ODDYCHANIE KOMÓRKOWE: Fosforylacja oksydacyjna

W procesie fosforylacji oksydacyjnej, zwi¹zanej bezpoœrednio z ³añcuchem oddechowym, zmiany entalpii swobodnej reakcji przenoszenia elektronów umo¿liwiaj¹ wychwytywanie czêœci wytwarzanej energii przez cz¹steczki ADP, które s¹ wa¿nymi sk³adnikami procesu fosforylacji. Dziêki 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 œrodowiska komórki, podczas transportu elektronów z NADH na tlen wyzwolona energia jest równa 220,8 kJ/mol. Z energii tej mog¹ byæ wytwarzane wysokoenergetyczne wi¹zania ATP przez przy³¹czanie fosforanów do cz¹steczek ADP. Tego rodzaju wytwarzanie wi¹zañ wysokoenergetycznych, sprzê¿one z przenoszeniem w ³añcuchu oddechowym, nosi nazwê fosforylacji oksydacyjnej. Fosforylacja oksydacyjna zachodzi tylko w mitochondriach. Poza nimi w komórce nie ma uk³adu tlenowych fosforylacji, wobec czego procesy utleniania zachodz¹ce z udzia³em tlenu nie s¹ sprzê¿one z syntez¹ ATP. Nie zwi¹zana w ATP energia wykorzystywana jest jako energia cieplna na utrzymanie temperatury cia³a zwierz¹t sta³ocieplnych.
Doœwiadczenia przeprowadzone na oddychaj¹cych mitochondriach wskazuj¹, ¿e podczas przenoszenia elektronów w ³añcuchu oddechowym rozpoczynaj¹cym siê od dehydrogenaz wspó³dzia³aj¹cych z NAD, na 1/2 mola O2 s¹ zu¿ywane 3 mole fosforanów nieorganicznych. Jeœli proces rozpoczyna siê od dehydsogenaz flawopro-teinowych, zu¿ycie fosforanów nieorganicznych na tê sam¹ iloœæ tlenu wynosi 2 mole. Wskazuje to, ¿e gdy ³añcuch oddechowy rozpoczyna siê od zredukowanego NAD, przy wykorzystaniu 1/2 cz¹steczki O2 s¹ syntetyzowane 3 cz¹steczki ATP, natomiast jeœli rozpoczyna siê od flawoprotein, powstaj¹ tylko 2 cz¹steczki ATP.
Energia zwi¹zana w powsta³ym makroergicznym wi¹zaniu fosforanowym wynosi oko³o 30,6 kJ/mol. Tego rodzaju wi¹zania w 3 cz¹steczkach ATP magazynuj¹ oko³o 91,8 kJ/mol energii, co stanowi oko³o 40% ca³kowitej wydajnoœci energetycznej ³añcucha oddechowego.
Mechanizm wytwarzania zarówno wysokoenergetycznych wi¹zañ ATP w procesie fosfory lacj i oksydacyjnej, jak i miejsce ich wytwarzania w ³añcuchu oddechowym nie zosta³y dotychczas wyjaœnione w sposób jednoznaczny. Istnieje wiele teorii, które usi³uj¹ t³umaczyæ te zagadnienia.
Najbardziej znane s¹ 3 hipotezy, których za³o¿enia zostan¹ w skrócie przedstawione, a mianowicie: hipoteza chemiczna, hipoteza chemiosmotyczna i hipoteza konformacyjna.

Hipoteza chemiczna jest znana jako teoria Slatera. Wed³ug tej teorii w procesie tworzenia wysokoenergetycznego wi¹zania ATP bierze udzia³ przenoœnik X o nieznanej budowie oraz noœnik A, którym mo¿e byæ jeden z uk³adów oksydacyjno-re-dukcyjnych ³añcucha oddechowego. Przenoœnik reaguje najpierw ze zredukowanym noœnikiem, tworz¹c makroergiczny kompleks A ~ X, a nastêpnie z ortofosforanem, przenosz¹c energiê i tworz¹c kompleks przenoœnika z fosforanem X ~(P). W ostatnim etapie nastêpuje przeniesienie wysokoenergetycznego wi¹zania fosforanu na ADP i wytworzenie ATP:

A + X A~X

A~X+(P) X~(P)+A

X~(P) + ADP ATP + X

Zak³ada siê, ¿e w tym mechanizmie bierze udzia³ tak¿e enzym wytwarzaj¹cy ATP. Nie uda³o siê jednak dotychczas wydzieliæ ¿adnych intermediantów wysokoenergetycznych tego procesu ani przenoœnika.
Hipoteza chemiczna sprzêga fosforylacjê tlenow¹ z okreœlonymi reakcjami ³añcucha oddechowego. Wed³ug tej hipotezy fosforylacja zachodzi w tych miejscach ³añcucha oddechowego, gdzie wystêpuje znaczna ró¿nica potencja³ów oksydoredu-kcyjnych miêdzy uk³adami. Im wiêksza jest ró¿nica potencja³ów, tym wydziela siê wiêcej energii. Czêœæ tej energii ulega rozproszeniu i wydziela siê w postaci ciep³a, czêœæ zaœ zostaje zmagazynowana w postaci ATP. Magazynowanie energii chemicznej odbywa siê w tych miejscach ³añcucha oddechowego, gdzie ró¿nica potencja³ów wynosi oko³o 160 mV.
Przypuszcza siê, ¿e jeœli ³añcuch oddechowy rozpoczyna siê od NADH, powstaj¹ 3 cz¹steczki ATP w nastêpuj¹cych 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) natleñ.

Na tym ostatnim etapie jest najwiêksza ró¿nica potencja³ów i wyzwala siê najwiêksza iloœæ energii.
Wiele hipotez uwa¿a b³onê mitochondrialn¹ za wa¿ny czynnik sprzê¿enia energetycznego. Nale¿y do nich hipoteza chemiosmotyczna Mitchella, wykluczaj¹ca udzia³ poœredników. Hipoteza ta jest obecnie uznawana za najbardziej zgodn¹ z ró¿nymi danymi doœwiadczalnymi i najlepiej t³umacz¹c¹ wiele zagadnieñ dotycz¹cych fosforylacji tlenowej. Istotn¹ rolê wed³ug tej hipotezy spe³nia rozdzia³ ³adunków elektrycznych po obydwu stronach b³ony mitochondrium. Szczególne znaczenie ma ró¿nica stê¿eñ protonów w poprzek b³ony oraz ich wymiana przez b³onê (rys. 1). Wymiana ta odbywa siê za poœrednictwem mechanizmu okreœlonego jako “pompa protonowa” (rys.2).
Wed³ug hipotezy chemiosmotycznej ³añcuch oddechowy jest wewn¹trz b³ony mitochondrium zwiniêty w 3 pêtle odpowiadaj¹ce 3 miejscom syntezy ATP (które zak³ada hipoteza chemiczna). 2 elektrony transportowane przez ³añcuch oddechowy

Rysunek 1. Schemat hipotetycznego u³o¿enia pêtli ³añcucha oddechowego oraz przemieszczania protonów przez b³onê mitochondrium.

Rysunek 12. Schemat dzia³ania “pompy protonowej”; * syntaza ATP transportuj¹ca H+(F1, F0)

ze zredukowanego NAD na tlen powoduj¹ przemieszczenie 6 protonów od wewnêtrznej strony b³ony mitochondrialnej na jej stronê zewnêtrzn¹, czyli ze œrodowiska matriks do œrodowiska cytosolu.
Ca³y proces rozpoczyna siê po wewnêtrznej stronie b³ony. Zredukowany NAD przekazuje 2 elektrony oraz proton znajduj¹cym siê wewn¹trz b³ony flawoprotei-nom zawieraj¹cym FMN. Po do³¹czeniu jeszcze jednego protonu ze œrodowiska, FMN ulega przejœciu w FMNH2. Kompleks bia³kowy zawieraj¹cy FMNjest tak du¿y, ¿e styka siê z zewnêtrzn¹ stron¹ b³ony mitochondrium. Istnieje zatem mo¿liwoœæ uwolnienia do cytosolu pary protonów. Natomiast elektrony redukuj¹ 2 cz¹steczki bia³ek ¿elazowo-siarkowych i dziêki nim przedostaj¹ siê do wewnêtrznej strony b³ony, sk¹d pobiera je cz¹steczka ubichinonu. Po do³¹czeniu dwóch protonów od strony matriks powstaje QH2, który jako dobrze rozpuszczalny w t³uszczach ³atwo przemieszcza siê do zewnêtrznej strony b³ony. Od³¹cza do cytosolu 2 protony, natomiast 2 elektrony oddaje 2 cz¹steczkom cytochromu b, które przenosz¹ je na stronê wewnêtrzn¹ b³ony. Tu nastêpuje przekazanie ich nastêpnej cz¹steczce ubichinonu, który po przyjêciu pary protonów przechodzi w formê QH2, wêdruj¹c¹ do zewnêtrznej strony b³ony. Po uwolnieniu protonów do cytosolu nastêpuje przekazanie elektronów 2 cz¹steczkom cytochromu c, znajduj¹cym siê w pobli¿u strony zewnêtrznej b³ony, sk¹d przez dalsze ogniwa ³añcucha s¹ przenoszone na wewnêtrzn¹ stronê b³ony do 2 cz¹steczek cytochromu a3, wchodz¹cych w sk³ad 2 cz¹steczek oksydazy cytochromowej. Nastêpuje przekazanie elektronów na atom tlenu, po czym jon tlenkowy, ³¹cz¹c siê z 2 protonami ze œrodowiska matriks, tworzy cz¹steczkê wody.
Wszystkie sk³adniki ³añcucha oddechowego znajduj¹ siê w wewnêtrznej b³onie mitochondrialnej. Z wyj¹tkiem CoQ, który wystêpuje w pewnym nadmiarze, pozosta³e sk³adniki ³añcucha maj¹ zachowane proporcje molowe. Zgodnie ze wspó³czesnymi pogl¹dami, wszystkie sk³adniki s¹ zgrupowane w piêciu kompleksach lipidowo-bia³kowych w celu pe³nienia okreœlonych 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.

Wed³ug hipotezy Mitchella, utlenianie przenoœników redukuj¹cych powoduje uwalnianie protonów (H+). Od CoQ przez dalsze ogniwa ³añcucha oddechowego biegn¹ ju¿ dalej tylko elektrony. Protony, które na skutek dzia³ania ³añcucha oddechowego wydosta³y siê na zewn¹trz mitochondrium, wywieraj¹ wp³yw na wytworzenie ró¿nicy potencja³ów elektrochemicznych po obydwu stronach b³ony. Ró¿nica ta jest si³¹ napêdow¹ syntezy ATP. Na powstanie tej¿e si³y napêdowej oprócz protonów wp³ywaj¹ tak¿e potencja³ b³onowy oraz gradient pH po obydwu stronach b³ony. B³ona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla protonów. Za usuwanie protonów na zewn¹trz mitochondrium jest odpowiedzialna pierwotna pompa protonowa. Jako pierwotna pompa protonowa dzia³aj¹ kompleksy: I, III i IV, przemieszczaj¹ce H+ na zewnêtrzn¹ powierzchniê b³ony. Wykorzystanie potencja³u elektrochemicznego transmembranowego umo¿liwia powrót H+ do mitochondrium, zwi¹zany z syntez¹ ATP. Umo¿liwia to:

– kompleks V: syntaza ATP transportuj¹ca H+ (Fl5 Fo).

Funkcja kompleksu V polega na syntezie ATP z ADP i Pnjeora o Fosforylacjê warunkuj¹ 2 czynniki bia³kowe Fj i Fo. Syntaza ATP, transportuj¹ca H+, dzia³a jako wtórna pompa protonowa, przemieszczaj¹ca protony (H+) w kierunku odwrotnym do dzia³ania pompy pierwotnej, tj. do wewn¹trz mitochondrium.
Oprócz hipotezy chemicznej i najbardziej powszechnej hipotezy chemiosmotycznej istnieje jeszcze hipoteza konformacyjna. Wed³ug tej teorii, energia pochodz¹ca z utleniania zostaje przekszta³cona w energiê przechowywan¹ w stanach konformacyjnych bia³ek mitochondrialnych. Bogaty w energiê stan konformacji mo¿e ulegaæ zmianom, które wyzwalaj¹ energiê na potrzeby syntezy ATP.
B³ona mitochondrialna oddziela wnêtrze mitochondrium od cytoplazmy. Wewn¹trz mitochondrium, oprócz ³añcucha oddechowego, zachodz¹ równie¿ reakcje cyklu Krebsa i beta-oksydacji kwasów t³uszczowych. Wszystkie te procesy s¹ uzale¿nione od przepuszczalnoœci b³ony mitochondrialnej. B³ona zewnêtrzna mitochondrium jest przepuszczalna dla wiêkszoœci metabolitów, natomiast przepuszczalnoœæ b³ony wewnêtrznej jest bardzo ograniczona. Dehydrogenazy, dla których akceptorem atomów wodoru jest FAD, jak np. dehydrogenaza bursztynianowa – znajduj¹ca siê po wewnêtrznej stronie b³ony mitochondrialnej – mo¿e bez przeszkód oddaæ atomy wodoru na ubichinon, z pominiêciem kompleksu I.
B³ona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla zredukowanego NAD. Mo¿e on byæ wytwarzany podczas glikolizy zachodz¹cej w cytozolu. Istnieje sposób przekazywania równowa¿ników redukcyjnych za pomoc¹ tzw. mostków substratowych:

Po obydwu stronach b³ony wystêpuje taka sama para substratów, która mo¿e przyj¹æ lub oddaæ atomy wodom, oraz enzym dehydrogenaza. Przez b³onê mitochondrialn¹ mog¹ przenikaæ cz¹steczki zredukowanego przez NADH substratu i wewn¹trz mitochondrium przekazaæ atomy wodoru na FAD. Powoduje to stratê jednej cz¹steczki ATP, ale s¹ inne korzyœci metaboliczne. Parê substratów i enzym mog¹ stanowiæ np. glicerolo-3-fosforan i dihydroksyacetonofosforan oraz enzym dehydrogenaza glicerolo-3-fosforanowa.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *