Biologia I
Kuvitellaan, että olet solu. Sinulle on juuri annettu iso, mehukas glukoosimolekyyli, ja haluaisit muuttaa osan tämän glukoosimolekyylin energiasta käyttökelpoisempaan muotoon, johon voit käyttää energiaa aineenvaihduntareaktioihisi. Miten voit tehdä tämän? Mikä on paras tapa puristaa mahdollisimman paljon energiaa tuosta glukoosimolekyylistä ja vangita tämä energia käyttökelpoiseen muotoon?
Meidän onneksi solumme – ja muiden elävien organismien solut – ovat erinomaisia keräämään energiaa glukoosista ja muista orgaanisista molekyyleistä, kuten rasvoista ja aminohapoista). Tässä tarkastelemme elektronien siirtoreaktioita (redox-reaktioita), jotka ovat avainasemassa tässä prosessissa.
Redox-reaktiot
Soluhengitykseen kuuluu monia reaktioita, joissa elektronit siirtyvät molekyyliltä toiselle. Elektroninsiirtoja sisältäviä reaktioita kutsutaan hapettumis-pelkistymisreaktioiksi (tai redox-reaktioiksi), ja niillä on keskeinen rooli solun aineenvaihdunnassa. Redox-reaktiossa yksi reagoivista molekyyleistä menettää elektroneja ja sanotaan hapettuneeksi, kun taas toinen reagoiva molekyyli saa elektroneja (ensimmäisen molekyylin menettämät) ja sanotaan pelkistyneeksi. Voit muistaa, mitä hapettuminen ja pelkistyminen tarkoittavat kätevällä muistisäännöllä ”ÖLJYRIG: Hapettuminen on elektronien menettämistä; pelkistyminen on elektronien saamista.”
Energia redox-reaktioissa
Klikkaa kuvaa saadaksesi suuremman näkymän. Kuva perustuu Ryan Gutierrezin vastaavaan kaavioon.
Redox-reaktioissa energiaa vapautuu, kun elektroni menettää potentiaalienergiaa siirron seurauksena. Elektroneilla on enemmän potentiaalienergiaa, kun ne liittyvät vähemmän elektronegatiivisiin atomeihin (kuten C tai H), ja vähemmän potentiaalienergiaa, kun ne liittyvät enemmän elektronegatiiviseen atomiin (kuten O). Näin ollen redox-reaktio, joka siirtää elektroneja tai elektronitiheyttä vähemmän elektronegatiivisesta atomista enemmän elektronegatiiviseen atomiin, on spontaani ja vapauttaa energiaa. Esimerkiksi butaanin (C4H10) palaminen vapauttaa energiaa, koska elektronitiheys siirtyy nettomääräisesti hiilestä ja vedystä hapen suuntaan. Jos olet kuullut sanottavan, että glukoosin kaltaisilla molekyyleillä on ”korkeaenergisiä” elektroneja, tämä viittaa niiden \text{C}-\text{C}\\ ja \text{C}-\text{H}-sidosten elektronien suhteellisen suureen potentiaalienergiaan.
Tosi paljon energiaa voi vapautua, kun \text{C}-\text{C}-\text{C}- ja \text{C}-\text{H}-sidoksessa olevia elektroneja siirretään hapelle. Kennossa ei kuitenkaan ole hyvä idea vapauttaa kaikkea tätä energiaa kerralla palamisreaktiossa. Sen sijaan solut keräävät energiaa glukoosista hallitusti ja sitovat siitä mahdollisimman suuren osan ATP:n muodossa. Tämä onnistuu hapettamalla glukoosia asteittain eikä räjähdysmäisesti. Hapettaminen tapahtuu asteittain kahdella tärkeällä tavalla:
- Sen sijaan, että kaikki elektronit irrotettaisiin glukoosista yhtä aikaa, soluhengitys irrottaa ne pareittain. Redox-reaktiot, jotka poistavat elektronipareja glukoosista, siirtävät ne pienille molekyyleille, joita kutsutaan elektroninkuljettajiksi.
- Elektroninkuljettajat tallettavat elektroninsa elektroninkuljetusketjuun, joka on sarja proteiineja ja orgaanisia molekyylejä mitokondrioiden sisäisessä kalvossa. Elektronit siirtyvät komponentilta toiselle sarjassa energiaa luovuttavia vaiheita, jolloin energiaa saadaan talteen sähkökemiallisen gradientin muodossa.
Katsomme sekä redox-kuljettajia että elektroninkuljetusketjua yksityiskohtaisemmin jäljempänä.
Elektronin poistaminen molekyyliltä, eli sen hapettuminen, johtaa potentiaalienergian pienenemiseen hapettuneessa yhdisteessä. Elektroni (joskus vetyatomin osana), ei kuitenkaan jää sitoutumatta solun sytoplasmassa. Pikemminkin elektroni siirtyy toiseen yhdisteeseen, jolloin toinen yhdiste pelkistyy. Elektronin siirtyminen yhdisteestä toiseen poistaa jonkin verran potentiaalienergiaa ensimmäisestä yhdisteestä (hapettuneesta yhdisteestä) ja lisää toisen yhdisteen (pelkistyneen yhdisteen) potentiaalienergiaa. Elektronien siirtyminen molekyylien välillä on tärkeää, koska suurin osa atomeihin varastoituneesta energiasta, jota käytetään polttokennon toiminnoissa, on suurienergisten elektronien muodossa. Energian siirto elektronien muodossa mahdollistaa sen, että solu voi siirtää ja käyttää energiaa asteittain, pieninä kokonaisuuksina, eikä yksittäisenä tuhoisana purkauksena. Tässä luvussa keskitytään energian talteenottoon ravinnosta; tulet huomaamaan, että seuratessasi siirtojen kulkua seuraat aineenvaihduntareittien kautta kulkevien elektronien kulkua.
Elektroninkuljettajat
Elektroninkuljettajat, joita joskus kutsutaan elektronisukkuloiksi, ovat pieniä orgaanisia molekyylejä, jotka kiertävät helposti hapettuneen ja pelkistyneen olomuodon välillä, ja joita käytetään kuljettamaan elektroneja aineenvaihduntareaktioiden aikana. On olemassa kaksi elektroninkuljettajaa, joilla on erityisen tärkeä rooli soluhengityksessä: NAD+ (nikotiiniamidiadeniinidinukleotidi, kuvassa alla) ja FAD (flaviiniadeniinidinukleotidi). Sekä NAD+ että FAD voivat toimia hapettimina, jotka ottavat vastaan elektroniparin yhdessä yhden tai useamman protonin kanssa siirtyäkseen pelkistettyyn muotoonsa. NAD+:n alun ylinumero, plus, lopun ylinumero ottaa vastaan kaksi elektronia ja yhden H+:n muuttuakseen NADH:ksi, kun taas FAD ottaa vastaan kaksi elektronia ja kaksi H+:a muuttuakseen FADH2:ksi. NAD+ on ensisijainen elektroninkuljettaja, jota käytetään soluhengityksessä, ja FAD osallistuu vain yhteen (tai joskus kahteen) reaktioon.
Vasemmalla on esitetty elektroninkuljettajan hapettunut muoto (NAD+) ja oikealla pelkistynyt muoto (NADH). NADH:n typpiemäksellä on yksi vetyioni ja kaksi elektronia enemmän kuin NAD+:ssa.
Kuten yllä olevasta kuvasta näkyy, NAD+ on pieni orgaaninen molekyyli, jonka rakenteeseen kuuluu RNA-nukleotidi adeniini. (FAD on samantyyppinen molekyyli, vaikka sen funktionaaliset ryhmät ovat erilaisia). Molemmat molekyylit ovat B-vitamiinijohdannaisia, NAD+ tuotetaan niasiinista ja FAD riboflaviinista. NAD+ ja FAD ovat koentsyymejä, orgaanisia molekyylejä, jotka toimivat apumolekyyleinä entsyymien katalysoimissa reaktioissa, ja ne saavat elektroneja ja protoneja osana näitä reaktioita. Erityisesti sekä NAD+ alku superscript, plus, loppu superscript ja FAD toimivat kofaktorina dehydrogenaaseiksi kutsutuille entsyymeille, jotka poistavat yhden tai useamman vetyatomin substraateistaan.
Katsaus polttoaineen hajoamisreitteihin
Reaktioita, joiden avulla molekyyleistä, kuten glukoosista, rasvoista ja aminohapoista, voidaan irrottaa energiaa, sanotaan katabolisiksi reaktioiksi, mikä tarkoittaa sitä, että ne tarkoittavat suuremmasta molekyylistä tapahtuvaa hajottamista pienempiin osiin. Kun esimerkiksi glukoosi hajotetaan hapen läsnä ollessa, se muuttuu kuudeksi hiilidioksidimolekyyliksi ja kuudeksi vesimolekyyliksi. Tämän prosessin kokonaisreaktio voidaan kirjoittaa seuraavasti:
C6H12O6 + O2= 6CO2 + 6H20 + lämpö + ATP
Tämä reaktio, sellaisena kuin se on kirjoitettu, on yksinkertaisesti palamisreaktio, samanlainen kuin se, mitä tapahtuu poltettaessa puuta takassa tai bensiiniä moottorissa. Tarkoittaako tämä, että glukoosi palaa jatkuvasti solujesi sisällä? Onneksi ei aivan! Palamisreaktio kuvaa tapahtuvaa kokonaisprosessia, mutta solun sisällä tämä prosessi jakautuu moniin pienempiin vaiheisiin. Glukoosin sidoksiin sisältyvä energia vapautuu glykolyysin ja sitruunahappokierron (Krebs) reaktioiden aikana Niinpä glukoosimolekyylistä poistetaan elektronipareja (hapettuminen) ja niitä lisätään joko NAD:iin tai FAD:iin (pelkistyminen) käytettäväksi seuraavassa alla kuvatussa reaktiossa.
Elektroninkuljetusketju
Pelkistyneessä muodossaan NADH ja FADH2 kuljettavat elektroneja elektroninkuljetusketjuun sisemmällä mitokondriokalvolla. Ne tallettavat elektroninsa kuljetusketjun alkupäähän tai lähelle sitä, ja elektronit siirtyvät sitten proteiinilta tai orgaaniselta molekyyliltä toiselle ennakoitavissa olevien vaiheiden sarjassa. Tärkeää on, että elektronien liikkuminen kuljetusketjussa tapahtuu energeettisesti ”alamäkeen” siten, että energiaa vapautuu jokaisella askeleella. Redox-termein tämä tarkoittaa, että jokainen elektroninsiirtoketjun jäsen on elektroninegatiivisempi (elektroninälkäisempi) kuin sitä edeltävä jäsen ja vähemmän elektroninegatiivinen kuin sitä seuraava jäsen. NAD+, joka luovuttaa elektroninsa ketjun alussa NADH:ksi, on vähiten elektronegatiivinen, kun taas happi, joka saa elektronit ketjun lopussa (yhdessä H+:n kanssa) muodostaakseen vettä, on kaikkein elektronegatiivisin. Kun elektronit valuvat ”alamäkeen” kuljetusketjussa, ne vapauttavat energiaa, ja osa tästä energiasta otetaan talteen sähkökemiallisen gradientin muodossa ja käytetään ATP:n muodostamiseen. Suuri osa glukoosin energiasta häviää kuitenkin edelleen lämpönä,
Voidaan vahvistaa tämä, jos tarkastellaan todellisia elektronien siirtymiä, kuten alla olevassa videossa: