זרחון חמצוני

רקע

הזרחון החמצוני מתבצע בתאים איקריוטים על הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה, תוך שימוש במנגנון כימופיזיקלי הקרוי כימיואוסמוזה, אשר במהלכו נוצר הפרש ריכוזי יונים של מימן בין החלל הפנימי הקרוי מטריקס לבין החלל הבין קרומי. ביצורים פרוקריוטיים התהליך מתבצע בצורה דומה רק מיקומו הוא על-גבי ממברנת התא עצמו. התהליך מתרחש לאחר שהמזון עבר גליקוליזה וסיים לעבור במעגל קרבס במטריקס של המיטוכונדריה. במהלך מעגל קרבס, חוזרו מולקולות רבות אשר בשלב זה הן משמשות להנעת הזרחון החמצוני, ולכן  הוא חייב להיות מצומד למעגל קרבס, או למנגנון אחר המשחרר מולקולות מחוזרות באופן שוטף. כמו כן כתוצאה מהשימוש בתוצרי מעגל קרבס תהליך זה הוא השלב בו נוצרות רוב מולקולות ה ATP של הנשימה התאית. בהשוואה לשני השלבים הקודמים, בהם מתקבלות מולקולות ATP בודדות, מיוצרות בתהליך הזרחון החמצוני 30 - 36 מולקולות ATP על כל מולקולת גלוקוז שנצרכת בתהליך הגלקוליזה, וכן בערך 14 מולקולות ATP עבור חומצות שומן הנצרכות בתהליך חמצון בטא, בתהליכים אידיאלים. בפועל ישנם פרוטונים המצליחים לחמוק דרך הממברנה ללא ניצול האנרגיה שלהם כך שהכמויות מעט פחותות ממספרים אלו. 
לניצול האנרגטי היעיל של הגלוקוז באמצעות התהליך חשיבות אבולוציונית עליונה: מאז שפיתחו היצורים הארובּיים הראשונים על-פני כדור הארץ את מנגנון הזרחון החמצוני, ועמו בעצם את תהליך הנשימה האווירנית, הפכו היצורים שבאו אחריהם במרוצת הדורות לגדולים יותר ומורכבים יותר כיוון שנוצר מנגנון להפקה יעילה של אנרגיה. המגוון המרשים הקיים כיום בעולם החי כנראה נוצר בזכות אותן מולקולות ATP המיוצרות בזרחון החמצוני. ראיה לכך, היצורים הידועים היחידים שאינם משתמשים בזרחון חמצוני לשם הפקת אנרגיה הם מיקרואורגניזמים - רובם חיידקים ומיעוטם פרוטיסטים ופטריות.

המנגנון הכימיואוסמוטי

מתוך חוק שימור האנרגיה נובע כי כל פעולה הדורשת אנרגיה חייבת להיות מצומדת לפעולה הפולטת אנרגיה על מנת שתוכל להתרחש. יצירת ATP היא פעולה המעלה את הרמה האנרגטית של המערכת ולכן היא דורשת אנרגיה אי לכך מצומד לה תהליך המשחרר אנרגיה. לפי המנגנון הכימואוסמוטי התהליך משחרר האנרגיה המשמש לייצור ה ATP הוא שרשרת של העברת אלקטרונים באמצעות תגובות חמצון-חיזור.
תהליך המרת האנרגיה משרשרת מעבר האלקטרונים לחלבון ATP סינתאז, החלבון שמייצר ATP, מתרחש ביוקריוטים על הקרום הפנימי של המיטוכונדריה באמצעות ייצור זרם פרוטונים החוצה את הממברנה. זרם הפרוטונים מתרחש כתוצאה מהפרש ריכוזי יונים שמייצרת שרשרת מעבר האלקטרונים בין שני צידי הקרום הפנימי של המיטוכונדריה, מה שיוצר גם הפרש מתח בין שני צידי הממברנה הנובעים מהמטען החשמלי של היונים וגם לחץ הנע מהפרש הרכוזים. החלבון המייצר את ה ATP מסיים את התהליך בכך שהוא משמש כתעלה למעבר היונים תוך ניצול האנרגיה החופשית שלהם לייצור ATP, בצורה דומה לגלגל מים המשמש לייצור חשמל מאנרגיה מכנית, כך שבמעבר דרכו הם מסובבים את ראש החלבון הלוחץ בצורה מכנית על המולקולות ADP+ ו Pi הגורם להם להתרכב יחד למולקולה אחת. בסוף התהליך הפרוטון משתחרר בצידה השני של הממברנה. התהליך הכימופיזיקלי של התמרת אנרגיה באמצעות מעבר פרוטונים דרך ממברנה כתוצאה מהפרשי ריכוזי יונים קרוי כימואוסמוזה. על גילוי המנגנון קיבל בשנת 1978 הביוכימאי פיטר מיטשל פרס נובל, כאשר עד לגילויו של מיטשל התאוריה הרווחת הייתה שה-ATP נוצר במיטוכונדריה באמצעות זרחון ישיר של PO3‎ במצע עשיר בזרחן, ולא באמצעות כימואוסמוזה.

הקומפלקסים הממברנלים


שרשרת מעבר האלקטרונים מורכבת מארבעה קומפלקסים חלבוניים אשר מעבירים את האלקטרון מאחד לשני ומניעים את התהליך. בנוסף לקומפלקסים נמצאת התעלה ATP סינטאז המייצרת את ה ATP.

קומפלקס I

קומפלקס I או NADH-coenzyme Q oxidoreductase, הוא החלבון הראשון בשרשרת מעבר האלקטרונים. קומפלקס זה הוא בעצם אנזים ענקי, אשר אצל יונקים מגיע למשקל באזור אלף קילו-דלטון, שמכיל בתוכו 46 יחידות משנה., צורתו ברוב האורגניזמים דומה למגף, כך שישנה רגלית היוצאת מתוך ממברנת המיטוכונדריה אל עבר המטריקס ורגלית השוכנת בתוך הממברנה, כיום המבנה המדויק ידוע רק בבקטריות. הגנים מקודדים את החלבונים של הקומפלקס נמצאים גם בד.נ.א המיטוכונדריאלי וגם בד.נ.א. הגרעיני. 
הקומפלקס אחראי על חמצון מולקולת ה- NADH באמצעות קו-אנזים Q10 (יוביקיונון) שהוא בעצם מולקולה כימית המסיסה בשומן ולכן היא יכולה לנוע בחופשיות בתוך הממברנה הפנים מיטוכנדריאלית השומנית. בקומפלקס מתרחשת התגובה הבאה: 
הריאקציה מתחילה (ובעקבותיה כל שרשרת מעבר האלקטרונים) כאשר מולקולת NADH נקשרת לקומפלקס ומעבירה שני אלקטרונים תוך פירוק ל ⁺NAD ו-⁺H.האלקטרונים נכנסים למערכת בעזרת קו-פקטור בשם FMN (ריבופלאבין-5-פוספט). כאשר לאחר החיזור הוא נהפך לFMNH₂ בשלב הבא האלקטרונים מועברים לסדרה של מקבצי ברזל-סולפיד. במהלך הריאקציה מועברים פרוטונים מהמטריקס המיטוכנדריאלי לתוך החלל הבין קרומי, המחקר המודרני עדיין לא מצא איך התהליך מתרחש בדיוק, משערים כי בתהליך מתרחשים שינויים מבניים בקומפלקס I הגורמים לחלבון להיקשר לפרוטונים ולהעביר אותם את הממברנה. לבסוף האלקטרונים מועברים משרשרת מקבצי הברזל-סולפיד למולקולת יוביקיונון אשר נמצא בממברנה הפנימית של המיטוכונדריה. גם חיזור מולקולת היוביקיונון תורם להגדלת גרדיאנט הפרוטונים מאחר שהפרוטונים המעורבים בריאקצית החיזור נלקחים מתוך המטריקס המיטוכנדריאלי כדי ליצור את מולקולת היוביקיונול  (QH₂).

קומפלקס II

קומפלקס II הקרוי Succinate-Q oxidoreductase, הוא חלבון המהווה נקודת כניסה שנייה לשרשרת מעבר האלקטרונים.

קומפלקס III

קומפלקס III אשר מהווה את השלב השלישי או השני בשרשרשת קרוי Q-cytochrome c oxidoreductase או פשוט קומפלקס III.