Odgovori na postavljena pitanja iz biologije

Hemoproteini odgovorni za prijenos elektrona u različitim staničnim procesima (fotosinteza, oksidativna fosforilacija, biotransformacija ksenobiotika) nose ime citokromi. Otkriveni su 1952. godine spektroskopskim analizama stanica te podijeljeni u tri osnovna tipa (a,b,c) s obzirom na vrijednosti apsorpcijskih maksimuma (danas je poznato mnogo podtipova unutar svih skupina citokroma).

Molekula citokroma složene je građe, čine je polipeptidni dio (aminokiselinski slijed) i prostetički dio. Prostetički dio citokroma predstavlja molekula hema kovalentno vezana na polipeptidni dio. Hem strukturno čine četiri pirolna prstena međusobno povezana metanskim mostovima u heterociklički prsten,tzv. porfirinski prsten u čijem središtu nalazimo atom željeza (na njega se pri prijenosu elektrona veže elektron, čime iz Fe³⁺ oblika prelazi u Fe²⁺ i obrnuto pri otpuštanju elektrona). Porfirinski prstenovi se međusobno razlikuju s obzirom na vrstu supstituenata vezanih za njihove pirolne prstenove. Ako se na pirolne prstenove vežu acetil (A) i propionil (P) govorimo o uroporfirinima; ako je pak prisutna kombinacija metil (M) i propionil (P) riječ je o koproporfirinima, dok u slučaju za etil (E), propionil (P) i vinil (V) imamo protoporfirine. U molekuli hema pojavljuju se isključivo protoporfirini. Hem je, drugim riječima, naziv za kompleks željezo-protoporfirin.

Uzimajući u obzir funkciju i biokemijski stanični proces u kojemu djeluju, citokrome možemo podijeliti na:

Proces staničnog disanja moguće je podijeliti na nekoliko međusobno prostorno i funkcionalno različitih događaja. Sve započinje glikolizom koja se odvija u citoplazmi, a nastavlja se dvama procesima smještenim u mitohondrijima: ciklusom limunske kiseline u matriksu mitohondrija i nizom procesa respiratornog lanca na unutrašnjoj membrani mitohondrija. Energetska dobit svakog od navedenih procesa očituje se u količini nastalog ATP-a (adenozin-trifosfata) na kraju reakcije. Istraživanja pokazuju da se najviše ATP-a sintetizira u nizu procesa repiratornog lanca poznatog pod zajedničkim imenom oksidativna fosforilacija.

U oksidativnoj fosforilaciji molekule koenzima NADH (nikotinamid-adenin-dinukleotida) i FADH₂ (flavin-adenin-dinukleotid) koje su nastale ili u procesu glikolize, ciklusu limunske kiselini ili b-oksidacije predaju visokoenergizirane elektrone elektronskim prijenosnicima, a ovi ih dalje nose do kisika. Tijekom prijenosa elektrona od koenzima do kisika elektroni gube energiju, što omogućuje formiranje protonskog gradijenta (izazvano ubacivanjem velikih količina vodikovih protona u međumembranski prostor mitohondrija). Nastali protonski gradijent predstavlja oblik slobodne energije koja može poslužiti za sintezu ATP-a iz ADP-a i anorganskog fosfata. Prijenos elektrona tijekom oksidativne fosforilacije odvija se postupno preko nekoliko oksidacijsko-redukcijskih prostora koje čine molekule prijenosnici elektrona. Uz citokrome, u prijenosnike ubrajamo još željezo-sumporove proteinske komplekse, ubikinon ili koenzim Q (male hidrofobne molekule, topljive u lipidnom dvosloju), flavoenzime i NADH, a većina njih zajedno u određenim kombinacijama formiraju velike enzimske komplekse na unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani.

Uspješno proučavanje tih kompleksa započinje 1960. godine kada je pronađeno dovoljno blago otapalo u kojemu se mogla izvršiti njihova potpuna izolacija. Ustanovljeno je da na unutrašnjoj membrani mitohondrija možemo razlikovati nekoliko kompleksa:
1) kompleks NADH dehidrogenaza

Najveći prijenosni kompleks koji prima elektrone s NADH molekule prebacujući ih preko flavina i proteina (najmanje 25 proteina koji sadrže željezo i sumpor) do ubikinona, koji elektrone prebacuje na b-c1 kompleks.

Sadrži citokrom c1, citokrom b (radi se o dva tipa citokroma b prisutnih u ovom kompleksu - citokrom b_H (high potential) i citokrom b_L (low potential); osnovna razlika je u vrijednostima apsorpcijskih maksimuma), te željezo-sumpornih proteinskih kompleksa. Primljene elektrone prosljeđuje na citokrom c (najbolje proučeni kompleks; smatra se da je zbog velikih razlika u slijedu aminokiselina u odnosu na ostale citokrome ovo evolucijski najstariji citokrom) koji ih predaje citokrom oksidaza kompleksu.

Kompleks izoliran kao dimer u kojem svaka podjedinica sadrži najmanje 9 različitih polipeptidnih lanaca, uključujući dva citokroma a3, te dva atoma bakra. Ovaj kompleks prenosi elektrone na kisik i time omogućuje nastajanje slobodnog radikala kisika (O_2-)koji se u reakciji nastajanja vode veže s protonima vodika.

Kada dođe do trovanja cijanidom (otrov korišten u II. svj. ratu u koncentracijskim logorima), zbog vrlo velike tendencije vezanja i uspostavljanja čvrste veze cijanida na ovaj kompleks, dolazi do blokade protoka elektrona.

Proces fotosinteze po mnogo čemu je suprotan procesu staničnog disanja, no i ovdje postoje procesi prijenosa elektrona, odnosno prisutne su molekule prijenosnici elektrona. Uz citokrome (posebno važni za fotosintezu su citokromi b i c), razlikujemo plastokinone, flavoproteine, piridin-nukleotide, feredoksin (željezo-sumporni proteini), te plastocijanin. U procesu fotosinteze tok elektrona u tilakoidima može biti ciklički ili neciklički, ovisno o biokemijskim uvjetima stanice. U cikličkom toku elektrona aktivan je samo fotosistem I, a elektrone prenose feredoksini, te citokromi b₅₆₃ i c₅₅₂, dok su u necikličkom toku uključeni i fotosistem I i fotosistem II (fotosistem predstavlja skup antenskih molekula pigmenata kojima se "hvata" i provodi energija do molekule klorofila a u reakcijskom središtu, iz kojeg potom izlijeće visokoenergiziran elektron; kloroplast sadrži dva fotosistema), elektrone prenose citokromi b₅₅₉, b_6-f i c₅₅₂, te plastocijan.

Mario Kekez
Student 4. godine, smjer: profesor biologije i kemije
Prirodoslovno-matematički fakultet, Zagreb