Dlaczego podręczniki do biochemii wymagają modyfikacji? Kilka słów o mitochondriach i fosforylacji oksydacyjnej

Skąd bierzemy energię do życia?

Każdy żywy organizm potrzebuje stałego dopływu energii. Energię tę można pozyskiwać np. ze światła słonecznego (jak robią rośliny, albo z rozkładu związków chemicznych takich jak tłuszcze, węglowodany czy białka. Tę energię zużywamy na trzy główne cele: ruch, utrzymanie stałego potencjału błon komórkowych i synteza złożonych związków z prostych prekursorów. Jedynym związkiem chemicznym, z którego komórki organizmów żywych mogą czerpać energię, jest adenozynotrifosforan (ATP). Każda komórka produkuje ATP wyłącznie na własne potrzeby. Za 90% produkcji ATP odpowiada proces zwany fosforylacją oksydacyjną, który w komórkach organizmów eukariotycznych ma miejsce w mitochondriach. Energia uwolniona w czasie tego procesu zostaje przetworzona właśnie w ATP. Nie dzieje się tak jednak bezpośrednio. Najpierw złożone związki zostają przekształcone w dwuwęglowe podjednostki, z których w ramach cyklu kwasu cytrynowego (zwanego też cyklem Krebsa) powstaje dwutlenek węgla. Elektrony o wysokiej energii uzyskane w ramach tego cyklu zostają przeniesione na przenośniki elektronów o nazwie NAD i FAD, a z nich na tlen, który jest ostatecznym akceptorem elektronów. Przeniesienie elektronów z NAD i FAD na tlen ma miejsce w mitochondriach i to dzięki temu procesowi powstaje ATP.

Jak działa mitochondrium?

Mitochondria są organellami komórkowymi o rozmiarach 2–8 µm, otoczonymi podwójną błoną lipidową (czyli dwuwarstwą lipidową). To w nich zachodzi oddychanie komórkowe, które polega na utlenianiu związków organicznych. Mitochondrium składa się z dwóch błon, zewnętrznej i wewnętrznej, które zbudowane są z dwuwarstwy lipidowej i znajdujących się w niej białek. Procesy związane z utlenianiem związków chemicznych mają miejsce w wewnętrznej części mitochondrium, nazywanej macierzą mitochondrialną albo matrix. Wewnętrzna błona mitochondrium jest silnie pofałdowana, a jej fałdy nazywane są grzebieniami (Ryc. 1). Mitochondrium ma swój własny genom, który u człowieka składa się z 38 genów, z czego 13 genów koduje białka związane z transportem elektronów (pozostałe to geny kodujące tRNA i rRNA). Liczba mitochondriów w komórkach może się wahać od 3 w limfocytach do 100 000 w komórkach jajowych (dojrzałe erytrocyty ssaków nie zawierają mitochondriów).

Ryc.1. Mitochondrium. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Jaki jest mechanizm działania mitochondrium? Elektrony uwolnione ze związków chemicznych w ramach cyklu Krebsa trafiają na przenośniki elektronów NAD i FAD, które przekazują je na kolejny przenośnik elektronów, którym jest koenzym Q (ubichinon). W odróżnieniu od polarnych i rozpuszczalnych w wodzie NAD i FAD, jest on związkiem niepolarnym i jego zadaniem jest dostarczyć elektrony w poprzek błony komórkowej na ostatni już w tym łańcuchu przenośnik, którym jest cytochrom c. Z niego za pośrednictwem oksydazy cytochromowej elektrony trafiają na tlen jako ostateczny akceptor. Białka, które pośredniczą w transporcie elektronów, tworzą wielosegmentowe kompleksy o nazwach I, II, III i IV (Ryc. 2).

Ryc. 2. Łańcuch transportu elektronów w mitochondrium. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

W czasie wędrówki elektronów ich energia zostaje wykorzystana do wypompowywania jonów H+ z macierzy do przestrzeni międzybłonowej. Po obu stronach wewnętrznej błony mitochondrium powstaje więc gradient, czyli różnica stężeń jonów H+. Błona jest dla nich nieprzepuszczalna, więc mogą one wrócić do macierzy mitochondrialnej jedynie za pomocą specjalnych kanałów białkowych. Energia uwalniana w czasie przepływu jonów H+ zostaje wykorzystana do produkcji ATP, noszą więc nazwę syntaz ATP (bo syntezują ATP).  Cały proces, który nosi nazwę chemiosmozy, został po raz pierwszy zaproponowany w 1961 r. przez Petera D. Mitchella z Uniwersytetu Cambridge (Nagroda Nobla w 1978 r.).

Kompleksy białek przenoszących elektrony (I-IV) noszą nazwę łańcucha transportu elektronów (ETC, electron transport chain). W skład łańcucha wchodzi łącznie 36 białek, w większości kodowanych przez geny zlokalizowane w genomie jądrowym. O tym, jak ważny dla naszego życia jest ten łańcuch, świadczą trujące właściwości cyjanków. Związki te wiążą się z pierścieniem hemu wchodzącym w skład oksydazy cytochromowej, co powoduje, że transport elektronów zatrzymuje się, a wraz z nim produkcja ATP. Pozbawiona źródła energii komórka umiera w ciągu kilku minut. Pisał o tym Lucas Bergowsky w tekście „Na scenę wchodzi pruski”.

Problem z jonami wodoru

Tak więc przepływ elektronów przez białka łańcucha transportu elektronów powoduje wypompowanie jonów H+ z macierzy mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej. Jony te wracają z powrotem do macierzy, generując ATP. Można to porównać do elektrowni szczytowo-pompowej, w skład której wchodzą dwa zbiorniki wody położone na różnych wysokościach. Woda zostaje przepompowywana ze zbiornika dolnego do górnego, a po jego napełnieniu wraca do dolnego generując energię elektryczną. W Polsce jest sześć takich elektrowni, a największa z nich, pokazana na Ryc. 3 elektrownia Żarnowiec, ma moc 700 MW.

Ryc. 3. Zbiorniki zespołu elektrowni szczytowo-pompowych Żarnowiec. Źródło: PGE Energia Odnawialna, domena publiczna.

Łańcuch transportu elektronów działa na podobnej zasadzie, z tym że pompuje nie wodę, a jony H+. Przeniesienie ich przez błonę mitochondrium z macierzy do przestrzeni międzybłonowej (ściśle: do grzebieni mitochondrium) powoduje powstanie siły protonomotorycznej (Δp), która składa się z komponenty chemicznej (ΔpH) oraz elektrycznej (ΔΨ).  I tu pojawia się problem, na ogół pomijany w podręcznikach biochemii. Komponenta elektryczna (ΔΨ), którą można też określić jako różnicę potencjałów po obu stronach wewnętrznej błony mitochondrium, wynosi ok. 150 mV i nie da się tej różnicy wytłumaczyć wyłącznie różnicą między stężeniem jonów H+ w przestrzeni międzybłonowej i w macierzy mitochondrialnej (czyli ΔpH), która wynosi ~0,1-0,2 jednostki pH. Sprawa była niejasna do listopada 2024 r, kiedy autorzy publikacji w czasopiśmie Cell wykazali, że w skład kompleksu I wchodzi transporter jonów Na+, który wymienia je na jony H+. Jest to tzw. moduł P kompleksu CI, a jego pełna nazwa to mitochondrialne białko swoiste wobec Na+ wymieniające jony Na+ na H+ (mitochondrial Na+ -specific Na+/H+ exchanger, mNHE). Białko to wykorzystuje część gradientu H+, żeby wprowadzić do przestrzeni międzybłonowej jony Na+. I to właśnie one są odpowiedzialne za co najmniej połowę komponenty elektrycznej (ΔΨ) w mitochondriach. Ta dodatkowa różnica potencjałów wymusza szybszy transfer jonów Hprzez syntazy ATP (Ryc. 4).

Ryc. 4. Porównanie dwóch modeli gradientu elektrochemicznego. Pokazano kompleksy I, II, III i IV. W skład kompleksu I (CI, kolor zielony) wchodzi białko wymieniające jony H+ na Na+ (Na+/H+ exchanger, NHE), które wymienia jony H+  na Na+. WT: komórki prawidłowe; LHON: dziedziczna neuropatia nerwów wzrokowych Lebera. Według: Hernansanz-Agustín P. et al., Cell 2024, 187: 6599-6613.e21. Licencja CC-BY-NC-ND .

Dziedziczna neuropatia nerwów wzrokowych Lebera

Jeżeli różnica potencjałów po obu stronach wewnętrznej błony mitochondrium jest w co najmniej w połowie generowana przez różnicę stężeń jonów Na+, to co stanie się, kiedy stężenie tych jonów będzie takie samo po obu stronach błony i za różnicę potencjałów będą opowiadać wyłącznie jony H+? Takie zjawisko ma miejsce w przypadku dziedzicznej neuropatii nerwów wzrokowych (Leber hereditary optical neuropathy, LHON). Jest to rzadka choroba genetyczna powodująca utratę ostrości widzenia oraz zdolności rozróżniania kolorów (w Europie zdarza się z częstością 1:40 000). Pierwsze objawy pojawiają się najczęściej między 15. i 35. rokiem życia; choroba ma charakter postępujący i często prowadzi do całkowitej utraty wzroku. Mogą też mieć miejsce inne objawy neurologiczne, takie jak zaburzenia koordynacji ruchu, zaburzenia rytmu serca czy objawy podobne do stwardnienia rozsianego. Choroba jest spowodowana mutacjami w genach kodujących białka kompleksu I łańcucha transportu elektronów. Geny kodujące te białka o nazwach MT-ND1, MT-ND4, MT-ND6 wchodzą w skład genomu mitochondrialnego. Ponieważ mitochondria dziedziczymy wyłącznie po matce, neuropatię Lebera również można odziedziczyć wyłącznie po matce. Autorzy publikacji wykazali, że zmiany w neuronach u osób dotkniętych tą chorobą są spowodowane niezdolnością do utrzymywania prawidłowej różnicy potencjałów w mitochondrium. Jeżeli kompleks I w wyniku mutacji w genie kodującym białko NHE nie może wymieniać jonów H+ na Na+, za całą różnicę potencjałów po obu stronach wewnętrznej błony mitochondrium odpowiadają jony H+. Wytwarzana przez nie różnica potencjałów jest zbyt mała, żeby efektywnie „napędzać” produkcję ATP. Skutkiem jest spowolnienie transportu elektronów przez białka łańcucha oddechowego i obniżenie zużycia tlenu. Neurony są komórkami o dużym zapotrzebowaniu na energię (mózg zużywa 20% energii produkowanej przez nasz organizm), ale stosunkowo skromnych możliwościach jej wytwarzania. Dlatego nawet niewielkie zmiany w wydajności produkcji ATP mogą z czasem powodować niedobór energii prowadzący do śmierci neuronów.

Literatura dodatkowa

Dlaczego podręczniki do biochemii powinny być zmodyfikowane?

https://doi.org/10.1016/j.tibs.2024.11.002

Gradient sodowy w grzebieniach mitochondriów

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.045

Dziedziczna neuropatia nerwów wzrokowych Lebera

https://doi.org/10.3389/fopht.2022.1077395