میتوکندری های کامل جداسازی شده از سلول ها قادرند همه ی واکنش های زنجیره ی انتقال الکترون را انجام دهند. این دستگاه انتقال الکترون در چهار کمپلکس تنفسی IV, III, II, I (Respiration Complexes) به همراه ATP سینتاز (ATP Synthase) به عنوان کمپلکس تنفسی V در غشاء داخلی میتوکندری قرار گرفته اند.
پروتئین منفصل کننده (Uncoiupling Prptein) و حرارت زایی
شیب
پروتونی حاصل از انتقال الکترون علاوه بر استفاده در جدا شدن ATP ساخته
شده، در زمینه های مختلف دیگر نیز به کارگ رفته می شود. نوزادان تازه متولد
شده که در سطح بدن خود موی کمی دارند. جانوران زمستان خواب و جانورانی که
در تنش های سرمایی قرار دارند، طی فرآیندی به نام حرارت زایی متابولیکی
(Metabolic Thermogenesis) یا حرارت زایی غیر لرزشی (Non- Shivering )
(NST) آن شیب پروتونی در جهت تولید گرما استفاده می کنند. این فرآیند در
بافت هایی ویژه چون بافت چربی قهوه ای (BAT) (Brown Adipose Tissue) و در
سلول های تشکیل دهنده ی آن آدیپوسیت (Adipocyte) رخ می دهد. بیشتر اوقات
جانوران از سایر روش ها، ازجمله پوشش مویی یا خز مکانیزم گرد خون و گرمای
حاصل از فعالیت های فیزیکی ازجمله لرزش، برای تولید گرما استفاده می کنند.
اما در شرایط و زمان های خاص، این مکانیزم ها یا توسعه نیافته اند (برای
مثال در نوزادان) با ناکارآمدند (برای مثال جانورانی که در شرایط بسیار سرد
نگهداری شده اند) در این حالات ادیپوسیت ها قابلیت های خود را نشان می
دهند.
بررسی
ها و مشاهده ی این سلول ها نشان داده است که میتوکندری های آنها به طور
غیر معمول پیش از میتوکندری های سایر بافت ها به پروتون نفوذ پذیرند. در
این میتوکندری ها دو پمپ پروتونی شاخص یعنی زنجیره ی انتقال الکترون و
FoF1- ATP سینتاز فعالیتی طبیعی دارد. با این وجود، این سلولها در غشاء
میتوکندری های خود دارای پمپ پروتونی سومی هستند. این پروتئین که ترموژنین
(Termogenin) نامیده می شود شش بار عرض غشاء را طی کرده، کانالی را برای
حرکت پروتون های در جهت شیب تراکم و همسوبا جهت ساخت ATP ساختار به وجود می
آورد.
این
حالت بیانگر این موضوع است که دو پمپ پروتونی جدید در غشاء داخلی
میتوکندری وجود دارد که از انرژی ذاتی موجود در شیب الکتروشیمیایی پروتونی
استفاده می کنند اما تنها یکی از آنها (F0F1) قادر به استفاده از انرژی
آزاد تولید شده طی جریان پروتون ها از فضای بین غشاء به ماتریکس در جهت
ساخت ATP است. در حالی که از این انرژی تنها در جهت تولید حرارت (نه انجام
واکنش شیمیایی) سود می برد. از آنجا که این پمپ اثری عمده بر کاهش جفت شدن
انتقال الکترون و ساختن ATP دارد ترموژنین را «پروتئین منفصل کننده» می
نامند.
سیستم
ترموژنین در زمان مورد نیاز توسعه می یابد. برای مثال؛ در انسان، بافت
ادیپوز (Adipose) (چربی) طفل داخل رحمی در هفته ی 28 بارداری (دوره ی کامل
بارداری (دوره ی کامل بارداری 40 هفته) دارای در برابر ترموژنین بیشتر نسبت
به همین بافت در افراد بالغ می باشد. در کودکان تا سنین جوانی مقدار
ترموژنین هفت برابر افراد بالغ است. این وضعیت نشانگر آن است که حرارت زایی
متابولیکی در نوزادان و کودکان که فاقدمکانیزم های حرارت زایی کامل هستند،
بسیار سودمند و مهم میباشد. در نوزادان پستانداران نهایتاً 60% NST، ناشی
از فعالیت های متابولیکی BAT است که برای آنها؛ گذر از زندگی درون رحمی (با
حرارت ثابت) را به محیط سرد خارجی، آسان می کند. هنگامی که موش های
آزمایشگاهی که با سرما سازش یافته اند، هورمون نورآدرنالین (که NST را
تحریک می کند) دریافت می کنند شدت تنفس آنها 300% افزایش می یابد. این
افزایش شدید، حرارتی را تولید (WKg-1 300-400 وزن بدن) می کند که نسبت به
میانگین حرارت تولید شده (WKg-1 1) در بافت های در حال استراحت بسیار بالا
است.
با
رسیدن جانوران به سن بلوغ تعداد آدیپوسیت های چربی قهوه ای به تدریج کاهش
مییابد؛ اما در صورتی که این جانوران در تنشهای شدید سرمایی قرار گیرند این
سلول ها در آنها دوباره ظاهرمی شود. مطالعه ی جانوران تحت چنین شرایطی،
وجود مکانیزم های کنترلی را در حرارت زایی متابولیکی آشکار کرده است. در
تنش های سرمایی علاوه بر افزایش ترموژنین در سلولهای چربی، از این پروتئین
های کانال که از قبل وجود داشته اند سرپوش برداری می شود. سرپوشی گذاری این
کانال ها ظاهراً از طریق اتصال نوکلئوتیدهای پوردین دار (DAP, ATP, ADP,
GTP ) انجام می پذیرد و سرپوش برداری آنها نیاز به اسیدهای چرب آزاد دارد.
هورمون های که به گیرنده های آدرنژیک متصل می شوند،از طریق آدنیلات سیکلاز
ترموژنین را تحریک می کنند.
ATP سینتاز
هر
چند F1 کروی شکل، بخش کاتالیتیکی این آنزیم را تشکیل می دهد که ATP در
میتوکندری می سازد، اما این همه حقیقت نیست. آنزیم سازنده ی ATP که ATP
سینتاز نامیده شده، کمپلکس پروتئینی قارچ شکلی است (a 23-5) که از دارای دو
بخش می باشد:
1- یک سر کروی F1 (با قطری در حدود A 90)
2- یک بخش پایه به نام F0 در درون غشاء داخلی میتوکندری قرار گرفته است.
بررسی
تصاویر جدید با میکروسکوپ های الکترونی با توان تفکیک بالا، نشانگر آن است
که این دوبخش توسط یک میله ی مرکزی و یک میله ی پیرامونی به یکدیگر متصل
شده اند. در میتوکندری کبدی پستانداران تقریباً 15000 نسخه از آنزیم ATP
سینتاز وجود دارد همساخت هایی از این آنزیم دو غشاء پلاسمایی باکتری های
هوازی، غشاء تیلاکوئیدی کلروپلاست ها گیاهان و غشاء داخلی میتوکندری
شناسایی شده است.
بخش
های F1 آنزیم ATP سینتاز باکتریایی و میتوکندریایی دارای ساختارهای مشابه
ای می باشند. هر دودارای پنج پلی پپتید با نسبت است. زیر واحدهای به طور
یک در میان (شبیه پره های پرتقال) در سر F1 قرار گرفته اند. در ادامه بحث
باید دو نکته را متذکر شد: 1- هر F1 دارای سه جایگاه کاتالیتیکی برای سنتز
ATP است و 2- زیر واحد از بخش میانی F1 ، به سمت F0 امتداد یافته وبه آن
متصل شده است. در این آنزیم میتوکندریابی، هر پنج پلی پپتید F1 توسط
DNA هسته ای کد شده و در سیتوسل سنتز می شود و بعد از ترجمه به درون
میتوکندری ارسال می گردد.
بخش
F0 آنزیم ATP سینتاز باکتریایی در درون غشاء قرار گرفته است و از سه زیر
واحد متفاوت یا نسبت ab2c12 تشکیل شده است تعداد زیر واحدهای پایه ی F0
دقیقاً مشخص نشده است. و به نظر می رسد که بین 9 تا 14 عدد باشد. مطالعات
کریستالوگرافی این آنزیم در مخمر وجود 10 نسخه را در میتوکندری آن نشان
داده است. اما آنچه مورد توافق عمومی است 12 نسخه ای بودن F0 در آنزیم های
باکتریایی و پستانداران است. در میتوکندری ها پایه ی پیچیده ی F0 در درون
غشاء داخلی میتوکندری قرار گرفته است و دارای کانالی برای هدایت پروتون از
فضای بین غشایی به ماتریکس می باشد. وجود کانال در پایه ی F0 با کمک آزمایش
هایی شناخته شده است که د رآن غشاء داخلی میتوکندری به قطعات کوچک شکسته، و
از آنها برای تشیکل وزیکول های غشایی به نام ذرات فرامیتوکندریایی استفاده
شده است ذرات کامل فرامیتوکندریایی که در غشاء وزیکولی خود دارای ATP
سینتازند قادر به اکسیداسیون سوبستراها، ایجاد شیب پروتونی و سنتز ATP می
باشند. اگر با تیمار اوره، گره ی F1 از این وزیکول ها حذف شود اینوزیتول ها
قادر به حفظ شیب پروتونی نیستند اماقادرند به طور دائمی سوبستراها را
اکسیده و الکترون ها رامنتقل می نمایند. پروتون هایی که در عرض غشاء جابه
جا شده اند طی انتقال الکترون، توسط ATP سینتاز «بی سر» به ماتریکس باز
گردانده شده و انرژی آن هدر می رود.
اساس تشکیل ATP براساس مکانیزم – تغییر
چگونه
شیب الکتروشیمیایی پروتون، انرژی لازم برای سنتز ATP را فراهم می کند؟
برای پاسخ به این سؤال پائول بوئر (Paol Boyet) در سال 1979، از دانشگاه
UCLA نظریه ی جالب «مکانیزم تغییر اتصال» (Binding Change Mechanism) را
مطرح کرد که مورد پذیرش عمومی قرار گرفت است در کل، «نظریه ی تغییر اتصال»
اجزاء مختلفی دارد که در ادامه به آن اشاره می کنیم.
1-
انرژی آزاد شده از حرکت پروتون ها به طور مستقیم برای فسفوریلاسیون ADP
مورد مصرف قرار نمی گیرد بلکه در اصل، منجر به تغییر تمایل اتصال جایگاه
فعال تولید ATP می شود. برای درک این موضوع واکنش های سلولی را در محیطی
آبی در نظر بگیرید که در آن غلظت آب M 55 است وواکنش دهنده ها و تولیدات به
سادگی در آن حل شده اند. در حالی که بررسی ها نشان داده است زمانی که
Pi,ADP در جایگاه کاتالیتیکی ATP سینتاز قرار می گیرد دوترکیب واکنش دهنده
در واکنشی تراکمی، مولکول ATP را نمی سازد که به طور محکم به این آنزیم
متصل باقی می ماند. این واکنش نیازبه انرژی ندارد. به عبارت دیگر این واکنش
به صورت زیر انجام می پذیرد:
محلول محلول+ ADP محلول
که نیاز به دریافت انرژی قابل توجه ای ( kcal/mol 3/7 تحت شرایط استاندارد) دارد. این واکنش در حالت زیر:
محلول محلول+ ADP متصل به آنزیم
دارای
ثابت تعادل نزدیک به است. بنابراین، بدون دریافت انرژی و به طور خودبهخود
انجام میپذیرد. این موضوع به این معنا نیست که ATP می تواند از ADP بدون
صرف انرژی ساخته شود. در عوض، این انرژی به جای استفاده در فرآیند
فسفوریلاسیون به مصرف آزادسازی ATP می رسد که به طور محکم به جایگاه فعال
آنزیم متصل شده است.
2-
هر جایگاه فعال دارای سه شکل فضایی مشخص، قابل تبدیل به هم و متوالی است
که تمایل متفاوتی برای اتصال به سوبستراها و فرآورده ی نهایی دارد. همان
طور که می دانید کمپلکس F1 دارای سه جایگاه کاتالیتیکی (زیر واحدهای ) است
بررسی های پژوهشگران بر روی خصوصیات این سه جایگاه آنزیم ATP سینتاز نشان
داده است که این جایگاه ها از خود ویژگی های شیمیایی متفاوتی را نشان می
دهند. بوئر فرض کرد که در یک زمان این سه جایگاه کاتالیتیکی به شکل های
فضایی مختلفی وجوددارند و این ویژگی عامل گرایش متفاوت آنها به نوکلئوتیدها
است. به عبارت دیگر می تواندوضعیت این سه جایگاه رابه صورت زیر توضیح داد:
یک
جایگاه دارای شکل فضایی سست (Loose) یا L است که در آن ADP و Pi به سستیبه
آن متصل شده اند. دومین جاگیاه دارای شکل فضایی محکم (Tight) با T است
که در آن نوکلئوتیدها (سوبستراهای ADP+Pi یا فرآورده ی ATP) به طور محکم
به این جایگاه متصل شده اند. سومین جایگاه دارای شکل فضایی باز (Open )یا O
است که در این جایگاه تمایل کمی به نوکلئوتیدها داشته و امکان جدا شدن
ATP را فراهم می کند.
هر
چند تفاوت های بین این سه جایگاه کاتالیتیکی در این آنزیم وجود دارد بوئر
نشان داد که هر یک از زیر واحد با اتصال به Pi, ADP دچار تغییرات متوالی در
شکل فضایی خود (O,T,L) برای ساختن و آزاد سازی ATP می شوند.
3-
ATP در نتیجه ی کاتالیز چرخشی (Rotational Calalysis) ساخته می شود که در
آن یک بخش از ATP سینتاز نسبت به بخش دیگر می چرخد. برای تفسیر تغییرات
متوالی شکل فضایی هر یک از جایگاه های کاتالیتیکی، بوئر فرض کرد که زیر
واحدهای که حلقه ی شش گوشه ای را در سر F1 می سازند. که نسبت به میله ی
مرکزی می چرخد. در اینم دل که به مدل کاتالیز چرخشی معروف می باشد چرخش،
نتیجه ی حرکت پروتونها از عرض غشاء، و از طریق کانال موجوددر پایه F0 است.
مکانیزم انتقال پروتون توسط زیر واحد F0
مکانیزمی
که توسط آن جابه جایی H+ نیروی لازم برای چرخش حلقه ی C را به وجود می
آورد بسیار پیچیده، و شناخت کمی از آن در دست است. تصویر 29-5 مدلی را مطرح
کرده است که در آن نحوه ی انتقال یون های H+ از F0 را نشان می دهد. همان
طور که به خاطر دارید حلقه ای C، از 12 زیر واحد تراغشایی تشکیل شده است.
در هر بار توسط هر یک از زیرواحدهای C، یک پروتون از فضای بین غشایی
برداشته شده و قبل از آزاد شدن به ماتریکس یک دوره کامل توسط این زیر واحد
چرخانده می شود. در این مدل هر زیر واحد a، دارای دو نیم کانال (Half-
Channels) است، که از نظر فیزکی از هم مجزا هستند. یک نیم کانال از فضای
بین غشایی (سیتوسلی) تا نیمه های این زیر واحد، و نیم کانال دیگر از میانه ی
این زیر واحد تا ماتریکس امتداد یافته است. فرض بر این است که هر پروتون
ازفضای بین غشایی و از طریق نیم کانال سطح سیتوسلی وارد زیر واحد c می شود و
به بنیان دارای بار منفی اسید اسپارتیک موجود در مجاورت سطح این زیر واحد
متصل می شود. اتصال پروتون به گروه کربوکسیل این اسید آمینه، باعث تغییر
شکل فضایی زیر واحد c شده، که نتیجه ی آن 20 چرخش برخلاف جهت حرکت عقربه
های ساعت است.حرکت اخیر زیر واحد پروتونه شده ی c منجر به قرار گرفتن زیر
واحد بعدی این حلقه (که در قبلاً پروتونه شده است) در مجاور نیم کانال دوم
(نیم کانال سطح ماتریکس) زیر واحدa قرار گیرد. در این حال، اسید اسپارتیک
پروتون خود را آزاد کرده، که به ماتریکس انتشار می یابد. به دنبال جدا شدن
پروتون، زیر واحد c به شکل فضایی اولیه ی خود باز می گردد و آماده ی دریافت
پروتون دیگر از فضای بین غشایی و تکرار چرخه ی فوق است.
بر
طبق این مدل، اسید اسپارتیک موجود در هر یک از زیر واحدهای حلقه ی c، نقش
حمل کننده ی H+ را بزای می کند. پروتونی که درجایگاه ویژه ی خود در درون
این ناقل قرار گرفته است در صورت چرخیدن یک دوره کامل این ناقل، زمانی که
در برابر نیم کانال سمت ماتریکس قرار می گیرد آزادمی شود. حرکت این حلقه
منجر به تغییراتی در شکل فضایی پروتونه شده ی آن می گردد که نتیجه ی کلی،
آزاد شدن پروتون (دپروتونه شدن) از بنیان اسید اسپارتیک هر یک از
زیرواحدهای حلقه ی c است. اگر هر حلقه ی c از 12 زیرواحد تشکیل شده باشد.
اجتماع و جدا شدن پروتون در این روند منجر به چرخش 120 درجه این حلقه یم
شود. حرکت120 این حلقه توأم با چرخش 120 زیرواحد است.که نتیجه ی کلی آن
آزاد شدن یک مولکول ATP سنتز شده توسط کمپلکس F1 است. بر طبق این نسبت
سنجی، انتقال 12 پروتون منجر به چرخش 360 حلقه ی C و زیر واحد ، و در
نتیجه؛ سنتز و آزاد شدن ATP 3 می شود.
سایر نقش های نیروی محرک پروتونی
هر
چند ممکن است تولیدATP مهمترین فعالیت میتوکندری های باشد اما این اندامک
دارا نقش های زیادی است که نیاز به مصرف انرژی دارد. برخلاف سایر اندامک ها
که از انرژی حاصل از هیدرولیز ATP استفاده می کنند، برای مثال، نیروی محرک
پروتونی در ورودی Pi,ADP به درون میتوکندری، به ترتیب در تبادل باH, ATP
نقش دارد. این و سایر فعالیت هایی که طی تنفس هوازی رخ می دهد در تصاویر
30-5 و 23-14 خلاصه شده است. سایر فعالیت هایی که در میتوکندری با استفاده
از نیروی محرک پروتونی رخ می دهد عبارتند از:
1- استفاده از این نیروی به عنوان منشاء انرژی برای وارد کردن یون های کلسیم به درون میتوکندری.
2- هدایت واکنش ترانس هیدروژناز (Transhydrogenase) که منجر به تولید
NADPH (نیروی احیاء کننده ی سلولی) می شود:
3- ورود پلی پپتیدها نشاندار ویژه، به درون میتوکندری
همان
طور که می دانید. سطح ATP از طریق تنظیم فعالیت آنزیم های کلیدی، نقش مهمی
در کنترل شدت گلیکولیز و چرخه ی TCA دارد. در درون میتوکندری، سطح ADP نقش
تعیین کننده ای بر شدت تنفس دارد. هنگامی که سطح ADP پایین و به طور شاخص
سطح ATP بالا است نیازی به سوبستراهای اضافی برای اکسیداسیون و تولید
الکترون برای زنجیره انتقال الکترون تنفسی نیست در این حال سنتز ATP پایین
خواهد بود به طوری که پروتون ها از طریق ATP سینتاز قادر به ورود به
ماتریکس میتوکندری نخواهند بود. تحت این شرایط، نیروی محرک پروتونی ایجاد
نمی شود یعنی این که، واکنش های پمپ پروتون توسط زنجیره انتقال الکترون و
مصرف اکسیژن توسط سیتوکروم اکسیداز مهار می گردد. زمانی که نسبت ATP/ADP
کاهش می یابد، مصرف اکسیژن به طور ناگهانی بیشتر می شود. شواهد اخیر نشان
داده است که به احتمال کنترل تنفس به طور مستقیم از طریق اتصال ATP,ADP به
جایگاه های آلوستریک موجود در زیر واحدهای سیتوکروم اکسیداز وساطت شود.
3-
اکسیداز متناوب (Altemative Oxidase) یا اکسیداز مقاوم به سیانید: در
میتوکندری برخی از گیاهان از مسیر متناوب برای احیاء اکسیژن استفاده می
کنند. در این مسیر از اکسیداز متناوب استفاده می شود که برخلاف سیتوکروم C
اکسیداز، به سیانید، آزید یا مونواکسیدکربن غیر حساس است.