Кіріспе
Энергия өндіретін метаболизм жолы
Электрон тасымалдау тізбегі (ЭТТ) – электрондарды электрон донорларынан электрон қабылдағыштарға редокс реакциялары арқылы (тотығу және тотықсыздану бір мезгілде жүреді) жеткізетін және осы электрон тасымалын мембрана арқылы протондардың (H+ иондарының) тасымалымен байланыстыратын ақуыз кешендері мен басқа молекулалардың тізбегі. Электрон тасымалдау тізбегіндегі көптеген ферменттер мембранаға енген. Электрон тасымалдау тізбегі арқылы электрондардың ағысы экзергониялық процесс болып табылады. Редокс реакцияларының энергиясы аденозин трифосфатының (АТФ) синтезін қамтамасыз ететін электрохимиялық протон градиентін жасайды. Аэробты тыныс алу кезінде электрондардың ағысы молекулалық оттегімен аяқталады. Анаэробты тыныс алу кезінде сульфат сияқты басқа электрон қабылдағыштар қолданылады. Электрон тасымалдау тізбегінде редокс реакциялары реакциядағы заттар мен өнімдердің Гиббс еркін энергиясының айырмашылығымен шақырылады. Жоғары энергиялы электрон доноры мен қабылдағыш төмен энергиялы өнімдерге айналғанда босатылатын еркін энергия, ал электрондар төменгі редокс потенциалынан жоғарыға ауысқанда, электрон тасымалдау тізбегіндегі кешендер иондардың электрохимиялық градиентін құру үшін пайдаланады. Осы электрохимиялық градиент АТФ синтетазасы арқылы окисфосфорилдеумен байланысты АТФ синтезін қозғалысқа келтіреді. Эукариоттық организмдерде электрон тасымалдау тізбегі және окисфосфорилдеу орны ішкі митохондриялық мембранада орналасқан. Цитохром c және (тікелей емес) NADH және FADH2 сияқты оттегі мен тотыққан қосылыстардың реакцияларынан босатылған энергия электрон тасымалдау тізбегімен мембрана аралық кеңістікке протондарды айдау үшін қолданылады, бұл ішкі митохондриялық мембранада электрохимиялық градиентті тудырады. Фотосинтездік эукариоттарда электрон тасымалдау тізбегі тилакоид мембранасында орналасқан. Мұнда жарық энергиясы протон сорғысы арқылы электрон тасымалын қозғалысқа келтіреді, ал нәтижесінде пайда болған протон градиенті АТФ синтезін тудырады. Бактерияларда электрон тасымалдау тізбегі түрлерге қарай өзгеруі мүмкін, бірақ ол әрқашан электрохимиялық градиент пен окисфосфорилдеу арқылы АТФ синтезімен байланысты редокс реакцияларының жиынтығын құрайды.
An electron transport chain (ETC) is a series of protein complexes and other molecules that transfer electrons from electron donors to electron acceptors via redox reactions (both reduction and oxidation occurring simultaneously) and couples this electron transfer with the transfer of protons (H+ ions) across a membrane. Many of the enzymes in the electron transport chain are embedded within the membrane. The flow of electrons through the electron transport chain is an exergonic process. The energy from the redox reactions creates an electrochemical proton gradient that drives the synthesis of adenosine triphosphate (ATP). In aerobic respiration, the flow of electrons terminates with molecular oxygen as the final electron acceptor. In anaerobic respiration, other electron acceptors are used, such as sulfate. In an electron transport chain, the redox reactions are driven by the difference in the Gibbs free energy of reactants and products. The free energy released when a higher energy electron donor and acceptor convert to lower energy products, while electrons are transferred from a lower to a higher redox potential, is used by the complexes in the electron transport chain to create an electrochemical gradient of ions. It is this electrochemical gradient that drives the synthesis of ATP via coupling with oxidative phosphorylation with ATP synthase. In eukaryotic organisms, the electron transport chain, and site of oxidative phosphorylation, is found on the inner mitochondrial membrane. The energy released by reactions of oxygen and reduced compounds such as cytochrome c and (indirectly) NADH and FADH2 is used by the electron transport chain to pump protons into the intermembrane space, generating the electrochemical gradient over the inner mitochondrial membrane. In photosynthetic eukaryotes, the electron transport chain is found on the thylakoid membrane. Here, light energy drives electron transport through a proton pump and the resulting proton gradient causes subsequent synthesis of ATP. In bacteria, the electron transport chain can vary between species but it always constitutes a set of redox reactions that are coupled to the synthesis of ATP through the generation of an electrochemical gradient and oxidative phosphorylation through ATP synthase.
Митохондриялық электронды тасымалдау тізбектері
Көптеген эукариоттық жасушаларда митохондриялар болады, олар лимон қышқылы циклының, май қышқылы метаболизмі мен амин қышқылының өнімдерімен оттегінің реакциясы арқылы АТФ өндіреді. Ішкі митохондриялық мембранада NADH және FADH электрондары электрондық тасымалдау тізбегі арқылы оттегіге беріледі, ол процесті қоздыратын энергияны қамтамасыз етеді, себебі ол суға тотығады. Электрондық тасымалдау тізбегі электрон донорлары мен электрон қабылдағыштарының ферменттік тізбесінен тұрады. Әрбір электрон доноры электрондарды жоғары тотығу-тотықсыздану потенциалы бар қабылдағышқа береді, ол өз кезегінде осы электрондарды тағы бір қабылдағышқа береді, бұл процесс электрондар тізбектегі соңғы қабылдағышқа, яғни оттегіге жеткенше жалғасады. Әрбір реакция энергияны бөліп шығарады, өйткені жоғары энергиялы донор мен қабылдағыш төмен энергиялы өнімдерге айналады. Көшірілген электрондар арқылы бұл энергия митохондриялық мембрана арқылы протонды мембранааралық кеңістікке "қақпақтап" протондық градиент құруға жұмсалады, бұл жұмыс істеуге потенциалы бар жоғары еркін энергия күйін тудырады. Бұл процеске тотығу-фосфорилирлеу деп аталады, себебі АДФ электрохимиялық градиент арқылы АТФ-қа фосфорилирленеді, ол электрондық тасымалдау тізбегінің тотығу-тотықсыздану реакциялары арқылы, оттегінің энергияны бөліп шығаратын реакцияларымен қоздырылады.
II кешен
II кешенде (сукцинат дегидрогеназасы немесе сукцинат CoQ редуктазасы;) сукцинаттан түзілген квинон шоғырына (Q) қосымша электрондар жіберіледі және (флавин аденоин динуклеотиді (FAD) арқылы) Q-ға беріледі. II кешен төрт ақуыздық таңдаулы бөлімшеден тұрады: сукцинат дегидрогеназасы (SDHA); сукцинат дегидрогеназасы [убихинон] темір-күкірт митохондриялық таңдаулы бөлімшесі (SDHB); сукцинат дегидрогеназасы кешенінің C таңдаулы бөлімшесі (SDHC); және сукцинат дегидрогеназасы кешенінің D таңдаулы бөлімшесі (SDHD). Басқа электрон донорлары (мысалы, май қышқылдары және глицерин-3 фосфаты) да электрондарды Q-ға (FAD арқылы) бағыттайды. II кешен I кешенге параллель электрон тасымалдау жолы болып табылады, бірақ I кешеннен өзгеше, бұл жолда мембрана аралық кеңістікке протондар тасымалданбайды. Сондықтан II кешен арқылы өтетін жол жалпы электрон тасымалдау тізбегі процесіне аз энергия қосады.
IV кешен
IV кешенінде (цитохром c оксидазасы;), кейде цитохром АА3 деп аталады, төрт цитохром c молекуласынан төрт электрон алынып, молекулалық оттегіге (O) және төрт протонға беріледі, нәтижесінде екі молекула су түзіледі. Кешенде координацияланған мыс иондары және бірнеше гема тобы бар. Сонымен қатар, митохондриялық матрицадан сегіз протон алынып тасталады (бірақ олардың тек төртеуі ғана мембрана арқылы тасымалданады), бұл протондық градиенттің қалыптасуына көмектеседі. IV кешеніндегі протон сорғылау механизмінің нақты егжей-тегжейлері әлі зерттелуде. Цианид – IV кешенін тежеуші зат.
Окистендіру фосфорилирлеуімен біріктіру
Химия саласындағы Нобель сыйлығының иегері Питер Д. Митчелл ұсынған химиосмотикалық жұптасу гипотезасына сәйкес, электрондық тасымалдау тізбегі мен тотықтырғыш фосфорилирлеу ішкі митохондриялық мембрана арқылы протондық градиент арқылы байланыстырылады. Митохондриялық матрикстен протондардың шығуы электрохимиялық градиент (протондық градиент) құрайды. Бұл градиент FF АТФ синтетазасының кешенімен окистендіру фосфорилирлеу арқылы АТФ жасау үшін пайдаланылады. АТФ синтетазасы кейде электрондық тасымалдау тізбегінің V кешені ретінде сипатталады. АТФ синтетазасының F компоненті иондық канал ретінде әрекет етеді, ол протондардың митохондриялық матрикке қайта ағынын қамтамасыз етеді. Ол a, b және c суббөлімшелерінен тұрады. Митохондрияның мембранааралық кеңістігіндегі протондар бірінші кезде АТФ синтетазасы кешеніне a суббөлімшесі арнасы арқылы кіреді. Содан кейін протондар c суббөлімшелеріне өтеді. c суббөлімшелерінің саны F айналымын жасау үшін қажетті протондардың мөлшерін анықтайды. Мысалы, адамда 8 c суббөлімшесі бар, демек 8 протон қажет. c суббөлімшелерінен кейін протондар митохондриялық матрикке ашатын a суббөлімшесі арнасы арқылы матрикке кіреді. Окистендіру фосфорилирлеуімен байланысу АТФ өндірісінің маңызды қадамы болып табылады. Дегенмен, нақты жағдайларда екі процестің ажыратылуы биологиялық тұрғыдан пайдалы болуы мүмкін. Ажырату ақуызы, термогенин – қоңыр майлы тінінің ішкі митохондриялық мембранасында кездеседі және протондардың митохондриялық ішкі матрикке балама ағынын қамтамасыз етеді. Тироксин де табиғи ажыратушы болып табылады. Бұл балама ағын АТФ өндірісінің орнына термогенезге әкеледі.
Кері электрон ағыны
Кері электрон ағыны – электрон тасымалдау тізбегі арқылы кері тотығу-тотықсыздану реакциялары арқылы электрондардың тасымалдануы. Әдетте, осы процеске көп мөлшерде энергия жұмсалады, бұл электрон донорларының тотыққан формаларын тотықсыздандырады. Мысалы, NAD+ кешені I арқылы NADH-қа дейін тотықсыздандырылуы мүмкін. Кері электрон ағынын тудыратын бірнеше факторлар белгілі. Дегенмен, бұл мәліметтерді растау үшін қосымша зерттеулер қажет. Мысалы, АТФ синтетазасының тоқтатылуы протондардың жиналуына және, демек, жоғары протондық градиенттің пайда болуына әкеледі, бұл кері электрон ағынын күшейтеді.
Электрондық донорлар
Қазіргі биосферада электрон донорларының ең көп таралған түрі органикалық молекулалар болып табылады. Органикалық молекулаларды электрон көзі ретінде пайдаланатын организмдер органотрофтар деп аталады. Химоорганотрофтар (жануарлар, саңырауқұлақтар, протостар) және фотолитотрофтар (өсімдіктер мен балдырлар) барлық таныс тіршілік нысандарының басым бөлігін құрайды. Кейбір прокариоттарда органикалық емес заттар электрон көзі ретінде қолданылуы мүмкін. Мұндай организм (химо)литотроф ("тас жегіш") деп аталады. Органикалық емес электрон донорларына сутек, көміртек монооксиді, аммиак, нитрит, күкірт, сульфид, марганец оксиді және темір(II) қосылыстары жатады. Литотрофтар Жер бетінен мыңдаған метр тереңдіктегі тау жыныстарында табылған. Таралу аумағына байланысты, литотрофтар біздің биосферамызда органотрофтар мен фототрофтардан көп болуы мүмкін. Эволюцияны зерттеуде энергия көзі ретінде сутек сияқты органикалық емес электрон донорларын пайдалану ерекше қызығушылық тудырады. Бұл метаболизм түрі логикалық тұрғыдан алғанда, органикалық молекулалар мен оттекті энергия көзі ретінде пайдалануға дейін пайда болған болуы керек.
Дегидрогеназалар: I және II кешендердің эквиваленттері
Бактериялар бірнеше түрлі электрон донорларын пайдалана алады. Органикалық заттар электрон көзі болғанда, донор НАДН немесе сукцинат болуы мүмкін, онда электрондар NADH дегидрогеназа (митохондриядағы I кешенге ұқсас) немесе сукцинат дегидрогеназа (II кешенге ұқсас) арқылы электрон тасымалдау тізбегіне енеді. Әртүрлі энергия көздерін өңдеу үшін басқа дегидрогеназалар қолданылуы мүмкін: формат дегидрогеназасы, лактат дегидрогеназасы, глицеральдегид-3 фосфат дегидрогеназасы, H дегидрогеназасы (гидрогеназа), электрон тасымалдау тізбегі. Кейбір дегидрогеназалар протондық сорғылар болып табылады, ал басқалары электрондарды хинон шоғырына бағыттайды. Көптеген дегидрогеназалар бактериялық жасушада, жасушалар өсетін ортаның әсерінен туындаған метаболизмілік қажеттіліктерге жауап ретінде индукцияланған экспрессияны көрсетеді. E. coli бактериясындағы лактат дегидрогеназасы жағдайында фермент аэробалық жағдайда және басқа дегидрогеназалармен бірге қолданылады. Ол индукцияланады және жасушадағы DL лактатының концентрациясы жоғары болған кезде экспрессияланады.
Хинон тасымалдаушылар
Кинондар – мембранаға енген ірі, салыстырмалы түрде қозғалмайтын макромолекулалық кешендер арасында электрондарды (және протондарды) тасымалдайтын, қозғалмалы, липидтік ерігіш тасымалдаушылар. Бактериялар убихинон (Кофермент Q, митохондриялар да қолданатын сол хинон) және менахинон (Витамин K) сияқты оған жақын хинондарды пайдаланады. Sulfolobus туысына жататын археялар кальдариеллахинон қолданады. Әртүрлі хинондарды қолдану, құрылымдық өзгерістерге байланысты редокс потенциалдарының шамалы айырмашылықтарынан туындайды. Бұл хинондардың редокс потенциалдарының өзгеруі бактериялық кешендердегі электрон қабылдаушылардың өзгеруіне немесе редокс потенциалдарының өзгеруіне бейімделуі мүмкін.
Протонды сорғылар
Протонды насос – мембрана арқылы протондық градиент құратын кез келген процесс. Протондар митохондриялық I және IV кешендерінде байқалатындай, мембрана арқылы физикалық түрде жылжытылуы мүмкін. Электрондарды кері бағытта жылжыту арқылы да осындай эффектке қол жеткізуге болады. Нәтижесінде цитоплазмадан протон жоғалып, периплазмада протон пайда болады. Митохондриялық III кешені – бұл протондық сорғының екінші түрі, ол хинон (Q циклы) арқылы жүзеге асырылады. Кейбір дегидрогеназалар протондық насостар болып табылады, ал кейбіреулері – жоқ. Көптеген оксидазалар мен редуктазалар протондық насостар, бірақ кейбіреулері емес. Цитохром bc1 – көптеген бактерияларда кездесетін (бірақ E. coli-де жоқ) протондық насос. Атауынан көрініп тұрғандай, бактериялық bc1 митохондриялық bc1 (III кешені) сияқты.
Цитохромды электрон тасымалдаушылар
Цитохромдар – темір қосқан ақуыздар. Олар екі өте әртүрлі ортада кездеседі. Кейбір цитохромдар – мембранаға енген ірі, қимылсыз макромолекулалық құрылымдарға электрондарды тасымалдайтын, суда еритін тасымалдаушылар. Митохондриядағы жылдам цитохром электрон тасымалдаушысы – цитохром c. Бактериялар түрлі жылдам цитохром электрон тасымалдаушыларын пайдаланады. Басқа цитохромдар III және IV кешендері сияқты макромолекулалардың ішінде кездеседі. Олар да электрон тасымалдаушы ретінде жұмыс істейді, бірақ өте ерекше, молекулаішілік, қатты күйдегі ортада. Электрондар жылдам цитохром немесе хинон тасымалдаушысы деңгейінде электрон тасымалдау тізбегіне кіре алады. Мысалы, бейорганикалық электрон донорларынан (нитрит, темір(II), электрон тасымалдау тізбегі) алынған электрондар цитохром деңгейінде электрон тасымалдау тізбегіне кіреді. Электрондар NADH-тан жоғары тотығу-тотықсыздану деңгейінде кіргенде, электрон тасымалдау тізбегі кері жұмыс істеуі керек, бұл қажетті, жоғары энергиялы молекуланы жасау үшін.
Электрон қабылдағыштар және терминалды оксидаза/редуктаза
Электрондық донорлардың көптеген түрлері болғандықтан (органотрофтардағы органикалық заттар, литотрофтардағы органикалық емес заттар), органикалық және органикалық емес электрон қабылдағыштардың да саны көптеген түрлі болады. ЭТК-нің басқа да қадамдарындағыдай, бұл процеске көмектесу үшін фермент қажет. Егер оттегі болса, ол көбінесе аэробикалық бактериялар мен факультативті анаэробтарда соңғы электрон қабылдағыш ретінде қолданылады. Оксидаза оттегін суға дейін тотықсыздайды, ал басқа бір затты тотықтырады. Митохондриялардағы соңғы мембраналық кешен (IV кешен) – цитохромды тотықтыратын цитохром оксидазасы болып табылады. Аэробты бактериялар түрлі соңғы оксидазаларды пайдаланады. Мысалы, E. coli (факультативті анаэроб) цитохром оксидазасына немесе bc1 кешеніне ие емес. Аэробты жағдайларда ол суға дейін оттекті тотықсыздау үшін екі түрлі соңғы квинол оксидазасын (екі де протондық сорғы) қолданады. Бактериялық соңғы оксидазалар, соңғы электрон қабылдағыш ретінде әрекет ететін молекулаларға сәйкес, кластарға бөлінеді. I класс оксидазалар – цитохром оксидазалары және олар соңғы электрон қабылдағыш ретінде оттекті пайдаланады. II класс оксидазалар – квинол оксидазалары және олар түрлі соңғы электрон қабылдағыштарды пайдалана алады. Бұл екі класс та, олардың құрамындағы тотығу-тотықсыздануға қабілетті компоненттеріне байланысты, тағы да санаттарға бөлінеді. Мысалы, гема aa3 I класс соңғы оксидазалары II класс соңғы оксидазаларына қарағанда әлдеқайда тиімді. Көбінесе анаэробты ортада түрлі электрон қабылдағыштар қолданылады, олардың ішінде нитрат, нитрит, темір (III), сульфат, көмірқышқыл газы және фумарат сияқты шағын органикалық молекулалар бар. Бактериялар анаэробты ортада өскенде, соңғы электрон қабылдағыш редуктаза деп аталатын фермент арқылы тотықсыздалады. E. coli осы қабылдағыштардың ортада болуына байланысты фумарат редуктазасын, нитрат редуктазасын, нитрит редуктазасын, DMSO редуктазасын немесе триметиламин N оксид редуктазасын пайдалана алады. Көптеген соңғы оксидазалар мен редуктазалар индукцияланады. Олар организмде қажет болған жағдайда, белгілі бір орта жағдайларына жауап ретінде синтезделеді.
Фотосинтетикалық
Окистендіру фосфорилирлеу кезінде электрондар NADH сияқты электрон донорынан O сияқты акцепторға электрон тасымалдау тізбегі арқылы беріледі, нәтижесінде энергия бөлінеді. Фотофосфорилирлеу кезінде күн сәулесінің энергиясы жоғары энергиялы электрон донорын жасау үшін қолданылады, ол окисқан компоненттерді қайта толықтырып, электрон тасымалдау тізбегі арқылы протон транслокациясы арқылы АТФ синтезімен байланысады. Фотосинтездік электрон тасымалдау тізбектері, митохондриялық тізбек сияқты, бактериялық жүйелердің ерекше түрі ретінде қарастырылуы мүмкін. Олар липидтерде ерітін жылдам хинон тасымалдаушыларын (филлохинон және пластохинон) және суда еритін жылдам тасымалдаушыларын (цитохромдар) пайдаланады. Оларда сондай-ақ протон сорғысы бар. Барлық фотосинтездік тізбектердегі протон сорғысы митохондриялық III кешеніне ұқсайды. Симбиогенез теориясы бойынша, екі органелла да бактериялардан пайда болған.