Ugrás a tartalomhoz

A biokémia alapjai

Wunderlich Lívius, Szarka András (2014)

Typotex Kiadó

8. fejezet - Elektrontranszport-lánc és energiatermelés

8. fejezet - Elektrontranszport-lánc és energiatermelés

A mitokondrium elektrontranszport-lánca

Korábban esett már szó arról, hogy a különböző oxidációs lépésekben eltávozó elektronok jó része aerob körülmények között a mitokondriális elektrontranszport-láncra (más néven mitokondriális elektrontranszfer-láncra) kerül, melyen áthalad, és végül oxigénre kerül. Mi itt az állatokban (emberben) található mitokondriumok elektrontranszportját ismertetjük; a növényekben a transzportlánc hasonló elven működik, de jóval több ki- és bemeneti csatornával. Az elektrontranszport-lánc a mitokondrium belső membránjában található. Négy nagy komplexszel szokták azonosítani, amelyeket hagyományosan római számokkal jelölnek. A komplexek között az elektronokat kisebb, a membránban könnyebben vándorló molekulák szállítják, például az ubikinon vagy a citokróm-c. A lánchoz tartozónak tekinthető még a már említett mitokondriális glicerin-foszfát-dehidrogenáz, és a későbbiekben említendő zsíracil-KoA-dehidrogenáz is, amelyek a FADH2-t tartalmazó prosztetikus csoportjukról majd az ubikinonnak (koenzimQ, KoQ) adják át az elektronjaikat (8.1. ábra).

8.1. ábra -


A transzportlánc tagjai

A lánc az I. komplexszel kezdődik, melynek neve NADH/koenzimQ oxidoreduktáz. A komplex a mitokondrium mátrixában lévő, a citrátkör és a glikolízis során termelődött NADH-któl kap elektronokat. A komplex 25 alegységből áll, többüknek van FMN vagy vas-kén (FeS) részekből álló prosztetikus csoportja, melyek redukálódni, illetve oxidálódni képesek. Az elektronok végighaladnak ezeken az elektronszállító fehérjéken, miközben a fehérjék térszerkezete megváltozik; a komplex a kapcsolt reakcióban protonokat fog pumpálni a mitokondrium mátrixából a membránközti térbe. Az elektronokat végül az ubikinon (UQ, KoQ) molekula veszi fel, mely szemikinonná (1 e-) vagy ubikinollá (2 e-) redukálódik. Az ubikinol a membránban „átúszik” a III. komplexhez, és leadja elektronjait.

A III. komplex az ubikinol/citokróm-c oxidoreduktáz, 11 alegységből áll; három közülük hem, illetve FeS csoportokat tartalmazó polipeptid-láncokból épül fel. Ahogy az elektronok végighaladnak rajta, hasonlóképpen működik, mint az I. komplex. Az elektronokat végül a membránban szabadon mozgó citokróm-c fehérje veszi át, és viszi a IV. komplexhez. Ez a komplex a citokróm-c-oxidáz (COX), melynek segítségével az elektronok végül oxigénre kerülnek, és vizet eredményeznek. A IV. komplexben hemet tartalmazó citokrómok, valamint rézionok találhatóak; az oxigénmolekulát nem szabad elengedniük addig, míg az oxigén mind a négy elektronját meg nem kapta (és két vízmolekula nem keletkezett belőle). Ha az oxigén részlegesen redukálva kijutna, a reaktív oxigén-gyökök más makromolekulákhoz permanensen hozzákötődve súlyosan károsíthatnák azok szerkezetét, ezáltal a működését. A IV. komplexnek szintén van protonpumpa-aktivitása.

A II. komplex (szukcinát-dehidrogenáz) a citrátkör egyik lépését katalizálja, a szukcinátról visz át elektronokat a KoQ-ra. Négy alegységből áll, vannak köztük FAD, FeS és hem prosztetikus csoportot tartalmazóak. Protonpumpa aktivitása nincs.

Mint említettük, az I., a III. és a IV. komplex képes a rajtuk áthaladó elektron energiavesztését protonok kipumpálására használni. Egy elektronpár áthaladása a komplexen az I. és a III. esetében négy-négy, a IV. komplex esetében két proton kipumpálását okozza. A kipumpált protonok elektrokémiai gradienst hoznak létre a mitokondrium mátrixa és az intermembrán tér között. Ez a gradiens lesz a hajtóereje annak a transzportnak, amelynek során a protonok visszajutása a mátrixba egy enzim segítségével összekapcsolódik az ADP foszforilálásával (8.2. ábra).


Elektrokémiai gradiens és energiatermelés

Az FoF1 ATP-szintáz komplex (néha V. komplexnek is hívják) működése során három H+-ion mátrixba való visszajutása egy ATP szintézisét generálja. Az ATP, az ADP és a foszfát transzportja a mitokondrium belső membránján keresztül nem diffúzióval történik; ADP/ATP és OH-/foszfátion-antiporterek teszik lehetővé a kicserélődést. Mivel a foszforilációhoz szükség van foszfátra, és a hidroxid-ion kiáramlás gyakorlatilag proton-beáramlással egyenértékű, valójában nem három, hanem négy proton-bejutás kell egy ATP szintéziséhez (8.3. ábra). Ez persze csak akkor lenne teljesen igaz, ha a protongrádiens ezen kívül más mitokondriális transzportfolyamatokat (másodlagos aktív transzportok) nem hajtana. Ezek protonigénye azonban az ATP szintéziséhez képest elenyésző.

8.3. ábra -


Az ábrából látható, hogy ATP-termelés szempontjából nem mindegy, melyik komplexre érkeznek először az elektronok. Ha az I. komplexre (NADH-ról), akkor 4+4+2=10 H+ kipumpálása történik meg 2 elektron oxigénre jutásakor, ez optimális estben 2,5 ATP termelődését teszi lehetővé. (Ezt hívják P/O hányadosnak: hány foszforilcsoport kerül ADP-re, mialatt egy atom oxigén vízzé redukálódik.) Ha a II. komplexen (szukcinát-dehidrogenáz), a glicerin-P-dehidrogenázon vagy a zsíracil-KoA-dehidrogenázon keresztül érkeznek az elektronok, akkor az első protonpumpa-aktivitású komplex a III-as; ilyenkor (4+2)/4= 1,5 lesz a P/O hányados, 1,5 db ATP keletkezik 2 db elektronnak a transzportláncon történő végighaladásakor (8.4. ábra).

8.4. ábra -


Az aerob glükóz-lebontás energiamérlege

Ahhoz, hogy ki tudjuk számolni, mennyi energiát tudunk egy glükóz lebontása során ATP szintézisével konzerválni, össze kell adnunk a szubsztrátszintű és az oxidatív foszforiláció során képződött nukleotid-trifoszfátok mennyiségét. A glikolízis során keletkezett nettó 2 ATP (4–2), a citrátkör során 2 db GTP (2x1), ez eddig 4 db. A glikolízis során keletkező redukáló ekvivalensekből (NADH) attól függően, hogy a malát-aszpartát inga segítségével vagy a glicerin-foszfát-dehidrogenázok segítségével jutott a mitokondriumba, 5 (2x2,5), illetve 3 (2x1,5) ATP nyerhető. A piruvát-dehidrogenáz komplex működése során 2 db NADH-t nyertünk 2 piruvátból, ez további 5 (2x2,5) ATP-t jelent. A citrát-körben 2 db AcKoA eloxidálódására 6 db NADH és 2 db redukált ubikinol keletkezik (szukcinát-dehidrogenázon keresztül), ez 15 (2x7,5) plusz 3 (2x1,5) ATP-t jelent. Ha ezeket összadjuk, akkor 4+(5 vagy 3) +5+15+3= 32 vagy 30 ATP-t nyerhetünk a NADH mitokondriumba jutásának módjától függően (8.5. ábra).

8.5. ábra -


Oxidatív energiatermelés és kapcsoltság

Az ATP képződése az elektrontranszport-láncon és a citrátkörön keresztül gyakorlatilag össze van kapcsolva a piruvát-dehidrogenáz komplex működésével. Ha például nincs elég ADP (mert sok az ATP), nem működik az ATP-szintézis, a protonok nem tudnak visszajutni a mitokondrium mátrixába, a megnövekedett elektrokémiai grádienst már nem tudja az elektrontranszport során bekövetkező energiacsökkenés legyőzni, megáll a transzportlánc, nem tudják leadni elektronjaikat az elektronszállítók (NADH), nem lesz elég NAD, ami miatt leáll a citrátkör, de még az aerob glikolízis is. Természetesen ez egy nagyon szélsőséges eset, az élő szervezetben inkább a citrátkör lassulásáról, mintsem a teljes leállásáról beszélhetünk. Az ADP (-hiány) ilyen módon történő reguláló szerepét akceptor kontrollnak is szokták nevezni.

Oxigénhiány miatt hasonló a helyzet áll elő, de nem az ADP hiánya miatt; terminális elektron-akceptor híján az elektrontranszport-lánc, a protonpumpák és az ATP-szintáz leáll, a sejtek nem kapják meg a működésükhöz szükséges ATP-mennyiséget; ezért fulladunk meg oxigénhiány esetén.

Ha kémiai úton piciny lyukakat fúrnánk a mitokondrium belső membránjába (ezek nem valódi lyukak, bizonyos vegyületek – például a 2,4-dinitrofenol – beépülnek a membránba, és protonokat képesek a membrán határolta térrészek között passzívan transzportálni), akkor a H+-ionok egy részének visszajutása nem lenne ATP-szintézishez kapcsolva (hiszen az FoF1 komplexen visszamenni sokkal nehezebb feladat lenne). A különböző, ilyen hatású mérgeken kívül vannak természetes szétkapcsoló szerek is. Ilyen például a kisgyermekekben vagy a téli álmot alvó állatok barna zsírszövetében megtalálható termogenin. A szétkapcsolószer hatására az átpumpált protonok egy részéből nem termelődik ATP; visszajutásuk a mátrixba exergonikus folyamat, hőtermeléssel jár. Ennek a folyamatnak a megfelelő testhőmérséklet fenntartásában van szerepe.