זרחון חמצוני

תבנית:תקציר פורטל בביולוגיה, זרחון חמצוני הידוע גם בשם זרחון צמוד להעברת אלקטרונים (Oxidative phosphorylation, electron transport-linked phosphorylation, ,terminal oxidation) הוא מסלול מטבולי המהווה את השלב האחרון (השלישי) בתהליך הנשימה התאית. בתהליך באמצעות חמצון תוצרים הנפלטים ממעגל קרבס משתחררת אנרגיה המשמשת ליצירת אדנוזין תלת זרחתי (ATP), מולקולה המשמשת בתא להנעת תהליכים ביוכימיים רבים, מאדנוזין דו זרחתי (+ADP) וקבוצת זרחה (Pi).

רקע

התהליך מתרחש על דפנות המיטוכונדריון הפנימיות, כאשר על הדפנות ישנן תעלות החלבון ATP סינטאז.

הזרחון החמצוני מתבצע בתאים אאוקריוטים 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 הגלקוליזהתבנית:הערה, 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 אלותבנית:הערה.

חשיבות אבולוציונית

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 ופטריותתבנית:הערה.

המנגנון הכימיואוסמוטי

התמונה מתארת את צימוד התהליכים המאפשר את המנגנון הכימיואוסמוטי. התהליך הימני הוא תהליך הוצאת פרוטונים נגד מפל הריכוזים המשתמש בתגובה פולטת אנרגיה בתוך התא. התהליך השמאלי הוא תהליך המשחרר אנרגיה באמצעות הכנסת הפרוטונים עם מפל הריכוזים, ולכן הוא יכול להניע תהליכים בתא הדורשים אנרגיה, כמו סיבוב מסנתז ה ATP.

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 הרכוזיםתבנית:הערה. החלבון המייצר את ה ATP מסיים את התהליך בכך שהוא משמש כתעלה למעבר היונים תוך ניצול האנרגיה החופשית שלהם לייצור ATPתבנית:הערה, 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 כימואוסמוזהתבנית:הערה. על גילוי המנגנון קיבל בשנת 1978 הביוכימאי פיטר מיטשל פרס נובלתבנית:הערה, כאשר עד לגילויו של מיטשל התאוריה הרווחת הייתה שה-ATP נוצר במיטוכונדריה באמצעות זרחון ישיר של PO3 במצע עשיר בזרחן, ולא באמצעות כימואוסמוזה.

שרשרת מעבר אלקטרונים ביוקריוטים

המנגנון היוצר את הפרש ריכוזי יוני המימן בין ממברנות המיטוכונדריה קרוי שרשרת מעבר אלקטרונים. בתהליך מולקולות המחוזרות במעגל קרבס כמו FADH2 ו-NADH נקראות נשאי אלקטרונים, זאת כיוון שבתהליך החיזור הן נטענו באנרגיה פוטנציאלית גבוהה וכדי להגיע למצבן היציב הן נוטות להעביר אלקטרונים למולקולות איתן הן נמצאות בריאקציה. במהלך מסירת האלקטרון בריאקציה בין נשאי האלקטרונים לחלבונים הנמצאים בממברנה, מועברים פרוטונים (יוני מימן) בין צידי הממברנה, נגד מפל הריכוזים, לתוך המרווח הבין ממברנלי של המיטוכונדריה, תוך שימוש באנרגיה הנפלטת מנשאי האלקטרונים. האלקטרונים עוברים דרך חלבונים שונים בממברנה ובסופו של דבר נקלטים על ידי אטומי חמצן אטמוספירי המתרכבים יחד ליצירת מים. אנרגיית הפרש הריכוזים של היונים מומרת לאנרגיה מכנית לפי המנגנון הכימיואוסמוטי ב-ATP סינתאז המקובע בתוך הממברנה הפנימית של המיטוכונדריון, הלוחץ באופן מכני את מולקולות ה ADP+ ו-Pi עד להתרכבותם לכדי מולקולת ATP.

• 
  תרשים המתאר את השרשרת במיטוכונדריון: תבנית:שתוצרים מחוזרים המגיעים ממעגל קרבס מעבירים אלקטרונים לחלבונים בממברנה,תבנית:ש היוצרים הפרש הריכוזים של יוני המימן על הממברנה התוך מיטוכונדריאלית. תבנית:שהתהליך מסתיים בזרימתם של האלקטרונים חזרה דרך האינזים ATP סינתאז, תבנית:שהמייצר ATP באמצעות האלקטרונים העוברים דרכו.

מתווכי העברת אלקטרונים

בשרשרת מעבר האלקטרונים מצויים בין הקומפלקסים השונים מספר מתווכים אשר משמשים אמצעי לשינוע האלקטרונים בין קומפלקס אחד למשנהו.

קו-אנזים Q10

קו-אנזים Q10 או יוביקינון הוא מולקולה הנמצאת על הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה ומשמשת כמתווך המעביר אלקטרונים בין קומפלקס אחד לקומפלקס שלוש ובין קומפלקס שניים לקומפלקס שלוש. מבכינה כימית המולקולה מכילה ראש פולארי היכול להימצא בשלושה מצבי חמצון שונים. המחומצן ביותר, כאשר החמצנים מחוברים בקשר כפול אל הטבעת. השני, כאשר חמצן אחד נמצא בקשר עם מימן, ואילו החמצן השני נמצא בצורה רדיקלית. במצב המחוזר ביותר, שני החמצנים שבראש הפולארי מחוברים למימן. במצב זה ניתן להגיד שהמולקולה נמצאת בצורתה הכהלית, ובשל כך בנומנקלטורה יוביקינון כוהלי מקבל את הסיומת נול המשמש לציון כהלים. אל הראש הפולארי מחובר זנב פחמני הידרופילי ארוך, המקנה למולקולה את היכולת לנוע בתוך הממברנה הליפידית.

ציטוכרום C

ציטוכרום C הוא שם פוליפפטיד המכיל קבוצת הם כקו-פקטור. האתר הפעיל בחלבוני הציטוכרום הוא אטום הברזל שנמצא על קבוצת ההם. הברזל מסוגל להימצא בשני מצבי חמצון שונים: ⁺Fe² (מחוזר) ו-⁺Fe³ (מחומצן). הברזל המחומצן מסוגל לקלוט אלקטרון בודד מהסביבה, ואילו הברזל המחוזר מסוגל למסור אלקטרון לסביבה. יכולתו הן לחזר והן לחמצן הופכת אותו למתווך יעיל של תהליכי חמצון-חיזור בתא.

• 
  מעבר לצורה הכהלית מ-Q ל-QH₂.
• 
  Ubisemichinon, הצורה הרדיקלית של יוביקינון Q^.−
• 
  ציטוכרום C בירוק אשר במרכזו קבוצת הם.

הקומפלקסים הממברנלים

שרשרת מעבר האלקטרונים מורכבת מארבעה קומפלקסים חלבוניים אשר מעבירים את האלקטרון מאחד לשני ומניעים את התהליך. בנוסף לקומפלקסים נמצאת התעלה ATP סינתאז המייצרת את ה ATP. לשרשרת שתי נקודות התחלה, קומפלק אחד וקומפלקס 2.

• 
  הקומפלקסים המשתתפים בשרשרת מעבר האלקטרונים

קומפלקס I

מבנה כללי של קומפלקס I

קומפלקס I או NADH-coenzyme Q oxidoreductase, הוא החלבון הראשון בשרשרת מעבר האלקטרוניםתבנית:הערה. קומפלקס זה הוא בעצם אנזים ענקי, אשר אצל יונקים מגיע למשקל באזור אלף קילו-דלטון, שמכיל בתוכו 46 יחידות משנהתבנית:הערה. צורתו ברוב האורגניזמים דומה למגף, כך שישנה רגלית היוצאת מתוך ממברנת המיטוכונדריה אל עבר המטריקס המיטוכונדריאליתבנית:הערהתבנית:הערה ורגלית השוכנת בתוך הממברנה, נכון ל-2010 המבנה המדויק ידוע רק בבקטריותתבנית:הערהתבנית:הערה. 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:

$\mathrm{N}\mathrm{A}\mathrm{D}\mathrm{H}+\mathrm{Q}+5\mathrm{H}{\phantom{A}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{x}}^{+}⟶\mathrm{N}\mathrm{A}\mathrm{D}{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{Q}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+4\mathrm{H}{\phantom{A}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{m}\mathrm{b}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{e}}^{+}$

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 ל־FMNH₂ בשלב הבא האלקטרונים מועברים לסדרה של מקבצי ברזל-סולפידתבנית:הערה הן מסוג [2Fe–2S] והן מסוג [4Fe–4S]. 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 הממברנהתבנית:הערה. לבסוף האלקטרונים מועברים משרשרת מקבצי הברזל-סולפיד למולקולת יוביקיונון אשר נמצא בממברנה הפנימית של המיטוכונדריהתבנית:הערה. 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 מהווה נקודת כניסה שנייה לשרשרת מעבר האלקטרוניםתבנית:הערה. סוקצינט דהידרוגנאז הוא הקומפלקס היחיד בשרשרת אשר משמש גם כאחד האנזימים במעגל קרבס. מבחינה מבנית הוא מכיל ארבע תתי יחידות חלבוניות, קו-פקטור בשם FAD הקשור אליו, מקבצי ברזל-סולפיד ויחידת הם אשר לא משתתפת בהעברת האלקטרונים לקו-אנזים Q, ככל הנראה תפקיד קבוצה זו להפחית את הייצור של תוצרי חמצן ראקטיביים כדוגמת חמצן רדיקליתבנית:הערהתבנית:הערה. הקומפלקס לוקח מולקולת סוקצינט ומקטלז את חמצון המולקולה לפומרט תוך חיזור מולקולת $\mathrm{F}\mathrm{A}\mathrm{D}$ ל-$\mathrm{F}\mathrm{A}\mathrm{D}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$. מולקולת ה-$\mathrm{F}\mathrm{A}\mathrm{D}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$ מעבירה 2 אלקטרונים ל-Q. אשר נע בתוך הממברנה הפנימית לעבר קומפלקס 3. במהלך הריאקציה אותה מקטלז קומפלקס II לא מועברים פרוטונים לתווך הבין ממברנלי, והתגובה משחררת פחות אנרגיה ביחס לחמצון NADH.

ניתן לסכם את התגובה במשוואה הבאה:

$\text{Succinate}+\mathrm{Q}⟶\text{Fumarate}+\mathrm{Q}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$

קומפלקס III

קומפלקס III או Q-cytochrome c oxidoreductase מהווה את השלב השלישי או השני בשרשרשת מעבר האלקטרוניםתבנית:הערה. ביונקים האנזים בנוי מדימר. כל אחת משתי יחידות הדימר מכילה אחת עשרה תתי יחידות חלבוניות, מקבץ ברזל גופרית מסוג [2Fe-2S] ושלושה ציטוכרומים, נשאי אלקטרונים בעלי קבוצת הם פרוסטטית: אחד מסוג c1 ושניים מסוג bתבנית:הערה. אטום הברזל בקבוצת יכול לעבור בין דרגות החמצון (+2) ו-(+3), ובמיטוכונדריה מנוצלת תכונה זו על מנת להעביר את האלקטרונים. התגובה אותה מזרז קומפלקס שלוש היא חמצון ה-QH₂ שבא מהקומפלקסים הקודמים, וחיזור שתי מולקולות של ציטוכרום c תוך מסירת שני פרוטונים לתווך הבין ממברנלי. לכן המשוואה היא:

$\mathrm{Q}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{C}\mathrm{y}\mathrm{t}\mathrm{c}{\phantom{A}}_{\mathrm{o}\mathrm{x}}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{x}}^{+}⟶\mathrm{Q}+2\mathrm{C}\mathrm{y}\mathrm{t}\mathrm{c}{\phantom{A}}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{d}}+4\mathrm{H}{\phantom{A}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{m}\mathrm{b}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{e}}^{+}$

עם זאת, אלמנט שמסבך את המנגנון הוא העובדה שציטכרום c מסוגל לקבל רק אלקטרון אחד בכל פעם, בעוד QH₂ מוסר שני אלקטרונים. על מנת לפתור בעיה זו האנזים מחלק את שני האלקטרונים הנמסרים בין ציטוכרום c, למולקולת Q הכלואה באנזים. מולקולה זו לאחר קבלת האלקטרון הנוסף הופכת להיות רדיקלית Q^.− אך נשארת קשורה לאנזים. לאחר מכן מגיע עוד QH₂ המוסר אלקטרון נוסף אל ציטוכרום c ואל Q^.− שקוטף שני פרוטונים מהמטריקס המיטוכונדריאלי, הופך ל QH₂ בחזרה ומשתחרר מן האנזים.

• 
  סרטון המדמה את פעילות קומפלקס 3
• 
  ניתן לראות את הקומפלקס. כאשר בצד שמאל הוא מוצג בחלק הראשון של המנגנון בו Q אינו רדיקלי, ובצד ימין מתואר חלקו השני של המנגנון בו Q רדיקלי מחוזר קוטף פרוטונים ומשתחרר לממברנה.

קומפלקס IV

קומפלקס IV קרוי Cytochrome c oxidase והוא מהווה את השלב האחרון בשרשרת המעברתבנית:הערה. אצל יונקים האנזים מכל 13 תתי יחידות חלבוניות, שתי קבוצות הם ומספר יונים מתכתיים: שלושה אטומי נחושת, יון מגנזיום ויון אבץתבנית:הערה. האנזים מתווך העברת אלקטרונים אל חמצן תוך העברת זוג פרוטונים אל התווך הבין ממברנלי. תגובה כימית זו היא האחרונה בשרשרת העברת האלקטרונים. בריאקציה מתבצע חיזור של חמצן אטמוספירי, אשר מהווה את הגורם האחרון אליו מועברים האלקטרונים בשרשרת, למולקולת מים. החיזור של החמצן למים צורך שני פרוטונים נוספים מן המטריקס המיטוכונדריאלי, דבר התורם גם הוא להגברת הגרדיאנט הכימואוסמוטי. ניתן לסכם את הריאקציה אותה מזרז ציטוכרום C אוקסידאז באמצעות המשוואה הבאה:

$4\mathrm{C}\mathrm{y}\mathrm{t}\mathrm{c}{\phantom{A}}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{d}}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+8\mathrm{H}{\phantom{A}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{x}}^{+}⟶4\mathrm{C}\mathrm{y}\mathrm{t}\mathrm{c}{\phantom{A}}_{\mathrm{o}\mathrm{x}}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+4\mathrm{H}{\phantom{A}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{m}\mathrm{b}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{e}}^{+}$

ראו גם

• מיטוכונדריון
• שומן חום
• פעפוע

לקריאה נוספת

• Lehninger, J. (2005). Principles of biochemistry: Nelson, D., and Cox, M. Biochem. Mol. Biol. Educ.