Dýchací reťazec je sústava dejov, vďaka ktorým dokáže bunka získať energiu uloženú v redukovaných kofaktoroch NADH+H+ a FADH2. Ide o redoxné procesy, pri ktorých sa tieto kofaktory oxidujú do formy NAD+ a FAD. Sú tak schopné viazať ďalšie vodíky, ktoré opäť prispejú k tvorbe energie v dýchacom reťazci. Tieto deje prebiehajú na vnútornej mitochondriálnej membráne.

Okrem spomenutých redukovaných kofaktorov sú súčasťou dýchacieho reťazca enzýmové komplexy (označované rímskymi číslicami I – IV, všetky sú oxidoreduktázami), kofaktory potrebné na správnu funkciu týchto enzýmov a prenášače medzi komplexami, ktoré sú potrebné na prenos elektrónov. Najdôležitejšie štruktúry a ich funkcia bude popísaná v ďalšom texte.

NADH+H+ spolu s FADH2 prichádzajú z cytosolu, ale najmä z matrix mitochondrie (môžu pochádzať napr. z citrátového cyklu) a vstupujú do dýchacieho reťazca prostredníctvom niekoľkých vstupov – membránových enzýmov. 

Redukované kofaktory a ich zapojenie do dýchacieho reťazca

Enzýmové komplexy rozoznávame štyri a ako už bolo spomenuté, označujú sa väčšinou číslami: I, II, III a IV.

Komplex I je transmembránový (prestupuje celou vnútornou mitochondriálnou membránou) a určený je pre kofaktory NADH+H+, katalyzuje ich oxidáciu. Dej, ktorý sa tu odohráva, popisuje rovnica NADH+H+ + Q → NAD+ + QH2.

Čo je Q, ktoré vidíte v rovnici? Je to ubichinon, inak nazývaný aj koenzým Q. Jeho štruktúra je znázornená na obrázku pod písmenom A. Môžete si všimnúť postranný reťazec, na obrázku označený písmenom R. Tento reťazec je polyizoprenoidný a teda lipofilný. Vďaka tomu je pevne zakotvený vo vnútornej mitochondriálnej membráne. 

ubichinon ubichinol seminubichinon

Ako ubichinon (Q) označujeme plne oxidovanú formu, diketón. V prípade, že sa čiastočne redukuje, vzniká aromatický radikál, na kyslíku je nepárový elektrón. Táto štruktúra sa nazýva semiubichinón (QH). Úplne redukovaná forma (QH2) je ubichinol, v štruktúre vidíme namiesto pôvodných ketónových dve hydroxylové skupiny. Jedná sa o difenol.

Zatiaľ čo NADH+H+ si vystačí s jedným enzýmovým komplexom, FADH2 vstupuje do dýchacieho reťazca na troch rôznych miestach.

dýchací reťazec

Ako využiť redukované kofaktory z cytoplazmy

Zo strany cytosolu sa používa takzvaný glycerolfosfátový člnok, zobrazený na obrázku vyššie. Dihydroxyacetónfosfát, ktorý sa nachádza v cytoplazme (je medziproduktom glykolýzy), prijme vodíky od NADH+H+ (ktoré je v cytoplazme, nie v matrix mitochondrie), čím sa premení na glycerol-3-fosfát a uvoľní sa NAD+.

Glycerol-3-fosfát vstupuje do reakcie, ktorá je katalyzovaná enzýmom zabudovaným vo vnútornej membráne mitochondrie (glycerol-3-P-dehydrogenáza = GPD). Mení sa naspäť na dihydroxyacetónfosfát a zároveň redukuje ubichinon, čím vzniká ubichinol.

Z citrátového cyklu a β-oxidácie mastných kyselín vzniká FADH2matrix mitochondrie – kofaktor teda netreba prenášať cez membránu.

Dýchací reťazec a Krebsov cyklus majú spoločný enzým

V citrátovom cykle je jeden enzým, ktorý, na rozdiel od všetkých ostatných, je zabudovaný do mitochondriálnej membrány. Nazýva sa sukcinátdehydrogenáza a katalyzuje premenu sukcinátu na fumarát (pozri citrátový cyklus). Zároveň je druhým komplexom dýchacieho reťazca.

Komplex II má teda na starosti oxidáciu sukcinátu a pri tom redukuje FAD. Táto reakcia je nevyhnutná pre priebeh citrátového cyklu. FADH2, ktoré sa pri tom získa, je ďalej oxidované inou podjednotkou enzýmového komplexu a redukuje sa ubichinon.

Reakciu odohrávajúcu sa na druhom komplexe môžeme zapísať nasledovne:

sukcinát + Q → fumarát + QH2.

FADH2, ktoré sa získa z β-oxidácie, má podobný osud. Najprv sa oxiduje acyl-CoA a redukuje FAD, následne prebieha oxidácia získaného FADH2 a redukcia koenzýmu Q.

Dýchací reťazec a oxidačno-redukčné reakcie

Všimnite si, že vo všetkých prípadoch došlo k oxidácii redukovaných kofaktorov, či už sa jedná o NADH+H+, alebo FADH2. Zároveň vzniká redukovaný koenzým Q (QH2).

Komplex 1 (NADH:ubichinón-oxidoreduktáza)

Ako sme si už povedali, tento komplex je určený pre NADH+H+, ktoré sa nachádza v matrix mitochondrie. Komplex I mení tento kofaktor späť na oxidovanú formu (NAD+) a zároveň redukuje koenzým Q.

Keď sa však okrem redoxných reakcií pozrieme aj na jeho funkciu z pohľadu energetiky, zistíme ďalšie dôležité funkcie.

NADH+H+ je forma, v ktorej sa uchováva vysoký obsah energie. Naopak, oxidovaná forma NAD+ je nízkoenergetická. Tento energetický rozdiel sa musí uvoľniť. A získaná energia sa využije na „prepumpovanieprotónov vodíka z matrix mitochondrie do medzimembránového priestoru. V súčasnosti sa usudzuje, že pri metabolizme jedného NADH+H+ sa prepumpujú (translokujú) štyri H+: NADH+H+ + Q + 4H+(matrix) → NAD+ + QH2 + 4H+(medzimembránový priestor).

dýchací reťazec

Na obrázku si môžete pozrieť všetky dôležité procesy. Dýchací reťazec pozostáva zo štyroch komplexov, toto je prvý z nich.

Z NADH+H+ sa prenesú dva vodíky. Oba atómy pozostávajú z jedného elektrónu a jedného protónu. Dva elektróny, ktoré sme takto získali, sa prenesú na ubichinon. Aby však vznikli atómy vodíka, je nutné prijať dva protóny. Tie prídu z matrix mitochondrie a vzniká QH2.

Elektróny z pôvodných atómov vodíka sme využili, protóny sa presunú do medzimembránového priestoru. Okrem nich sa sem prepumpujú z matrix mitochondrie ďalšie dva protóny vďaka energii uvoľnenej pri oxidácii NADH + H+. Energia je potrebná, pretože protóny sa presúvajú proti svojmu elektrochemickému gradientu (elektrickému aj koncentračnému), teda z nižšej koncentrácie do vyššej. V medzimembránovom priestore teda udržujeme vyššiu koncentráciu H+ ako v matrix, čo je nevyhnutné pre tvorbu ATP v neskorších fázach procesu.

Komplex 2 - sukcinátdehydrogenáza, alebo sukcinát:ubichinon-oxidoreduktáza

Ide o enzým, ktorý je zabudovaný (integrálny proteín) do vnútornej mitochondriálnej membrány a dôležitý je nielen pre dýchací reťazec. Je zároveň súčasťou citrátového cyklu.

dýchací reťazec

Oxiduje sukcinát za vzniku fumarátu a redukuje ubichinon na ubichinol. Oproti komplexu I pozorujeme odlišnosti v presune protónov. Zatiaľ čo pri NADH+H+ sa pumpuje do medzimembránového priestoru množstvo H+, v tomto prípade tomu tak nie je. Pri oxidácii FADH2 sa uvoľní tak malé množstvo energie, že na translokáciu protónov do medzimembránového priestoru nestačí.

Komplex II sa kvôli tejto skutočnosti nezapája do tvorby protónového gradientu. To vysvetľuje fakt, že z jednej molekuly FADH2 je nižší výťažok energie (vo forme ATP) ako z molekuly NADH+H+.

Komplex 3 - ubichinol:cytochróm-c-reduktáza

V reakciách prvého aj druhého enzýmového komplexu sme získali redukované koenzýmy Q (ubichinol) – QH2. Aj keď ubichinon je bežnou súčasťou membrány, nemáme ho nekonečné množstvo a potrebujeme naspäť získať oxidovanú formu – ubichinon (Q), aby sa mohli oxidovať ďalšie NADH+H+ a FADH2. Redukovaný koenzým Q je preto potrebné oxidovať (premena ubichinolu na ubichinon).

dýchací reťazec

Na oxidáciu slúži cytochróm c – seba redukuje a ubichinol oxiduje. Cytochróm c obsahuje atóm železa, ktoré je vo ferri-forme (Fe3+). Keď sa redukuje, železo prechádza do ferro-formy (Fe2+).

Mechanizmy, ktoré prebiehajú na tomto komplexe sú zložité. Čo však stojí za pozornosť okrem už spomenutých redoxných reakcií, je transport protónov do medzimembránového priestoru. Zrejme sa jedná o 4H+.

Rovnicou zhrnuté deje na tomto komplexe vyzerajú nasledovne:

QH2 + 2Fe3+-cytochrom c + 2H+(matrix) → Q + 2Fe2+-cytochrom c + 4H+(medzimembránový priestor).

Komplex 4 - cytochróm-c-oxidáza

Tak ako sme potrebovali zregenerovať ubichinon (vrátiť do oxidovanej formy), potrebujeme to isté aj v prípade cytochromu c. Ferro-forma (Fe2+) sa oxiduje na ferri-formu (Fe3+) a pri tom dochádza k redukcii dikyslíku, čím vzniká voda. Zároveň na komplexe dochádza k prepumpovaniu štyroch protónov do medzimembránového priestoru.

dýchací reťazec

Všimnite si, že na kompletnú redukciu O2 potrebujeme štyri elektróny. Z NADH+H+ získame len dva. Aby nastala kompletná redukcia dikyslíku, sú teda potrebné dve molekuly redukovaného kofaktoru. Na každé dva elektróny zároveň pripadá translokácia dvoch protónov do medzimembránového priestoru.

Kyslík je poslednou časťou dýchacieho reťazca, ktorá prijíma elektróny. Je teda terminálnym akceptorom. Týmto spôsobom sa využíva väčšina kyslíka v tele. Voda, ktorá v reakcii vzniká, sa nazýva metabolická voda (vzniká v organizme, počas metabolických procesov).

Čo z dýchacieho reťazca získame?

Tri zo štyroch enzýmových komplexov premiestňujú protóny vodíka z matrix mitochondrie do medzimembránového priestoru. V matrix je tak ich koncentrácia nižšia a vzniká protónový gradient. Protóny majú tendenciu koncentrácie vyrovnať, snažia sa z medzimembránového priestoru dostať naspäť do matrix. Hovoríme o tzv. protonmotívnej sile pozostávajúcej z chemickej (rozdiel pH) a elektrickej (rozdiel membránových potenciálov) zložky. Pri takomto „vybití“ protónového gradientu by došlo k uvoľneniu energie.

Cez membránu však voľne prejsť nedokážu. Protonmotívnu silu vďaka tomu môže bunka využiť na syntézu ATP v procese aeróbnej fosforylácie, na produkciu tepla (termogenézia), alebo na sekundárny aktívny transport (transport metabolitov cez vnútornú mitochondriálnu membránu, ktorý vyžaduje energiu).

Zdroj:

prezentácia Citrátový cyklus, dýchací řetězec, reaktivní formy kyslíku Ústavu biochémie Lekárskej fakulty Masarykovej univerzity (2017)

Categories: BiochémiaChémia

0 Comments

Pridaj komentár

Vaša e-mailová adresa nebude zverejnená. Vyžadované polia sú označené *

Táto webová stránka používa Akismet na redukciu spamu. Získajte viac informácií o tom, ako sú vaše údaje z komentárov spracovávané.