Vse biokemične reakcije v celicah katerega koli organizma potekajo s porabo energije. Dihalna veriga je zaporedje specifičnih struktur, ki se nahajajo na notranji membrani mitohondrijev in služijo za tvorbo ATP. Adenozin trifosfat je univerzalen vir energije in se lahko v sebi akumulira od 80 do 120 kJ.
Dihalna veriga elektronov - kaj je to?
Elektroni in protoni igrajo pomembno vlogo pri tvorbi energije. Ustvarjajo potencialno razliko na nasprotnih straneh mitohondrijske membrane, ki ustvarja usmerjeno gibanje delcev – tok. Dihalna veriga (tudi ETC, veriga za transport elektronov) posreduje prenos pozitivno nabitih delcev v medmembranski prostor in negativno nabitih delcev v debelino notranje mitohondrijske membrane.
Glavno vlogo pri tvorbi energije ima ATP sintaza. Ta kompleksen kompleks pretvori energijo usmerjenega gibanja protonov v energijo biokemičnih vezi. Mimogrede, skoraj enak kompleks najdemo v rastlinskih kloroplastih.
Kompleksi in encimi dihalne verige
Prenos elektronov spremljajo biokemične reakcije v prisotnosti encimskega aparata. Te biološko aktivne snovi, katerih številne kopije tvorijo velike kompleksne strukture, služijo kot posredniki pri prenosu elektronov.
Kompleksi dihalne verige so osrednji sestavni deli transporta nabitih delcev. Skupno so v notranji membrani mitohondrijev 4 takšne tvorbe, pa tudi ATP sintaza. Vse te strukture združuje skupen cilj - prenos elektronov vzdolž ETC, prenos vodikovih protonov v medmembranski prostor in posledično sinteza ATP.
Kompleks je kopičenje beljakovinskih molekul, med katerimi so encimi, strukturni in signalni proteini. Vsak od 4 kompleksov opravlja svojo funkcijo, ki je samo zanj značilna. Poglejmo, za katere naloge so te strukture prisotne v ETC.
I kompleks
Dihalna veriga ima glavno vlogo pri prenosu elektronov v debelino mitohondrijske membrane. Reakcije abstrakcije vodikovih protonov in njihovih spremljajočih elektronov so ena osrednjih reakcij ETC. Prvi kompleks transportne verige prevzame molekule NADH+ (pri živalih) ali NADPH+ (v rastlinah), čemur sledi eliminacija štirih vodikovih protonov. Pravzaprav se zaradi te biokemične reakcije kompleks I imenuje tudi NADH - dehidrogenaza (po imenu osrednjega encima).
Sestava kompleksa dehidrogenaze vključuje 3 vrste beljakovin železo-žveplo, kot tudiflavin mononukleotidi (FMN).
II kompleks
Delovanje tega kompleksa ni povezano s prenosom vodikovih protonov v medmembranski prostor. Glavna funkcija te strukture je dovajanje dodatnih elektronov v verigo transporta elektronov z oksidacijo sukcinata. Osrednji encim kompleksa je sukcinat-ubikinon oksidoreduktaza, ki katalizira odstranjevanje elektronov iz jantarne kisline in prenos na lipofilni ubikinon.
Dobavitelj vodikovih protonov in elektronov za drugi kompleks je tudi FADН2. Vendar pa je učinkovitost flavinadenin dinukleotida manjša od učinkovitosti njegovih analogov - NADH ali NADPH.
Kompleks II vključuje tri vrste železo-žveplovih beljakovin in osrednji encim sukcinat oksidoreduktazo.
III kompleks
Naslednja komponenta, ETC, je sestavljena iz citokromov b556, b560 in c1, kot tudi beljakovine železo-žveplo Riske. Delo tretjega kompleksa je povezano s prenosom dveh vodikovih protonov v medmembranski prostor in elektronov iz lipofilnega ubikinona v citokrom C.
Posebnost beljakovin Riske je, da se raztopijo v maščobi. Druge beljakovine te skupine, ki jih najdemo v kompleksih dihalne verige, so vodotopne. Ta lastnost vpliva na položaj beljakovinskih molekul v debelini notranje membrane mitohondrijev.
Tretji kompleks deluje kot ubikinon-citokrom c-oksidoreduktaza.
IV kompleks
On je tudi kompleks citokrom-oksidant, je končna točka v ETC. Njegovo delo je, daprenos elektronov s citokroma c na atome kisika. Nato bodo negativno nabiti atomi O reagirali z vodikovimi protoni in tvorili vodo. Glavni encim je citokrom c-oksigen oksidoreduktaza.
Četrti kompleks vključuje citokrome a, a3 in dva atoma bakra. Citokrom a3 je imel osrednjo vlogo pri prenosu elektronov na kisik. Interakcija teh struktur zavirata dušikov cianid in ogljikov monoksid, kar v globalnem smislu vodi do prenehanja sinteze ATP in smrti.
ubikinon
Ubikinon je vitaminu podobna snov, lipofilna spojina, ki se prosto giblje v debelini membrane. Mitohondrijska dihalna veriga ne more brez te strukture, saj je odgovorna za transport elektronov iz kompleksov I in II v kompleks III.
Ubikinon je derivat benzokinona. To strukturo na diagramih lahko označimo s črko Q ali skrajšano kot LU (lipophilic ubiquinone). Oksidacija molekule vodi do tvorbe semikinona, močnega oksidanta, ki je potencialno nevaren za celico.
ATP sintaza
Glavno vlogo pri tvorbi energije ima ATP sintaza. Ta gobam podobna struktura uporablja energijo usmerjenega gibanja delcev (protonov), da jo pretvori v energijo kemičnih vezi.
Glavni proces, ki se dogaja v ETC, je oksidacija. Dihalna veriga je odgovorna za prenos elektronov v debelini mitohondrijske membrane in njihovo kopičenje v matriksu. Hkratikompleksi I, III in IV črpajo vodikove protone v medmembranski prostor. Razlika v nabojih na straneh membrane vodi v usmerjeno gibanje protonov skozi ATP sintazo. Torej H + vstopi v matriks, sreča elektrone (ki so povezani s kisikom) in tvori snov, ki je za celico nevtralna - vodo.
ATP sintaza je sestavljena iz F0 in F1 podenot, ki skupaj tvorita molekulo usmerjevalnika. F1 je sestavljen iz treh alfa in treh beta podenot, ki skupaj tvorijo kanal. Ta kanal ima popolnoma enak premer kot vodikovi protoni. Ko pozitivno nabiti delci prehajajo skozi ATP sintazo, se glava molekule F0 zavrti za 360 stopinj okoli svoje osi. V tem času so ostanki fosforja vezani na AMP ali ADP (adenozin mono- in difosfat) z uporabo visokoenergetskih vezi, ki vsebujejo veliko količino energije.
ATP sintaze najdemo v telesu ne le v mitohondrijih. V rastlinah se ti kompleksi nahajajo tudi na membrani vakuole (tonoplast), pa tudi na tilakoidih kloroplasta.
Prav tako so ATPaze prisotne v živalskih in rastlinskih celicah. Imajo podobno strukturo kot ATP sintaze, vendar je njihovo delovanje usmerjeno v izločanje ostankov fosforja s porabo energije.
Biološki pomen dihalne verige
Prvič, končni produkt ETC reakcij je tako imenovana presnovna voda (300-400 ml na dan). Drugič, ATP se sintetizira in energija se shranjuje v biokemičnih vezi te molekule. Na dan se sintetizira 40-60kg adenozin trifosfata in enako količino porabimo v encimskih reakcijah celice. Življenjska doba ene molekule ATP je 1 minuta, zato mora dihalna veriga delovati gladko, jasno in brez napak. V nasprotnem primeru bo celica umrla.
Mitohondrije veljajo za energijske postaje katere koli celice. Njihovo število je odvisno od porabe energije, ki je potrebna za določene funkcije. Na primer, v nevronih je mogoče prešteti do 1000 mitohondrijev, ki pogosto tvorijo grozd v tako imenovanem sinaptičnem plaku.
Razlike v dihalni verigi pri rastlinah in živalih
V rastlinah je kloroplast dodatna "energetska postaja" celice. Sintaze ATP se nahajajo tudi na notranji membrani teh organelov, kar je prednost pred živalskimi celicami.
Rastline lahko preživijo tudi visoke koncentracije ogljikovega monoksida, dušika in cianida prek poti, odporne na cianid, v ETC. Dihalna veriga se tako konča pri ubikinonu, elektroni iz katerega se takoj prenesejo na atome kisika. Posledično se sintetizira manj ATP, vendar rastlina lahko preživi neugodne razmere. Živali v takih primerih poginejo ob daljši izpostavljenosti.
Učinkovitost NAD, FAD in poti, odporne na cianid, lahko primerjate z uporabo stopnje proizvodnje ATP na prenos elektrona.
- z NAD ali NADP se tvorijo 3 molekule ATP;
- FAD proizvaja 2 molekuli ATP;
- pot, odporna na cianid, proizvede 1 molekulo ATP.
Evolucijska vrednost ETC
Za vse evkariontske organizme je eden od glavnih virov energije dihalna veriga. Biokemija sinteze ATP v celici je razdeljena na dve vrsti: substratno fosforilacijo in oksidativno fosforilacijo. ETC se uporablja pri sintezi energije druge vrste, torej zaradi redoks reakcij.
Pri prokariontskih organizmih ATP nastane le v procesu fosforilacije substrata v fazi glikolize. Šestogljični sladkorji (predvsem glukoza) so vključeni v cikel reakcij, na izhodu pa celica prejme 2 molekuli ATP. Ta vrsta sinteze energije velja za najbolj primitivno, saj se pri evkariontih v procesu oksidativne fosforilacije tvori 36 molekul ATP.
Vendar to ne pomeni, da so sodobne rastline in živali izgubile sposobnost substratne fosforilacije. Le ta vrsta sinteze ATP je postala le ena od treh stopenj pridobivanja energije v celici.
Glikoliza pri evkariontih poteka v citoplazmi celice. Obstajajo vsi potrebni encimi, ki lahko razgradijo glukozo na dve molekuli pirovične kisline s tvorbo 2 molekul ATP. Vse naslednje faze potekajo v mitohondrijskem matriksu. Krebsov cikel ali cikel trikarboksilne kisline poteka tudi v mitohondrijih. To je zaprta veriga reakcij, zaradi katerih se sintetizirata NADH in FADH2. Te molekule bodo šle kot potrošni material v ETC.
