Окисилително фосфорилиране и електронтранспортна верига

Когато разглеждахме гликолизата, превръщането на пирогроздена киселина (наричана още пируватна) в ацетил-КоА и след това цикъла на Кребс или цикъла на лимонената киселина, видяхме, че на някои места директно получаваме АТФ, но също редуцираме НАД до НАДН. Казахме, че НАДН може по-късно да бъде окислен и енергията от окислението, която се освобождава от електроните, може да се използва за създаване на АТФ. НАДН е главният герой тук, но има и други коензими, които играят роля. Например коензим Q. Виждаш го ето тук. В това видео искам да говоря за процеса, при който произвеждаме АТФ от окислението на тези коензими. Този процес се нарича окислително фосфорилиране. Както казахме, основният герой, когато говорим за клетъчно дишане и за окислително фосфорилиране, е НАДН. НАДН се окислява до НАД. Окислява се до НАД, който е положително зареден. Често го наричам НАД+. Ако погледнем тази реакция от гледна точка на окислението на НАДН, спомни си – окислението е загуба на електрони, получаваме НАД+ и след това имаме водороден протон, плюс два електрона. Това се случва, когато НАДН се окисли до НАД. Това тук е окисление. Ще го направя в друг цвят. Това е процесът на окисление. Ако тези електрони срещнат правилната молекула акцептор, може да се отдели голямо количество енергия. За крайната молекула акцептор на електроните тази реакция ще е редуциране. Мога да покажа съответната реакция. Имаме два електрона плюс два водородни протона. Или просто два протона, водородното ядро е протон, то няма неутрони при най-разпространения изотоп на водорода. Два протона плюс половин молекула кислород. Когато съберем всички тези три неща заедно, ще получим молекула вода. Можем да приемем, че кислородът е крайният акцептор на електроните. Кислородът обича да окислява най-различни неща, оттам идва името на процеса окисление. А самият кислород обича да бъде редуциран. Обича да приема електрони. Следователно кислородът се редуцира. Кислородът е редуциран. Ако прехвърлим тези електрони директно от НАДН към кислорода, ще се освободи много енергия. Толкова много енергия, че няма да можем да уловим повечето от нея. Няма да можем да я използваме за извършване на полезна работа. Затова имаме процес на окислително фосфорилиране, при който електроните се пренасят към кислорода в последователност от стъпки. Електроните преминават от един акцептор на електрони към друг. При всяко преминаване се отделя известно количество енергия. По този начин отделянето на енергия е по-добре контролирано и може да се използва за извършване на работа. В този случай работата е изпомпване на водородни протони през мембраната и създаването на градиент, който ще се използва за генериране на АТФ. Да обясним това малко по-подробно. Тези електрони ще се пренесат... Няма да навлизам в най-малките детайли, ще дам общ преглед на процеса. Електроните ще преминат през различни акцептори, ще преминават от един акцептор към друг. Могат да се пренесат до коензим Q след това да преминат към цитохром С, продължават да преминават през различни акцептори, докато накрая стигнат до това състояние тук, където електроните се приемат от кислорода и се получава вода. При всяка стъпка от този процес се отделя енергия. Отделя се енергия и, както ще видим, тя се използва за изпомпване на водородни протони през мембраната. Полученият градиент ще се използва за производство на АТФ. Да помислим за това. Да погледнем отблизо митохондриите. Това е митохондрий. Ще нарисувам неговата вътрешна мембрана. Това са гънките на вътрешната мембрана, една от тях се нарича криста. Ако говорим за много от гънките, говорим за кристи. Имаме тези гънки във вътрешната мембрана ето тук. За да е по-ясно - това е външната мембрана. Външната мембрана. Това е вътрешната мембрана. Пространството между външната и вътрешната мембрана, това пространство тук, се нарича междумембранно пространство. А пространството между вътрешната мембрана – това пространство тук, се нарича матрикс. Това е матриксът, мястото, където протича цикълът на лимонената киселина или цикълът на Кребс. Ще го означа с този знак, тук протича цикълът на Кребс. И това е мястото, където се произвежда по-голямата част от НАДН. Говорихме и за някои други коензими. В някои учебници и часове може да чуеш на ФАД, който се редуцира до ФАДН2, който после се окислява по време на окислителното фосфорилиране. В други случаи това ще бъде свързано с ензим, тогава ФАДН2 ще се използва за редуцирането на коензим Q до QН2, който след това участва в оксилителното фосфорилиране. Може да е всеки от тези два коензима. Аз ще се фокусирам на QН2. Или по-добре да се спрем на НАДН, тъй като процесът е сходен. ФАДН2 или QН2 участват на по-късен етап в процеса. Те не произвеждат толкова много енергия, но все пак могат да се използват за производството на АТФ. Както казахме, цикълът на лимонената киселина, за който сме говорили в предишни видеа, протича в матрикса. Сега ще го погледнем по-отблизо. Ако погледнем тази част отблизо – ще използвам този цвят, за да се вижда. Да погледнем тук, ето тази гънка от вътрешната мембрана. Да поясним, както всяка мембрана, това е двоен фосфолипиден слой. Ще използвам същия цвят като този на диаграмата. Имаме двоен слой от фосфолипиди. Очевидно рисунката ми не е в действителен мащаб. Почти е готова. Още едно уточнение. Имаме ензими, който минават през фосфолипидния двоен слой. Тези ензими, тези белтъчни комплекси подпомагат окислителното фосфорилиране. Тази последователност от ензими, тази последователност от белтъци наричаме електрон-транспортна верига. Ще я нарисувам. Да кажем, че това е един протеин. Ще ги нарисувам малко абстрактно. Можем да приемем електрон-транспортната верига като тези белтъци или като процесът, при който електроните преминават от един акцептор към друг, за да стигнат до крайния акцептор – кислорода. Това може да е един протеин, а това е друг. Ще нарисувам само няколко, това е много бърз преглед на процеса. Това е много опростено представяне. Да кажем, че в началото НАДН идва и отдава протоните и електроните си, при което се превъща в НАД+. Окислява се. Тези електрони се приемат от молекулата акцептор, след което се предават на следващ акцептор и на следващ. При преминаване на електроните през електрон-транспортната верига се освобождава енергия, която се използва за изпомпване на водородни протони от матрикса, от тази страна, лявата страна ето тук, това е матрикса. Тук протича цикълът на лимонената киселина. Имаме протони, които се изпомпват навън, тези протони се изпомпват навън, при освобождаване на енергия от преноса на електроните от една молекула акцептор към друга. Електроните преминават от по-високи енергетични състояния към по-ниски, освобождавайки енергия и преминавайки към все по-електроотрицателни акцептори. Те се чувстват по-комфортно с водата, отколкото с НАДН. При движението си електроните преминават от по-високо енергетично състояние към по-ниско. Създаваме този протонен градиент, така че концентрацията на протони от дясната страна на мембраната – Това е ето тази страна. Това пространство тук е междумембранното пространство, където се покачва концентрацията на водородни протони. Тук имаме резерв на енергия, тъй като това представлява електрохимичен градиент. Всички тези положителни заряди се отблъскват, искат да стигнат до по-малко положителния матрикс ето тук. Освен това, тъй като тук имаме по-висока концентрация на водородни протони, ще имаме и дифузия. Протоните ще искат да се придвижат по посока на концентрационния си градиент към матрикса. Там има по-малко протони. Има по-малко протони в матрикса, отколкото в междумембранното пространство. Това е възможност за клетката да използва тази енергия, за да произведе АТФ. За да видим как се случва това, ще нарисувам още малко от мембраната в друг цвят. В тази част на мембраната имаме протеин, наречен АТФ-синтаза. АТФ-синтазата всъщност по-скоро е белтъчен комплекс. Тя функционира като ензим и преминава през мембраната. Тя е забележителна молекула. ще направя по-ясна диаграма след малко. На тази виждаме, че АТФ-синтазата преминава през мембраната. Механичната ѝ структура е много важна. Имаме вдлъбнатина и ос, разположена в нея. Изглежда ето така. Можеш да си представиш, че тази част държи всичко заедно. Ензимът преминава през мембраната. Ще покажа и по-добра диаграма. Мембраната продължава и от тук нататък, разбира се. Мембраната продължава. Важното е, че водородните протони могат да се придвижат по посока на концентрационния си градиент през АТФ-синтазата. Те могат да накарат оста да се завърти. Ще го нарисувам така. Те карат оста да се завърти, придвижвайки се по посока на електрохимичния си градиент. Тази ос се завърта, но тя не е гладка. Не е направена от метал, а от аминокиселини, повърхността ѝ е неравна. Изглежда ето така. Благодарение на това молекули АДФ могат да се задържат тук. Да кажем, че това е АДФ и след това имаме фосфатна група. Всъщност има три различни места, на които това може да се случи. Това е АДФ, а това е фосфатна група. Има и друго място, но няма да го рисувам. Kогато това се завърти, конформацията на протеина се променя и фосфатната група се блъска в АДФ, но е необходима енергия, за да се закачат и да формират АТФ. Когато формират АТФ, вече не са закачени за активния център и се освобождават. И така имаме този механичен мотор. Можем да го разглеждаме като водна турбина. Водата преминава през турбината и енергията ѝ се използва за създаването на електричество. Тук водородните протони преминават по посока на концентрационния градиент, вътреливото движение, което спомага за срещата на фосфатните групи и молекулите АДФ, при което се синтезира АТФ. Това е начинът, по който се произвежда АТФ. Ще покажа и друга визуализация на протичащите процеси, за да разбереш по-добре какво се случва в тялото ти в този момент. Тези процеси протичат в тялото ти, иначе нямаше да можем да си говорим. Това е начинът, по който произвеждаме енергия. Тук имаме по-точно изображение на АТФ-синтазата. Ще направя някои допълнителни означения върху тази диаграма. Трудно ми е да рисувам върху нея. Да видим. Тази част тук, тази зона е междумембранното пространство. Това тук е матриксът. Тази мембрана е двоен фосфолипиден слой. Мога да нарисувам двойния слой фосфолипиди ето тук. Това е вътрешната мембрана или гънка на вътрешната мембрана, това е една криста. Водородните протони се натрупват в междумембранното пространство, благодарение на електрон-транспортната верига. Следователно сега могат да преминат по посока на електрохимичния градиент. Това завърта ротора, което предизвиква производството на АТФ. Имаме АДФ плюс фосфатна група, което ни дава АТФ. Невероятно е, че всичко това протича в клетките ти, докато говорим. Това не някакъв абстрактен процес, откъснат от реалността. Всъщност този процес прави реалността възможна. Надявам се, че сега оценяваш всичко това по-добре. Прекарахме много време в разговори за клетъчното дишане. Говорихме много за производството на АТФ. Можем да произведем АТФ пряко чрез гликолиза, но повечето енергия идва от редуцирането на тези коензими особено от редуцирането на НАД до НАДН и благодарение на окислителното фосфорилиране и електрон-транспортната верига можем да използваме окислението на НАДН, за да изпомпаме протони от матрикса към междумембранното пространство. След това тези протони се връщат към матрикса през АТФ-синтазата, която закача фосфатни групи към АДФ, за да се получи АТФ, като знаем, че АТФ е биологичната валута за енергия.