Fosforylacja oksydacyjna – jest szlakiem metabolicznym , w którego wyniku energia uwalniana podczas utleniania zredukowanych nukleotydów przekształcana jest w energię ATP . Organizmy żywe wykorzystują wiele różnych związków organicznych, jednak aby wytworzyć z nich energią przydatną metabolicznie , cząsteczki ATP, w większości przeprowadzają fosforylację oksydacyjną. Szlak ten jest dominujący ze względu na wysoką efektywność w porównaniu do alternatywnych sposobów syntezy ATP, czyli fermentacji

Podczas fosforylacji oksydacyjnej, w wyniku szeregu reakcji redoks , elektrony przenoszone są ze zredukowanych nukleotydów, NADH i FADH ₂, na pełniący funkcję akceptora elektronów tlen . Zachodzące reakcje prowadzą do zmagazynowania energii, służącej następnie do syntezy ATP. W komórkach eukariotycznych , szereg reakcji redoks zachodzi na kompleksach białkowych znajdujących się w mitochondriach . W komórkach prokariotycznych kompleksy białkowe zlokalizowane są w błonach komórkowych. Zestaw enzymów biorących udział w przenoszeniu elektronów określa się jako łańcuch oddechowy . U eukariotów składa się on z pięciu głównych enzymów, u prokariotów odnaleziono wiele różnych enzymów pełniących funkcję donorów i akceptorów elektronów.

Energia uwalniana podczas transportu elektronów w łańcuchu oddechowym zużywana jest do przenoszenia protonów przez wewnętrzną błonę mitochondrialną, proces ten przez jego odkrywcę został nazwany chemiosmozą . Energia potencjalna gromadzona jest w postaci gradientu pH i potencjału elektrycznego w poprzek błony. Zgromadzona w tej formie energia wykorzystywana jest przez kompleks enzymatyczny syntazy ATP , który pozwala protonom przejść przez błonę zgodnie z gradientem stężeń. Enzym ten zamienia jednocześnie energię gradientu pH i elektrycznego na energię wiązań chemicznych ATP, wytwarzanego przez przyłączenie do ADP reszty kwasu ortofosforowego , czyli reakcji fosforylacji. Niezwykłość reakcji syntezy ATP związana jest z obracaniem się części enzymu napędzanej przepływającymi protonami, przypominając działanie silnika elektrycznego. Obrót części enzymu odłącza wytworzoną cząsteczkę ATP.

Fosforylacja oksydacyjna jest ważnym procesem metabolicznym, jednak jej zachodzenie prowadzi do powstawania reaktywnych form tlenu , takich jak nadtlenek wodoru oraz wolnych rodników, niszczących komórki, a w efekcie powodujących choroby i prawdopodobnie przyspieszających starzenie się. Enzymy przeprowadzające ten szlak metaboliczny są wrażliwe na wiele leków i trucizn, takich jak cyjanek .

Wstęp

Fosforylacja oksydacyjna zachodzi dzięki dostarczaniu energii w szeregu reakcji określanych jako łańcuch oddechowy i zużywaniu zmagazynowanej energii w reakcji przeprowadzanej przez syntazę ATP. Pierwsze i druga reakcja są ze sobą sprzężone. Oznacza to, że żadna nie może zachodzić bez zachodzenia drugiej. Przepływ elektronów z donorów w postaci cząsteczek NADH na akceptory w postaci cząsteczek tlenu, odbywający się przez szereg przenośników biorących udział w łańcuchu transportu elektronów, jest procesem egzoenergetycznym – uwalniającym energię. Synteza ATP jest zaś procesem endoenergetycznym który, aby zachodzić, wymaga dostarczenia energii. Zarówno łańcuch oddechowy, jak i synteza ATP zachodzi na błonach białkowo-lipidowych. Energia z łańcucha transportu elektronów jest przenoszona na syntazę ATP dzięki wytworzeniu różnicy stężeń jonów w poprzek błony, nazywanej gradientem elektrochemicznym . Proces przenoszenia protonów przez błonę został nazwany chemiozmozą ^[1]. Przenoszenie protonów przez błonę odbywa się dzięki enzymom obecnym w błonach, tłoczącym protony z jednej strony na drugą podczas zachodzenia łańcucha transportu elektronów i określanych nazwą pompy protonowe . Enzymy te podobnie jak urządzenia elektryczne wykonują pracę gdy przepływa przez nie prąd elektryczny. Powstający, w efekcie ich pracy, gradient elektrochemiczny, nazywany często siłą protonomotoryczną, składa się z dwóch elementów: różnicy stężeń protonów (gradient pH) oraz różnicy potencjałów , wynikającej z ładunków przemieszczanych cząsteczek (po jednej stronie błony istnieje ładunek ujemny, po drugiej dodatni). W przypadku mitochondriów większe znaczenie odgrywa różnica potencjałów, a w przypadku chloroplastów większe znaczenie ma gradient pH^[2].

Syntaza ATP zużywa energię gradientu elektrochemicznego, pozwalając przejść ładunkom (protonom) z powrotem przez błonę^[3]. Enzym ten działa podobnie jak silnik elektryczny wykorzystując energię w postaci siły protonomotorycznej do obracania jednym z białek kompleksu. Obroty umożliwiają wytworzenie ATP.

Ilość energii wytworzona podczas fosforylacji oksydacyjnej jest zdecydowanie większa od ilości produkowanych podczas zachodzenia fermentacji . Glikoliza dostarcza jedynie 2 cząsteczki ATP, podczas gdy w procesie fosforylacji oksydacyjnej z 10 cząsteczek NADH i 2 bursztynianu, powstałych przy pełnym utlenieniu cząsteczki glukozy do wody i dwutlenku węgla powstaje około 30-36 cząsteczek ATP^[4]. Podana ilość ATP jest maksymalną teoretyczną wydajnością, w rzeczywistości cześć protonów przenika przez błonę, omijając syntazę ATP i obniżając wydajność zamiany gradientu elektrochemicznego na ATP^[5].

Cząsteczki przenoszące elektrony i protony

Redukcja koenzymu Q z formy utlenionej – ubichinonu , (Q), do formy zredukowanej – ubichinolu, (QH₂).

Zachodzenia łańcucha oddechowego prowadzi do przemieszczania są zarówno protonów, jak i elektronów. Podczas przemieszczania elektronów z donorów na akceptory następuje przeniesienie protonów przez błonę białkowo-lipidową. W procesie uczestniczą związki budujące błony oraz cząsteczki rozpuszczalne. W mitochondrialnym łańcuchu oddechowym elektrony przenoszone są między innymi w przestrzeni międzybłonowej przez niewielkie białko rozpuszczalne, cytochrom c ^[6]. Cząsteczka ta przenosi jedynie elektrony dzięki redukcji i utlenianiu atomów żelaza zawartego w hemie , będącego składnikiem cytochromu. Cytochrom c został także wykryty w przestrzeni periplazmatyczne części bakterii^[7].

W wewnętrznej błonie mitochondrialnej, lipofilny przenośnik elektronów, koenzym Q10 (Q), przenosi zarówno elektrony, jak protony, dzięki cyklicznej redukcji i utlenianiu^[8]. Mała cząsteczka benzochinonu , o silnie hydrofobowym charakterze może swobodnie dyfundować w błonie. Po przyjęciu dwóch elektronów i dwóch protonów ubichinon przekształca się w formę zredukowaną – ubichinol (QH₂). Gdy QH₂ podczas utleniania przekazuje dwa elektrony i uwalnia dwa protony, powraca do swojej formy utlenionej – ubichononu. W efekcie dzięki lokalizacji miejsca redukcji Q po jednej stronie błony, a miejsca utleniania QH₂ po drugiej, ubichinon bierze udział w przenoszeniu protonów przez błonę^[9]. U części bakterii poza ubichinonem w łańcuchu transportu elektronów uczestniczą inne chinony, na przykład menachinon ^[10]

Białka uczestniczące w łańcuchu oddechowym przenoszą elektrony dzięki obecności grup flawinowych^[11][3], centrów żelazo-siarkowych i cytochromów. Istnieje kilka typów centrów żelazo-siarka. Najprostsze, ze znalezionych w łańcuchu oddechowym, zawiera dwa atomu żelaza i dwa atomu nieorganicznej siarki i jest określane jako centrum [2Fe–2S]. Drugi rodzaj, nazywany [4Fe–4S], zawiera sześcian z czterech atomów żelaza i czterech siarki. Każdy z atomów żelaza wchodzących w skład centrów jest koordynowany przez aminokwas , zwykle grupę -SH cysteiny . Jony metalu, tworzącego kofaktor, ulegają redukcji podczas przenoszenia elektronów przez przenośniki białkowe. W tym przypadku wraz z elektronem nie są przemieszczane protony. Elektrony mogą pokonywać stosunkowo duże odległości podczas przemieszczania się przez szereg kofaktorów^[12]. Następuje to dzięki zjawisku tunelowemu , które umożliwia szybkie pokonanie odległości mniejszych niż 1,4 10^-9 m^[13].

Łańcuch transportu elektronów u eukariotów

Wiele katabolicznych szlaków metabolicznych, takich jak glikoliza , cykl kwasu cytrynowego , β-oksydacja, prowadzi do wytworzenia NADH. Koenzym ten zawiera elektrony, które mają wysoki potencjał standardowy , prowadzą do uwolnienia dużej ilości energii podczas utleniania. Komórka nie uwalnia całej tej energii natychmiast, w sposób niekontrolowany. Elektrony są pobrane z NADH przeniesione na tlen przez kilka enzymów, których każdy uwalnia tylko cześć energii. Ten zestaw enzymów, zawierający kompleksy od I do IV, nazywany jest łańcuchem transportu elektronów i znajduje się w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. W reakcjach łańcucha oddechowego utleniany jest także bursztynian , jednak wchodzi do szlaku w dodatkowym punkcie.

W komórkach eukariotycznych , enzymy przenoszące elektrony, wykorzystują energię uwalnianą podczas utleniania NADH do przeniesienia protonów przez wewnętrzną błonę mitochondrialną do przestrzeni międzybłonowej i wytwarzają gradient elektrochemiczny w poprzek błony. Energia zmagazynowana w postaci gradientu zużywana jest przez syntazę ATP do wytwarzania ATP. Fosforylacja oksydacyjna w mitochondriach eukariotów, jest najlepiej poznanym przykładem tego procesu. Mitochondria są obecne u prawie wszystkich eukariotów z wyjątkiem oddychających beztlenowo pierwotniaków takich jak Trichomonas vaginalis oraz niektórych grzybów, u których protony przekształcane są do wodoru w zmodyfikowanych mitochondriach określanych jako hydrogenosomy ^[14][15].

Oksydoreduktaza NADH-koenzym Q (Kompleks I)

Kompleks I: oksydoreduktaza NADH-koenzym Q

Oksydoreduktaza NADH-koenzym Q , nazywana także dehydrogenazą NADH lub kompleksem I, jest pierwszym białkiem łańcucha transportu elektronów^[16]. U ssaków kompleks I jest ogromnym enzymem , składającym się z 46 podjednostek o łącznej masie około 1000 kDa ^[17]. Struktura kompleksu została dobrze poznana jedynie u bakterii^[18], u większości organizmów kompleks ma kształt litery L z pionowym ramieniem umieszczonym w błonie a pionowym skierowanym do wnętrza mitochondrium ^[19][20]. Geny kodujące poszczególne podjednostki, podobnie jak ma to miejsce dla wielu enzymów mitochondrialnych, zawarte są zarówno w jądrze komórkowym , jak i genomie mitochondrialnym .

Reakcja katalizowana przez enzym polega na przeniesieniu dwóch elektronów z NADH na koenzym Q₁₀ (ubichinon, Q), związek lipofilny swobodnie dyfundujący w błonie mitochondrialnej:

Reakcja rozpoczynająca łańcuch transportu elektronów rozpoczyna się od przyłączenia cząsteczki NADH do kompleksu I i oderwaniu dwóch elektronów. Elektrony przekazywane są na kompleks przez grupę prostetyczną wchodzącą w skład enzymu, mononukleotyd flawinowy (FMN). Przekazanie dwóch elektronów na FMN przekształca go w zredukowaną formę, FMNH₂. Następnie elektrony przenoszone są przez kolejne centra żelazo-siarka , drugi rodzaj grup prostetycznych obecnych w kompleksie^[18]. W enzymie znajdują się centra [2Fe-2S] oraz [4Fe-4S].

Podczas przejścia przez kompleks dwóch elektronów cztery protony przemieszczane są z macierzy mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej. Mechanizm przenoszenia protonów nie jest w pełni poznany, prawdopodobnie dochodzi do zmian konformacyjnych w wyniku których protony przyłączone po stronie macierzy mitochondrialnej zostają przeniesione na stronę przestrzeni międzybłonowej i tam odłączone od białka^[21]. Pobrane elektrony poprzez centra żelazo-siarka przenoszone są ostatecznie na cząsteczkę ubichinonu w błonie^[16]. Zredukowanie ubichinonu również przyczynia się do wytworzenia gradientu protonowego, ponieważ oba przyłączane protony pobierane są z macierzy mitochondrialnej, co prowadzi do wytworzenia ubichonolu (QH₂).

Oksydoreduktaza bursztynian-ubichinon (kompleks II)

Kompleks II: Oksydoreduktaza bursztynian-ubichinon .

Oksydoreduktaza bursztynian-ubichinon , określana także jako kompleks II lub dehydrogenaza bursztynianowa, jest drugim punktem wejścia elektronów do łańcucha transportu elektronów^[22]. Jest to szczególny kompleks, który jest zarówno enzymem cyklu kwasu cytrynowego, jak i łańcucha oddechowego. Kompleks II składa się z czterech podjednostek oraz zawiera kofaktor w postaci dinukleotydu flawinoadeninowego (FAD), centra żalazo-siarka oraz grupę hemową , która nie uczestniczy w przenoszeniu elektronów na koenzym Q, lecz prawdopodobnie odgrywa rolę w zmniejszeniu produkcji reaktywnych form tlenu ^[23][24]. Enzym utlenia bursztynian do fumaranu redukując jednocześnie ubichinon. W reakcji tej uwalniane jest mniej energii niż podczas utleniania NADH, nie dochodzi również do przemieszczania protonów przez wewnętrzną błonę mitochondrialną. Kompleks II nie bierze więc udziału w wytwarzaniu gradientu protonowego.

U niektórych eukariotów, takich jak należąca do pasożytniczych nicieni Ascaris suum , enzym zbliżony do kompleksu II, reduktaza fumaranu (oksydoreduktaza menachinon:fumaran, QFR - ang. menaquinol:fumarate oxidoreductase), przeprowadza reakcję odwrotną redukując fumaran. Pozwala to przeżyć pasożytowi w warunkach beztlenowych panujących w jelicie grubym , poprzez przeprowadzanie beztlenowej fosforylacji oksydacyjnej, z fumaranem jako akceptorem elektronów^[25]. Innym przykładem nietypowego wykorzystania kompleksu II jest pasożytniczy pierwotniak wywołujący malarię Plasmodium falciparum . U tego organizmu odwrócenie działania kompleksu II umożliwi odtwarzanie ubichinonu, który jest następnie zużywany w wyjątkowym procesie biosyntezy pirymidyn ^[26].

Oksydoreduktaza flawoproteina przenosząca elektron-ubichinon

Oksydoreduktaza flawoproteina przenosząca elektrony-ubichinon (oksydoreduktaza ETF-Q), nazywana także dehydrogenazą flawoproteiny przenoszącej elektrony, jest trzecim punktem wejścia do łańcucha transportu elektronów. Jest to enzym odbierający elektrony od flawoproteiny przenoszącej elektrony występującej w macierzy mitochondrialnej i redukujący pulę ubichinonu w błonie^[27]. Enzym zawiera flawinę i centrum żelazo-siarka typu [4Fe-4S], jednak w przeciwieństwie do innych kompleksów nie jest białkiem transbłonowym , lecz pozostaje związany z wewnętrzną powierzchnią błony^[28].

U ssaków enzym odgrywa ważną rolę w β-oksydacji kwasów tłuszczowych , katabolizmie aminokwasów i choliny , spełniając funkcję akceptora elektronów dehydrogenazy acylo-CoA ^[29][30]. U roślin, oksydoreduktaza ETF-Q nie bierze udziału w β-oksydacji, jednak odgrywa ważną rolę w metabolizmie podczas długich okresów ciemności^[31].

Oksydoreduktaza koenzym Q-cytochrom c (kompleks III)

Oksydoreduktaza koenzym Q-cytochrom c nazywana także reduktazą cytochromu c, kompleksem cytochromów bc₁ lub kompleksem III^[32][33]. U ssaków enzym składa się z dwóch identycznych podjednostek, z których każda składa się z 11 podjednostek białkowych, centrum żelazo-siarka [2Fe-2S] i trzech cytochromów : cytochromu c₁ i dwóch cytochromów b^[34]. Cytochromy są białkami przenoszącymi elektrony, zawierającymi jedną lub więcej grup hemowych . Atomy żelaza obecne w kompleksie III znajdują się na przemian na +2 lub +3 stopniu utlenienia, przyjmując lub oddając elektron.

Reakcja katalizowana przez kompleks III polega na utlenieniu cząsteczki ubichinolu i redukcji dwóch cząsteczek cytochromu c , białka zawierającego hem, luźno związanego z błoną mitochondrialną. W przeciwieństwie do cząsteczki koenzymu Q, przenoszącej dwa elektrony, cytochrom c przenosi tylko jeden elektron.

Ze względu na możliwość przeniesienia tylko jednego elektronu z cząsteczki QH₂ na cytochrom c, reakcje zachodzące na kompleksie III są bardziej złożone niż reakcje na pozostałych kompleksach i zachodzą w dwóch etapach nazywanych cyklem Q ^[35]. W pierwszym etapie z kompleksem związane są trzy substraty, utleniana cząsteczka QH₂, cytochrom c oraz cząsteczka ubichinonu. Jeden z elektronów pobranych z ubichinolu przekazywany jest na cytochrom c. Drugi elektron przekazywany jest do cząsteczki ubichinonu przyłączonej po stronie macierzy mitochondrialnej. Protony powstające po pobraniu elektronów z cząsteczki QH₂ uwalniane są do przestrzeni międzybłonowej. Cząsteczka ubichinonu redukowana po przeciwnej stronie kompleksu przyłącza protony z macierzy mitochondrialnej. Po odebraniu elektronów z ubichinolu odłącza się on od kompleksu. To samo dzieje się ze zredukowanym cytochromem c. Druga cząsteczka ubichinonu, na którą został przeniesiony jeden elektron tworzy semichinon i pozostaje związana z kompleksem. W drugim etapie do enzymu przyłączona zostaje następna cząsteczka QH₂ i po raz kolejny jeden z elektronów przenoszony jest na cytochrom c a drugi na na związaną cząsteczkę semichinonu. W efekcie semichinon zostaje zredukowany do QH₂, a dwa dodatkowe protony poprane z macierzy mitochondrialnej. Powstała cząsteczka QH₂ odrywa się od kompleksu i może zostać utleniona w części utleniającej enzymu^[36].

Utlenianie koenzymu Q do ubichinonu po zewnętrze stronie błony i redukcja do ubichinolu po stronie wewnętrznej, daje efekt przenoszenia protonów przez błonę, co prowadzi do zwiększenia gradientu elektrochemicznego^[3]. Dwa etapy utleniania ubichinolu zwiększają efektywność przenoszenia protonów. Bez zachodzenia cyklu Q redukcji jednej cząsteczki cytochromu c towarzyszyłoby przeniesienie przez błonę tylko jednego protonu^[3].

Oksydaza cytochromu c (Kompleks IV)

Kompleks IV: oksydaza cytochromu c .

Oksydaza cytochromu c , określana także jako kompleks IV, jest ostatnim enzymem łańcucha transportu elektronów^[37]. Kompleks IV mitochondriów ssaków zbudowany jest z 13 podjednostek, dwóch cząsteczek hemu oraz wielu kofaktorów w postaci jonów metali - trzech atomów miedzi , jednego magnezu i jednego cynku ^[38].

Enzym katalizuje końcową reakcje łańcucha oddechowego przenosząc elektrony na tlen i jednocześnie przemieszczając protony przez błonę^[39]. Tlen po przyjęciu elektronów ulega redukcji przyłączając protony z macierzy mitochondrialnej, co prowadzi do powstania wody. Zarówno przenoszenie protonów w poprzek błony, jak i zużywanie, po stronie macierzy mitochondrialnej w reakcji powstawania wody, prowadzi do zwiększenia gradientu protonowego. Reakcja katalizowana polega na utlenianiu cytochromu c i redukcji tlenu według równania:

Alternatywne reduktazy i oksydazy

U wiele organizmów eukariotycznych w łańcuchu transportu elektronów mogą brać także enzymy nie opisane powyżej. W mitochondriach roślin występują dodatkowe enzymy, które mogą utleniać cytozolowe NADH lub NADPH po stronie przestrzeni międzybłonowej i także przenosić elektrony na pulę ubichinonu^[40]. Enzymy te nie przenoszą protonów przez błonę mitochondrialną, a tym samym nie biorą udziału w wytwarzaniu gradientu elektrochemicznego^[41].

Innym przykładem odmiennego łańcucha transportu elektronów jest występowanie oksydazy alternatywnej , która występuje w komórkach roślin, części grzybów , protistów i prawdopodobnie niektórych zwierząt^[42][43] Enzym ten przenosi elektrony bezpośrednio z ubichinolu na tlen, z pominięciem kompleksów III i IV, nie wytwarzając gradientu elektochemicznego^[44].

Transport elektronów z udziałem alternatywnych oksydaz NAD(P)H i ubichinolu w znikomym stopniu prowadzi do syntezy ATP w stosunku zwykłej drogi. Korzyści wynikające ze skróconego łańcucha oddechowego nie zostały do końca wyjaśnione. Wiadomo, jednak że oksydaza alternatywna produkowana jest w odpowiedzi na stres w postaci zimna, reaktywnych form tlenu , infekcji patogenów i innych czynników zmniejszających wydajność pełnego łańcucha transportu elektronów^[45][46]. Alternatywne drogi przenoszenia elektronów mogą, zwiększać odporność organizmów na czynniki szkodliwe, poprzez zwalczanie stresu oksydacyjnego ^[47].

Organizacja kompleksów

Początkowy model ułożenia kompleksów łańcucha oddechowego zakładał swobodne i niezależne rozmieszczanie w wewnętrznej błonie mitochondrialnej^[48]. Nowsze badania wskazują, że enzymy mogą tworzyć większe kompleksy określane jako superkompleksy lub "respirosomy"^[49]. W tym modelu kompleksy zorganizowane są w zbiory wzajemnie oddziałujących enzymów^[50]. Takie zespoły pozwalałyby przenosić substraty pomiędzy poszczególnymi kompleksami, zwiększając szybkość i wydajność transferu elektronów^[51]. W superkompleksach występujących u ssaków, niektóre elementy moga być obecne w wiekszych ilościach niż pozostałe, a stosunek pomiędzy kompleksami I/II/III/IV i syntazą ATP wynosiłby około 1:1:3:7:4^[52]. Jednakże istnienie superkompleksów nie jest pewne, a cześć wyników nie potwierdza takiego modelu rozkładu kompleksów łańcucha oddechowego^[17][53].

Łańcuch transportu elektronów u prokariotów

W przeciwieństwie do ogólnego podobieństwa w strukturze i działaniu łańcucha oddechowego w komórkach eukariotycznych, u bakterii i archeanów istnieje o wiele większa różnorodność enzymów biorących udział w przenoszeniu elektronów. Jako akceptor elektronów może być użyte wiele substancji chemicznych^[54]. Podobnie jak u eukariotów transport elektronów przez kolejne przenośniki prowadzi do przenoszenia protonów przez błonę i wytwarzania gradientu elektrochemicznego. Przebieg fosforylacji oksydacyjnej został dobrze poznany na przykładzie Escherichia coli u bakterii, jednak u archeanów przebieg procesu jest stosunkowo mało poznany^[55].

Główną różnicą w fosforylacji oksydacyjnej pomiędzy komórkami eukariotycznymi a prokariotycznymi jest używanie przez bakterie i archeany wielu rożnych substancji jako donora lub ostatecznego akceptora elektronów. Pozwala to na wzrost organizmów prokariotycznych w wielu różnych warunkach środowiska^[56]. Na przykład, u E. coli, fosforylacja oksydacyjna może być napędzana przez liczne pary związków utlenianych i redukowanych, które zostały wymienione w tabeli. Potencjał redoks obrazuje ile energii uwalniane jest podczas utleniania lub redukcji, dla redukcji wartość potencjału jest ujemna a dla utleniania wartości są dodatnie.

Jak przedstawiono w tabeli, E. coli może do wytwarzania energii metabolicznej używać związki takie jak mrówczany, wodór, kwas mlekowy jako donory elektronów i azotany, DMSO lub tlen jako akceptory^[56]. Wyższy potencjał redoks oznacza uwolnienie większej ilości energii podczas reakcji. Niezwykłą parę tworzą bursztynian/fumaran przy których potencjał redoks jest niema równa zeru. Dlatego też przy utlenianiu bursztynianu konieczny jest silny utleniacz w postaci tlenu lub fumaran może być zredukowany do bursztynianu przy użyciu silnego reduktora, czyli mrówczanu. Te alternatywne reakcje są katalizowane przez odpowiednio dehydrogenazę bursztynianu lub reduktazę fumaranu^[58].

Niektóre prokarioty używają par związków o niskim potencjale redoks. Na przykład bakterie nitryfikacyjne , takie jak Nitrobacter , utleniają azotyny do azotanów, przekazując elektrony na tlen. Niewielka ilość energii uwalniana podczas reakcji wystarcza do przenoszenia protonów przez błonę i syntezy ATP, lecz nie wystarcza do wytworzenia NADH lub NADPH niezbędnych do procesów anabolicznych ^[59]. Ten problem zostaje rozwiązany dzięki oksydoreduktazie azotynowej, która wytwarza wystarczająco duża siłę protonomotoryczną, aby wymusić odwrotny przebieg łańcucha transportu elektronów, powodując wytwarzanie NADH^[60][61].

Użycie odpowiednich donorów lub akceptorów elektronów przez prokarioty regulowane jest przez czynniki środowiskowe^[62]. Elastyczność procesów metabolicznych jest możliwa dzięki używaniu przez wielu oksydaz i reduktaz tej samej pulu ubichinonu. Pozwala to wielu zestawom enzymów współdziałać, poprzez współdzielenie ubichinonu obecnego w błonach jako związku pośredniego^[57]. Łańcuch oddechowy o strukturze modułowej umożliwia łatwą zmianę zestawów enzymów.

Poza metaboliczną różnorodnością, prokarioty posiadają także zestaw izoenzymów - różnych enzymów, katalizujących te same reakcje. Na przykład, u E. coli występują dwie różne oksydazy ubichinonu, używające tlenu jako akceptora elektronów. W warunkach dobrej dostępności tlenu komórka używa oksydazy o niskim powinowactwie do tlenu, która jest zdolna do przeniesienia dwóch protonów na każdy elektron. Gdy poziom tlenu spadnie komórka przenosi elektrony na tlen poprzez oksydazę, która nie bierze udziału w wytwarzaniu gradientu elektrochemicznego, jednak posiada wysokie powinowactwo do tlenu^[63].

Syntaza ATP

Syntaza ATP . Domena F_O tworzy kanał jonowy i trzon oznaczone kolorem niebieskim, domena F₁ oznaczona kolorem czerwonym, jest właściwym enzym tworzącym ATP, błona oznaczona kolorem szarym.

Syntaza ATP, nazywana także kompleksem V, jest ostatnim enzymem biorącym udział w szeregu reakcji fosforylacji oksydacyjnej. Enzym ten został znaleziony we wszystkich żywych organizmach, zarówno prokariotycznych, jak i eukariotycznych^[64]. Enzym zużywa energię zgromadzoną w postaci gradientu elektrochemicznego do syntezy ATP z ADP i fosforanu nieorganicznego (P_i). Do syntezy jednej cząsteczki ATP potrzebne jest przejście przez syntazę od 3 do 4 protonów^[65][66], w niektórych komórkach ilość protonów może się zmieniać, w zależności od warunków^[67].

Reakcja fosforylacji jest reakcją odwracalną, a przewaga jednego z kierunków reakcji zależy od siły protonomotorycznej. Przy braku gradientu protonowego, syntaza ATP przeprowadza reakcję hydrolizy ATP, przenosząc jednocześnie protony przez błonę. Gdy jednak siła protonomotoryczna jest odpowiednio duża, zachodzi odwrotna reakcja, protony przepływają zgodnie z gradientem stężeń, a ADP łączone jest z P_i z wytworzeniem ATP^[64]. Bardzo podobny enzym H+-ATPaza obecna w błonie wakuoli , wywołuje obniżenie pH wnętrza organellum , przenosząc protony i jednocześnie hydrolizując ATP^[68].

Syntaza ATP jest dużym kompleksem, kształtem przypominającym grzyb. U ssaków kompleks syntazy składa się z 16 podjednostek o łącznej masie około 600 kDa ^[69]. Domena będąca białkiem błonowym określana jest nazwą F_o i zawiera pierścień zbudowany z podjednostek c oraz kanał jonowy. Trzon wraz z przytwierdzoną do niego częścią kulistą, określany jest nazwą F₁, jest miejscem syntezy ATP. Domena F₁ składa się z sześciu podjednostek, należących do dwóch grup: trzech podjednostek α i trzech podjednostek β. Trzon łączący część kulista z domeną błonową zawiera tylko jedną podjednostkę γ^[70]. Podjednostki α i β wiążą nukleotydy, jednak tylko podjednostka β katalizuje reakcję syntezy ATP. Wystająca z domeny F₁, skierowany w stronę błony, to przypominająca pręt podjednostka kotwicząca zespół podjednostek α i β w głównej części kompleksu.

Protony przepływając przez kanał jonowy domeny F_o powodują obracanie się zestawu podjednostek c^[71]. Obroty prawdopodobnie powodowane są zmianami w jonizacji aminokwasów w pierścieniu podjednostek c, co wywołuje zmiany elektrostatyczne , które napędzają pierścień podjednostek c przy kanale jonowym^[72]. Obroty pierścienia przenoszone są przez, tworzącą oś, podjednostkę γ do wnętrza podjednostek α i β, które nie mogą się obracać ze względu na tworzącą stojan długa podjednostkę w kształcie pręta. Ruch obrotowy podjednostki γ wewnątrz kulistej struktury podjednostek α i β dostarcza energii do centrów aktywnych na podjednostkach β, powodując oderwanie cząsteczek ATP^[73].

Mechanizm syntezy ATP. ATP zaznaczono kolorem czerwonym, ADP i fosforan różowym, a obracającą się podjednostkę γ kolorem czarny.

Reakcja syntezy ATP zachodzi dzięki mechanizmowi zmian konformacyjnych, centrum aktywne podjednostki β występuje w dwóch cyklicznie zmieniających się stanach^[74]. W stanie pierwszym jest otwarte i może przyłączyć cząsteczkę ADP i P_i. Gdy oba substraty zostaną przyłączone białko zmienia kształt, powodując połączenie cząsteczek. Powstała cząsteczka ATP ma wysokie powinowactwo do enzymu i jest z nim silnie związana. Ostatni etap polega na powrocie enzymu do stanu pierwszego, centrum aktywne otwiera się, uwalniając cząsteczkę ATP i pozostając otwarte dla kolejnych substratów. Synteza ATP nie wymaga dostarczenia energii. Energia obrotów podjednostki γ konieczna jest do oderwania wytworzonej cząsteczki ATP (otwarcia centrum aktywnego).

U części bakterii i archeanów, synteza ATP napędzana jest nie przepływem protonów przez błonę komórkową, lecz jonów sodowych^[75][76]. Archenany takie jak Methanococcus posiadają także syntazę A₁A_o, formę enzymu o niewielkim podobieństwie sekwencji aminokwasów do białek syntazy ATP obecnych u pozostałych bakterii i komórek eukariotycznych. Prawdopodobnie u części gatunków forma syntazy A₁A_o napędzana jest jonami sodu^[77], jednak jest możliwe, że jest tak u wszystkich organizmów z tą postacią enzymu^[76].

Reaktywne formy tlenu

Tlen cząsteczkowy, jako silny utleniacz, jest idealnym końcowym akceptorem elektronów. Redukcja tlenu może jednak powodować powstawanie szkodliwych związków pośrednich^[78]. Chociaż przeniesienie czterech elektronów połączone z przyłączeniem czterech protonów prowadzi do powstania wody, która jest całkowicie nieszkodliwa, przeniesienie jednego lub dwóch elektronów prowadzi do powstania, szczególnie reaktywnych jonów ponadtlenkowych lub nadtlenkowych .

Reaktywne formy tlenu i produkty ich reakcji, takie jak rodnik hydroksylowy , są bardzo szkodliwe dla komórek, ponieważ powodują utlenianie białek, lipidów i wywołują mutacje w DNA . Uszkodzenia komórek prowadza do chorób i są jedną z przyczyn starzenia się^[79][80].

Kompleks oksydazy cytochromowej bardzo efektywnie przeprowadza redukcję tlenu do wody i produkuje wyjątkowo mało częściowo zredukowanych związków pośrednich, jednak niewielkie ilości jonów ponadtenkowych i nadtlenkowych są wytwarzane podczas działania łańcucha oddechowego^[81]. Szczególnie ważną reakcją jest redukcja koenzymu Q na kompleksie III, gdzie jako związek pośredni powstaje, wysoce reaktywny, semiubichinon. Ten niestabilny związek może prowadzić do "wycieku" elektronów, gdy zostaną one przeniesione bezpośrednio na tlen, tworząc nadtlenek.^[82].

W celu neutralizacji reaktywnych form tlenu, komórki posiadają systemy licznych przeciwutleniaczy, w tym witaminy C i E, a także enzymy rozkładające związki szkodliwe chroniąc komórkę przed uszkodzeniem. Do enzymów chroniących komórkę przed reaktywnymi formami tlenu należą: dysmutaza ponadtlenkowa , katalaza i peroksydazy ^[78].

Inhibitory

Istnieje kilka dobrze znanych leków i toksyn, hamujących zachodzenie fosforylacji oksydacyjnej. Chociaż każda z tych substancji jest inhibitorem tylko jednego enzymu w łańcuchu transportu elektronów, inhibicja jednego z ogniw zatrzymuje cały proces. Na przykład oligomycyna jest inhibitorem syntazy ATP, powoduje, że protony nie mogą przemieścić się z powrotem do macierzy mitochondrialnej^[83]. W efekcie kompleksy łańcucha oddechowego przenoszące protony przestają działać, ponieważ nie są w stanie pokonać wysokiego gradientu stężeń. NADH przestaje być utleniany a cykl kwasu cytrynowego ustaje na skutek spadku stężenia NAD⁺ niezbędnego do działania części enzymów cyklu.

Nie wszystkie inhibitory fosforylacji oksydacyjnej są toksynami. W brunatnej tkance tłuszczowej występują podlegające regulacji białka rozprzęgające (UCP), spełniające funkcję kanałów jonowych pozwalających na przejście przez błonę protonów, co prowadzi do rozprzężenia oddychania i syntezy ATP ^[88]. Szybkie zachodzenie oddychania, nie powiązane z fosforylacją, prowadzi do uwalniania energii w postaci ciepła, co pozwala utrzymać odpowiednią temperaturę ciała zwierzętom podczas snu zimowego . Białka rozprzęgające mogą także pełnić bardziej ogólną funkcję w komórkowej odpowiedzi na stres^[89].

Historia badań

Badania nad fosforylacją oksydacyjną zapoczątkował Arthur Harden , który w roku 1906 stwierdził, że fosforan odrywa ważną rolę w fermentacji przeprowadzanej przez komórki. Wcześniej wiedziano jedynie o włączaniu w proces fosforanów cukrów. ^[90] Na początku lat czterdziestych XX wieku zależność między utlenianiem węglowodanów a wytwarzaniem ATP zastała wykazana przez Hermana Kalckara, ^[91] , co potwierdzało tezę o kluczowej roli ATP w przenoszeniu energii, wysuniętej przez Fritza Lipmanna w roku 1941. ^[92] Następnie w roku 1949, Morris Friedkin i Albert L. Lehninger udowodnili, że koenzym NADH jest związkiem łączącym szlaki metaboliczne, cykl kwasu cytrynowego i syntezę ATP^[93]

Przez kolejne dwadzieścia lat mechanizm wytwarzania ATP pozostawał tajemnicą, a badania naukowców koncertowały się na poszukiwaniu pośredniego związku bogatego w energię, który stanowiłby połączenie reakcji utleniania i fosforylacji^[94]. Zagadka została rozwiązana przez Petera Mitchella publikacją teorii chemiosmotycznej w roku 1961^[95]. Początkowo propozycja Mitchella wzbudzała wątpliwości, jednak doświadczalne potwierdzenie doprowadziło do akceptacji teorii i przyznanie jej twórcy nagrody Nobla w roku 1978^[96][97]. Dalsze badania koncentrowały się na określeniu, wyizolowaniu i oczyszczeniu enzymów przeprowadzających poszczególne reakcji. Jednym z głównych badaczy zaangażowanych w poznawanie kompleksów łańcucha oddechowego był David E. Green, a kompleksu syntazy ATP Efraim Racker ^[98] . Przełomem w wyjaśnianiu mechanizmu syntezy ATP był zaproponowany przez Paula Boyera w roku 1973 mechanizm zmian konformacyjnych i jego rozwinięcie w postaci katalizowania syntezy ATP przez enzym w wyniku obracania się jego komponentów przedstawione w roku 1982 ^[99][74]. W kolejnych latach badania nad strukturą enzymów uczestniczących w fosforylacji oksydacyjnej prowadził John E. Walker . Obaj, Walker i Boyer, za swoje prace otrzymali Nagrodę Nobla w roku 1997^[100].

Zobacz też

• fosforylacja
• fosforylacja substratowa
• fosforylacja fotosyntetyczna

Przypisy

Bibliografia

Linki zewnętrzne

• Fosforylacja oksydacyjna ( ang. )