Τι είναι η Αναπνευστική Αλυσίδα; Ποιες διαδοχικές αντιδράσει εκτελούνται;

Αναπνευστική Αλυσίδα

Τι είναι αναπνευστική αλυσίδα;

Η αναπνευστική αλυσίδα, αλλιώς γνωστή ως αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων , βρίσκεται στα μιτοχόνδρια. Ένα μόνο μόριο ΝΑDΗ έχει επαρκή ενέργεια για να παράγει τρία μόρια ΑΤΡ από ΑDΡ. Συνεπώς, η λειτουργία της αλυσίδας μπορεί να θεωρηθεί ως ένας μηχανισμός με τον οποίο η εν λόγω ενέργεια απορροφάται με ελεγχόμενο τρόπο. Η αλυσίδα αποτελείται από μια σειρά φορέων ηλεκτρονίων που μπορούν να δεχτούν και στη συνέχεια να δώσουν ηλεκτρόνια, ενώ η προκύπτουσα παραγωγή ενέργειας χρησιμοποιείται για να διεγείρει τον σχηματισμό ΑΤΡ μέσω οξειδωτικής φωσφορυλίωσης. H εικόνα στην κορυφή  δείχνει μια περίληψη της αναπνευστικής αλυσίδας και τα σημεία όπου παράγεται ενέργεια για την παραγωγή ΑΤΡ.

Τι είναι η NADH αφυδρογονάση;

Ορισμός NADP +

Το NADP + είναι ένα συνένζυμο που λειτουργεί ως ένας καθολικός φορέας ηλεκτρονίων , δέχεται ηλεκτρόνια και άτομα υδρογόνου για να σχηματίσει NADPH ή δινουκλεοτιδικό φωσφορικό νικοτιναμίδιο αδενίνης. Το NADP + δημιουργείται σε αναβολικές αντιδράσεις ή αντιδράσεις που δημιουργούν μεγάλα μόρια από μικρά μόρια. Το NADPH δίδει το υδρογόνο (Η) και τα συναφή ηλεκτρόνια, οξειδώντας το μόριο για να δημιουργήσει NADP + . Αυτό το μόριο είναι συνήθως σε χαμηλότερη συγκέντρωση από το αντίστοιχο NADPH, το οποίο ευνοεί την απελευθέρωση του υδρογόνου και του ηλεκτρονίου από το NADPH.

Λειτουργία του NADP

Το NADP + λειτουργεί μαζί με πολλά ένζυμα για να παρέχει ενέργεια στις πολλές αντιδράσεις σε ένα κύτταρο. Το NADP + είναι η χρησιμοποιούμενη μορφή του NADPH, και πρέπει να μειωθεί με περισσότερα ηλεκτρόνια και υδρογόνο. Αυτό γίνεται συνήθως κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης στα φυτά ή ως μέρος της πέψης με ζάχαρη στα ζώα. Η απελευθέρωση ενέργειας από τους δεσμούς ζάχαρης ή η είσοδος ενέργειας από τον ήλιο επιτρέπει στα κύτταρα αυτών των οργανισμών να δεσμεύουν υδρογόνο με δύο ηλεκτρόνια στο NADP + , δημιουργώντας NADPH που μπορεί να μετακινήσει αυτή την ενέργεια, τα ηλεκτρόνια και το υδρογόνο σε ένα νέο αντίδραση μέσα στο κύτταρο.

Σχετικοί όροι βιολογίας

  • NADPH – Η μειωμένη έκδοση του NADP + , η οποία χρησιμεύει ως δότης πρωτονίων και φορέας ηλεκτρονίων.
  • NADH – NADPH χωρίς μια πρόσθετη ομάδα φωσφορικών , που χρησιμοποιείται κυρίως σε καταβολικές αντιδράσεις.
  • Μεταφορέας ηλεκτρονίων – Ένα μόριο που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ηλεκτρονίων σε διάφορες αντιδράσεις και ένζυμα.

 

Η σειρά της Αναπνευστικής Αλυσίδας

΄Τρία από αυτά τα σύμπλοκα I, II, IV μεταφέρουν πρωτόνια από την μήτρα των μιτοχονδρίων στον ενδιάμεσο χώρο. Συνέπεια αυτού είναι η πτώση του PH στον ενδιάμεσο χώρο.

Πρώτο σύμπλοκο: Αναγωγάση NADH-ουβικινόνης (σύμπλοκο I)

Tο πρώτο σύμπλοκο μεταφέρει πρωτόνια και ηλεκτρόνια από τους δότες στους αποδέκτες δια μέσου της μεμβράνης συγκεκριμένα,Αρχικά 2 Η, το 1 από το FADH και 1 από το υδρογόνο μεταφέρονται στη κυτταχρωμική οξειδάση. Τα ηλεκτρόνια στην NADHαφυδρογονάση μεταφέρονται πρώτα στο συνένζυμο FMN και Η ενέργεια που ελευθερώνεται εδώ είναι ΔG =9,2 kcal/mol Στη συνέχεια σε μια χημική ένωση που λέγεται ουμπικινόνη.

Δεύτερο σύμπλοκο: Αναγωγάση ηλεκτρικού-ουβικινόνης (σύμπλοκο II)

To δεύτερο σύμπλοκο η ηλεκτρική οξειδάση που βρίσκεται κατ΄εξαίρεση πάνω στην μεμβράνη, (αντί να βρίσκεται στην μήτρα των μιτοχονδρίων όπου γίνονται οι υπόλοιπες οξειδώσεις του κύκλου), αποσπά υδρογόνα από το ηλεκτρικό οξύ και έχει συνένζυμο μια το FAD που μετατρέπεται σε FADH2 ανηγμένο συνένζυμο Q. 

Υπάρχει όμως και ένα άλλο ένζυμο!

Eίναι μια φλαβινοπρωτείνη ή ETF αφυδρογονάση , που επίσης προμηθεύει υδρογόνα και ηλεκτρόνια την ουβικινόνη, όμως τα μαζεύει από άλλους κύκλους όπως γλυκόλυση ή β οξείδωση κ.α και τα αποδίδει στην ουβικινόνη Δηλαδή, Υδρογόνα και ηλεκτρόνια, προσλαμβάνονται αρχικά από τον πρώτο και δεύτερο σύμπλοκο, προωθούνται στην αλυσίδα που συνεχίζει με την ουβικινίνη (μεταφορέας) , το κυτόχρωμα σύμπλοκα που βρίσκονται στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων έως ότου καταλήξουν στο οξυγόνο.

Το τρίτο σύμπλοκο: Κυτοχρωμική αναγωγάση (σύμπλοκο III)

Το σύμπλεγμα ΙΙΙ της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων, επίσης γνωστό ως οξειδορεδουκτάση Q-κυτοχρώματος c ή απλά αναγωγάση του κυτοχρώματος, είναι μια δομή πολλαπλών υπομονάδων που λειτουργεί για να δέχεται ηλεκτρόνια από ουβινοκινόλη και να τα μεταφέρει σε άλλο φορέα ηλεκτρονίων που ονομάζεται κυτόχρωμα c. Το ίδιο το σύμπλεγμα III αποτελείται από τρεις σημαντικές ομάδες:

  1. Κυτόχρωμα c1 που περιέχει μία ομάδα αίμης
  2. Κυτοχρώματος b που αποτελείται από δύο διαφορετικές ομάδες αίμης και
  3. Το κέντρο Rieske που περιέχει το κέντρο 2Fe-2S. 

Η διαδικασία με την οποία τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από την ουβιβινολίνη στο κυτόχρωμα c είναι γνωστή ως ο κύκλος Q. Είναι μια δομή πολλαπλών υπομονάδων που λειτουργεί για να δέχεται ηλεκτρόνια από ουβινοκινόλη και να τα μεταφέρει σε άλλο φορέα ηλεκτρονίων που ονομάζεται κυτόχρωμα c. Αυτός ο κύκλος αποτελείται στην πραγματικότητα από δύο μίνι-κύκλους που ονομάζονται μισό-κύκλοι.

  •  Κατά τον πρώτο μισό κύκλο, ένα μόριο ουμπικινόλης προσκολλάται στο σύμπλοκο III και μεταφέρει τα δύο ηλεκτρόνια στο σύμπλεγμα . Ένα από αυτά τα ηλεκτρόνια κινείται πάνω στο κέντρο Rieske, μετά επί του κυτοχρώματος c1 και τέλος επί του κυτοχρώματος c (το κυτόχρωμα c, μπορεί να φέρει μόνο ένα μόνο ηλεκτρόνιο σε κάθε δεδομένη στιγμή).Το άλλο ηλεκτρόνιο που προέρχεται από το QH2 ακολουθεί μια διαφορετική οδό και μετακινείται μέσω των ομάδων αιμίου του κυτοχρώματος b και στην ουβικινόνη για να σχηματίσει ένα μερικώς μειωμένο είδος που ονομάζεται ιόν ρίζας ημικινόνης. Τα δύο πρωτόνια που είχαν συνδεθεί αρχικά με ουμπικινόλη μεταφέρονται στον διαμεμβρανικό χώρο.
  •  Στο δεύτερο μισό κύκλο του κύκλου Q, μια άλλη ubiquinol προσκολλάται στο σύμπλεγμα III. Μετά τη σύνδεση, τα δύο πρωτόνια μετακινούνται στο διαμεμβρανικό διάστημα και τα δύο ηλεκτρόνια ακολουθούν τις ίδιες οδούς όπως και πριν. Το ηλεκτρόνιο που ταξιδεύει μέσω του κέντρου Rieske τελικά καταλήγει στη μείωση ενός δεύτερου κυτοχρώματος c ενώ το άλλο ηλεκτρόνιο μετακινείται πάνω στο ιόν της ρίζας ημικινόνης για να σχηματίσει μια πλήρως μειωμένη κινόνη (η ουβικινόνη πρέπει να πάρει δύο πρωτόνια από τη μήτρα για να σχηματίσει την ουβικινόλη). Επομένως, ένας μόνο κύκλος Q μειώνει δύο μόρια του κυτοχρώματος c, σχηματίζει ένα μοναδικό μόριο ουβινοκινόλης, αντλεί τέσσερα πρωτόνια στον διαμεμβρανικό χώρο και καταλαμβάνει δύο πρωτόνια από τη μήτρα.

Η ουμπικινόνη Q είναι o πρώτος κινητός μεταφορέας της αναπνευστικής αλυσίδας

Η ουμπικινόνη Q είναι o πρώτος κινητός μεταφορέας της αναπνευστικής αυσίδας. Συλλέγει και μεταφέρει ηλεκτρόνια από το πρώτο σύμπλοκο (ΝADH αφυδρογονάση) και από το δεύτερο (Ηλεκτρική οξειδάση και FAD) και τα μεταφέρει , προς στο σύμλοκο κυτόχρωμα cb-c1. Εκεί τα ηλεκτρόνια αρχικά παραλαμβάνει το κυττόχρωμα cb, που ανάγεται. Στην συνέχεια το ζευγάρι των ηλεκτρονίων παραλαμβάνεται από το κυττόχρωμα c1 το οποίο ανάγεται, ενώ ταυτόχρονα το κυττόχρωμα cβ οξειδώνεται . 

Το κυττόχρωμα C είναι ο δεύτερος κινητός μεταφορέας

Η συνολική ενέργεια και των δυο οξειδαναγωγικών αντιδράσεων που ελευθερώνεται στο τρίτο σύμπλοκο είναι DG= 11,6kcal/mol. Το δυναμικό οξειδοαναγωγης υπολογίζεται μεταξύ του οξειδοαναγωγικού ζεύγους Ουβικινόνη/κυττόχρωμα c. Το κυττόχρωμα C που είναι κινητό σύμπλοκο ο δεύτερος κινητός μεταφορέας στην αναπνευστική αλυσίδα, μεταφέρει τα ηλεκτρόνια από το τρίτο σύμπλοκο cb-c1 στο τέταρτο σύμπλοκο ca-ca3 . 

Τέταρτο σύμπλοκο: Κυτοχρωμική οξειδάση (σύμπλοκο IV)

Τo τέταρτο σύμπλοκο αποδέκτης των ηλεκτρονίων λέγεται κυτοχρωμική οξειδάση (κυττόχρωμα). Τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται εκεί από το κινητό σύμπλοκο κυττόχρωμα c. ενώ τα Η+ μεταφέρονται εκεί ξεχωριστά. Έμμεσα απαιτείται οξυγόνο που είναι ο τελικός αποδέκτης των πρωτονίων που αντλούνται από την αναερόβια γλυκόλυση και από τον κύκλο του Κρεμπς μέσω ανηγμένων συνενζύμων . H ενέργεια που ελευθερώνεται κατά την μεταφορά του ζεύγους ηλεκτρονίων από το κυττόχρωμα α στο οξυγόνο είναι ΔG= 23,1kcal/mol. Η συγκέντρωση οξυγόνου επρρεάζει τον ρυθμό της αναπνευστικής αλυσίδας και οξυδωτικής φωσφορυλίωσης.  

Η φωσφορυλίωση του ΑΤΡ είναι το πέμπτο σύμποκο

Σχηματικό διάγραμμα του συμπλόκου V. Περιλαμβάνει την καταλυτική μονάδα σύνθεσης του ΑΤΡ, F, και τη μονάδα αγωγό των πρωτονίων Fo.

Η φωσφορυλίωση του ΑΤΡ γίνεται με τη μιτοχονδριακή συνθετάση του ΑΤΡ (σύμπλοκο V). Το σύμπλοκο αυτό αποτελείται από την καταλυτική μονάδα σύνθεσης του ΑΤΡ (F1) , η οποία βρίσκεται προς την πλευρά της μήτρας του μιτοχονδρίου, και από το αγωγό των πρωτονίων (Fo) 

Το ισοζύγιο ενεργείας στην αναπνευστική αλυσίδα

Όπως ήδη αναφέραμε, η αναπνευστική αλυσίδα χρησιμεύει για την οξείδωση των ανηγμένων συνενζύμων, με τελικό αποδέκτη ηλεκτρονίων το O2. Στην αντίδραση αυτή εκλύεται ένα ασυνήθιστα μεγάλο για βιοχημική αντίδραση ποσό ενέργειας, που ισοδυναμεί με 219 kj/mole NADH. Στην αναπνευστική αλυσίδα όμως το NADH δεν αντιδρά αμέσως με το O2, αλλά μέσω μίας σειράς ενδιάμεσων οξειδοαναγωγικών ουσιών. Μπορούμε να παρομοιάσουμε το φαινόμενο αυτό με καταρράκτη, στον οποίο η πτώση του νερού σε χαμηλότερα επίπεδα γίνεται κατά βήματα, έτσι ώστε το σύνολο της ενέργειας που απελευθερώνεται κατά την πτώση να αποδίδεται τμηματικά. Το σύνολο της ενέργειας των 219 kj που απελευθερώνεται κατά την αναπνευστική αλυσίδα κατανέμεται σε τρία πακέτα ενέργειας, που οδηγούν στο σχηματισμό τριών μορίων ΑΤΡ.

Βιβλιογραφία

  1. http://www.aklectures.com/subject/biochemistryΣύγχρονη διατροφή & Διαιτολόγια
  2. Σύγχρονη Διατροφή & Διαιτολόγια
  3. Βιταμίνες ιχνοστοιχεία συμπληρώματα Διατροφής Α&Β τόμος
  4. https://en.wikipedia.org
Scroll to Top