5.4: זרחון חמצוני

Last updated
Save as PDF

Page ID: 208554

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

זרחון חמצוני מציין את הזרחון של ADP ל-ATP, תוך ניצול האנרגיה מהובלות אלקטרונים עוקבות (ומכאן ה"חמצוני"). התפיסה הבסיסית היא שחמצון של NADH, בהיותו אקסרגוני מאוד, יכול לייצר את האנרגיה הדרושה לזרחן ADP. מכיוון שחמצון של NADH על ידי חמצן יכול לשחרר 52 קק"ל/מול (218 kJ/mol), והאנרגיה הדרושה לזרחן ATP היא כ-7.5 קק"ל/מול (30.5 קילו-ג'יי/מול), אנו אמורים להיות מסוגלים לצפות להיווצרות של מספר ATP לכל NADH מחומצן. אכן, זה מה שקורה, אם כי לא באופן ישיר. כפי שצוין עם פירוק הגלוקוז, חמצון של שלב אחד יפיק יותר מדי אנרגיה לטיפול בתהליכים תאיים, ורובם יתבזבזו. אז במקום לחמצן את NADH ישירות עם O ₂, האלקטרונים מועברים לסדרה של נשאים בעלי אנרגיה נמוכה בהדרגה עד שהם מגיעים לבסוף לחמצן. רצף זה הוא שרשרת הובלת האלקטרונים.

צילום מסך 2018-12-23 בשעה 11.44.59 AM.png — איור\(\PageIndex{6}\). מסלול הובלת האלקטרונים העיקרי במיטוכונדריה. מתחמי I, III ו- IV מוצגים. מתחם II מתואר באיור\(\PageIndex{10}\). המתחמים כולם קבורים בקרום המיטוכונדריאלי הפנימי. פרוטונים נשאבים מהמטריצה לחלל הבין-ממברני תוך שימוש באנרגיה המופקת מהאלקטרונים בעלי האנרגיה הגבוהה כשהם עוברים ממוביל אנרגיה גבוהה יותר למוביל בעל אנרגיה נמוכה יותר.

שרשרת הובלת האלקטרונים מבוססת על פעילותם של ארבעה מתחמי אנזים עיקריים (הנקראים בנוחות קומפלקסים I-IV) המוטבעים בקרום המיטוכונדריאלי הפנימי, יחד עם כמה נשאי אלקטרונים קטנים הניתנים לפיזור בקלות כדי להעביר את האלקטרונים ממתחם אחד למשנהו. קומפלקסים אלה קיימים במספרים גבוהים במיוחד כיאה לנחיצותם בייצור אנרגיה, המהווים כמעט 75% ממסת הממברנה הפנימית (לשם השוואה, לקרום הפלזמה של תא אוקריוטי ממוצע יש ריכוז חלבון קרוב יותר ל -50%). סקירה כללית של התהליך מוצגת באיור\(\PageIndex{6}\): כפי שצוין קודם לכן, אלקטרונים מופשטים מ-NADH, ובסופו של דבר מגיעים לחמצן. כאשר האלקטרונים מועברים לנשאים בעלי אנרגיה נמוכה יותר, אנרגיה משתחררת ומשמשת לשאיבת פרוטונים מהמטריצה המיטוכונדריאלית לחלל הבין-ממברני.

צילום מסך 2018-12-23 בשעה 11.45.07 AM.png — איור\(\PageIndex{7}\). למרות שגודל המתחם I משתנה במקצת בין המינים, הקונפורמציה התלת מימדית המחוספסת בצורת L קבועה. ה- FMN ממוקם בחלק הגדול יותר של המתחם, ואילו אתר העגינה של יוביקווינון ממוקם בסניף הקצר. ב איור לעיל, המתאר שני היבטים (מסובבים 90°) של קומפלקס NADH dehydrogenase, ה- FMN מוצג באפור ואדום, בעוד שמרכזי Fe-S מוצגים בכתום וצהוב. האיור נוצר מנתונים בבנק הנתונים של חלבון RCSB.

מתחם I הוא דהידרוגנאז NADH. מוצג בצהוב באיור\(\PageIndex{6}\), מטרתו להסיר זוג אלקטרונים מ- NADH ולהעביר אותם לאוביקווינון (קואנזים Q או CoQ), נשא אלקטרונים הידרופובי קטן שיכול לשאת את האלקטרונים למתחם III. זהו תהליך רב-שלבי הכולל תחילה העברת האלקטרונים למולקולת פלבין מונונוקלאוטיד (FMN) קשורה, אשר לאחר מכן מעבירה את האלקטרונים לקבוצה של חלקי ברזל-גופרית המחוברים לקומפלקס האנזים עצמו (מבנה באיור). \(\PageIndex{7}\) לבסוף, האלקטרונים מועברים אל יוביקינון. כאשר העברות אלה מתרחשות, האנרגיה המשתחררת במהלך העברות אלה מפעילה את השאיבה של 4 H+ יונים על פני הממברנה המיטוכונדריאלית הפנימית. מתחם I מעוכב על ידי רוטנון, חומר הדברה המשמש בעיקר נגד חרקים ושי.

אנחנו ניקח העברה מנטלית על קומפלקס II לעת עתה ונלחץ עליו בסוף המסדר הזה. הסיבות יהיו ברורות אז.

מתחם III ידוע גם בשם קומפלקס ציטוכרום bc ₁ (איור\(\PageIndex{6}\), סגול). מטרתו של קומפלקס זה היא להעביר את האלקטרונים מאוביקווינון לציטוכרום ג השימוש באוביקווינון חשוב כאן, מכיוון שהוא יציב עם שניים, או רק אלקטרון נוסף אחד. ציטוכרום c, לעומת זאת, יכול לשאת רק אלקטרון אחד. אז, קומפלקס זה עוגן את יוביקינון, ומחזיק אותו עד שהוא מעביר את האלקטרון הראשון שלו לציטוכום c, אשר לאחר מכן עובר לקומפלקס IV, ולאחר מכן האלקטרון השני שלו על ציטוכרום אחר ג עם כל העברה, שני פרוטונים נשאבים על פני הממברנה.

לבסוף, ציטוכרום c מוריד את האלקטרון לקומפלקס IV, ציטוכרום c אוקסידאז (איור\(\PageIndex{6}\), אדום). ציטוכרום c אוקסידאז משיג את השלב האחרון: העברת אלקטרונים לאטומי חמצן לייצור מים. הדבר המעניין באמת בתהליך הזה הוא שהאנזים חייב להחזיק באלקטרונים כשהם מועברים בזה אחר זה מציטוכרום c, עד שהוא מחזיק ארבעה אלקטרונים. לאחר מכן, הוא יכול להעביר זוג אחד לכל אחד מאטומי החמצן בחמצן מולקולרי (O ₂). חשוב מאוד לעשות זאת מכיוון שהעברת פחות מכל ארבעת האלקטרונים תוביל ליצירת מיני חמצן תגובתיים (ROS) העלולים לגרום נזק לאנזימים ולממברנות של המיטוכונדריה.

למעשה, כמה רעלים ידועים פועלים בדיוק בנקודה זו. גם ציאניד וגם פחמן חד חמצני יכולים להיקשר עם זיקה גבוהה יותר מאשר חמצן בהמה במתחם IV. מכיוון שאף אחד מהם לא יכול לקבל אלקטרונים, ההשפעה היא כאילו לא היה חמצן זמין.

למרות שלעתים ציטוכרום c אוקסידאז מקוצר COX, זה לא המטרה של מעכבי COX-2 המשמשים פרמצבטית לטיפול בכאב, למשל Bextra, Celebrex או Vioxx. הכוונה למשפחת אנזימים המכונה cyclooxygenases.

חמצן הוא בהחלט נדרש. אם חמצן אינו זמין, אין מקום להעביר את האלקטרונים, ומהר מאוד, שרשרת הובלת האלקטרונים נעצרת ונשאים כמו ציטוכרום c ו- CoQ אינם יכולים לשחרר את האלקטרונים שלהם ובסופו של דבר אין יותר נשאים זמינים. באופן דומה, כשזה קורה, NAD ⁺ אינו מתחדש, כך שגם מחזור ה- TCA תקוע. זה משאיר רק את מחזור התסיסה האנאירובי שאינו דורש חמצן ליצירת ATP.

כעת אנו חוזרים למתחם II (ראה איור\(\PageIndex{10}\)). הזכרנו את קומפלקס II כ- succinate dehydrogenase כאשר דנו במחזור TCA. הוא משתתף גם בשרשרת הובלת האלקטרונים על ידי העברת אלקטרונים לאוביקווינון. עם זאת, במקום להעביר אלקטרונים שמקורם ב-NADH כמו שלושת הקומפלקסים האחרים של שרשרת הובלת האלקטרונים, האלקטרונים מקורם במוביל האלקטרונים הקשור קוולנטית FADH2 (פלבין אדנין דינוקלאוטיד), שקיבל את האלקטרונים מסוקסינאט, כמתואר בסעיף מחזור TCA. לאחר שהאלקטרונים הועברו לאוביקווינון, הוא עובר למתחם III כדי להוריד את האלקטרונים האלה לציטוכרום c, ושאר שרשרת הובלת האלקטרונים נמשכת. FAD, הצורה המחומצנת של FADH2, מוכנה אז להשתתף במחזור החיזור הבא.

מטרת שרשרת הובלת אלקטרונים זו, ביחס לייצור ATP, היא שאיבת H+ מהמטריצה המיטוכונדריאלית לחלל הבין-ממברני. מכיוון שריכוז הפרוטונים גבוה יותר בחלל הבין-ממברני, יידרש אנרגיה כדי להזיז אותם כנגד שיפוע הריכוז, שם נכנסים לתמונה האלקטרונים בעלי האנרגיה הגבוהה שלנו. כשהם עוברים ממוביל אחד למשנהו, הם עוברים ממצב אנרגיה גבוה יותר למצב אנרגיה נמוך יותר. זה מרמז שחלק מהאנרגיה הולכת לאיבוד מהאלקטרון, וחלק מהאנרגיה הזו מנוצלת על ידי האנזימים של שרשרת הובלת האלקטרונים כדי להעביר פרוטונים מהמטריצה לחלל הבין-ממברני.

צילום מסך 2018-12-23 בשעה 11.46.13 AM.png — איור\(\PageIndex{10}\). תגובות קטבוליות של המיטוכונדריה.

ישנן שתי שיטות שבאמצעותן מועברים הפרוטונים: לולאת החיזור ומשאבת הפרוטון. ^{משאבת הפרוטון, שהיא השיטה שבה קומפלקס IV מזיז פרוטונים, היא הקלה יותר להבנה: ^H+ קשור בצד המטריצה של האנזים במצבו המופחת (לאחר שקיבל אלקטרון), ושינוי קונפורמטיבי מתרחש לאחר חמצון מחדש לפתיחת האנזים עד לצד הבין-ממברני, וה-H+ משתחרר.} לולאת החיזור, המתרחשת במתחם I, ובמתחם III בווריאציה הנקראת מחזור Q, מניחה בעצם שמרכז חיזור ראשוני דורש קישור הן של האלקטרון בעל האנרגיה הגבוהה והן של פרוטון מצד המטריצה של הממברנה. כאשר האלקטרון מועבר למרכז החיזור הבא בשרשרת, משתחרר פרוטון לחלל הבין-ממברני.

לא משנה מה המנגנון, מה הטעם בכל שאיבת הפרוטונים הזו? כפי שאתה עשוי לחשוד, שימוש באנרגיה לשאיבת יון כנגד שיפוע הריכוז שלו לא נעשה בשביל הכיף. במקום זאת, זה מייצר אנרגיה פוטנציאלית משמעותית על פני הממברנה המיטוכונדריאלית הפנימית. וכך קורה שיש אנזים שיכול להמיר את האנרגיה הזו לצורה הכימית השימושית הפיזיולוגית של ATP. אנזים זה נקרא, באופן לא מפתיע, סינתאז ATP (איור\(\PageIndex{8}\)). הוא מכונה גם בטקסטים מסוימים ה-F1F0-ATPase, בהתבסס על פעילותו ההפוכה (על חשבון ATP, הוא יכול לשאוב פרוטונים), והעובדה שניתן לפרק אותו לשתי יחידות פונקציונליות עיקריות: F1 שיכול לבצע הידרוליזה אך לא לסנתז ATP והוא חלבון מסיס, ו-F0 שהוא חלבון טרנסממברני בלתי מסיס.

צילום מסך 2018-12-23 בשעה 11.45.22 AM.png — איור\(\PageIndex{8}\). סינתאז ATP. כאשר פרוטונים עוברים דרך סינתאז ATP, הם משחררים אנרגיה על ידי מעבר מריכוז גבוה לנמוך. אנרגיה זו מניעה את התנועה הסיבובית של הפיר ואת יצירת ה- ATP.

סינתאז ATP הוא דוגמה יוצאת דופן לאנזים שהופך את האנרגיה הטמונה בשיפוע ריכוז על פני ממברנה לאנרגיה מכנית, ולבסוף לאנרגיית קשר כימי. זה נקרא באופן תיאורי "מנוע סיבובי" מכיוון שרצף האירועים הכללי מאוד הוא כדלקמן: פרוטונים יורדים במורד השיפוע שלהם דרך תת-יחידת ערוץ פרוטון של סינתאז ATP, בשל השיפוע, האנרגיה משתחררת, אנרגיה זו גורמת לסיבוב של תת-יחידה דמוית "גלגל" מרובת יחידות המחוברת לציר/ציר (יחידת משנה g) שגם היא מסתובבת. הסיבוב של יחידת ציר זו בעלת צורה א-סימטרית גורם לשינויים קונפורמטיביים ביחידת המשנה הקטליטית (העשויה מיחידות המשנה a ו-b) אליה היא מחוברת, ומשנה אתר קישור ADP+Pi לאתר קטליטי שיכול "לסחוט" את המולקולות יחד ל-ATP, ואז לבסוף להיפתח לשחרור ה-ATP (איור). \(\PageIndex{9}\)

צילום מסך 2018-12-23 בשעה 11.45.32 AM.png — איור\(\PageIndex{9}\). סיבוב ראש סינתאז ATP. הציר המסתובב גורם לשינויים א-סימטריים בצורתם של שלושת אתרי הקישור הפוטנציאליים, ומחזור אותם דרך הקונפורמציה הרופפת (L) הקושרת ADP ו-P _i, הקונפורמציה ההדוקה (T) שממש לוחצת את שני המצעים יחד ל-ATP, והקונפורמציה הפתוחה (O) המאפשרת ATP.

כמובן, זה לא כל כך פשוט (איור\(\PageIndex{8}\)). החל מהתנועה הראשונית של פרו-טון, כשהם עוברים מהחלל הבין -ממברני לתוך סינתאז ATP, הם נכנסים לתעלה הידרופילית קטנה (א) ואז נקשרים לאחת מיחידות המשנה c של טבעת "גלגל המים". קישור ה- ^H+ ליחידת המשנה c גורם לו לאבד זיקה ליחידת ה- a-, ומאפשר לו להסתובב, ובמקביל גורם לשינוי קונפורמטיבי שבעצם דוחף כנגד יחידת המשנה a, ומתחיל את התנועה. לאחר שהוא הסתובב סביב סיבוב כמעט שלם, ה ^{- H+ממוקם} על ידי ערוץ אחר (b), אשר מעביר אותו מתת-יחידת ה- c למטריצה. מבנה c-subunit מחובר לציר אסימטרי המחובר בעצמו ליחידות המשנה הקטליטיות.