Podstawy biologii komórki t. 2

Tekst
0
Recenzje
Przeczytaj fragment
Oznacz jako przeczytane
Jak czytać książkę po zakupie
Czcionka:Mniejsze АаWiększe Aa

Elektrochemiczny gradient protonowy napędza również transport w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej

Synteza ATP nie jest jedynym procesem napędzanym przez elektrochemiczny gradient protonowy wytwarzany w mitochondriach. Wiele małych cząsteczek mających ładunek, na przykład pirogronian, ADP i nieorganiczny fosforan (Pi), jest wprowadzanych do mitochondrialnej macierzy z cytozolu, natomiast inne cząsteczki, takie jak ATP, muszą zostać przetransportowane w kierunku przeciwnym.

Nośniki białkowe (transportery), które wiążą te cząsteczki, na przykład sprzęgają ich transport z energetycznie korzystnym przepływem H+ do macierzy (patrz nośniki sprzężone na rys. 12.15). Między innymi pirogronian i Pi ulegają kotransportowi do macierzy wskutek transportu sprzężonego z translokacją protonu, ponieważ protony przemieszczają się zgodnie z elektrochemicznym gradientem ich stężenia do wnętrza mitochondrium.

Z kolei inne nośniki białkowe wykorzystują potencjał błonowy będący skutkiem elektrochemicznego gradientu protonowego, w wyniku którego strona macierzowa wewnętrznej błony mitochondrialnej ma bardziej ujemny ładunek niż strona skierowana do przestrzeni międzybłonowej, czyli strona cytoplazmatyczna (patrz rys. 14.15). Pewien wyspecjalizowany antyporter (nośnik przeprowadzający antyport) korzysta z takiej różnicy potencjałów, aby transportować ATP z mitochondrialnej macierzy oraz ADP w kierunku odwrotnym. Taka wymiana nukleotydów umożliwia szybkie rozprowadzanie w komórce ATP zsyntetyzowanego w mitochondriach, i tym samym dostarczanie energii użytkowej do miejsc docelowych (rys. 14.18).


Rys. 14.18. Elektrochemiczny gradient protonowy wytwarzany w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej jest również wykorzystywany do napędzania niektórych procesów transportu sprzężonego. Ładunek elektryczny każdej cząsteczki ulegającej transportowi podano w celu odniesienia się do potencjału błonowego, którego wartość jest ujemna po stronie macierzowej błony wewnętrznej. Pirogronian i fosforan nieorganiczny (Pi) przemieszczają się do macierzy wraz z protonami, przepływającymi zgodnie z elektrochemicznym gradientem ich stężenia. Oba te związki mają ujemny ładunek elektryczny, zatem ujemna wartość potencjału błonowego przeciwdziała ich transportowi; jednakże wykorzystywanie gradientu stężenia H+ – i tym samym gradientu pH – umożliwia translokację obu typów cząsteczek do macierzy. Z kolei wymiana nukleotydów adeninowych zachodzi w wyniku procesu antyportu, wykorzystującego różnicę potencjałów w poprzek błony, i prowadzi do przeniesienia ADP do macierzy, po czym ATP w kierunku przeciwnym. Zewnętrzna błona mitochondrialna jest przepuszczalna dla wszystkich wspomnianych tutaj cząsteczek, gdyż znajdują się w niej białka porynowe (nie pokazano). Zarówno transport aktywny cząsteczek przenoszonych przez błony z udziałem białkowych nośników, jak i tworzenie potencjału błonowego, omówiono w rozdziale 12

Elektrochemiczny gradient protonowy jest również potrzebny do translokacji białek w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej, które kierowane są do macierzy. Jak już wspomniano wcześniej, mimo że mitochondria zachowały swój własny genom – dzięki czemu mogą syntetyzować część potrzebnych im białek – to jednak większość białek zapewniających prawidłowe funkcjonowanie mitochondriów jest wytwarzana w cytozolu, zatem musi zachodzić ich aktywny import do tych organelli. Proces tego transportu – wymagający dostarczania energii w postaci elektrochemicznego gradientu protonowego, jak i energii pochodzącej z hydrolizy ATP – omówimy w rozdziale 15.

W komórkach eukariotycznych elektrochemiczny gradient protonowy jest zatem wykorzystywany zarówno do napędzania reakcji syntezy ATP, jak i transportu niektórych metabolitów i białek przez wewnętrzną błonę mitochondrialną. Podobnie dzieje się u bakterii, gdyż gradient protonowy wytwarzany w poprzek ich błony komórkowej także służy do wytwarzania ATP oraz pobierania cząsteczek pożywienia. Ponadto gradient ten sam w sobie jest ważnym źródłem energii użytkowej, bezpośrednio wykorzystywanej przez bakterie zdolne do aktywnego ruchu, u których na przykład przepływ protonów do wnętrza komórki napędza szybkie obroty bakteryjnej wici, i tym samym warunkuje przemieszczanie się komórki w środowisku (film 14.8).

Szybkie przekształcanie ADP w ATP zachodzące w mitochondriach utrzymuje wysoką wartość stosunku ATP/ADP w komórkach

Wskutek wymiany nukleotydów pomiędzy cytozolem a mitochondrium, przedstawionej na rysunku 14.18, cząsteczki ADP – powstające w wyniku hydrolizy ATP w cytozolu – są szybko wychwytywane i ponownie wprowadzane do mitochondriów w celu przeprowadzenia reakcji ich fosforylacji, natomiast większość cząsteczek ATP wytwarzanych w mitochondriach ulega przemieszczeniu do cytozolu, który wykazuje duże zapotrzebowanie na ATP. Stosunkowo małą pulę ATP wykorzystują same mitochondria w celu przeprowadzania replikacji DNA, syntezy i translokacji białek, a także innych zachodzących w nich procesów wymagających dostarczania energii. Ciągłe krążenie ATP i ADP pomiędzy przedziałami komórki prowadzi do tego, że w ciele człowieka z reguły cząsteczka ATP więcej niż raz na minutę opuszcza mitochondrium, a następnie już jako ADP powraca do tej organelli.

Tak jak to opisano w rozdziale 13, większość enzymów zaangażowanych w biosyntezę przeprowadza reakcje energetycznie niekorzystne, poprzez ich sprzęganie z energetycznie korzystną hydrolizą ATP (patrz rys. 3.32). Pula ATP powstająca w komórce jest zatem wykorzystywana do napędzania wielu różnych procesów, w bardzo podobny sposób do działania baterii stosowanych do zasilania urządzeń elektrycznych. Dlatego też, aby ATP stanowiło źródło szybko dostępnej energii użytecznej, jego stężenie w cytozolu musi być około dziesięciokrotnie wyższe niż stężenie ADP. W sytuacji wstrzymania aktywności mitochondriów poziom ATP gwałtownie spada i daje efekt „wyczerpania baterii” komórki. W związku z tym niekorzystne energetycznie reakcje nie będą mogły być kontynuowane, a sama komórka obumrze. Dokładnie w ten sposób działa trujący dla nas cyjanek, który zabija poprzez hamowanie transportu elektronów, zachodzącego z udziałem określonych składników wewnętrznej błony mitochondrialnej.

Oddychanie komórkowe jest niezwykle wydajne

Utlenianie cukrów prostych w celu wytwarzania ATP z pozoru wydaje się bardzo skomplikowane. Z pewnością proces ten można byłoby przeprowadzić bardziej bezpośrednio – na przykład poprzez wykluczenie cyklu kwasu cytrynowego lub niektórych etapów funkcjonowania łańcucha oddechowego. Oczywiście uproszczenie całokształtu przemian energetycznych zachodzących w układach biologicznych sprawiłoby, że zdecydowanie łatwiej uczylibyśmy się chemii – jednak na takiej zmianie nie skorzystałyby komórki. Tak jak to opisano w rozdziale 13, szlaki utleniania metabolitów, umożliwiające pozyskiwanie użytecznej formy energii z cząsteczek pożywienia, obejmują wiele intermediatów, bardzo podobnych do siebie w kolejno zachodzących reakcjach. Tym sposobem ogromna ilość energii zmagazynowana w cząsteczkach pożywienia może ulec rozdzieleniu na mniejsze porcje, a następnie zostać przechwycona przez aktywowane nośniki, takie jak NADH i FADH2 (patrz rys. 13.1).

Ostatecznie większość energii elektronów przenoszonych przez NADH i FADH2 ulega przekształceniu w energię określonego wiązania chemicznego cząsteczki ATP. Ilość powstającego ATP, w odniesieniu do tych aktywowanych nośników, zależy od kilku czynników, w tym od miejsca wprowadzenia elektronów do łańcucha oddechowego. Cząsteczki NADH generowane w mitochondrialnej macierzy podczas zachodzenia cyklu kwasu cytrynowego przekazują swoje elektrony o wysokiej energii do kompleksu dehydrogenazy NADH (kompleksu I) – pierwszego kompleksu typowego łańcucha transportu elektronów. Jednokierunkowy transfer elektronów pomiędzy kompleksami enzymatycznymi prowadzi do pompowania protonów w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej. Tym sposobem każda cząsteczka NADH dostarcza na tyle dużo energii netto, że jej utlenienie się przyczynia się do wytworzenia około 2,5 cząsteczek ATP (patrz pytanie 14.5 wraz z odpowiedzią).

Z kolei cząsteczki FADH2 pomijają kompleks dehydrogenazy NADH i przekazują przenoszone elektrony do kompleksu reduktazy bursztynian–koenzym Q (kompleksu II). Kolejnym akceptorem tych elektronów jest pula błonowego koenzymu Q (ubichinonu), obejmująca cząsteczki ruchomych i niebiałkowych nośników elektronów (patrz rys. 14.14). W związku z tym, że elektrony pochodzące od FADH2 są wprowadzane na dalszym etapie łańcucha oddechowego niż elektrony przekazywane przez NADH, ich transport przekłada się na pompowanie mniejszej ilości protonów. Utlenienie się każdej cząsteczki FADH2 daje zatem jedynie 1,5 cząsteczki ATP. Tabela 14.1 przedstawia sumaryczną liczbę cząsteczek ATP syntetyzowanych w wyniku całkowitego utlenienia się glukozy.


TABELA 14.1. WYDAJNOŚĆ ENERGETYCZNA CAŁKOWITEGO UTLENIENIA CZĄSTECZKI GLUKOZY
Proces Bezpośredni produkt Końcowa wydajność procesu syntezy ATP na cząsteczkę utlenionej glukozy
Glikoliza 2 NADH (cytozol) 3*
2 ATP 2
Utlenianie pirogronianu do acetylo-CoA (zachodzi dwukrotnie na cząsteczkę utlenionej glukozy) 2 NADH (macierz mitochondrialna) 5
Całkowite utlenienie grup acetylowych acetylo-CoA (zachodzi dwukrotnie na cząsteczkę utlenionej glukozy) 6 NADH (macierz mitochondrialna) 15
2 FADH2 3
2 GTP 2
W SUMIE 30

* Utlenienie NADH wytwarzanego w cytozolu daje mniej cząsteczek ATP niż utlenienie NADH generowanego w macierzy mitochondrialnej, ponieważ wewnętrzna błona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla NADH. U wielu organizmów wprowadzanie elektronów z cytozolowego NADH do łańcucha oddechowego wymaga dodatkowych mechanizmów, które mogą zmniejszać wydajność energetyczną NADH.

 

PYTANIE 14.5

Oblicz zysk cząsteczek ATP, których synteza wynika z przetransportowania z udziałem łańcucha oddechowego pary elektronów z NADH do tlenu cząsteczkowego, jeżeli: 1) na każdy elektron przeniesiony przez trzy enzymatyczne kompleksy oddechowe przypada pięć protonów pompowanych w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej, 2) musi zajść przepływ trzech protonów przez syntazę ATP w celu syntezy jednej cząsteczki ATP z ADP i fosforanu nieorganicznego w macierzy mitochondrialnej, 3) jeden proton zostanie przeznaczony na utrzymywanie różnicy potencjałów w celu transportu jednej cząsteczki ATP z macierzy mitochondrialnej do cytozolu, miejsca jej wykorzystania.

Mimo że utlenianie biologiczne glukozy do CO2 i H2O obejmuje wiele wzajemnie ze sobą powiązanych etapów, łączna wydajność energetyczna tego procesu – zwanego tlenowym oddychaniem komórkowym – jest niezwykle duża. Prawie 50% całkowitej energii uwalnianej w wyniku spalania cukrów prostych i kwasów tłuszczowych zostaje przechwyconej i zachowanej w postaci określonych wiązań fosforanowych cząsteczek ATP powstających podczas tlenowego oddychania komórkowego. Na pierwszy rzut oka może nie robi to dużego wrażenia, jednak wydajność ta jest znacznie lepsza w porównaniu z niektórymi stworzonymi przez człowieka urządzeniami przekształcającymi energię. Silniki elektryczne i spalinowe jeszcze niedawno miały zaledwie 10–20% wydajność energetyczną5. Gdyby taką efektywnością przekształcania energii cechowały się komórki, organizm musiałby jeść bez przerwy tylko po to, aby utrzymać się przy życiu. Ponadto, z powodu uwalniania w postaci ciepła nieprzechwyconej energii, organizmy o dużych rozmiarach (w tym człowiek) musiałyby wykształcić znacznie bardziej skuteczne mechanizmy ochładzania ciała niż te obecnie funkcjonujące. Dlatego też trudno nam sobie wyobrazić, w jaki sposób doszłoby do powstania zwierząt, gdyby nie funkcjonowały złożone i jednocześnie ekonomiczne mechanizmy, pozwalające komórkom na uzyskiwanie maksymalnej ilości energii z przyjmowanego pożywienia.

Molekularne mechanizmy transportu elektronów i pompowania protonów

Przez wiele lat biochemicy starali się zrozumieć, dlaczego łańcuch transportu elektronów musi znajdować się w błonach, aby mógł funkcjonować w celu wytwarzania ATP. Rozwiązanie tej zagadki nastąpiło w latach 60. XX wieku, gdy odkryto, że gradient protonowy w poprzek błony napędza ten proces. Jednak koncepcja sprzężenia chemiosmotycznego początkowo była na tyle nowatorska, że nie znalazła powszechnej akceptacji. Podejście do niej zmieniło się dopiero po ponad dekadzie, w wyniku przeprowadzenia badań wykorzystujących sztuczne systemy przekształcania energii, które ujawniły kluczową rolę gradientu protonowego, co opisano w Skąd to wiemy.

Mimo że wielu naukowców pracuje nad ustalaniem nowych szczegółów sprzężenia chemiosmotycznego na poziomie atomowym, to istota tego zjawiska jest obecnie dobrze poznana. W sekcji tej przeanalizujemy podstawowe zasady, na których opiera się transport elektronów, a także, biorąc pod uwagę molekularne aspekty, wyjaśnimy, w jaki sposób transport elektronów napędza wytwarzanie gradientu protonowego. Ponieważ mechanizm wykorzystywany przez mitochondria, chloroplasty i wielu przedstawicieli prokariontów jest bardzo podobny, jego specyfika dotyczy niemal wszystkich organizmów.

Transport elektronów umożliwia pompowanie protonów

Mimo że sposób przechodzenia przez błonę protonów i innych kationów, na przykład Na+ czy K+, pod wieloma względami może wyglądać podobnie, to jednak jony H+ cechuje pewna wyjątkowość. Atomy wodoru są zdecydowanie najliczniejszym rodzajem atomu w organizmach żywych, a ich duża ilość występuje nie tylko we wszystkich zawierających szkielety węglowe cząsteczkach związków organicznych, lecz także w cząsteczkach wszechotaczającej wody. W roztworze wodnym proton bardzo szybko przemieszcza się w wyniku dynamicznego oddysocjowania od jednej cząsteczki wody oraz ponownego łączenia się z sąsiadującą cząsteczką H2O, zatem H+ sprawnie „przeskakuje” pomiędzy cząsteczkami wody tworzącymi swoistą sieć stabilizowaną wiązaniami wodorowymi (patrz rys. 2.15B). Wszechobecna w komórce woda jest zatem bezpośrednim zasobem protonów, służącym do ich przekazywania oraz przyjmowania. Te „wędrujące” protony często towarzyszą elektronom przenoszonym podczas reakcji utleniania i redukcji. W stanie odosobnionym elektron (e) ma ładunek ujemny. Jednak gdy określona cząsteczka ulega redukcji w wyniku przyjęcia elektronu, najczęściej następuje natychmiastowa neutralizacja jego ładunku poprzez przyłączenie protonu pochodzącego od cząsteczki wody. Efektem netto zachodzącej reakcji redukcji jest zatem dodanie całego atomu wodoru, H+ + e (rys. 14.19A).


Rys. 14.19. Transport elektronów może doprowadzać do przemieszczania się całych atomów wodoru, ponieważ cząsteczki wody z łatwością przyjmują lub przekazują protony. W przedstawionych przykładach (A) cząsteczka utlenionego nośnika elektronów, X, pobiera elektron i proton w wyniku czego ulega redukcji, natomiast (B) cząsteczka zredukowanego nośnika elektronów, Y, traci elektron i proton, w wyniku czego ulega utlenieniu

Podobna sytuacja ma miejsce, gdy określona cząsteczka ulega utlenieniu, w wyniku czego przeważnie traci ona elektron należący do jednego z jej atomów wodoru. Najczęściej przeniesienie tego elektronu na nośnik elektronów prowadzi do przekazania pozostawionego na utlenianej cząsteczce protonu do H2O (rys. 14.19B). Dlatego też transport elektronów wzdłuż łańcucha oddechowego znajdującego się w błonie zasadniczo w prosty sposób przyczynia się do pompowania protonów z jednej strony błony na drugą. Praktycznie najważniejszym warunkiem jest odpowiedni układ molekularny nośnika elektronów w błonie, taki aby mógł on przyjąć elektron – wraz z protonem pochodzącym od H2O – po jednej stronie błony, a następnie uwolnić ten proton po drugiej stronie błony, w wyniku przekazania elektronu do kolejnej cząsteczki nośnika elektronów w łańcuchu oddechowym (rys. 14.20).


Rys. 14.20. Transport elektronów napędza pompowanie protonów, gdyż nośnik elektronów znajdujący się w błonie ma odpowiedni układ molekularny. Podczas transportu elektronu wzdłuż łańcucha oddechowego na poszczególnych etapach dochodzi do związania i uwolnienia protonu. Na przedstawionym schemacie nośnik elektronów, białko oznaczone jako B, pobiera proton (H+) z jednej strony błony wówczas, gdy przyjmuje elektron (e) od białkowego nośnika A; białkowy nośnik B uwalnia wcześniej związany proton po drugiej stronie błony w wyniku przekazania transportowanego elektronu do kolejnego nośnika elektronów, białka C. W przykładzie tym transfer jednego elektronu przyczynia się odpowiednio do pompowania jednego protonu w poprzek błony

Potencjał oksydoredukcyjny jest miarą powinowactwa do elektronów

Transport elektronów z udziałem białek łańcucha oddechowego zachodzi w ten sposób, że elektrony przemieszczają się skokowo, od jednego kompleksu enzymatycznego do następnego. Każdy transfer elektronu stanowi układ reakcji utleniania oraz redukcji, i tak jak to opisano w rozdziale 3, gdy cząsteczka lub atom oddaje elektron, ulega utlenieniu, natomiast przyjęcie elektronu prowadzi odpowiednio do zredukowania akceptora. W nieunikniony sposób reakcje te są ze sobą sprzężone, ponieważ elektrony odbierane z danej cząsteczki zawsze są przekazywane do innej, zatem gdy tylko jedna z nich ulegnie utlenieniu, to druga staje się zredukowana.

Podobnie jak w przypadku innych reakcji chemicznych, możliwość spontanicznego zachodzenia reakcji oksydoredukcyjnych, czyli reakcji redoks, zależy od zmiany energii swobodnej (ΔG) transportu elektronów, uzależnionej z kolei od względnego powinowactwa do elektronów cząsteczek biorących udział w reakcji. Cząsteczki o stosunkowo małym powinowactwie do określonych elektronów, których są nośnikiem, przekażą je spontanicznie (a zatem z łatwością je oddają) do cząsteczek o większym powinowactwie względem elektronów. Na przykład NADH wykazuje małe powinowactwo do przenoszonych elektronów i dlatego szybko przekazuje je do kompleksu dehydrogenazy NADH (patrz rys. 14.14). Baterie, które zasilają urządzenia elektroniczne, działają na bardzo podobnej zasadzie, gdyż są tak skonstruowane, że elektrony przepływają między dwiema substancjami chemicznymi o różnym powinowactwie do elektronów.

Ponieważ transport elektronów zapewnia organizmom uzyskiwanie większości energii użytkowej, warto poświęcić trochę czasu na zrozumienie tego procesu. W rozdziale 2 dowiedzieliśmy się, że cząsteczki, które oddają protony, nazywamy kwasami; natomiast cząsteczki przyjmujące protony zwiemy zasadami (patrz panel 2.2). Oba rodzaje cząsteczek występują w postaci sprzężonych par kwas–zasada, w których kwas łatwo ulega przekształceniu w zasadę po utracie protonu. Na przykład konwersja kwasu octowego (CH3COOH) w sprzężoną zasadę (CH3COO) zachodzi w wyniku reakcji:

CH3COOH ⇔ CH3COO + H+

Z tego samego powodu para związków chemicznych tworzona przez NADH i NAD+ jest nazywana parą redoks, ponieważ w wyniku utraty elektronów NADH przekształca się w NAD+, co ukazuje poniższa reakcja:

NADH ⇔ NAD+ + H+ + 2e

NADH jest silnym donorem elektronów, ponieważ przenoszone przez niego elektrony – można by powiedzieć – są stale utrzymywane w stanie „o wysokiej energii”, w związku z tym ΔG wynikająca z przekazania tych elektronów do wielu innych rodzajów cząsteczek jest bardzo korzystna. Natomiast trwalsze zachowanie elektronów „o wysokiej energii” jest utrudnione w przypadku NADH, dlatego jego utleniony odpowiednik, NAD+, jest słabym akceptorem elektronów.

Kierunek reakcji pary redoks NADH/NAD+, w wyniku której dochodzi do przekazania lub przyjęcia elektronów, można określić doświadczalnie poprzez pomiar potencjału oksydoredukcyjnego (redoks) tej pary (panel 14.1). Im niższy jest potencjał redoks, tym mniejsze powinowactwo do elektronów ma cząsteczka – zatem z dużym prawdopodobieństwem będzie ona funkcjonowała jako donor elektronów. Wartość potencjału redoks wyrażamy w woltach, tak jak w przypadku standardowo stosowanych baterii.

 

Dlatego też transport elektronów zachodzi spontanicznie, od pary redoks o niskim potencjale redoks (inaczej: małym powinowactwie do elektronów), takiej jak NADH/NAD+, do pary redoks o wysokim potencjale redoks (inaczej: dużym powinowactwie do elektronów), takiej jak O2/H2O. Stąd NADH jest cząsteczką doskonale nadającą się do przekazywania elektronów do łańcucha oddechowego, natomiast O2 jest odpowiednia do tego, aby działać jako „zlewnia” dla elektronów (ang. electron sink) na końcu ścieżki ich transportu. Tak jak to wyjaśniono w panelu 14.1, różnica standardowego potencjału redoks, ΔE0, jest bezpośrednią miarą zmiany standardowej energii swobodnej (ΔG°), wynikającej z transportu elektronu pomiędzy dwiema cząsteczkami.

To koniec darmowego fragmentu. Czy chcesz czytać dalej?