7Frumuöndun

7.1 Orka í lifandi kerfum

Hæfniviðmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

Rætt mikilvægi rafeinda í orkuflutningi í lifandi kerfum
Útskýrt hvernig ATP er notað af frumum sem orkugjafi

Orkuumbreytingar innan frumu fela í sér marga samhæfða efnaskiptaferla. Flestir þessara ferla eru samsetningar oxunar- og afoxunarhvarfa sem eiga sér stað samtímis. Í oxunarhvarfi er rafeind fjarlægð frá atómi í efnasambandi, en þegar þessari rafeind er bætt við annað efnasamband verður afoxunarhvarf. Þar sem oxun og afoxun fara yfirleitt saman eru slík hvarfapör kölluð oxunar-afoxunarhvörf, eða redox-hvörf.

A progression of oxidation and reduction. The illustration shows that as methane loses electrons as it passes through oxidation processes, first becoming methanol, then formaldehyde, then formic acid, then carbon dioxide. The illustration shows that if the reverse occurred, and carbon dioxide progressed to methane, it would be adding electrons and going through reduction. — **Mynd 7.2.** Stig oxunar og afoxunar eins kolefnis. Rafeindir tapast frá kolefni þegar metan oxast í koltvíoxíð. Rafeindatapi fylgir einnig orkutap. Rafeindir bætast við þegar koltvíoxíð afoxast í metan. Rafeindaviðbót fylgir aukning í stöðuorku og oft viðbót róteindar (H⁺). Heimild: Ryan, K., Rao, A. og Fletcher, S., líffræðideild Texas A&M-háskóla.

Rafeindir og orka

Þegar rafeind er fjarlægð frá sameind (hún oxuð) minnkar stöðuorka oxaða efnasambandsins. Rafeindin, stundum sem hluti af vetnisatómi, helst þó ekki óbundin í umfrymi frumu. Hún færist yfir á annað efnasamband og afoxar það. Flutningur rafeindar frá einu efnasambandi til annars flytur hluta stöðuorkunnar frá fyrra efnasambandinu (oxaða efnasambandinu) og eykur stöðuorku síðara efnasambandsins (afoxaða efnasambandsins). Flutningur rafeinda milli sameinda er mikilvægur vegna þess að mest af orkunni sem er geymd í atómum og notuð til að knýja frumustarfsemi er í formi orkuríkra rafeinda. Orkuflutningur með orkuríkum rafeindum gerir frumunni kleift að flytja og nota orku í skrefum, í litlum skömmtum fremur en í einni eyðileggjandi losun. Þessi kafli fjallar um hvernig orka er unnin úr fæðu; þegar þú fylgir flutningsleiðunum fylgir þú jafnframt rafeindum eftir í gegnum efnaskiptaferla.

Rafeindaferjur

Í lifandi kerfum starfar lítill flokkur efnasambanda sem rafeindaferjur: þau binda og flytja orkuríkar rafeindir milli efnasambanda í lífefnafræðilegum ferlum. Helstu rafeindaferjurnar sem hér er fjallað um eru komnar úr B-vítamínum og eru afleiður kirna. Þessi efnasambönd geta auðveldlega afoxast (tekið við rafeindum) eða oxast (tapað rafeindum). Nikótínamíðadeníndínúkleótíð (NAD) (mynd 7.3) er komið úr B₃-vítamíninu níasíni. NAD⁺ er oxað form sameindarinnar; NADH er afoxað form hennar eftir að hún hefur tekið við tveimur rafeindum og einni róteind, sem saman jafngilda vetnisatómi með einni aukarafeind. Athugaðu að ef efnasamband hefur „H“ í heitinu er það almennt afoxað; til dæmis er NADH afoxað form NAD.

NAD⁺ getur tekið við rafeindum frá lífrænni sameind samkvæmt almennu jöfnunni:

RH (afoxari) + NAD⁺ (oxari) → NADH (afoxað) + R (oxað)

Þegar rafeindum er bætt við efnasamband afoxast það. Efnasamband sem afoxar annað kallast afoxari. Í jöfnunni hér að ofan er RH afoxari og NAD⁺ afoxast í NADH. Þegar rafeindir eru fjarlægðar úr efnasambandi oxast það. Efnasamband sem oxar annað kallast oxari. Í jöfnunni hér að ofan er NAD⁺ oxari og RH oxast í R.

Á svipaðan hátt er flavínadeníndínúkleótíð (FAD) komið úr B₂-vítamíni, sem einnig kallast ríbóflavín. Afoxað form þess er FADH₂. Annað afbrigði NAD, NADP, inniheldur auka fosfathóp. Bæði NAD⁺ og FAD eru mikið notuð við orkuvinnslu úr sykrum, og NADP gegnir mikilvægu hlutverki í uppbyggingarhvörfum og ljóstillífun í plöntum.

This illustration shows the molecular structure of N A D superscript plus sign baseline and N A D H. Both compounds are composed of an adenine nucleotide and a nicotinamide nucleotide, which bond together to form a dinucleotide. The nicotinamide nucleotide is at the 5 prime end, and the adenine nucleotide is at the 3 prime end. Nicotinamide is a nitrogenous base, meaning it has nitrogen in a six-membered carbon ring. In N A D H, one extra hydrogen is associated with this ring, which is not found in N A D superscript plus sign baseline. — **Mynd 7.3.** Oxað form rafeindaferjunnar (NAD⁺) er sýnt vinstra megin og afoxað form hennar (NADH) hægra megin. Köfnunarefnisbasinn í NADH hefur eina vetnisjón og tvær rafeindir umfram NAD⁺.

ATP í lifandi kerfum

Lifandi fruma getur ekki geymt mikið magn frjálsrar orku. Umfram frjáls orka myndi auka hita í frumunni og valda óhóflegri varmahreyfingu sem gæti skemmt frumuna og að lokum eyðilagt hana. Þess í stað þarf fruman að geta meðhöndlað orkuna þannig að hún geymist örugglega og losni aðeins þegar þörf er á. Lifandi frumur gera þetta með því að nota efnasambandið adenósínþrífosfat (ATP). ATP er oft kallað „orkugjaldmiðill“ frumunnar og, líkt og gjaldmiðill, má nota þetta fjölhæfa efnasamband til að mæta margvíslegum orkuþörfum frumunnar. Hvernig? Það virkar líkt og endurhlaðanleg rafhlaða.

Þegar ATP er brotið niður, venjulega með því að fjarlægja endastaða fosfathópinn, losnar orka. Fruman notar orkuna til vinnu, yfirleitt þegar losaði fosfathópurinn binst annarri sameind og virkjar hana. Til dæmis sér ATP vöðvasamdrætti fyrir orku til að hreyfa samdráttarprótein vöðva. Rifjaðu upp virkan flutning natríum-kalíumdælunnar í frumuhimnum. ATP breytir byggingu innfellda himnupróteinsins sem starfar sem dælan og breytir sækni þess í natríum og kalíum. Þannig vinnur fruman vinnu með því að dæla jónum gegn rafefnastigli þeirra.

Bygging og hlutverk ATP

Kjarni ATP er sameind adenósíneinfosfats (AMP), sem er gerð úr adenínsameind tengdri ríbósasameind og einum fosfathópi (mynd 7.4). Ríbósi er fimm kolefna sykra sem finnst í RNA og AMP er eitt kirna RNA. Þegar öðrum fosfathópi er bætt við þessa grunnsameind myndast adenósíndífosfat (ADP); þegar þriðja fosfathópnum er bætt við myndast adenósínþrífosfat (ATP).

This illustration shows the molecular structure of A T P. This molecule is an adenine nucleotide with a string of three phosphate groups attached to it. The phosphate groups are named alpha, beta, and gamma in order of increasing distance from the ribose sugar to which they are attached. — **Mynd 7.4.** ATP (adenósínþrífosfat) hefur þrjá fosfathópa sem hægt er að fjarlægja með vatnsrofi (viðbót H₂O) og mynda ADP (adenósíndífosfat) eða AMP (adenósíneinfosfat). Neikvæðar hleðslur fosfathópanna hrinda hver annarri frá sér; orku þarf til að tengja hópana saman og orka losnar þegar tengin rofna.

Viðbót fosfathóps við sameind krefst orku. Fosfathópar eru neikvætt hlaðnir og hrinda hver öðrum frá sér þegar þeir liggja í röð, eins og í ADP og ATP. Þessi fráhrinding gerir ADP- og ATP-sameindirnar í eðli sínu óstöðugar. Losun eins eða tveggja fosfathópa frá ATP, ferli sem kallast affosfórun, losar orku.

Orka frá ATP

Vatnsrof er ferli þar sem flóknar stórsameindir eru brotnar í sundur. Við vatnsrof klofnar vatn og vetnisatómi (H⁺) og hýdroxýlhópi (OH⁻), eða hýdroxíði, er bætt við stærri sameindina. Vatnsrof ATP myndar ADP ásamt ólífrænni fosfatjón (Pᵢ) og losar frjálsa orku. Til að lífsferli geti farið fram er ATP stöðugt brotið niður í ADP og, líkt og endurhlaðanleg rafhlaða, er ADP stöðugt endurmyndað í ATP með því að þriðji fosfathópurinn tengist aftur. Vatn, sem klofnaði í vetnisatóm og hýdroxýlhóp við vatnsrof ATP, myndast aftur þegar þriðja fosfatinu er bætt við ADP-sameindina og ATP myndast á ný.

Orku þarf augljóslega að setja inn í kerfið til að endurmynda ATP. Hvaðan kemur þessi orka? Í nær öllum lífverum á jörðinni kemur hún frá efnaskiptum glúkósa, frúktósa eða galaktósa, sem allar eru hverfur með efnaformúluna C₆H₁₂O₆ en hafa ólíka sameindabyggingu. Þannig tengir ATP beint takmarkaðan hóp orkulosandi ferla í niðurbroti glúkósa við fjölmarga orkukrefjandi ferla sem knýja lifandi frumur.

Fosfórun

Rifjaðu upp að í sumum efnahvörfum geta ensím bundist nokkrum hvarfefnum sem hvarfast hvert við annað á ensíminu og mynda milliflóka. Milliflóki er tímabundin bygging sem gerir einu hvarfefnanna, til dæmis ATP, og öðrum hvarfefnum kleift að hvarfast auðveldar hvert við annað; í hvörfum sem fela í sér ATP er ATP eitt hvarfefnanna og ADP er myndefni. Í orkukrefjandi efnahvarfi myndar ATP milliflóka með hvarfefninu og ensíminu í hvarfinu. Þessi milliflóki gerir ATP kleift að flytja þriðja fosfathóp sinn, ásamt orku sinni, yfir á hvarfefnið, ferli sem kallast fosfórun. Fosfórun merkir að fosfati (~P) er bætt við. Þetta er sýnt í eftirfarandi almennu hvarfi, þar sem A og B tákna tvö mismunandi hvarfefni:

A + ensím + ATP → [A-ensím-∼P] → B + ensím + ADP + fosfatjón

Þegar milliflókinn brotnar í sundur er orkan notuð til að breyta hvarfefninu og umbreyta honum í myndefni hvarfsins. ADP-sameindin og frjáls fosfatjón losna út í miðilinn og eru tiltæk til endurvinnslu í efnaskiptum frumunnar.

Hvarfefnisfosfórun

ATP myndast með tveimur aðferðum við niðurbrot glúkósa. Nokkrar ATP-sameindir myndast, það er endurmyndast úr ADP, sem bein afleiðing efnahvarfa í niðurbrotsferlunum. Fosfathópur er fjarlægður af millistigshvarfefni í ferlinu og frjáls orka hvarfsins er notuð til að bæta þriðja fosfatinu við tiltæka ADP-sameind, sem myndar ATP (mynd 7.5). Þessi beina aðferð við fosfórun kallast hvarfefnisfosfórun.

This illustration shows a substrate-level phosphorylation reaction in which the gamma phosphate of A T P is attached to a protein. The substrate, phosphate group, and A D P bind to an enzyme. And the result is the product and A T P. — **Mynd 7.5.** Í fosfórunarhvörfum tengist gamma-fosfathópur ATP, þriðji fosfathópurinn, próteini. Í hvarfefnisfosfórun er fosfathópur, sem er tengdur annarri sameind með samgildum tengjum, fluttur yfir á ADP til að mynda ATP. Heimild: Rao, A., Ryan, K. og Fletcher, S., líffræðideild Texas A&M-háskóla.

Oxunarfosfórun

Mest af því ATP sem myndast við niðurbrot glúkósa kemur hins vegar úr mun flóknara ferli, efnaosmósu, sem fer fram í hvatberum (mynd 7.6) í heilkjörnungafrumu eða í frumuhimnu dreifkjörnungafrumu. Efnaosmósa, ferli ATP-framleiðslu í efnaskiptum frumna, myndar 90 prósent af því ATP sem verður til við niðurbrot glúkósa og er einnig sú aðferð sem notuð er í ljóshvörfum ljóstillífunar til að beisla orku sólarljóss. ATP-framleiðsla með efnaosmósu kallast oxunarfosfórun vegna þátttöku súrefnis í ferlinu.

This illustration shows the structure of a mitochondrion, which has an outer membrane and an inner membrane. The inner membrane has many folds, called cristae. The space between the outer membrane and the inner membrane is called the intermembrane space, and the central space of the mitochondrion is called the matrix. A T P synthase enzymes and the electron transport chain are located in the inner membrane. — **Mynd 7.6.** Í heilkjörnungum fer oxunarfosfórun fram í hvatberum. Í dreifkjörnungum fer ferlið fram í frumuhimnunni. Heimild: byggt á verki Mariana Ruiz Villareal.

Starfstengsl

Læknir sem sinnir hvatberasjúkdómum

Hvað gerist þegar mikilvæg hvörf frumuöndunar ganga ekki rétt fyrir sig? Þetta getur gerst í hvatberasjúkdómum, sem eru arfgengir efnaskiptasjúkdómar. Hvatberasjúkdómar geta stafað af stökkbreytingum í kjarna-DNA eða hvatbera-DNA og leiða til minni orkuframleiðslu en eðlilegt er í líkamsfrumum. Í sykursýki af gerð 2, til dæmis, minnkar oxunarnýtni NADH, sem hefur áhrif á oxunarfosfórun en ekki önnur skref frumuöndunar. Einkenni hvatberasjúkdóma geta verið vöðvaslappleiki, skortur á samhæfingu, slaglík köst og sjón- og heyrnartap. Flestir sem verða fyrir áhrifum greinast í æsku, þó að sumir sjúkdómar komi fram á fullorðinsárum. Greining og meðferð hvatberasjúkdóma er sérhæft læknisfræðilegt svið. Undirbúningur fyrir slíkt starf krefst háskólamenntunar og síðan læknanáms með sérhæfingu í læknisfræðilegri erfðafræði. Læknisfræðilegir erfðafræðingar geta hlotið sérfræðivottun frá American Board of Medical Genetics og gengið í fagfélög sem helga sig rannsóknum á hvatberasjúkdómum, svo sem Mitochondrial Medicine Society og Society for Inherited Metabolic Disorders.