Biológia I
Képzeljük el, hogy egy sejt vagyunk. Épp most kaptál egy nagy, szaftos glükózmolekulát, és szeretnéd a benne lévő energia egy részét hasznosíthatóbb formába alakítani, olyan formába, amelyet az anyagcsere-reakcióid működtetésére tudsz használni. Hogyan tudod ezt megtenni? Mi a legjobb módja annak, hogy a lehető legtöbb energiát préselje ki ebből a glükózmolekulából, és ezt az energiát kézzelfogható formában rögzítse?
Szerencsénkre a sejtjeink – és más élő szervezetek sejtjei – kiválóan képesek energiát nyerni a glükózból és más szerves molekulákból, például zsírokból és aminosavakból.) Itt megnézzük az elektronátviteli reakciókat (redoxireakciókat), amelyek kulcsfontosságúak ebben a folyamatban.
Redoxreakciók
A sejtlégzés számos olyan reakciót foglal magában, amelyekben elektronok kerülnek át egyik molekuláról a másikra. Az elektronátvitellel járó reakciókat oxidációs-redukciós reakcióknak (vagy redoxireakcióknak) nevezzük, és központi szerepet játszanak a sejt anyagcseréjében. A redoxireakcióban az egyik reagáló molekula elektronokat veszít, és oxidálódik, míg egy másik reagáló molekula elektronokat nyer (az első molekula által elvesztetteket), és redukálódik. Az oxidáció és a redukció jelentését a következő praktikus mnemonikával jegyezheted meg: “OIL RIG: Oxidation Is Losing electrons; Reduction Is Gaining electrons.”
Energy in Redox Reactions
Kattints a képre a nagyobb nézetért. A kép Ryan Gutierrez hasonló ábrája alapján készült.
A redoxireakciókban energia szabadul fel, amikor egy elektron potenciális energiát veszít az átvitel eredményeként. Az elektronok több potenciális energiával rendelkeznek, ha kevésbé elektronegatív atomokhoz (például C vagy H) kapcsolódnak, és kevesebb potenciális energiával, ha elektronegatívabb atomhoz (például O) kapcsolódnak. Így egy redoxireakció, amely elektronokat vagy elektronsűrűséget mozgat egy kevésbé elektronegatív atomról egy elektronegatívabb atomra, spontán lesz, és energiát szabadít fel. Például a bután (C4H10) égése energiát szabadít fel, mivel az elektronsűrűség nettó eltolódása a szénről és a hidrogénről az oxigénre történik. Ha hallotta már, hogy az olyan molekulák, mint a glükóz, “nagy energiájú” elektronokkal rendelkeznek, akkor ez a molekulák \text{C}-\text{C}\\ és \text{C}-\text{H} kötéseiben lévő elektronok viszonylag magas potenciális energiájára utal.
Meglehetősen sok energia szabadulhat fel, amikor az \text{C}-\text{C}-\text{C} és \text{C}-\text{H} kötésekben lévő elektronok az oxigén felé tolódnak. Egy cellában azonban nem túl jó ötlet egyszerre felszabadítani az összes energiát egy égési reakcióban. Ehelyett a sejtek ellenőrzött módon gyűjtik be a glükózból származó energiát, a lehető legtöbbet belőle ATP formájában. Ezt a glükóz fokozatos, nem pedig robbanásszerű oxidációjával érik el. Két fontos módja van annak, hogy ez az oxidáció fokozatos legyen:
- Ahelyett, hogy az összes elektront egyszerre vonnánk el a glükózból, a sejtlégzés páronként távolítja el őket. Az elektronpárokat a glükózból eltávolító redoxireakciók átadják azokat az elektronhordozóknak nevezett kismolekuláknak.
- Az elektronhordozók elektronjaikat az elektronszállító láncban, a belső mitokondriális membránban lévő fehérjék és szerves molekulák sorozatában helyezik el. Az elektronok az egyik komponensről a másikra energiafelszabadító lépések sorozatában jutnak át, lehetővé téve az energia rögzítését elektrokémiai gradiens formájában.
A következőkben mind a redoxihordozókat, mind az elektrontranszportláncot részletesebben is megvizsgáljuk.
Az elektron eltávolítása egy molekulából, annak oxidációja az oxidált vegyület potenciális energiájának csökkenését eredményezi. Az elektron (néha egy hidrogénatom részeként), azonban nem marad kötés nélkül a sejt citoplazmájában. Inkább az elektron egy második vegyületre tolódik át, redukálva a második vegyületet. Az elektron egyik vegyületből a másikba történő elmozdulása némi potenciális energiát von el az első vegyületből (az oxidált vegyületből), és növeli a második vegyület (a redukált vegyület) potenciális energiáját. Az elektronok molekulák közötti áthelyezése azért fontos, mert az atomokban tárolt és az üzemanyagcella működéséhez felhasznált energia nagy része nagy energiájú elektronok formájában van jelen. Az energia elektronok formájában történő átadása lehetővé teszi a sejt számára, hogy az energiát fokozatosan – kis csomagokban – adja át és használja fel, nem pedig egyetlen, pusztító robbanás formájában. Ez a fejezet a táplálékból történő energiakivonásra összpontosít; látni fogod, hogy az átvitel útját követve az anyagcserepályákon keresztül mozgó elektronok útját követed nyomon.
Elektronhordozók
Az elektronhordozók, amelyeket néha elektronjáróknak is neveznek, olyan kis szerves molekulák, amelyek könnyen váltakoznak oxidált és redukált formájuk között, és az anyagcsere-reakciók során elektronok szállítására szolgálnak. Két olyan elektronhordozó van, amely különösen fontos szerepet játszik a sejtlégzés során: NAD+ (nikotinamid-adenin-dinukleotid, alább látható) és FAD (flavin-adenin-dinukleotid). Mind a NAD+, mind a FAD oxidáló ágensként szolgálhat, egy vagy több proton mellett egy elektronpárt is felvesznek, hogy redukált formájukra váltsanak. A NAD+ kezdeti felirat, plusz, végi felirat két elektront és egy H+-t fogad el, hogy NADH-vá alakuljon, míg a FAD két elektront és két H+-t fogad el, hogy FADH2-vá alakuljon. A NAD+ a sejtlégzés során használt elsődleges elektronhordozó, a FAD csak egy (vagy néha két) reakcióban vesz részt.
A bal oldalon az elektronhordozó oxidált formája (NAD+), a jobb oldalon pedig a redukált forma (NADH) látható. A NADH-ban lévő nitrogénbázisnak eggyel több hidrogénionja és kettővel több elektronja van, mint a NAD+-ban.
A fenti képen látható NAD+ egy kis szerves molekula, amelynek szerkezete az RNS nukleotid adenint tartalmazza. (A FAD hasonló típusú molekula, bár a funkciós csoportjai eltérőek). Mindkét molekula B-vitamin-származék, a NAD+ niacinból, a FAD pedig riboflavinból készül. A NAD+ és a FAD koenzimek, olyan szerves molekulák, amelyek segítőként szolgálnak az enzimkatalizált reakciók során, és e reakciók részeként elektronokat és protonokat kapnak. Konkrétan mind a NAD+ start superscript, plus, end superscript, mind a FAD kofaktorként szolgál a dehidrogenázoknak nevezett enzimek számára, amelyek egy vagy több hidrogénatomot távolítanak el szubsztrátjaikból.
Áttekintés az üzemanyaglebontási utakról
A reakciókat, amelyek lehetővé teszik az energia kinyerését olyan molekulákból, mint a glükóz, zsírok és aminosavak, katabolikus reakcióknak nevezik, ami azt jelenti, hogy egy nagyobb molekula kisebb darabokra bontásával járnak. Amikor például a glükóz oxigén jelenlétében lebomlik, hat szén-dioxid-molekulává és hat vízmolekulává alakul. Ennek a folyamatnak a teljes reakciója a következőképpen írható le:
C6H12O6 + O2= 6CO2 + 6H20 + hő + ATP
Ez a reakció, ahogy le van írva, egyszerűen egy égési reakció, hasonló ahhoz, ami akkor játszódik le, amikor egy darab fát elégetünk a kandallóban vagy benzint a motorban. Ez azt jelenti, hogy a glükóz folyamatosan ég a sejtjeidben? Szerencsére nem egészen! Az égési reakció leírja az általános folyamatot, amely végbemegy, de egy sejt belsejében ez a folyamat sok kisebb lépésre bomlik. A glükóz kötéseiben lévő energia a glikolízis és a citromsavciklus (Krebs) reakciói során szabadul fel Tehát a glükózmolekulából elektronpárokat vonnak el (oxidáció) és adnak hozzá a NAD-hoz vagy a FAD-hoz (redukció), hogy a következő, alább leírt reakcióban felhasználhatók legyenek.
Az elektrontranszportlánc
A NADH és a FADH2 redukált formájukban elektronokat szállít a belső mitokondrium membránjában lévő elektrontranszportláncba. Elektronjaikat a transzportlánc elején vagy annak közelében helyezik el, majd az elektronok kiszámítható lépéssorozatban jutnak el egyik fehérjéről vagy szerves molekuláról a másikra. Fontos, hogy az elektronok mozgása a transzportláncon keresztül energetikailag “lefelé halad”, vagyis minden egyes lépésnél energia szabadul fel. Redox szempontjából ez azt jelenti, hogy az elektrontranszportlánc minden egyes tagja elektronegatívabb (elektronra éhes), mint az előtte lévő, és kevésbé elektronegatív, mint az utána következő. A NAD+, amely NADH formájában a lánc elején adja le elektronjait, a legkevésbé elektronegatív, míg az oxigén, amely a lánc végén (a H+-val együtt) kapja az elektronokat, hogy vizet képezzen, a legelektronegatívabb. Ahogy az elektronok “lefelé” csordogálnak a transzportláncon keresztül, energiát szabadítanak fel, és ennek az energiának egy részét elektrokémiai gradiens formájában rögzítik, és ATP előállítására használják fel. A glükózból származó energia nagy része azonban még mindig hő formájában vész el,
Ezt megerősíthetjük, ha megnézzük az érintett elektronok tényleges eltolódását, mint az alábbi videón: