23

‫מבוא לביולוגיה של התא‬ ‫המרצה‪ :‬פרופ' ג'ונתן גרשוני‬

‫‪23/05/2005‬‬ ‫הרצאה מס' ‪23‬‬

‫עמוד ‪ 1‬מתוך ‪3‬‬

‫הרצאה מס' ‪ :23‬מיטוכונדריה‬ ‫ניתן ליצור מפל ריכוזים על ידי השקעת ‪ – ATP‬לדוגמה‪ :‬במשאבות ‪ Na+/K+ ATPase‬או במשאבות פרוטונים בליזוזום‪.‬‬ ‫ניתן להשתמש באנרגיה האגורה במפל ריכוזים כדי להעביר מולקולות נגד המפל – העברת ‪ – symport‬לדוגמה‪ :‬גלוקוז‬ ‫שעובר לתאי אפיתל המעי בצימוד ליוני נתרן‪.‬‬ ‫על חשבון מפל ריכוזים ניתן ליצור ‪ – ATP‬במיטוכונדריה‪.‬‬ ‫תפקיד פיזיולוגי‪:‬‬ ‫לייצר את מאגרי ה‪ ATP-‬בתא‪ ,‬ע"י חמצון של פחמן מחוזר )סוכרים(‪ ,‬אגירת האנרגיה הנפלטת מהחמצון במיטוכונדריה‪,‬‬ ‫ושימוש באנרגיה זו לזרחון ‪ ADP‬ל‪ .ATP-‬תהליך זה של זרחון באמצעות חמצון ‪ Oxidative Phosphoilation‬נקרא נשימה‬ ‫תאית ‪.Cell respiration‬‬ ‫פרטים כלליים‪:‬‬ ‫בהפטוציט )תא של כבד( מהווים ‪ 20%‬מנפח התא‪.‬‬ ‫לעיתים יש ‪ 1000‬עד ‪ 2000‬מיטוכונדריה‬ ‫גודלם ‪0.5-1µm‬‬ ‫מבנה המיטוכונדיון‪:‬‬ ‫אברונים קטנים יחסית‬ ‫תחומים בשתי ממברנות‪ :‬חיצונית ופנימית‪.‬‬ ‫הממברנה הפנימית יוצרת שלוחות )‪ (cristae‬שמגדילות מאוד את שטח הפנים‪.‬‬ ‫הממברנה הפנימית תוחמת את ה‪ matrix-‬שמכילה הרבה מאוד אנזימים‪ ,‬ביניהם אנזימים של מעגל ‪.Krebs‬‬ ‫ה‪ intermembrane space-‬יועשר בפרוטונים‪ ,‬על מנת ליצור מפל ריכוזים משני צדי הממברנה הפנימית‪.‬‬ ‫הממברנה החיצונית עוטפת את המיטוכונדריון כולו‪ ,‬ומפרידה בינו לבין הציטוסול‪ .‬בממברנה זו‬ ‫חלבונים יחודיים‪ ,‬ביניהם ‪ porin‬היוצר ‪ pores‬שדרכם יכולות לעבור מולקולות קטנות )עד ‪.(10KDalton‬‬ ‫‪ – Porin‬חלבון ייחודי לממברנה החיצונית‪ .‬זהו חלבון גדול מאוד ועשיר מאוד ברצועות ‪β strands‬‬ ‫הסודרות בצורת חבית‪ ,‬ולכן הצורה נקראת ‪ .β barrel‬כאמור‪ ,‬מולקולות שוגדלן פחות מ‪10,000-‬‬ ‫דלטון יכולות לעבור חופשי בין הציטוסול לבין האזור הבין ממרנלי‪.‬‬ ‫הממברנה הפנימית שונה בתכלית מהממברנה החיצונית‪ ,‬והיא מכילה הרבה מאוד חלבונים יחודיים‪.‬‬ ‫היא צריכה להיות אטומה לחלוטין ע"מ שניתן יהיה ליצור מפל בריכוזי פרוטונים‪ ,‬ולכן אין בה ‪.porin‬‬ ‫‪ – Cardiolipin‬מבנה של מולקולה של גליצרול אליה מחוברים שני פוספוליפידים‪ ,‬בקשר‬ ‫פוספודיאסטרי אל הקבוצות הראשונות והשלישית )הקצוות(‪ .‬ייחודי לממברנה הפנימית של‬ ‫המיטוכונדריה‪.‬‬ ‫כאמור‪ ,‬המיטוכונדריון יוצר גרדיאנט של פרוטונים על ידי חמצון של פחמן‪ .‬המיטוכונדריון ינצל את‬ ‫אותו הגרדיאנט על מנת לזרחן ‪.ADP‬‬ ‫הסוכרים הם פחמימות‪ ,‬המכילים פחמנים מחוזרים‪ .‬אם מחמצנים סוכרים מקבלים פחמן מחומצן לחלוטין‪ ,‬היינו ‪ ,CO2‬ו‪-‬‬ ‫‪:H2O‬‬

‫התהליך הזה פולט אנרגיה שנאגרת במולקולה של ‪.ATP‬‬ ‫יש ‪ 3‬דרכים להמרת אנרגיה‪:‬‬ ‫‪ .1‬העברת אלקטרונים מהסוכרים לקו‪-‬פקטורים )חיזור קו‪-‬פקטורים(‪ :‬יצירת ‪ NADH‬מ‪.NAD+-‬‬ ‫‪ .2‬בניית מפל ריכוזים של פרוטונים על ידי הזרמת אלקטרונים שנלקחים מה‪ NADH-‬בשרשרת להולכת‬ ‫אלקטרונים בממברנה הפנימית‪.‬‬ ‫‪ .3‬ניצול מפל הריכוזים של הפרוטונים על מנת ליצור את ה‪.ATP-‬‬ ‫‪NAD+‬‬ ‫מולקולדה המורכבת משני נוקלאוטידים‪ + AMP :‬נוקלאוטיד פירימידיני‬ ‫המורכב מריבוז הקושר בפחמן ‪ '1‬טבעת ‪ ,nicotinamide‬ובפחמן ‪ 5‬פופסט‬ ‫אחד בקשר אסטרי‪ .‬הקישור בין הנוקלאוטידים הוא קישור ישיר בין‬ ‫הפוספטים‪ .‬קשר זה נקרא קשר פוספואנהידרידי‪ .‬בטבעת ה‪nicotinamide-‬‬ ‫יש חנקן )שנקשר לריבוז(‪ ,‬והוא מוסר את אלקטרוני ה‪ LP-‬שלו כדי ליצור‬ ‫טבעת פירימידינית‪ .‬יון הידריד ‪) H-‬שני אלקטרונים ופרוטון( שנקשר‬ ‫למולקולה זו הופך אותה ל‪.NADH-‬‬ ‫כאשר מורידים הידריד מה‪ NADH-‬מקבלים תוצר ביניים‪ ,‬בו הפחמן שממנו יצא יון ההידריד נותר עם מטען חיובי‪ .‬פחמן‬ ‫בניגוד לחנקן לא יציב במצב כזה‪ ,‬ולכן האלקטרונים הרזונטיבים בטבעת הפירימידינית משנים את מיקומם כך שהמטען‬ ‫החיובי עובר לחנקן‪.‬‬

‫סיכום‪ :‬גבריאל מירקוס‬

‫מבוא לביולוגיה של התא‬ ‫המרצה‪ :‬פרופ' ג'ונתן גרשוני‬

‫עמוד ‪ 2‬מתוך ‪3‬‬

‫‪23/05/2005‬‬ ‫הרצאה מס' ‪23‬‬

‫‪ NAD+‬קושר רק שני אלקטרונים שבאים עם פרוטון אחד‪.‬‬ ‫קו‪-‬פקטורים אחרים כגון הציטוכרום ‪ C‬קולטים רק אלקטרונים נטו‪ ,‬ללא פרוטון‪ .‬קופקטרוים כאלו מכילים ‪ ,Heme‬שהיא‬ ‫הקבוצה הפרוסטטית של חלבון ההמוגלובין‪ .‬בלב ה‪ Heme-‬יש אטום ברזל‪ ,‬שיכול לקלוט אלקטרונים שלא מלווים‬ ‫בפרוטון‪ .‬כאשר הקבוצה הפרוסטטית הזו מעורה בתוך חלבון‪ ,‬היא מקנה לחלבון יכולת לקלוט אלקטרונים ללא ליווי‬ ‫של פרוטונים‪.‬‬ ‫אם כך יש שתי דרכים לטפל באלקטרונים‪:‬‬ ‫‪ .1‬אלקטרונים מלווים בפרוטונים – ‪ NADH‬למשל‪.‬‬ ‫‪ .2‬אלקטרונים נטו – ‪ Heme‬ואחרים‪.‬‬ ‫פוטנציאל חמצון חיזור – ‪RedOx Potential‬‬ ‫בחצי תא אלקטרוכימי אחד שמים תמיסת ‪ NAD+ 1M‬ו‪ .NADH 1M-‬תמיסה זו‬ ‫נמצאת בשו"מ‪ .‬מחברים את חצי התא לחצי תא המכיל ‪ H+ 1M‬ו‪ H2-‬בלחץ ‪,1atm‬‬ ‫ורואים זליגה של אלקטרונים מחצי התא הראשון אל השני‪ .‬כלומר של‪ H+-‬זיקה‬ ‫גדולה יותר לאלקטרונים מאשר ל‪ .NAD+-‬המתח המתקבל הוא שלילי‪.‬‬ ‫לעומת זאת‪ ,‬לחמצן יש זיקה גדולה יותר לאלקטרונים מאשר למימן‪ ,‬ולכן‬ ‫בתגובה בין חמצן ליוני ‪ H+‬יתקבל חמצן מחוזר‪ ,‬דהיינו מים‪ .‬ערך הפוטנציאל‬ ‫מראה שהזיקה של חמצן לאלקטרונים גדולה משמעותית מזו של המימן‪.‬‬ ‫בין ה‪ NAD+-‬למים מקשרת שרשרת להעברת אלקטרונים המורכבת‬ ‫מקומפלקסים חלבוניים המצויים בתוך הממברנה הפנימית של‬ ‫המיטוכונדריון‪ .‬כל קומפלקס כזה הוא בעל זיקה הולכת וגדלה‬ ‫לאלקטרונים מאשר לזה שלפניו‪ ,‬וזהו הכוח המניע את העברת‬ ‫האלקטרונים‪ .‬כאשר מוליכים את האלקטרונים בשרשרת העברת‬ ‫האלקרטונים‪ ,‬בונים פונטציאל ריכוזים של פרוטונים‪.‬‬ ‫זה נעשה בצורה הבאה‪:‬‬ ‫ה‪ NADH-‬מעביר הידריד )שני אלקטרונים ופרוטון( לקולט אלקטרונים‬ ‫שיכול לקבל אותם עם פרוטון‪ .‬השלב הבא בתהליך הוא העברת‬ ‫ההידריד לקולט אלקטרונים שמקבל אלקטרונים נטו )מכיל ברזל(‪.‬‬ ‫הפרוטון המיותר נפלט אל האזור הבין ממברנלי‪ .‬מקבל האלקטונים‬ ‫הזה ימסור את האלקטרונים למעביר אלקטרונים אחר‪ ,‬אך זה צריך‬ ‫פרוטון להעברתם‪ .‬לצורך זה הוא לוקח פרוטון מתוך המטריקס‪,‬‬ ‫וכאשר הוא מעביר אותו הלאה למעביר אלקטרונים נטו אחר‪ ,‬הפרוטון‬ ‫נדחס גם הוא לתווך הבין ממברנלי‪.‬‬ ‫מקבל האלקטרונים הסופי בתהליך הוא החמצן‪ .‬הוא מקבל את‬ ‫האלקטרונים ויוצר מים‪ .‬בתנאים אנאיירובים התהליך הזה נעצר‪ .‬החמצן דרוש על‬ ‫מנת להניע את האלקרטונים‪ ,‬וזאת על מנת לבנות את מפל הריכוזים של הפרוטונים‪,‬‬ ‫וזאת על מנת לבנות ‪.ATP‬‬ ‫השלב הבא הוא שימוש באנרגיה האגורה בגרדיאנט הפרוטונים על מנת לזרחן ‪ADP‬‬ ‫ל‪.ATP-‬‬ ‫לצורך כך נדבר על החוקר ‪) Peter Mitchel‬נובל ‪ –(78‬חוקר אנגלי שהגה את ההתיאוריה הכימו‪-‬אוסמוטית‪ :‬הגרדיינט‬ ‫הכימי של הפרוטונים מניע תהליך כימי של זרחון ה‪ ATP-‬ל‪ .ADP-‬הוא גילה שהתהליך נעשה על ידי קומפלקס ה‪ATP -‬‬ ‫‪ ,synthase‬שנמצא בממברנה הפנימית‪ .‬הקומפלקס הזה יודע לזרחן ‪ ADP‬ליצירת ‪ ATP‬על חשבון האנרגיה של מפל‬ ‫הריכוזים של הפרוטונים‪ .‬הצימוד בין בפירוק המפל לזרון ה‪ ADP-‬נקרא ‪.chemo-osmotic coupling‬‬ ‫הפרוטונים באזור הבין ממברנלי מנוצלים להפקת אנרגיה לפני שהם מצליחים לעבור בדיפוזיה דרך ה‪pores-‬‬ ‫שבממברנה החיצונית‪ ,‬בשל הקרבה של ‪ ATP synthase‬לשרשרת העברת האלקטרונים‪ .‬הזרמת הפרוטונים דרך‬ ‫המערכת הזו מניעה מעין טורבינה ב‪ ATP synthase-‬שמזרחנת את ה‪.ADP-‬‬ ‫‪ John E. Walker‬ו‪) Paul D. Boyer-‬נובל ‪ (97‬עבדו על מבנה ה‪ ATP synthase-‬וגילו שהוא אכן עובד כמו טורבינה‪ .‬יש חלק‬ ‫שתוך הקומפלקס שמסתובב פיזית עם כיוון השעון בעזרת פירוק גרדיינט הפרוטונים‪ .‬אם עושים את התהליך ההפוך‬ ‫)פירוק ‪ ATP‬ל‪ ADP-‬על מנת להעביר פרוטונים נגד הגרדיאנט( הציר מסתובב נגד כיוון השעון‪.‬‬

‫במבט כולל על המיטוכונדריון‪:‬‬

‫סיכום‪ :‬גבריאל מירקוס‬

‫מבוא לביולוגיה של התא‬ ‫המרצה‪ :‬פרופ' ג'ונתן גרשוני‬

‫עמוד ‪ 3‬מתוך ‪3‬‬

‫‪23/05/2005‬‬ ‫הרצאה מס' ‪23‬‬

‫כל עוד יש פחמנים מחוזרים וחמצן ניתן להניע את התהליכים אותם למדנו לייצירת ‪ .ATP‬תנאי נוסף הוא קיום דרך‬ ‫להיפתר מה‪ CO2-‬הנפלט בתהליך‪.‬‬ ‫תוצרי הנשימה הם הסובסטרנים של הפוטוסינתיזה ולהיפך‪.‬‬

‫סיכום‪ :‬גבריאל מירקוס‬