transportują reszty kwasowe na białka, nukleotydy, cukry oraz lipidy. Związki, którym dostarczone zostają reszty fosforanowe, uzyskują wyższy poziom energetyczny.
Niezwykle istotną reakcją dla organizmów żywych jest fosforylacja kwasu ADP, dzięki której dochodzi do wytworzenia ATP, co ma wielkie znaczenie dla regulacji gospodarki energetycznej w komórkach. Proces ten zachodzić może na drodze fosforylacji fotosyntetycznej, oksydacyjnej, substratowej. Ponadto proces fosforylacji przyczynia się do normowania procesów metabolicznych.

CHLOROPLAST

Fotosynteza (gr. φῶς - światło, σύνθεσις - łączenie) - anaboliczny proces biochemiczny syntezy związków organicznych z prostych nieorganicznych substancji chemicznych pod wpływem promieniowania słonecznego. Jest to jedna z najważniejszych przemian biochemicznych na Ziemi^[1] - organizmy samożywne wykorzystują jej produkty bezpośrednio jako źródło energii, a organizmy cudzożywne - pośrednio, ponadto proces ten utrzymuje wysoki poziom tlenu w atmosferze.Fotosynteza zasadniczo składa się z dwóch etapów - fazy jasnej, w której światło jest absorbowane a jego energia jest zamieniana na energię wiązań chemicznych, a jako produkt uboczny wydzielany jest tlen, - fazy ciemnej, w której energia wiązań chemicznych, związków powstałych w fazie świetlnej, jest wykorzystywana do syntezy związków organicznych. Wydajność zamiany energii światła na energię wiązań chemicznych węglowodanów wynosi 22-33%. W uproszczonej formie, sumaryczny przebieg fotosyntezy z glukozą jako syntezowanym węglowodanem, zapisuje się^[2]:

6H₂O + 6CO₂ + hν (energia świetlna) → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Najczęściej substratami fotosyntezy są dwutlenek węgla i woda, produktem - węglowodan i tlen, a źródłem światła - Słońce. Zarówno bezpośrednie produkty fotosyntezy, jak i niektóre ich pochodne (np. skrobia i sacharoza) określane są jako asymilaty.W komórkach eukariotycznych proces fotosyntezy zachodzi w wyspecjalizowanych organellach - chloroplastach, zawierających barwniki fotosyntetyczne. U roślin organami zawierającymi komórki z chloroplastami są głównie liście, będące podstawowymi organami asymilacyjnymi. Pewne ilości chloroplastów zawierają także komórki niezdrewniałych łodyg oraz kwiatów i owoców. Ze względu na rozkład wody i wydzielanie tlenu, sinice i fotosyntetyzujące eukarionty zalicza się do organizmów o oksygenicznym typie fotosyntezy, z wydzieleniem tlenu. Wśród bakterii jedynie sinice przeprowadzają fotosyntezę w sposób opisany powyżej. Pozostałe jako donorów elektronów używają związków siarki lub prostych związków organicznych. Tlen w takim przypadku nie jest wydzielany i proces określa się jako anoksygeniczny typ fotosyntezy.

Fotosynteza eukariotów [edytuj]

Na proces fotosyntezy składają się dwa etapy:

• faza jasna, nazywana także fazą świetlną, polega na przekształceniu energii zawartej w świetle do energii wiązań chemicznych dwóch związków chemicznych: ATP i NADPH. Oba związki wysokoenergetyczne wytwarzane są dzięki przenoszeniu elektronów poprzez kolejne przenośniki. Kwanty światła pochłonięte przez cząsteczki barwników asymilacyjnych służą do oderwania elektronów od cząsteczek chlorofilu a przyłączonych do kompleksów białkowych znajdujących się w błonach białkowo-lipidowych. Energia światła wykorzystywana jest do oderwania elektronu od cząsteczki wody i przeniesienia go przez system przekaźników elektronów na utlenioną formę NADP⁺. W transporcie elektronów biorą udział kompleksy białkowe: fotoukład I (PS I), fotoukład II (PS II), kompleks cytochromowy b₆f trwale związane z błonami, oraz ruchliwe przekaźniki elektronów w postaci plastochinonu i plastocyjaniny. Transport elektronów przez wymienione przenośniki prowadzi także do wytworzenia różnicy stężeń jonów wodorowych w poprzek błon. Energia zmagazynowana w postaci różnicy stężeń jest wykorzystywana przez enzym, syntazę ATP, do wytworzenia ATP. Uproszczony zapis reakcji zachodzących w fazie jasnej przedstawia równanie (nie przedstawia ono jednak ściśle proporcji NADPH do ATP):

2 H₂O + 2 NADP⁺ + 2 ADP + 2 Pi → 2 NADPH + 2 H⁺ + 2 ATP + O₂

• faza ciemna nazywana także cyklem Calvina-Bensona. Energia zgromadzona w ATP i NADPH wykorzystywana jest do przekształcenia dwutlenku węgla do prostych związków organicznych cukrów. Następuje to poprzez przyłączenie CO₂ do pięciowęglowego związku - 1,5-bisfosforybulozy. Powstały związek sześciowęglowy rozpada się na dwie cząsteczki zawierające po trzy atomy węgla, które po zredukowania przy użyciu NADPH stanowią pierwszy trwały produkt fotosyntezy - triozy. W wyniku ich przekształcania powstaje glukoza oraz odtwarzana jest 1,5-bisfosforybuloza konieczna do związania kolejnych cząsteczek dwutlenku węgla.

Uproszczony zapis reakcji zachodzących w fazie ciemnej przedstawia równanie:

3 CO₂ + 9 ATP + 6 NADPH + 6 H⁺ → C₃H₆O₃ + 9 ADP + 8 Pi + 6 NADP⁺ + 3 H₂O

Faza jasna [edytuj]

Zamiana energii światła na energię wiązań chemicznych jest możliwa dzięki absorpcji kwantów światła (fotonów) przez chlorofil. Cząsteczka tego barwnika może absorbować zarówno kwant światła czerwonego, przechodząc ze stanu podstawowego (trypletowego) do pierwszego stanu wzbudzonego (pierwszego stanu singletowego), jak i kwant światła niebieskiego przechodząc ze stanu podstawowego do drugiego stanu wzbudzonego (drugiego stanu singletowego). Drugi stan wzbudzenia jest wyjątkowo nietrwały, cząsteczka chlorofilu szybko przechodzi do pierwszego stanu wzbudzenia, rozpraszając różnicę energii między stanami. Energia pierwszego stanu wzbudzenia może być przekazana poprzez kolejne cząsteczki chlorofilu do centrum reakcji fotoukładu wybijając z niego elektron. Energia wzbudzonego chlorofilu może być też wyemitowana jako kwant światła, co obserwuje się jako czerwone promieniowanie fluorescencyjne^[10].

Niezależnie od tego czy zostanie pochłonięty kwant światła niebieskiego, czy kwant światła czerwonego do wybicia elektronu z centrum reakcji używana jest jedynie energia pierwszego stanu wzbudzonego. W absorpcji światła biorą także udział barwniki należące do karotenoidów. Ich maksima absorpcji (400-500 nm) częściowo się pokrywają z maksimum absorpcji chlorofili (barwa niebieska), ale zakres obejmuje również część widma w niewielkim stopniu absorbowaną przez chlorofile (barwa niebieskozielona i zielona). W związku z tym udział karotenoidów zwiększa wykorzystane światła o część pasma słabo absorbowaną przez chlorofile. Cząsteczki karotenoidów znajdujące się w antenach fotosyntetycznych przekazują energię wzbudzenia do centrum reakcji za pośrednictwem chlorofilu. Barwniki pomocnicze znajdują się w kompleksach zbierających światło (LHC, ang. light-harvesting complex) nazywanych także antenami pomocniczymi. Anteny pomocnicze to kompleksy barwnikowo-białkowe otaczające centrum reakcji, do którego przekazują energię wzbudzenia barwników w nich występujących^[11]. LHC II towarzyszący fotoukładowi II składa się z białka o masie 26 kDa, siedmiu cząsteczek chlorofilu a, sześciu cząsteczek chlorofilu b i dwóch cząsteczek karotenoidów^[12]. Poza pełnieniem funkcji barwników pomocniczych karotenoidy chronią aparat fotosyntetyczny przed uszkodzeniem w przypadku nadmiaru światła^[13].

Fosforylacja niecykliczna [edytuj

Energia kwantów światła przekazana do centrum reakcji fotoukładu II powoduje wybicie elektronu^[18]. Elektron jest przekazywany przez cząsteczkę feofityny, a następnie poprzez cząsteczki plastochinonu połączone z białkami na wolny plastochinon. Powstały wskutek redukcji plastochinonu, plastochinol przemieszcza się w błonie tylakoidu, na drodze dyfuzji, do kompleksu cytochromowego b₆f. W obrębie kompleksu cytochromowego b₆f zachodzi cykl Q, w wyniku którego dodatkowe protony H⁺ przemieszczane są ze stromy chloroplastów do wnętrza tylakoidów. Kompleks cytochromowy b₆f przekazuje elektron na niewielkie białko zwierające miedź - plastocyjaninę. Odbiorcą elektronów od plastocyjaniny jest fotoukład I^[19], po uprzednim wybiciu elektronów z centrum reakcji. Wybicie elektronu z centrum reakcji fotoukładu I odbywa się poprzez wzbudzenie cząsteczki chlorofilu. Elektron wybity z centrum reakcji fotoukładu I przekazywany jest na cząsteczkę NADP⁺, która staje się formą zredukowaną NADPH. W przekazaniu elektronu na cząsteczkę NADP⁺ bierze udział kilka przekaźników, między innymi cząsteczka witaminy K (filochinon) oraz ferredoksyna. Miejsce po elektronie oderwanym z centrum reakcji fotoukładu II zapełniane jest przez elektron oderwany z wody. Reakcja ta jest przeprowadzana przez kompleks rozkładający wodę^[20][21]. Po oderwaniu 4 elektronów następuje rozszczepienie 2 cząsteczek wody na 4 protony i cząsteczkę tlenu^[22]. W wyniku uwalniania protonów, z rozkładu wody, wewnątrz tylakoidu - lumen, pobierania protonów podczas redukcji NADP⁺ w stromie chloroplastu oraz transportu protonów w cyklu Q, ze stromy do wnętrza tylakoidu, powstaje gradient protonowy - różnica stężeń protonów na zewnątrz i wewnątrz tylakoidu. Gradient protonowy jest wykorzystywany przez kompleks syntazy ATP do wytwarzania drugiego produktu fazy jasnej - ATP^[23]. Opisany szlak wędrówki elektronów z cząsteczki wody na cząsteczkę NADP⁺ określa się jako fosforylację niecykliczną^[24][25].

Fosforylacja cykliczna [edytuj]

W okresie zwiększonego zapotrzebowania na ATP elektron z ferredoksyny może zostać przeniesiony nie na NADP⁺, lecz na kompleks cytochromowy b₆f i następnie poprzez plastocyjaninę powrócić do centrum reakcji fotoukładu II. Takiemu cyklicznemu transportowi elektronów towarzyszy przenoszenie protonów przez błonę tylakoidu, wytwarzanie gradientu stężeń protonów i synteza ATP, nie powstaje jednak NADPH. Opisany szlak wędrówki elektronu nosi nazwę fosforylacji cyklicznej^[26][27].

Faza ciemna

Związki będące produktami fazy ciemnej fotosyntezy zostały szczegółowo poznane dzięki badaniom Melvina Calvina i Andrew Bensona, za co w 1961 roku Melvin Calvin otrzymał nagrodę Nobla. Badania te wykazały, że izotop węgla ¹⁴C podawany organizmom fotosyntetyzującym pojawia się najpierw w związku trójwęglowym - kwasie 3-fosfoglicerynowym. Z tego powodu rośliny, u którym pierwszym produktem asymilacji CO₂ jest związek trójwęglowy, określa się jako rośliny typu C₃^[28].

Faza karboksylacji [edytuj]

Dwutlenek węgla przyłączany jest do 1,5-bisfosforybulozy. Enzymem katalizującym przyłączenie cząsteczki CO₂ jest karboksylaza 1,5-bisfosforybulozy określana też jako karboksydysmutaza lub RuBisCO (ang. ribulose bisphosphate carboxylase-oxygenase). Enzym ten jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych białek w przyrodzie. W wyniku przyłączenia cząsteczki CO₂ do 1,5-bisfosforybulozy powstaje nietrwały związek sześciowęglowy - 1,5-bisfosfo-2-karboksy-3-ketoarabitol, który niemal natychmiast rozpada się na dwie cząsteczki kwasu 3-fosfoglicerynowego^[29].

Faza redukcji [edytuj]

Kwas 3-fosfoglicerynowy jest fosforylowany ze zużyciem ATP powstającego w fazie jasnej do kwasu 1,3-bisfosfoglicerynowego. Drugi wysokoenergetyczny produkt fazy jasnej jest z kolei zużywany w reakcji redukcji kwasu 1,3-bisfosfoglicerynowego do aldehydu 3-fosfoglicerynowego^[30].

Faza regeneracji [edytuj]

Z aldehydu 3-fosfoglicerynowego oraz pozostającego w stanie równowagi izomeru - fosfodihydroksyacetonu w cyklu reakcji (patrz schemat) z udziałem enzymów przenoszących części łańcuchów węglowych odtwarzany jest akceptor CO₂ 1,5-bisfosforybuloza. Po związaniu 6 cząsteczek CO₂ z cyklu może zostać wyprowadzona 1 cząsteczka heksozy^[30].

Reakcje te zachodzą w stromie chloroplastów i są określane jako cykl Calvina-Bensona. Jest to tzw. faza bezpośrednio niezależna od światła fotosyntezy. Należy jednak podkreślić, że światło stymuluje również niektóre enzymy cyklu Calvina-Bensona poprzez utrzymywanie w stanie zredukowanym ich grup sulfhydrylowych^[31].

Wydajność energetyczna fotosyntezy [edytuj]

Całkowite utlenienie glukozy do CO₂ i H₂O w reakcji:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O

Prowadzi do zmiany energii swobodnej ΔG°'= 2796 kJ mol ^-1. Wytworzenie jednego mola glukozy w reakcjach cyklu Calvina zgodnie z danymi przedstawionymi na schemacie wymaga 12 moli NADPH i 18 moli ATP. Utlenienie NADPH do NADP⁺ odpowiada ΔG°'=220 kJ mol ^-1. Dla reakcji hydroliza ATP do ADP i Pi ΔG°'=31 kJ mol ^-1. Zatem 12 moli NADPH stanowi (12 x 220 kJ) 2640 kJ, a 18 moli ATP (18 x 31 kJ) 558 kJ. W sumie do wytworzenia cząsteczki glukozy zostaje zużyte 3198 kJ. Wydajność energetyczna cyklu Calvina-Bensona wynosi więc 87%. Do związania jednej cząsteczki CO₂ konieczna jest absorpcja minimum 8 kwantów światła (4 kwanty na każdy z fotoukładów). Powstanie jednej cząsteczki glukozy wymaga związania 6 cząsteczek dwutlenku węgla, potrzebne jest zatem 48 kwantów światła. Jeden mol kwantów światła czerwonego to 176 kJ. Na wytworzenie 1 mola glukozy potrzebne jest więc (48 x 176 kJ x mol^-1) 8448 kJ. Wydajność energetyczna całego procesu fotosyntezy dla światła czerwonego wyniesie więc 33%. Chlorofil może absorbować zarówno kwanty światła czerwonego, jak i niebieskiego, którego mol kwantów niesie energię 268 kJ. W tym przypadku na wytworzenie glukozy potrzebne byłoby (48 x 268 kJ x mol^-1) 12864 kJ energii, a wydajność procesu wyniosłaby 22%. Dla światła fioletowego teoretyczna wydajność zmiany energii światła na energię wiązań chemicznych wyniesie ok. 19%^[42]. W komórce w absorpcji światła biorą udział chlorofile oraz inne barwniki asymilacyjne przekazujące energię do centrów reakcji z różną efektownością, zależną od warunków, dlatego dokładne określenie wydajności całego procesu nie jest możliwe. Efektywność zamiany energii docierającej do roślin w jako światło na energię zgromadzoną w biomasie wynosi od 3 do 6%, w zależności od typu fotosyntezy^[43][44].

Bakterie zielone i heliobakterie [edytuj]

Schemat fazy ciemnej fotosyntezy. Kolorem czerwonym podano nazwy enzymów katalizujących reakcje, kolorem niebieskim podano liczbę cząsteczek biorących udział w poszczególnych reakcjach

Czynniki wpływające na natężenie fotosyntezy [edytuj]

Natężenie światła [edytuj]

W sprzyjających warunkach rośliny mogą zużytkować w procesie fotosyntezy około 5% energii docierającego do liści światła. Ze względu na zakres absorpcji poszczególnych długości fali przez barwniki fotosyntetyczne na wydajność fotosyntezy wpływa jedynie natężenie światła w zakresie 400-700 nm. Natężenie światła biorącego udział w fotosyntezie określa się najczęściej jako gęstość przepływu fotonów fotosyntetycznych (PPFD - ang. photosynthetic photon flux density) wyrażaną w µmol (fotonów z zakresu 400-700 nm) m^{-2 s-1}. Przy pełnym nasłonecznieniu PPFD przekracza 1500 µmol m^-2 s^-1[70]. Zależność fotosyntezy od natężenia światła obrazuje tak zwana krzywa świetlna. W przypadku braku oświetlania rośliny wydzielają CO₂ produkowany podczas oddychania komórkowego. Przy natężeniach światła bardzo niskich proces wydzielanie CO₂ w oddychaniu komórkowym przeważą nad fotosyntetycznym wiązaniem CO₂ i roślina nadal wydziela dwutlenek węgla. Przy pewnym natężeniu światła specyficznym dla gatunku rośliny i panujących warunków (np. temperatury) dochodzi do zrównania pobierania CO₂ w procesie fotosyntezy i wydzielania CO₂ w procesie oddychania komórkowego, punkt ten nazywany jest świetlnym punktem kompensacyjnym. Rośliny wykorzystujące fotosyntezę C₃ mają wartość tego punktu niższą niż rośliny o fotosyntezie C₄. Szczególnie niska wartość świetlnego punktu kompensacyjnego mają rośliny określane nazwą cieniolubne lub cienioznośne. Przy natężeniu światła powyżej świetlnego punktu kompensacyjnego następuje dalszy wzrost natężenia fotosyntezy. Przy pewnym natężeniu światła, charakterystycznym dla każdej z roślin, dochodzi do wysycenia procesu fotosyntezy. Punkt ten nazywa się świetlnym punktem wysycenia. Jest on wyższy dla roślin o fotosyntezie C₄ niż dla roślin o fotosyntezie C₃. Również u roślin określanych jako światłolubne (heliofity) świetlny punkt wysycenia jest wyższy niż dla roślin określane jako cieniolubne (skiofity). Długie działanie wysokiego natężenie światła prowadzi do uszkodzenia aparatu fotosyntetycznego i obniżenia wiązania CO₂ przez roślinę. Zjawisko hamowania fotosyntezy przez wysokie natężenie światła nosi nazwę fotoinhibicji i jest głównie efektem uszkodzenia fotoukładu II^[71][72].

Znaczenie

Fotosynteza jest jednym z podstawowych procesów biologicznych. Warunkuje ona istnienie absolutnej większości organizmów żywych na Ziemi. Dzięki reakcjom fotosyntezy możliwa jest przemiana materii nieorganicznej (CO₂) w organiczną stanowiącą źródło energii dla organizmów heterotroficznych.

Jedynym alternatywnym źródłem związków organicznych jest proces chemosyntezy przeprowadzany przez niektóre bakterie. Ilość materii organicznej powstałej w wyniku chemosyntezy jest znikoma. Istnieją jednakże całe ekosystemy wokół hydrotermalnych kominów oceanicznych, w których produkcją związków organicznych zajmują się bakterie chemosyntetyzujące. Jednakże nawet w ekosystemach położonych na dnie oceanów fotosynteza prawdopodobnie zachodzi^[97][98]. Niewielkie ilości światła geotermalnego mogą być wykorzystane w procesie fotosyntezy u bakterii żyjących w otoczeniu kominów hydrotermalnych, przeprowadzających chemosyntezę, jako dodatkowe źródło energii^[99][100]. Pomimo produkcji substancji organicznych głównie na drodze chemosyntezy nawet te odległe od światła słonecznego ekosystemy pozostają zależne od procesu fotosyntezy zachodzącej na powierzchni kontynentów i oceanów. Organizmy tworzące wyższe poziomy troficzne w kominach oceanicznych posiadają hemoglobinę i korzystają z tlenu będącego ubocznym produktem fotosyntezy^[101].

To właśnie uboczny produkt fotosyntezy, tlen, jest niezbędny do życia wszystkich organizmów heterotroficznych z wyjątkiem bakterii beztlenowych. Z drugiej strony, tlen jako pierwiastek reaktywny może prowadzić do niszczenia związków organicznych i być toksyczny dla organizmów, nie tylko bezwzględnych anaerobów, dlatego niemal wszystkie obecnie żyjące na Ziemi organizmy wykształciły mniej lub bardziej skuteczne mechanizmy ochrony przed toksycznym działaniem tlenu. Paradoksalnie istnieją organizmy, które są jednocześnie zdolne do tlenorodnej fotosyntezy i ściśle beztlenowych innych procesów metabolicznych. Tak jest w przypadku niektórych sinic, które mogą anaerobowo wiązać wolny azot wyłącznie w oddzielonych od reszty kolonii heterocystach. Prawdopodobnie jednak we wczesnej historii życia tlen uwalniany przez pierwotne organizmy fotosyntetyzujące oksygenicznie był przyczyną swoistej klęski ekologicznej i wymarcia znacznej części ówczesnych gatunków^[14]. Cały obecny w atmosferze Ziemi tlen jest skutkiem fotosyntezy. Proces fotosyntezy jest jednym z czynników ustalających poziom CO₂ w atmosferze ziemskiej. Jego obecna zawartość - 0,0333% jest czynnikiem ograniczającym natężenie fotosyntezy wszystkich roślin z wyjątkiem roślin o fotosyntezie typu C₄. Dlatego przy wzrastającej ilości CO₂ w atmosferze ziemskiej należy spodziewać się także wzrostu wydajności procesu fotosyntezy. W wyniku fotosyntezy w ciągu roku na Ziemi gromadzone jest 10¹⁰ ton węgla w postaci związków organicznych, co odpowiada energii około 4,2 x 10¹⁷ kJ^[102].

FOTOSYNTEZA to złożone reakcje syntezy związków organicznych z prostych substancji nieorganicznych ( CO2, H2O ), które odbywają się poprzez wykorzystanie energii świetlnej. W procesie tym powstają związki mniej utlenione, a tym samym bogatsze w energię. Im więcej związek zawiera atomów H, tym ma wyższą wartość energetyczną. Głównym związkiem powstającym w wyniku redukcji CO2 są cukry. Przebieg fotosyntezy jest uzależniony od dostępu światła, obecności chloroplastów z barwnikami asymilacyjnymi i odpowiednimi enzymami, a także substratów w postaci CO2 i H2O. Dodatkowymi czynnikami mającymi wpływ na intensywność fotosyntezy są temperatura i sole mineralne.
Reakcję fotosyntezy można zapisać w następujący sposób:
energia świetlna
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 ↑
Fotosynteza przebiega w chloroplastach w dwóch fazach: świetlnej i ciemnej.
♦ reakcje świetlne: wykorzystują energię słoneczną do syntezy NADPH i ATP
♦ reakcje ciemne: zużywają NADPH i ATP do syntezy węglowodanów z CO2 i H2O.
UMIEJSCOWIENIE
W roślinach zielonych i sinicach fotosynteza jest umiejscowiona w chloroplastach. Reakcja świetlna zachodzi w błonie tylakoidów, a reakcja ciemna przebiega w stromie. U bakterii fotosyntetyzujących reakcja świetlna zachodzi w błonie komórkowej lub w miejscach inwaginacji tej błony ( chromatofory).

FAZA JASNA
Pochłanianie światła przez rośliny zielone
Światło słoneczne jest absorbowane przez cząsteczki chlorofilu, które są magnezoporfirynami. Rośliny zielone zawierają dwa rodzaje cząsteczek chlorofilu, chlorofil a i chlorofil b. Aczkolwiek światło jest pochłaniane bezpośrednio przez cząsteczki chlorofilu, istnieją również rozmaite barwniki pomocnicze, które absorbują światło i przenoszą energię wzbudzenia na cząsteczki chlorofilu. Ważnymi barwnikami pomocniczymi w roślinach zielonych są karotenoidy, natomiast w bakteriach fotosyntetyzujących barwnikami pomocniczymi są fikobyliny. Gdy cząsteczka chlorofilu zostanie pobudzona przez kwant światła ( foton ), elektron przechodzi na wyższy poziom energetyczny. Wzbudzony chlorofil przekazuje swoją energię wzbudzenia do sąsiedniej cząsteczki chlorofilu przez przeniesienie ekscytonu ( nazwane również przeniesieniem energii rezonansu) i powraca do stanu niewzbudzonego.
Pochłanianie energii słonecznej zachodzi w fotosystemach. Każdy fotosystem zawiera kompleks antenowy i centrum reakcji fotosyntetycznej. Kompleks antenowy składa się z kilku tysięcy cząsteczek chlorofilu i barwników pomocniczych wspólnie zgrupowanych w błonie tylakoidu. Gdy cząsteczka chlorofilu w kompleksie antenowym zostanie wzbudzona przez zaabsorbowane światło, energia poprzez przenoszenie ekscytonu przechodzi z cząsteczki na cząsteczkę, aż w końcu trafia do dwóch specjalnych cząsteczek chlorofilu znajdujących się w centrum reakcji fotosyntetycznej. Centrum reakcji przekazuje energię w postaci elektronu o wysokiej energii do łańcucha przenośników elektronów, znajdującego się w błonie tylakoidu.
Fotosystem I i fotosystem II.
Rośliny zielone i sinice mają dwa rodzaje fotosystemów, określonych jako fotosystem I ( PSI) i fotosystem II ( PSII) Chlorofil występujący w centrum reakcji PSI wykazuje maksimum absorbancji światła przy 700nm, został więc nazwany P700, a chlorofil z centrum reakcji PSII ma maksimum absorbancji przy 680nm, dlatego nazwano go P680. Te dwa fotosystemy łączy łańcuch transportu elektronów. Komponenty tego łańcucha rozmieszczone odpowiednio do ich potencjałów redoks tworzą tak zwany schemat “ Z”.

Sekwencja reakcji zachodzących podczas absorpcji światła jest następująca:
1.Światło jest pochłaniane przez cząsteczki chlorofilu znajdujące się w kompleksie antenowym PSII i energia zostaje skierowana do centrum reakcji zawierającego P680.
2.Wzbudzony P680 ( P680*) emituje elektron o wysokiej energii, który przechodzi do plastochinonu ( PQ). P680 pozostaje jako kation P680+. Plastochinon odbiera łącznie dwa elektrony i dwa jony H+, przy czym powstaje PQH2.
3.P680+ pobiera elektron z wody i powraca do stanu niewzbudzonego. Na usuniecie czterech elektronów z dwóch cząsteczek wody potrzeba czterech kwantów światła zaabsorbowanych przez PSII; reakcja ta prowadzi do powstania czterech jonów H+ i jednej cząsteczki O2.
4.Elektrony są przenoszone z PQH2 poprzez kompleks cytochromów bf do plastocyjaniny ( PC ). PC jest białkiem zawierającym miedź, które odbiera elektrony dzięki temu, że miedź oscyluje miedzy stanem Cu2+ a stanem Cu+
5.Energia świetlna zaabsorbowana przez kompleks antenowy PSI jest przekazywana do centrum reakcji. Tutaj P700 ulega wzbudzeniu ( do P700*) i emituje elektron o wysokiej energii do ferredoksyny, po czym staje się kationem P700+ .P700+ przyjmuje elektron z PC i w ten sposób powraca do stanu niepobudzonego.
6.Teraz dwa elektrony o wysokiej energii pochodzące z dwóch cząsteczek zredukowanej ferredoksyny są transportowane do NADP+ i redukują go do NADPH.

W zależności od kierunku przepływu elektronów wyróżniamy fosforylację fotosyntetyczną niecykliczną i cykliczną.

FOTOFOSFORYLACJA NIECYKLICZNA.
Podczas transportu elektronów kompleks cytochromów bf, który jest pompą protonową, pompując jony H+ ze stromy do przestrzeni wewnątrz tylakoidu, tworzy gradient H+. Jony H+ są uwalniane do wnętrza tylakoidu również wtedy, gdy w fotosystemie II zachodzi utlenianie wody z utworzeniem tlenu, a jony H+ używane podczas redukcji NADP+ do NADPH są pobierane ze stromy. Oba te zjawiska uczestniczą w tworzeniu gradientu H+. Gradient protonowy napędza syntezę ATP katalizowaną przez syntazę ATP umiejscowioną w błonie tylakoidu ( fotofosforylacja) . Ponieważ transport elektronów przebiega przez liniowo ustawione przenośniki elektronów, system ten nazwano fotofosforylacją niecykliczną.

FOTOFOSFORYLACJA CYKLICZNA
Gdy ilość NADP+ przyjmującego elektrony jest zbyt mała, jest wykorzystywana alternatywna droga transportu elektronów. Elektron o wysokiej energii oddawany przez fotosystem I przechodzi do ferredoksyny, następnie do kompleksu cytochromów bf, dalej do plastocyjaniny i z powrotem do fotosystemu I, do P700. W rezultacie gradient protonowy generowany przez kompleks cytochromów bf napędza syntezę ATP ( fotofosforylacja cykliczna) , ale nie dochodzi do utworzenia NADPH ani O2.

Podsumowując, gdy transport elektronów działa w sposób niecykliczny, to znaczy z udziałem obu fotosystemów ( PSI i PSII) syntetyzowany jest ATP i tworzy się NADPH. Natomiast w poszczególnych warunkach może działać fotofosforylacja cykliczna. Wówczas obieg elektronów zamyka się wokół fotosystemu I, a proces ten dostarcza wyłącznie ATP.

FAZA CIEMNA
Reakcje ciemne ( nazwane również reakcjami wiązania węgla) wykorzystują ATP i NADPH, wytwarzane w reakcjach świetlnych, do przekształcania dwutlenku węgla w węglowodany. Końcowymi produktami są sacharoza i skrobia.
Kluczową reakcję wiązania węgla katalizuje duży enzym o nazwie karboksylaza rybulozo- bifosforanowa ( w skrócie rubisco) , który jest umiejscowiony w stromie. W tej reakcji zachodzi kondensacja cząsteczki CO2 z rybulozo- 1,5 - bifosforanem (cząsteczka pięciowęglowa), w wyniku której tworzy się sześciowęglowy intermediat pośredni, szybko hydrolizujący do dwóch cząsteczek 3- fosfoglicerynianu .
Rubisco jest bardzo powolnym enzymem, który w ciągu jednej sekundy wiąże tylko trzy cząsteczki substratu, dlatego też każda roślina potrzebuje dużych ilości tego enzymu. Typowe jest, że ilość rubisco stanowi mniej więcej 50% całości białka w chloroplaście.
Reakcja rubisco stanowi część cyklu reakcji nazwanych cyklem Calvina, w których zachodzi regeneracja rybulozo-1,5-bifosforanu i utworzenie netto aldehydu 3-fosfoglicerynowego potrzebnego do syntezy sacharozy i skrobi. Aby mogła powstać jedna cząsteczka aldehydu 3-fosfoglicerynowego ( cząsteczka trójwęglowa), muszą zostać związane trzy cząsteczki CO2 . Przekształcenie w cyklu aldehydu 3-fosfoglicerynowego w rybulozo-1,5-fosforan wymaga siedmiu enzymów, łącznie z transketolazą i aldolazą. Ponieważ do przekształcenia każdej cząsteczki CO2 w węglowodan potrzebne są trzy cząsteczki ATP i dwie cząsteczki NADPH, całkowitą reakcję syntezy jednej cząsteczki aldehydu 3-fosfoglicerynowego można przedstawić następująco:

3CO2 + 6NADPH + 9 ATP → aldehyd 3-fosfoglicerynowy + 6NADP+ + 9ADP + 8Pi

---