Główna zawartość
Kurs: Biologia - program rozszerzony > Rozdział 3
Lekcja 5: Oddychanie komórkoweFosforylacja oksydacyjna
Omówienie fosforylacji oksydacyjnej. Łańcuch transportu elektronów tworzy gradient protonów w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej, co prowadzi do syntezy ATP na drodze chemiosmozy. Tłumaczenie na język polski: Fundacja Edukacja Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK.
Dlaczego potrzebujemy tlenu?
Ty, podobnie jak wiele innych organizmów, potrzebujesz tlenu do życia. Jak wiesz, jeśli kiedykolwiek próbowałeś zbyt długo wstrzymywać oddech, brak tlenu może powodować zawroty głowy, a nawet utratę przytomności, a długotrwały brak tlenu może nawet spowodować śmierć. Ale czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, dlaczego tak jest lub co dokładnie twoje ciało robi z tym tlenem?
Jak się okazuje, powodem, dla którego potrzebujesz tlenu, jest to, że twoje komórki mogą go wykorzystać podczas fosforylacji oksydacyjnej, ostatniego etapu oddychania komórkowego. Fosforylacja oksydacyjna składa się z dwóch ściśle powiązanych etapów: łańcucha transportu elektronów i chemiosmozy. W łańcuchu transportu elektronów elektrony są przekazywane z jednej cząsteczki do drugiej, a energia uwalniana w tych transferach elektronów jest wykorzystywana do utworzenia gradientu elektrochemicznego. W chemiosmozie energia zgromadzona w gradiencie jest wykorzystywana do wytworzenia ATP.
Gdzie zatem tlen ma swój udział w tych procesach? Tlen znajduje się na końcu łańcucha transportu elektronów, gdzie łączy się z elektronami i protonami, tworząc wodę. Jeśli nie ma tlenu, który mógłby przyjąć elektrony (na przykład, z powodu wdychania niewystarczającej ilości tlenu przez daną osobę), łańcuch transportu elektronów przestanie działać, a ATP przestanie być wytwarzany na drodze chemiosmozy. Bez wystarczającej ilości ATP komórki nie są w stanie przeprowadzać reakcji, których potrzebują do funkcjonowania, a po wystarczająco długim czasie mogą nawet umrzeć.
W tym artykule przyjrzymy się dogłębnie fosforylacji oksydacyjnej, sprawdzając, w jaki sposób zapewnia ona większość energii chemicznej (ATP) wykorzystywanej przez komórki w twoim ciele.
Fosforylacja oksydacyjna
Łańcuch transportu elektronów to seria białek i cząsteczek organicznych znajdujących się w wewnętrznej błonie mitochondriów. Elektrony są przekazywane z jednej cząsteczki łańcucha oddechowego do drugiej podczas serii reakcji redoks. Energia uwolniona w tych reakcjach jest przechowywana jako gradient protonów, który jest następnie wykorzystywany do wytworzenia ATP w procesie zwanym chemiosmozą. Łańcuch transportu elektronów i chemiosmoza razem składają się na fosforylację oksydacyjną. Kluczowe etapy tego procesu, przedstawione w uproszczonej formie na powyższym schemacie, obejmują:
- Dostarczenie elektronów przez NADH i FADH
. Zredukowane nośniki elektronów (NADH i FADH ) przenoszą elektrony z innych etapów oddychania komórkowego do cząsteczek z początku łańcucha oddechowego. W trakcie tego procesu przekształcają się z powrotem w NAD i FAD i mogą być ponownie wykorzystane na innych etapach oddychania komórkowego. - Transfer elektronów i pompowanie protonów. Gdy elektrony są przekazywane w dół łańcucha, przemieszczają się z wyższego do niższego poziomu energii, uwalniając tym samym energię. Część energii jest wykorzystywana do pompowania jonów H
, przenosząc je z matriks mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej. Prowadzi to do powstania gradientu elektrochemicznego. - Rozdzielanie cząsteczki tlenu z utworzeniem wody. Na końcu łańcucha transportu elektronów, elektrony są przenoszone na cząsteczkę tlenu, która rozdziela się i odbierając jony H
tworzy wodę. - Synteza ATP napędzana gradientem. Gdy jony H
migrują zgodnie z gradientem i wracają do matriks, przechodzą przez enzym zwany syntazą ATP, który wykorzystuje przepływ protonów do syntezy ATP.
Przyjrzymy się bliżej zarówno łańcuchowi transportu elektronów, jak i chemiosmozie.
Łańcuch transportu elektronów
Łańcuch transportu elektronów to zespół osadzonych w błonie białek i cząsteczek organicznych, z których większość jest zorganizowana w cztery duże kompleksy oznaczone od I do IV. U eukariontów znajdują się w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. U prokariotów elementy łańcucha transportu elektronów znajdują się w błonie plazmatycznej.
Gdy elektrony przemieszczają się wzdłuż łańcucha, przechodzą z wyższego na niższy poziom energii, przechodząc z mniej do bardziej "głodnych elektronów" cząsteczek. Podczas tego transferu elektronów uwalniana jest energia, a kilka kompleksów białkowych wykorzystuje uwolnioną energię do pompowania protonów z matriks mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej, tworząc tym samym gradient protonów.
Wszystkie elektrony, które wchodzą do łańcucha oddechowego, pochodzą z cząsteczek NADH i FADH wytwarzanych podczas wcześniejszych etapów oddychania komórkowego: glikolizy, utleniania pirogronianu i cyklu kwasu cytrynowego.
- NADH jest bardzo dobry w przekazywaniu elektronów w reakcjach redoks (to znaczy, że jego elektrony są na wysokim poziomie energetycznym), więc może przenosić swoje elektrony bezpośrednio do kompleksu I, przekształcając się z powrotem w NAD
. Gdy elektrony przemieszczają się przez kompleks I w serii reakcji redoks, energia jest uwalniana, a kompleks wykorzystuje tę energię do pompowania protonów z matriks do przestrzeni międzybłonowej. - FADH
nie jest tak dobry w przekazywaniu elektronów jak NADH (to znaczy, że jego elektrony są na niższym poziomie energetycznym), więc nie może przenieść swoich elektronów do kompleksu I. Zamiast tego wprowadza je do łańcucha oddechowego przez kompleks II, który nie pompuje protonów przez błonę.
Z powodu tego "obejścia", każda cząsteczka FADH powoduje pompowanie mniejszej liczby protonów (i przyczynia się w mniejszym stopniu do wytwarzania gradientu protonowego) niż NADH.
Oprócz drogi między dwoma pierwszymi kompleksami, elektrony z NADH i FADH podróżują dokładnie tą samą trasą. Zarówno kompleks I, jak i kompleks II przekazują elektrony do małego, ruchomego nośnika elektronów o nazwie ubichinon (koenzym Q, Q), który jest redukowany do postaci QH i przemieszcza się przez membranę, dostarczając elektrony do kompleksu III. Gdy elektrony przemieszczają się przez kompleks III, więcej jonów H jest pompowanych przez membranę, a elektrony są ostatecznie dostarczane do innego ruchomego nośnika zwanego cytochromem C (cyt C). Cyt C przenosi elektrony do kompleksu IV, gdzie ostatnia partia jonów H jest pompowana przez membranę. Kompleks IV przekazuje elektrony do O , który dzieli się na dwa atomy tlenu i przyjmuje protony z matriks, tworząc wodę. Do zredukowania każdej cząsteczki O potrzebne są cztery elektrony, a w procesie powstają dwie cząsteczki wody.
Ogólnie rzecz biorąc, co robi łańcuch transportu elektronów? Ma on dwie ważne funkcje:
- Regeneruje nośniki elektronów. NADH i FADH
przekazują swoje elektrony do łańcucha transportu elektronów, przekształcając się z powrotem w NAD i FAD. Jest to ważne, ponieważ utlenione formy tych nośników elektronów są wykorzystywane w glikolizie i cyklu kwasu cytrynowego i muszą być dostępne, aby procesy te mogły przebiegać. - Wytwarza gradient protonów. Łańcuch oddechowy buduje gradient protonów na wewnętrznej błonie mitochondrialnej, z wyższym stężeniem H
w przestrzeni międzybłonowej i niższym stężeniem w matriks. Ten gradient reprezentuje zmagazynowaną formę energii i, jak zobaczymy, można go wykorzystać do wytworzenia ATP.
Chemiosmoza
Kompleksy I, III i IV łańcucha transportu elektronów są pompami protonowymi. Gdy elektrony poruszają się wzdłuż łańcucha zgodnie z malejącą energią, kompleksy przechwytują uwolnioną energię i wykorzystują ją do pompowania jonów H z matriks mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej. To pompowanie tworzy gradient elektrochemiczny na wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Gradient jest czasem nazywany siłą napędzaną protonami i można go traktować jako formę zmagazynowanej energii, coś w rodzaju baterii.
Podobnie jak wiele innych jonów, protony nie mogą po prostu przejść przez dwuwarstwę fosfolipidową błony, ponieważ jej środek jest zbyt hydrofobowy. Dlatego też, jony H mogą zmniejszyć swój gradient stężenia tylko za pomocą białek transportowych, które tworzą hydrofilowe tunele przez błonę.
W wewnętrznej błonie mitochondrialnej jony H mają tylko jeden dostępny kanał: białko znane jako syntaza ATP. Pod względem działania, syntaza ATP przypomina turbinę w elektrowni wodnej. Zamiast obracania się pod wpływem wody, obraca się w wyniku przepływu jonów H poruszających się zgodnie z ich gradientem elektrochemicznym. Gdy syntaza ATP się obraca, katalizuje dodanie fosforanu do ADP, magazynując energię z gradientu protonu jako ATP.
Proces, w którym energia z gradientu protonów jest wykorzystywana do wytworzenia ATP, nazywa się chemiosmozą. Mówiąc szerzej, chemiosmoza może odnosić się do każdego procesu, w którym energia przechowywana w gradiencie protonów jest wykorzystywana do pracy. Chociaż na drodze chemiosmozy wytwarzane jest ponad 80% ATP podczas rozkładu glukozy w oddychaniu komórkowym, nie jest to unikalne zjawisko dla oddychania komórkowego. Na przykład chemiosmoza jest również zaangażowana w reakcjach świetlnych fotosyntezy.
Co stałoby się z energią zmagazynowaną w gradiencie protonów, gdyby nie została zużyta do syntezy ATP lub innej pracy komórkowej? Zostałaby uwolniona w postaci ciepła i, co ciekawe, niektóre typy komórek celowo wykorzystują gradient protonów do generowania ciepła zamiast syntezy ATP. Może się to wydawać marnotrawstwem, ale jest to ważna strategia dla zwierząt, które muszą się ogrzać. Na przykład hibernujące ssaki (takie jak niedźwiedzie) mają wyspecjalizowane komórki zwane komórkami brunatnego tłuszczu. W komórkach brunatnego tłuszczu termogenina jest wytwarzana i wprowadzana do wewnętrznej błony mitochondrialnej. Białka te są po prostu kanałami, które umożliwiają protonom przechodzenie z przestrzeni międzybłonowej do matriks bez przemieszczania się przez syntazę ATP. Zapewniając alternatywną drogę przepływu protonów z powrotem do matriks, termogenina umożliwia rozpraszanie energii w postaci ciepła.
Wydajność ATP
Ile ATP dostajemy z jednej cząsteczki glukozy w oddychaniu komórkowym? Jeśli zajrzysz do różnych książek lub zapytasz różnych profesorów, prawdopodobnie otrzymasz nieco inne odpowiedzi. Jednak większość obecnych źródeł szacuje, że maksymalna wydajność ATP dla cząsteczki glukozy wynosi około 30-32 ATP . Wynik ten jest niższy niż poprzednie szacunki, ponieważ uwzględnia konieczny transport ADP do i ATP z mitochondrium.
Skąd pochodzi liczba 30-32 ATP? Dwa netto ATP jest wytwarzane w glikolizie, a kolejne dwa ATP (lub równoważny energetycznie GTP) wytwarzany jest w cyklu kwasu cytrynowego. Poza tymi czterema, pozostałe ATP pochodzą z fosforylacji oksydacyjnej. Na podstawie wielu prac eksperymentalnych wydaje się, że cztery jony H muszą przepłynąć z powrotem do matriks przez syntazę ATP, aby zasilić syntezę jednej cząsteczki ATP. Kiedy elektrony z NADH przemieszczają się w łańcuchu oddechowym, około 10 jonów H jest pompowanych z matriks do przestrzeni międzybłonowej, więc każdy NADH daje około 2,5 ATP. Elektrony z FADH , które wchodzą do łańcucha na późniejszym etapie, napędzają pompowanie tylko 6 H , co prowadzi do produkcji około 1,5 ATP.
Dzięki tym informacjom możemy zrobić małe podsumowanie dla rozpadu jednej cząsteczki glukozy:
Etap | Główne produkty (netto) | Wydajność ATP (netto) |
---|---|---|
Glikoliza | 2 ATP | 2 ATP |
2 NADH | 3-5 ATP | |
Utlenianie pirogronianu | 2 NADH | 5 ATP |
Cykl kwasu cytrynowego | 2 ATP/GTP | 2 ATP |
6 NADH | 15 ATP | |
2 FADH | 3 ATP | |
Razem | 30-32 ATP |
Jedna liczba w tej tabeli wciąż nie jest dokładna: wydajność ATP z NADH uzyskana w glikolizie. Wynika to z tego, że glikoliza zachodzi w cytozolu, a NADH nie może przekroczyć wewnętrznej błony mitochondrialnej, aby dostarczyć swoje elektrony do kompleksu I. Zamiast tego musi przekazać elektrony molekularnemu „systemowi transporterów”, który dostarcza je poprzez szereg kroków, do łańcucha transportu elektronów.
- Niektóre komórki twojego ciała mają system transporterów, który dostarcza elektrony do łańcucha oddechowego za pośrednictwem FADH
. W tym przypadku wytwarzane są jedynie 3 ATP na 2 NADH z glikolizy. - Inne komórki organizmu mają system transporterów, który dostarcza elektrony za pośrednictwem NADH, co prowadzi do wytwarzania 5 ATP.
W bakteriach zarówno glikoliza, jak i cykl kwasu cytrynowego zachodzą w cytozolu, więc nie są potrzebne transportery; produkowanych jest 5 ATP.
30-32 ATP z rozpadu jednej cząsteczki glukozy jest optymistycznym szacunkiem, a rzeczywista wydajność może być niższa. Na przykład niektóre produkty przejściowe z oddychania komórkowego mogą być wykorzystywane przez komórkę w innych szlakach biosyntezy, zmniejszając liczbę wytwarzanego ATP. Oddychanie komórkowe jest ogniwem wspólnym wielu różnych szlaków metabolicznych w komórce, tworzących sieć, która jest dużo większa niż same ścieżki rozpadu glukozy.
Pytania do samodzielnego sprawdzenia swojej wiedzy
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji