Cud wydarza się w każdej sekundzie naszego życia, w każdej z miliardów naszych komórek, miliony razy. Na czym polega oddychanie na poziomie komórkowym?
Zacznijmy od przypomnienia podstaw proteomiki – gałęzi nauki zajmującej się białkami. Otóż wszystkie białka są remiksami 20 aminokwasów. Niektóre z nich komórka potrafi wyprodukować sama, inne zaś pozyskuje z pożywieniem. Przypominają one aminokwasowe koraliki nanizane na sznurek. Sznurek ten zwija się, zagina i przeplata sam ze sobą, a pojedyncze koraliki przylegają do siebie tak ściśle, że wyglądają jak kołtun. Jego kształt jest jednak z góry zaplanowany i wynika z kolejności następujących po sobie aminokwasów. Dopiero taki odpowiednio pozwijany kołtun możemy nazwać pełnoprawnym białkiem.
Wiele białek składa się z kilku sznurków z koralikami, które z kolei układają się w ogromne kompleksy o rozmaitych talentach. Część z nich wykazuje aktywność enzymatyczną, co oznacza, że dzięki swojej budowie potrafią chwycić jakąś cząstkę oraz wywołać jej szybką i precyzyjną przemianę chemiczną. Każda komórka zawiera tysiące różnych enzymów, te zaś występują w wielu kopiach – w niektórych wypadkach mówimy nawet o milionach sztuk!
Enzymy to spece od konkretnej roboty. Jeden umie rozerwać cząstkę cukru na dwie części, drugi rozkłada duże cząstki białek na pojedyncze aminokwasy, a jeszcze inny utlenia i redukuje przyniesione mu cząstki. To trochę tak, jakby każdy robotnik na placu budowy znał się tylko na jednej dziedzinie. Ten wkręca śrubkę najlepiej na świecie, a tamten jest znakomitym murarzem. Godne podziwu są dokładność i wydajność enzymów. Niektóre potrafią w ciągu sekundy przeprowadzić tę samą reakcję milion razy!
Ale metabolizm okazuje się bardziej skomplikowany niż szybkość, wydajność i podaż. Musi być skoordynowany i dobrze regulowany. Wyobraźmy sobie chaotyczny warsztat szewski, w którym pracownicy, chociaż wybitni, wcale nie są zorganizowani – można przypuszczać, że wykonane przez nich buty na niewiele się zdadzą. Jednemu będzie brakowało podeszwy, drugiemu – gwoździ, za to trzeci zostanie sklejony ośmioma porcjami kleju. Dlatego właśnie metabolizm bardziej przypomina linię produkcyjną, na której dana cząstka chemiczna wędruje z rąk do rąk, według ściśle określonej kolejności. Takie uporządkowane reakcje biochemiczne nazywamy szlakami metabolicznymi.
Na szlaku
Proces oddychania komórkowego dzieli się na cztery etapy, a każdy z nich to osobny szlak metaboliczny. Nie są one jednak zupełnie odrębne. Produkt jednego stanowi bowiem substrat drugiego. Wszystkie są od siebie głęboko zależne, niczym w okręgu przemysłowym. Fabryka wytwarza gwoździe i śrubki, a oba elementy okazują się niezbędne w znajdującym się nieopodal warsztacie produkującym meble. Żaden z nich nie mógłby zaś powstać, gdyby nie huta, w której z surowej rudy wytapia się żelazo, a następnie robi się stal.
Związkiem chemicznym, któremu najbliżej w tym porównaniu do surowego tworzywa, jest glukoza, a więc cukier zbudowany z sześciu atomów węgla. To od niej rozpoczyna się pierwszy z etapów oddychania, czyli glikoliza. Glukoza zostaje wówczas rozłożona na cząstki chemiczne, wykorzystywane następnie w innych szlakach biochemicznych. Sama glikoliza też składa się z podetapów, ale do zrozumienia procesu oddychania komórkowego najistotniejsze jest to, że w jej trakcie komórka rozrywa jedną cząstkę glukozy na dwie cząstki pirogronianu i równocześnie wyciska energię.
Ten szlak biochemiczny to bardzo stary wynalazek – występuje u znakomitej większości organizmów żywych, a jego popularność wynika stąd, że jest najprostszym i niewymagającym tlenu sposobem na wytwarzanie energii użytecznej metabolicznie. Jego wadą jest jednak niska wydajność. Cała glikoliza zachodzi w cytoplazmie, czyli głównej kiszce komórki. Odróżnia ją to od reszty etapów oddychania odbywających się w zamkniętych warsztatach, czyli mitochondriach. To tam trafia wyprodukowany podczas glikolizy pirogronian.
Węgiel w roli głównej
Mitochondrium charakteryzuje się podwójną błoną. Oznacza to, że licząc od środka, zawiera: macierz, błonę wewnętrzną, przestrzeń międzybłonową i błonę zewnętrzną. Informacje te – uwierzcie – są niezbędne do zrozumienia procesu oddychania.
Wyprodukowany podczas glikolizy pirogronian importowany jest do macierzy, gdzie dryfują enzymy składające się na cykl Krebsa – postrach każdego nowicjusza biochemii. Cykl ów ma jednak w sobie coś uspokajającego. O ile bowiem schemat glikolizy wygląda jak opis drogi z punktu A do B, o tyle cykl Krebsa możemy przedstawić w formie węża chwytającego własny ogon, ponieważ produkt ostatniej reakcji jest substratem pierwszej.
Nie będę trzymał się nazw, chociaż akurat tutaj okazują się wyjątkowo soczyste. Zamiast cytrynianu, bursztynianu i jabłczanu zwrócę uwagę na liczbę atomów węgla w cząsteczkach uczestniczących w cyklu Krebsa. Otóż pirogronian ma ich trzy. Kompleks złożony z trzech enzymów chwyta go i urywa mu dwutlenek węgla. Pozbawiona jednego atomu węgla cząstka zostaje przechwycona przez kolejny enzym. Wygląda on trochę jak grzybek, ale przez nóżkę aż po czubek kapelusza ma kanał. Do tego kanału chciałby zassać dwuwęglową cząstkę pirogronianu, jednak szczelina okazuje się zbyt wąska. Dopiero gdy do drugiego końca kanału wessana zostaje czterowęglowa cząstka szczawiooctanu, kształt kanału delikatnie się zmienia, co pozwala wessać także pirogronian. Enzym ściska obie cząstki, tu coś się połączy, tam coś pęknie, a w jeszcze innym miejscu chlapnie wodą (reakcja zużywa bowiem cząsteczkę wody, która działa jak klej).
Produktem tej kondensacji jest sześciowęglowy związek, który podda się teraz działaniu kolejnych enzymów. Jeden wyrywa z niego cząstkę wody, drugi zaś skraca go o atom węgla. Ten utlenia, a tamten redukuje. Po kilku reakcjach otrzymujemy czterowęglowy związek – ten sam, który w pierwszej reakcji kondensowany był z naszym pirogronianem. Cykl się domyka, a powstałe w jego trakcie nadmiary energii trafiają na różne cząstki, wśród których najważniejsza to NADH. O ile wcześniej śledziliśmy losy węgla wchodzącego w skład cząstek o różnej długości, o tyle teraz skupimy się na potencjale redukcyjnym, charakterystycznym dla cząstki NADH. Oznacza to, że jest ona skora do oddania jednego ze swoich elektronów. To właśnie zredukowana jej forma odgrywa kluczową rolę w dalszych etapach oddychania, gdyż oddychanie komórkowe sprowadzić można do redukowania tlenu (właśnie tego, którym oddychamy!).
Cud bioinżynierii
Ostatnim i zarazem najbardziej magicznym etapem oddychania jest fosforylacja oksydacyjna. Skąd taka nazwa? Ponieważ w reakcji tej dochodzi do przeniesienia grupy fosforanowej, w wyniku czego powstaje ATP ‒ energetyczna waluta komórki. Pod literą T kryje się tutaj liczebnik „tri” wskazujący na ilość zawartych w cząstce grup fosforanowych. A im więcej takich grup, tym wyższą energią charakteryzuje się cząsteczka. Jednocześnie podczas reakcji zredukowana forma NADH jest utleniana – proces ten biolodzy nazywają oksydacją.
O ile za cykl Krebsa odpowiadają enzymy wolno dryfujące w macierzy mitochondrialnej, o tyle w ostatnim etapie oddychania główną rolę odgrywają te zakotwiczone w wewnętrznej błonie mitochondrium. Rozciągają się one od macierzy przez błonę wewnętrzną aż po przestrzeń międzybłonową, a każdy z nich to w rzeczywistości kompleks złożony z kilkudziesięciu osobnych białek i cząstek pomocniczych ‒ każda pełniąca swoją funkcję.
Ich podstawowe zadanie polega na wyrwaniu elektronu ze zredukowanej cząstki NADH i równocześnie na przeniesieniu wodoru z macierzy mitochondrium do przestrzeni międzybłonowej, wskutek czego powstaje gradient jonów wodoru. W macierzy znajduje się ich coraz mniej, a po drugiej stronie błony – coraz więcej. A ponieważ jony wodoru są naładowane dodatnio, powstaje różnica potencjałów. W macierzy mamy nadmiar minusów, a na zewnątrz – nadmiar plusów. Różnica ta zostanie wykorzystana do produkcji ATP. Enzymem, a raczej kompleksem za to odpowiedzialnym jest syntaza ATP, moja ulubiona biomaszyna.
To prawdziwy cud bioinżynierii. Syntaza z wyglądu przypomina grzyb – na smukłym trzonie zakotwiczonym w błonie unosi się kulista część, która wystaje do wewnątrz macierzy mitochondrialnej. Składa się z 16 elementów, a wiele z nich jest ruchomych. W środku znajduje się kanał łączący przestrzenie mitochondrium. To właśnie tamtędy przepompowywane są jony wodoru, które we wcześniejszym etapie wypchnięte zostały do przestrzeni międzybłonowej. Ich przepływ napędza teraz delikatne zmiany kształtu syntazy, co skutkuje obracaniem się jej fragmentu.
Przypomina to zachowanie turbiny wodnej, która generuje energię dzięki obrotom wywołanym przepływem wody. Obracanie fragmentu syntazy powoduje otwarcie się malutkiej przestrzeni w jednej z jej podjednostek. To tutaj przyłączone zostają cząstka ADP oraz reszta fosforanowa. Kolejna zmiana kształtu prowadzi do zamknięcia i ściśnięcia przestrzeni, następnie zaś – do wytworzenia wysokoenergetycznego wiązania z grupą fosforanową. Kolejny obrót ponownie otwiera przestrzeń, a powstałe ATP uwolnione zostaje poza enzym, do macierzy mitochondrialnej. Stąd może trafić tam, gdzie jest potrzebne.
ATP jest transportowane z mitochondrium do każdego zakamarka komórki, tak jak prąd z elektrowni zostaje rozprowadzany po mieście za pomocą sieci energetycznej. To cząstka stabilna, więc z całą pewnością dotrze na miejsce w nienaruszonej formie. Gdy trafi tam, gdzie potrzeba energii, wyspecjalizowane enzymy oderwą resztę fosforanową, z czego powstaną ADP oraz właśnie energia. ADP ponownie można naładować energią, a cykl ten trwa od pierwszych momentów życia na Ziemi aż do dziś.
Ale po co w tym wszystkim tlen? Przecież to właśnie on kojarzy się z oddychaniem. Tutaj odgrywa rolę ostatecznego akceptora elektronu, który jeszcze chwilkę temu skakał po zakotwiczonych w błonie kompleksach enzymatycznych. Przyjmuje on elektron oraz wodór i razem przekształcają się w cząsteczkę wody. Pamiętajmy o nawadnianiu!
Wszystko pod kontrolą
Wiele z opisanych przeze mnie reakcji biochemicznych jest odwracalnych. Oznacza to, że przeprowadzające je enzymy potrafią wykonywać pracę zarówno w jedną, jak i drugą stronę. Przykładowo ATPaza zwykle produkuje ATP, ale może je też rozkładać. Robi to na przykład czasem w wakuolach – strukturach komórkowych występujących u niektórych roślin, grzybów i pierwotniaków. Energia z ATP jest tam używana do pompowania jonów wodoru do wnętrza bąbelka, co skutkuje jego zakwaszeniem. Taki kwaśny bąbel może się przydać do trawienia. Wszystko zależy od potrzeb. Życie okazuje się na tyle sprytne, że potrafi wykorzystać tę samą maszynę do kilku zadań i nigdy nie marnuje sił. Narzędzi używa tylko wtedy, gdy ich potrzebuje.
Kluczową cechą szlaków metabolicznych jest to, że są skrzętnie regulowane. Wysokie stężenie ADP w komórce pobudza enzymy oddechowe do zdwojonych starań, z kolei wysokie stężenie ATP powoduje, że schodzą one na niższe obroty. Cykl Krebsa nie służy wyłącznie do oddychania komórkowego. Wiele z jego pośrednich związków znajduje zastosowanie w innych szlakach metabolicznych. Dlatego też, w zależności od zapotrzebowania na energię, mogą być one przekierowywane ku innym zastosowaniom.
W organizmach wielokomórkowych znaczną rolę w kontroli szlaków metabolicznych odgrywają hormony. Wyrzut insuliny skutkuje zwiększonym pobieraniem glukozy do wnętrza komórki, a co za tym idzie ‒ zwiększeniem tempa glikolizy, wzrostem stężenia pirogronianu, a ostatecznie także intensyfikacją oddychania. Pośród wielu innych metod kontroli procesu oddychania warto wskazać na dostępność tlenu. W przypadku podduszenia komórki szybko wycisza ona oddychanie i skupia się na glikolizie – beztlenowej metodzie pozyskiwania energii. Tak w warunkach beztlenowych działają choćby drożdże.
Warto również wspomnieć o tym, że kontrola procesu oddychania wynika w znacznej mierze z kompartmentacji reakcji biochemicznych. Czym jest kompartmentacja? Otóż glikoliza zachodzi w jednym miejscu, a cykl Krebsa – w innym. Przesyłanie substancji między kompartmentami, czyli odrębnymi obszarami, komórki wpływa na ich dostępność dla szlaków, dzięki czemu komórka kontroluje, co, kiedy i jak szybko się wydarza.
Błędy się zdarzają
Enzymy – tak jak każde białko w komórce – produkowane są na matrycy DNA. To z niego komórka odczytuje instrukcje, według których nawleka na sznurek kolejne aminokwasy i zaplata je w funkcjonalne białko. W oddychanie komórkowe bezpośrednio zaangażowanych jest około 150 białek. Większość z nich kodowana jest przez jądrowe DNA i syntetyzowana w cytoplazmie. Te, które pracują w cyklu Krebsa i fosforylacji oksydacyjnej, muszą dotrzeć do mitochondrium. Co ciekawe, mitochondria mają własne DNA. Koduje ono tylko kilkanaście białek i prawie wszystkie uczestniczą w oddychaniu. Tempo syntezy białek oddychania oraz wydajność ich importu do mitochondriów też podlega skrzętnej regulacji. Bezpośrednio przekłada się to na szybkość i wydajność oddychania. Jest to więc kolejny sposób regulacji procesów oddechowych, a także nowy poziom komplikacji całego tego cudu. Zwłaszcza że białkom zdarza się pomylić.
Szlaki metaboliczne nie zawsze działają perfekcyjnie. Wszędzie może wkraść się błąd, a w tak skomplikowanych procesach jest to tym bardziej prawdopodobne. Dobry przykład to przeciekanie łańcucha oddechowego, czyli niedoskonałości działania fosforylacji oksydacyjnej. Otóż w trakcie przenoszenia elektronu na tlen mogą powstawać reaktywne formy tlenu. Są to związki, które bardzo chętnie i w sposób niekontrolowany wchodzą w reakcje z białkami, tłuszczami i wszystkim, co się składa na komórkę. Nie jest ona jednak bezbronna. Zawiera bowiem wiele substancji chroniących ją przed działaniem takich form tlenu, a ponadto produkuje enzymy odpowiedzialne za ich neutralizację. To ważny szczegół, ponieważ ‒ jak już wspomniałem ‒ mitochondrium ma własne DNA. Jest ono bardzo delikatne, a jeśli zostanie uszkodzone, może dojść do mutacji, co dla komórki, a nawet całego organizmu, może skończyć się tragicznie. Szereg ludzkich chorób genetycznych wynika właśnie z mutacji w DNA mitochondrialnym. Warto więc oddychać, ale spokojnie!
Omówiłem zaledwie kilka kluczowych reakcji składających się na oddychanie komórkowe (i to powierzchownie). Pamiętajcie, że każdy etap jest niezwykle skomplikowany, ma swój własny, specyficzny mechanizm i wydarza się miliony razy w każdej sekundzie naszego życia, a w dodatku w każdej z miliardów naszych komórek. Wątpię, czy da się to symulować komputerowo, nawet w najbardziej wysublimowanym matriksie. Chyba że mówimy o macierzy mitochondrialnej. Tam bowiem wszystko wydaje się działać całkiem nieźle.
Czytaj również:
