Οξειδωτική φωσφορυλίωση

Ιστορικό

Τη δεκαετία του 1950 πολλοί ερευνητές πίστευαν ότι η οξειδωτική φωσφορυλίωση που συμβαίνει στα μιτοχόνδρια παράγει ΑΤΡ περίπου όπως η γλυκόλυση. Κατά τη γλύκολυση, η φωσφορυλίωση του ΑΤΡ γίνεται άμεσα από ένα ενδιάμεσο υψηλής ενέργειας. Την ίδια εποχή ήταν διαδεδομένη υπόθεση ότι η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων παρήγαγε ένα ενδιάμεσο υψηλής ενέργειας, το οποίο θα προσέδενε κατευθείαν τη φωσφορική ομάδα στο ΑΤΡ, όμως ένα τέτοιο ενδιάμεσο δεν ανακαλύφθηκε.
Το 1961 ο Πίτερ Μίτσελ (Peter Mitchell) διατύπωσε για πρώτη φορά ότι αυτό το «ενδιάμεσο υψηλή ενέργειας» ήταν η ηλεκτροχημική βαθμίδωση πρωτονίων. Σύμφωνα με το μοντέλο του, που ονομάστηκε χημειοσμωτική υπόθεση, η ενέργεια βαθμίδωσης Η⁺ που σχηματίζονται κατά τη δίοδο των ηλεκτρονίων στην αλυσίδα αξιοποιείται για να προωθήσει τη σύνθεση ΑΤΡ. Αυτή η υπόθεση σημαίνει ότι η ηλεκτροχημική βαθμίδωση πρωτονίων είναι απαραίτητη για τη σύνθεση ΑΤΡ και έτσι η δημιουργία μίας τεχνητής βαθμίδωσης θα έπρεπε να διεγείρει την παραγωγή ΑΤΡ. Αλλά παράμενε το ερώτημα πώς η βαθμίδωση ηλεκτρονίων προωθεί τη σύνθεση του ΑΤΡ.
Το 1974 ο Efraim Racker και ο Walther Stoeckenius απέδειξαν ότι ο συνδυασμός της συνθάσης του ΑΤΡ με μια βαθμίδωση πρωτονίων οδηγεί σε παραγωγή ΑΤΡ. Οι δύο επιστήμονες διαπίστωσαν ότι μπορούσαν ν’ ανασυνθέσουν ένα πλήρες τεχνητό σύστημα παραγωγής ενέργειας συνδυάζοντας μια ΑΤΡάση από μιτοχόνδρια της καρδιάς του βοδιού με την ιώδη μεμβράνη του Halobacterium halobium. Η κυτταρική μεμβράνη αυτού του βακτηρίου είναι γεμάτη βακτηριοδοψίνη, μια πρωτεΐνη που αντλεί πρωτόνια προς το εξωτερικό του κυττάρου μετά από έκθεση στο ηλιακό φως.
Τοποθετώντας τη βακτηριοδοψίνη σε τεχνητά λιποκυστίδια, οι Racker και Stoeckenius έδειξαν ότι μετά από έκθεση στο φως η πρωτεΐνη αντλούσε πρωτόνια στο εσωτερικό των κυστίδιων. Στη συνέχεια, στα ίδια κυστίδια ενσωματώθηκε μια μιτοχονδριακή ΑΤΡάση μιτοχονδριακής προέλευσης. Μετά από έκθεση στο φως, το πειραματικό σύστημα κατέλυε τη σύνθεση ΑΤΡ. Η αφαίρεση της βακτηριοδοψίνης όπως και η προσθήκη παραγόντων αποσύζευξης καταργούσε τη σύνθεση ΑΤΡ.
Έτσι, παρόλο που η υπόθεση του Μίτσελ συνάντησε αρχικά αντίσταση, οι πειραματικές ενδείξεις που την στήριζαν δεν μπορούσαν να αγνοηθούν. Το 1978, ο Μίτσελ έλαβε το βραβείο Νόμπελ Χημείας.

Μεταφορά ηλεκτρονίων στην αλυσίδα

Η πηγή των ηλεκτρονίων που προωθούν την άντληση των πρωτονίων ποικίλλει πολύ. Στην αερόβια αναπνοή που παράγει ΑΤΡ στα μιτοχόνδρια και στα αερόβια βακτήρια, τα ηλεκτρόνια προέρχονται από την οξείδωση της γλυκόζης στο κύκλο του κιτρικού οξέως ή των λιπαρών οξέων και τελικός αποδέκτης είναι το οξυγόνο, παράγοντας νερό. Στη φωτοσύνθεση, τα ηλεκτρόνια προέρχονται από την αλληλεπίδραση του φωτός με τη πράσινη χρωστική, τη χλωροφύλλη. Τέλος, πολλά βακτήρια χρησιμοποιούν ως πηγή ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας διάφορες ανόργανες ουσίες, όπως το υδρογόνο, ο σίδηρος και το θείο. Το NADH μεταφέρει τα ηλεκτρόνια στο πρώτο φορέα του συστήματος μεταφοράς ηλεκτρονίων, τη NADH αφυδρογονάση. Εκεί οξειδώνεται το NADH προς NAD+. Το FADH2 είναι ένας λιγότερος δυνατός μεταφορέας ηλεκτρονίων και μεταφέρει ηλεκτρόνια στο δεύτερο φορέα ηλεκτρονίων.

Δημιουργία ηλεκτροχημικής βαθμίδωσης

Όταν το NADH φτάσει στην αλυσίδα, ένα ιόν υδριδίου (Η-) αφαιρείται από αυτό και μετατρέπεται σε ένα πρωτόνιο και δύο ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας. Η αντίδραση αυτή καταλύεται από το πρώτο σύμπλοκο, την αφυδρογονάση του NADH, η οποία παραλαμβάνει τα ηλεκτρόνια. Στη συνέχεια, τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται κατά μήκος της αλυσίδας. Αυτή η μεταφορά είναι ενεργειακά συμφέρουσα, αφού τα αρχικά υψηλής ενέργεια ηλεκτρόνια χάνουν ενέργεια καθώς μετακινούνται κατά μήκος της αλυσίδας (το ζεύγος NADH/NAD έχει μέσο δυναμικό οξειδοαναγωγής -320mV ενώ το ζεύγος H2O/O2 +810mV). Η αφυδρογονάση μεταφέρει τα ηλεκτρόνια από το NADH στην ουβικινόνη. Για αυτή τη διαδικασία χρειάζονται δύο ηλεκτρόνια και δύο πρωτόνια. Το ένα πρωτόνιο προέρχεται από το NADH και το άλλο από το περιβάλλον νερό. Τα δύο ηλεκτρόνια μεταφέρονται στην ουβικινόνη, ενώ τα δύο πρωτόνια εκλύονται στη μεσομεμβράνια περιοχή.
H ουβικινόνη, με τη σειρά της, προωθεί τα ηλεκτρόνια προς το δεύτερο σύμπλοκο, το σύμπλοκο κυτοχρωμάτων c-b1. Αυτό το σύμπλοκο έχει ενεργότητα οξειδοαναγωγάσης του ζεύγους ουβικινόνη – κυτοχρώματος C. Με την οξείδωση της ουβικινόνης, τα δύο πρωτόνια και τα δύο ηλεκτρόνια που χρειάστηκε για να αναχθεί απελευθερώνονται και τα πρωτόνια εκλύονται προς την εξωτερική πλευρά της μεμβράνης. Τέλος, τα δύο ηλεκτρόνια από το κυτόχρωμα C μεταβιβάζονται στο τελευταίο σύμπλοκο, το σύμπλοκο της οξειδάσης του κυτοχρώματος, όπου το οξυγόνο αλληλεπιδρά με τα ηλεκτρόνια και παράγεται νερό.

Σύνθεση ΑΤΡ

Η φύση της ροής και η διάταξη των εμπλεκόμενων μορίων είναι τέτοια ώστε να προκαλείται άντληση πρωτονίων από τη μία πλευρά της μεμβράνης στην άλλη. Η άντληση αυτή, σε συνδυασμό με την εκλεκτική περατότητα της μεμβράνης στα πρωτόνια, δημιουργεί διαφορά χημικού και ηλεκτρικού δυναμικού, που μπορεί να εκτονωθεί μόνο από ειδικές πρωτεϊνικές πύλες, όπως είναι η συνθάση του ΑΤΡ. Αυτό το πολύ μεγάλο μεμβρανικό ένζυμο δημιουργεί μια υδρόφιλη δίοδο στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη από την οποία περνούν τα πρωτόνια. Καθώς τα πρωτόνια διατρέχουν το ένζυμο, χρησιμοποιούνται για να προωθήσουν τη μη ενεργειακή ευνοϊκή αντίδραση μεταξύ ADP και φωσφορικής ομάδας για τη σύνθεση ΑΤΡ.