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.

Literatura:

Lubert Stryer "Biochemia"PWN 1986 r
Jerzy Kączkowski "Biochemia roślin" PWN 1982
Andrzej Jasiński , Wincenty Jasiński " Ultrastruktura komórki" WSiP1984
EikeLibert " Fizjologia roślin" PWN 1981