Az ATP-gyártás módozatai

A biológia energianyerés lényege az ATP előállítása. Ennek két alapvető mechanizmusa alakult ki a sejtekben: a szubsztrát-szintű foszforiláció és a kemiozmotikus ATP-szintézis. Előbbi esetben a nagy-energiájú foszfát-kötés létrejöttéhez szükség van egy nagy-energiájú, foszfátot tartalmazó atomcsoportra, amelyről a foszfát-csoport úgy kerül át az ADP-re, hogy közben a szabadenergiája csökken, azaz fedezi az ADP foszforilálásának energia-igényét. Ez a típusú ATP-termelés tehát igényeli egy foszforilált köztitermék létét, amelyet korábbi energiaigényes rekciók termeltek meg. A glikolízisben pl. az első ATP-gyártó rekció az 1,3-glicerin-difoszfát átalakulása 3-foszfogliceráttá, amelyet a foszfoglicerát-kináz katalizál, a második pedig a foszfoenolpiruvát átalakítása piruváttá, amelyet a piruvát-kináz katalizál (az elnevezések jól szemléltetik, hogy a reakciók ellentétes irányban is lezajlanak, amennyiben a reagensek és a kofaktorok koncentrációja is ellentétes). Mindkét esetben tehát olyan molekula szerepel reagensként, amelyen már jelen van a foszfát-csoport, ennek rákerülése a glikolízis korábbi energia-fogyasztó lépéseiben következett be.

A kemiozmotikus ATP-szintézis lényege viszont az, hogy az elektromos energia alakul át kémiai energiává. Ahhoz, hogy ezt megértsük, tudnunk kell, mit takar az elektromos energia és mit a kémiai energia kifejezés. Az elektromos energia mindig elektromos jelenségekkel, azaz töltéssel rendelkező részecskék (töltéshordozók) elmozdulásával kapcsolatos. Ebben a meghatározásban két szó emelendő ki: a töltéshordozó és az elmozdulás. Ha nem lennének elektromos töltéssel rendelkező részecskék, vagy ha azok nem tudnának elmozdulni (mozogni), elektromos jelenségek sem léteznének. A biológiai rendszerekben (is) kétféle töltéshordozó fordul elő: ionok és elektronok. Az ionok mérete meglehetősen nagy, hiszen elektromos töltéssel rendelkező atomokról van szó, emiatt mozgékonyságuk meglehetősen kicsi. Az elektronok mérete ezzel szemben nagyságrendekkel kisebb, így mozgékonyságuk nagyságrendekkel nagyobb. Ez az egyik tényező, ami aláhúzza az elektronok fontosságát a biológiai rendszerekben. A másik tényező az, hogy bizonyos körülmények között egy elektron hajlandó arra, hogy spontán, azaz energia befektetése nélkül átkerüljön egyik atomról vagy molekuláról egy másik atomra vagy molekulára, és ezzel egy teljesen új világot nyit meg: az elektronátmeneti reakciók világát. Az élő sejtekben lezajló reakciók döntő többsége elektronátmeneti reakció.

Az elektron közismerten negatív töltésű részecske, így önmagától csak pozitív töltésű részecskék felé mozdul el. Azt az atomot vagy molekulát, amelyről az elektron távozik, elektron-donornak (D), míg az elektront felvevő atomot vagy molekulát elektron-akceptornak (A) nevezzük. Az elektron távozását a donorról oxidációnak (D - e-), míg megjelenését az akceptoron redukciónak nevezzük (A + e-). Ebből az is egyértelműen kiderül, hogy egy egyszerű elektronátmenet során sohasem egyetlen atom vagy molekula, hanem mindig egy donor-akceptor pár van jelen, és az elektronátmenet során a donor átad egy elektront (oxidálódik), az akceptor pedig felveszi az elektront (redukálódik).

Mint említettük, az elektronátmenet során a donor megszabadul egy elektronjától. Következésképpen a donor egy olyan atom vagy molekula kell, hogy legyen, amelynek elektronszerkezeti szempontból két formája van: az elektronleadás előtti forma és az azt követő forma. E két forma mindössze az elektronok számában különbözik: az elektronleadás előtti formának 1-gyel több elektronja van, mint az elektronleadás utáni formának. Az elektronban gazdagabb formát hívjuk redukált formának, míg az elektronban szegényebb forma az oxidált alak. Ezzel beláttuk, hogy egy egyszerű elektronátmeneti reakció tulajdonképpen 2 atom vagy molekula 2-2 különböző elektronállapotú formáját érinti: egy egyszerű kémiai egyenlethez teljesen hasonlóan az egymásra ható anyagok a donor redukált formája (Dr) és az akceptor oxidált formája (Ao), míg a termékek a donor oxidált formája (Do) és az akceptor redukált formája (Ar):

A fizikai kémiában ugyanazon atom vagy molekula redukált és oxidált formáját együttesen tartalmazó oldatot (pontosabban az abba merített fémes vezetőt) elektródnak nevezik. Ha a két elektródát áramkörré zárjuk, abban áram fog folyni, mégpedig a donor-elektród felől az akceptor-elektród felé, hiszen egy elektronátmeneti reakció során az elektron az egyik elektródról a másikra kerül át. A donor-elektród oxidálódik, az alábbi elektródreakció során:

az akceptor elektród pedig redukálódik az alábbi elektród-reakcióban:

Ez a magyarázata, hogy az elektronátmeneti reakciókat miért nevezik oxidációs-redukciós, vagy röviden redox reakcióknak. Világosítsuk meg az előbbieket egy példával. Tegyünk egy főzőpohárba Fe2+ és Fe3+ionokat tartalmazó, egy másik főzőpohárba Cu2+ és Cu+ ionokat tartalmazó oldatot. Ha az oldatokba platinarudat teszünk és azt vezetővel összekötjük, a vezetőben áram folyik annak ellenére, hogy az áramkörünkben semmiféle (más) áramforrás nincs. Ebben az esetben egy elektronátmeneti reakció zajlik le, ami az áramot fenntartja. A donor elektródunk a Fe2+ és Fe3+ ionokat tartalmazó oldat, míg az akceptor elektródunk a Cu2+ és Cu+ ionokat tartalmazó oldat. Vizsgáljuk meg, mi történik az egyes elektródokon. A donor lektródreakció: Fe2+ = Fe3+ + e-, az akceptor elektródreakció pedig: Cu2+ + e- = Cu+. Az elektron önmagától csak ebben az irányban halad (magasabb helyről alacsonyabb helyre folyik), fordított irányban csak akkor, ha ehhez energiát fektetünk be. Hogy melyik a donor, illetve akceptor (azaz melyik van "magasabban" és melyik "alacsonyabban"), azt csak akkor tudjuk megmondani, ha a két elektródot vezetővel összekötjük, ugyanis az áram irányából ez egyértelműen kiderül: az áram mindig a negatívabb potenciálok felől a pozitívabb potenciálok felé folyik.

Most hasonlítsuk az elektronok áramlását a korábban már megbeszélt hegyi patakhoz: ugyanúgy, ahogy a patak is csak akkor folyik le egy (magasabban elhelyezkedő) helyről egy másik (alacsonyabban elhelyezkedő) helyre, ha közben a szabadenergiája csökken, az elektron is önmagától mindig csak akkor megy át egy donorról egy akceptorra, ha közben a szabadenergiája csökken. Azt, hogy egy adott donorról átmegy-e egyáltalán egy elektron egy adott akceptorra, és ha átmegy, milyen "szívesen" teszi ezt, meg tudjuk előre mondani, ha összehasonlítjuk a donor és az akceptor redox-potenciálját, ami az elektronátadó, illetve -felvevő-képesség kvantitatív mérőszáma. Egy atom vagy molekula akkor hajlandó könnyen megszabadulni egy elektrontól, ha az könnyen ki tud lépni az atomból vagy molekulából. Minél könnyebben ki tud lépni egy elektron egy atomból vagy molekulából, annál könnyebben hajlandó az atom vagy molekula leadni azt. Egy anyagnak ezt a hajlamát a redoxpotenciál negativitása fejezi ki. Minél negatívabb egy adott anyag redox-potenciálja (minél nagyobb negatív, vagy minél kisebb pozitív szám), annál könnyebben válik meg az atom vagy molekula egy elektronjától, és annál kevésbé hajlandó felvenni egy elektront, azaz annál jobb elektron-donorról van szó. Ellenkező esetben, minél pozitívabb vagy minél kevésbé negatív egy adott anyag redox-potenciálja (minél kisebb negatív, vagy minél nagyobb pozitív szám), annál nehezebben válik meg az atom vagy molekula egy elektronjától, viszont annál könnyebben vesz fel egy elektront, azaz annál jobb elektron-akceptorról van szó.

Az, hogy egy adott atom vagy molekula egy adott kölcsönhatás során elektron-donor vagy -akceptor lesz-e, az mindig a két reakciópartner redox-potenciáljának viszonyától függ. Ha egy molekula egy nála negatívabb redox-potenciálú partnerrel kerül kapcsolatba, akkor akceptorként, ha nála pozitívabb partnerrel, akkor pedig donorként fog viselkedni. Ez annyira törvényszerű, hogy kimondhatjuk az általános törvényt: azt, hogy adott esetben spontán (külső energiabefektetés nélküli) elektronátmenet végbemehet-e vagy sem, és ha végbemegy, milyen irányban, azt egyszerűen el tudjuk dönteni, ha összehasonlítjuk a szóbanforgó reakciópartnerek (a potenciális donor és akceptor) redox-potenciálját.

  1. Elektronátmenet csak akkor történhet, ha a partnerek redox-potenciálja különbözik.

  2. Elektronátmenet mindig csak a negatívabb redox-potenciálú partnerről a pozitívabb (kevésbé negatív) redox-potenciálú partner felé történhet.

Az anyagokat redox-potenciáljuk nagysága alapján sorrendbe állíthatjuk. A redox-potenciál skála relatív skála, 0 pontja megállapodás alapján a hidrogén, pontosabban a H2-elektród, melyben a redukált forma a hidrogén (gáz), oxidált forma pedig a proton. Az elektród-reakció: H2 = 2 H+ + 2 e-. Fontos megjegyezni, hogy a H2-elektród redox-potenciálja csak ún. standard körülmények között egyenlő 0-val, azaz 1 atm. légköri nyomáson és akkor, ha a H+-ionok koncentrációja 1 M. Az 1 M H+-koncentráció kívül esik a biológiai rendszerek realitásán, ezért a biologiai események tárgyalásához külön definiálni kell a H2-elektród redox-potenciálját 7,0 pH értéken, azaz 10-7 M H+-koncentráció esetén. Ez -430 mV, az egyik legnegatívabb redox-potenciál, ami biológiai rendszerekben előfordul. A másik szélső érték az oxigén, pontosabban az O2-elektród redox-potenciálja, melyben a redukált és oxidált forma nem más, mint a víz, illetve az oxigén. Az elektród-reakció: O2 + 4 H+ + 4 e- = 2H2O, redox-potenciálja +820 mV körüli érték. Ez az oka annak, hogy az oxigén igen eros elektron-akceptor, azaz oxidálószer.

Most lássuk, mit is jelent a kémiai energia kifejezés. Eredeti jelentésében a kémiai energia egy kovalens kötés létesítéséhez szükséges energia nagysága, ami megegyezik azzal az energiával, ami ugyanazon kötés bontásakor felszabadul. A sejtekben lezajló biokémiai reakciók többsége kovalens kötések bontásával, illetve létesítésével kapcsolatos. Energiánkat azoknak a kötéseknek a hasításából nyerjük, amelyek az elfogyasztott táplálékmolekulákat tartják össze, ugyanakkor testünk felépítéséhez megszámlálhatatlan kovalens kötést kell létesítenünk. Ezt a munkát speciális végrehajtó berendezések, az enzimek végzik. Az enzimek működésének egyik legjelentősebb haszna, hogy a reakciókat felgyorsítják, így azok a testünk hőmérsékletén is mérhető sebességgel mennek végbe. Az enzimek azonban nem energiaszolgáltatók, így a kialakítandó kötések létrehozásához szükséges energiára az enzimek működése során is szükség van. Ezt az energiát az élő sejtben foszfátcsoportok közötti kötésekben tárolt energia szolgáltatja. Ezen kötések hasadásakor (hidrolízisekor) jelentős energiamennyiség (36 kJ/mól) szabadul fel, amit a sejtek a különféle bioszintetikus reakciókban alacsonyabb energiatartalmú kémiai kötések létesítéséhez használnak fel. Sejtbiológiai értelemben ezt nevezzük kémiai energiának. Ilyen nagy-energiájú kötés található az adenozin-trifoszfátban (ATP) és még néhány nagy-energiájú vegyületben. A sejtnek tehát ahhoz, hogy szintetikus funkcióit el tudja látni, először az ATP-t kell megtermelnie.