A sejtlégzés (biológiai oxidáció) áttekintése

Ebben a videóban szeretném áttekinteni a sejtlégzést (biológiai oxidációt), ami elég komplikált folyamat. Még így is keszekusza lesz, pedig ez csak leegyszerűsítve tükrözi azt, ami az élőlények sejtjeiben végbemegy. Azt mutatom be, hogy a glükóz felhasználása során hogyan keletkezik ATP a glikolízis, a Krebs-ciklus és a terminális oxidáció során. A valóságban számos különféle molekula léphet ki-be a folyamat különböző pontjain, átkerülve más folyamatokba. Most a legismertebb úton haladunk végig. Kezdjük a glükózzal! Itt ez a hat szénatomos lánc. Íme a glikolízis folyamata, amely a sejtjeink plazmájában megy végbe. Ez itt egy sejt. Itt zajlik a glikolízis. A glikolízis lényege a hat szénatomos glükóz felbontása 2 három szénatomos molekulára. Ezeket a három szénatomos molekulákat, amelyeket majd részletesen megismerünk, piroszőlősavnak (piruvátnak) nevezzük. Ebben a folyamatban, mondhatni a glikolízis fő termékeként, összesítve 2 ATP keletkezik. Valójában 4 keletkezik, de 2 fel is használódik, tehát összesítve 2 ATP termelődik. Itt egy táblázat az egyenleg követéséhez. Tehát 2 ATP keletkezik, emellett 2 NAD⁺ molekula redukálódik NADH-vá. Ne feledd, hogy a redukció elektronfelvételt jelent. Mint látható, a NAD⁺ pozitív töltésű, a NADPH pedig semleges. Lényegében egy hidridiont [H⁻] vett fel, vagyis redukálódott. A folyamat végén pedig, a terminális oxidáció elektrontranszportláncában ezek a NADH-k (a NAD⁺ redukált alakjai) majd oxidálódhatnak, ami energiát biztosít a további ATP-termeléshez. Erre még visszatérünk. Tehát 2 NADH is keletkezik. Ami most következik, az egyfajta elágazási pont. Ha nincs jelen oxigén, vagy ha az élőlény valamiért nem folytat sejtlégzést, vagy nem képes rá, akkor ez a piruvát erjedéssel is továbbalakulhat. Vannak videóink az erjedésről, a tejsavas és az alkoholos erjedésről egyaránt. Az erjedés során a piruvát felhasználásával a NADH-t visszaoxidáljuk NAD⁺-dá, amely így ismét részt vehet a glikolízisben. Annak ellenére, hogy a NADH-ben energia rejlik, amit ATP-vé lehetne alakítani, és a piruvátban is marad ATP-ként kinyerhető energia, erjedés esetén „lemondunk" erről, mintegy veszteségként fogjuk fel. Arra használjuk piruvátot, hogy a NADH-t visszaalakítsuk NAD⁺-dá, így aztán ismét lejátszódhat a glikolízis. Most azonban vegyük úgy, hogy nem következik be erjedés, és kövessük a hagyományos aerob sejtlégzést, amely oxigént igényel. A következő lépésben a karboxilcsoport... Minden lépés mindkét piruvát esetében végbemegy, mindez tehát kétszer is lejátszódik, ezért mindent meg fogok szorozni kettővel. A következő lépésben ez a karboxilcsoport leválik a piruvátról, és szén-dioxidként távozik. Itt tehát felszabadul a szén-dioxid, és a piruvát maradéka, azaz egy acetilcsoport, egy koenzim-A molekulához kapcsolódik. A koenzim-A-ról sokat fogsz még hallani. Néha egyszerűen „CoA"-nak fogom írni, mint itt, máskor hozzáírok egy kénatomot, amelyhez egy hidrogénatom kötődik. Azért tüntetem fel a ként, mert a kén létesít kötést, ezzel az acetilcsoporttal. Tehát kilép a szén-dioxid, majd az acetilcsoport hozzákötődik a kénhez, így acetil-CoA alakul ki. Noha az acetil-CoA itt csupán 3 betűnek tűnik, valójában meglehetősen összetett molekula. Itt egy kép a valódi acetil-CoA-ról. Kicsinek látszik, de remélhetőleg látni lehet, hogy milyen összetett molekula. A szóban forgó acetilcsoport mindössze ez a kis részlet. Ez tehát egy koenzim, amely az acetilcsoportot szállítja, ahogyan mindjárt látni fogjuk. Ezeket a molekulákat nézve mindig ugyanazok a mintázatok tűnnek elénk a biológiában vagy biokémiában. Az acetil-CoA-ban itt van egy adenin. Nehéz kiszúrni, de egy ribózt és két foszfátcsoportot is tartalmaz. Az acetil-CoA-nak ez a vége lényegében egy ADP, de koenzimként működik. Mindezeket a folyamatokat enzimek segítik. Az enzimekben kofaktorok vannak, a koenzimek pedig szerves kofaktorok. Ezek segítik a folyamatokat. Amint látható, az acetilcsoport a koenzim A-hoz kapcsolódik, acetil-CoA-t képezve. De ez csupán ideiglenes kapcsolat. Az acetil-CoA elszállítja az acetilcsoportot, és belép a citromsavciklusba. Ezt a két szénatomot áthelyezi az oxálecetsavra, amely citromsavvá alakul át. A két szénatom tehát egy 4 szénatomos molekulára kerül át, ezzel egy 6 szénatomos molekula keletkezik. Mielőtt belemennénk a citromsavciklus részleteibe, lássuk újra az egyenleget, hiszen már abban a lépésben, amikor dekarboxileződött a piruvát és a maradéka hozzákapcsolódott az acetil-CoA-hoz, szintén redukálódott némi NAD⁺ NADH-vá. Ez egyszer megy végbe minden egyes piruvát esetében, mi viszont egy glükózmolekulára nézve számítjuk az egyenleget. Egy glükózmolekula esetében mindkét piruváttal számolnunk kell, ezért mindent meg kell szorozni kettővel. Tehát 2 NADH termelődik abban a lépésben, amelyben a piruvát acetil-CoA-vá alakul. A szénlánc nagyobb részének lebontása, ami ATP-termeléssel jár, a citromsav-, vagy más néven Krebs-ciklusban játszódik le. A citromsavciklus neve onnan ered, hogy amikor az acetilcsoport a koenzim-A-ról átkerül az oxálecetsavra, akkor citromsav keletkezik. A citromsav az a vegyület, amely a citromban vagy a narancslében is megtalálható. Ez az a molekula. A citromsavciklus, más néven a Krebs-ciklus elég bonyolultnak tűnhet első látásra. Ha úgy vesszük, tényleg elég bonyolult, de én most csak vázlatosan fogom bemutatni. A citromsav tehát 6 szénatomos vegyület. Több lépésben bomlik le (ezeket most nem részletezem), amíg visszaalakul oxálecetsavvá, amely aztán ismét fel tud venni 2 szénatomot. Csak hogy tisztázzuk, miután a két szénatom levált a koenzim-A-ról, a koenzim-A ismét felhasználható újabb piruvátok dekarboxilezésére. Tehát egyszerre több körfolyamat is zajlik. Fontos megfigyelni, hogy a citromsavciklus során, egyik köztes termékről a másikra haladva, további NAD⁺-molekulák redukálódnak NADH-vá. Erre háromszor is sor kerül minden egyes ciklus során. Ez minden egyes acetil-CoA esetében végbemegy, azaz minden piruvát esetében is. Tehát mindez kétszer játszódik le. Minden kiindulási glükózmolekulára számítva kétszer. Itt tehát 3 NADH keletkezik, de mivel mindez kétszer játszódik le egy kiindulási glükózmolekulára számítva 6 NADH-t kapunk. Úgy is mondhatjuk, hogy 6 NAD⁺ redukálódik NADH-vá. A folyamat során, míg a hat szénatomos molekula négy szénatomossá bomlik, szén lép ki, szén-dioxid formájában. Emellett GDP-ből GTP keletkezik (ez a hagyományos elnevezés), amit máskor ADP ➞ ATP átalakulásként említenek, de lényegében mindkettő ATP-termelésnek felel meg. Úgy is mondhatjuk, hogy közvetlenül... ‒ ne feledjük, hogy mindez kétszer játszódik le! ‒ szóval azt is mondhatjuk az egyszerűség kedvéért, hogy 2 ATP keletkezik. Mondhatnánk GTP-t is, de ATP-t fogok mondani, mert ez ciklusonként egyszer játszódik le, azonban glükózonként két ciklussal kell számolnunk. Ezen kívül itt van még egy másik koenzim is, a FAD, amely FADH₂-vé redukálódik. Ez kovalens kötésben marad az enzimmel, amely a redukciót segítette, és arra használódik fel, hogy a koenzim-Q-t QH₂-vé redukálja. Én csak annyit írok ide, hogy QH₂, de ebből is 2 keletkezik. Tehát 2 QH₂. Tekintsük át a végeredményt! Ehhez végezzünk egy kis egyszerűsítést. Erről még beszélek a későbbi videókban. Ezek a koenzimek, a NADH és a QH₂ el fognak oxidálódni az oxidatív foszforiláció (terminális oxidáció) során az elektrontranszportláncban, protongradienst kialakítva a mitokondrium belső membránjának két oldala közt. Később visszatérünk a részletekre, de a protongradiens ATP-termelésre használható fel. Úgy tekinthetjük, hogy minden egyes NADH révén... ‒ a hatékonyságtól függően, illetve attól függően is, hogy hol keletkezik a NADH ‒, 2-3 ATP termelődik. Minden egyes redukált koenzim-Q (QH₂) révén pedig körülbelül 1,5 ATP keletkezik. Még nem tudjuk, hogy ez pontosan miként is zajlik. Ez függ a sejt hatékonyságától, és a sejt működésétől. Az értékek alapján úgy mondanám, hogy 1,5-2 ATP keletkezik. Ezek a közelítő értékek. Vizsgáljuk meg a teljes egyenleget! Ha összeszámoljuk az ATP-ket illetve a GTP-ket, itt van 2, itt is 2, tehát összesen 4 ATP keletkezik közvetlenül, vagy majdnem közvetlenül. Na és hány NADH keletkezik? 2, 4, majd még 6, ez így összesen 10 NADH. Emellett 2 redukált koenzim-Q (QH₂) is keletkezik. Ez itt 4 ATP, a 10 NADH 20-30 ATP-t eredményez, a 2 QH₂-ból pedig 3-4 ATP-t kapunk. Összesen tehát, a kisebb értékekkel számolva 20+3+4 = 27 ATP termelődik. A maximális értékekkel számolva pedig 4+30+4 = 38 ATP-t kapunk. Jelenleg ezt a 38 ATP-t tartjuk az elméleti maximumnak, de a valódi sejtek vizsgálata során általában 29-30 ATP keletkezése figyelhető meg. Mint mondtam, ez függ a sejt működésétől, a típusától és a hatékonyságától. Mindez a sejtlégzés során játszódik le. Hogy jobban lássuk, hol is történik mindez: a glikolízis a sejtplazmában zajlik, a citromsavciklus pedig a mitokondriumok mátrixában. Tehát ez itt az a terület, ahol a citromsavciklus zajlik, ez a kis lila terület, amit beszíneztem. Ez tehát a mátrix. A mitokondriumokról szóló videóban ezt részletesen ismertetjük. A koenzimek átalakítása pedig az elektrontranszportláncban, a kriszták membránján át történik. A kriszták ezek a betűrődések a mitokondriumok belső membránján. Tehát ezeken át zajlik a folyamat (a terminális oxidáció). A „cristae“ (angolul) a többes alak, egyes számban pedig „crista“. A részletekre még visszatérünk a későbbi videókban.