הקדמה
אתם מתבוננים בקטע אנימציה קצר של אחת המכונות המופלאות בטבע – מנוע מורכב מחלבונים, המסתובב במהירות של 150-300 סיבובים לשניה (פי עשרה ממקדחה ידנית) ומיייצר מולקולות ATP. במאמר זה נלמד איך זה עובד.
מיטוכונדריה
ציור 1 – מבנה סכימתי של תא eukaryote. גופיף 9 – מיטוכונדריה
מיטוכונדריה (mitochondria) היא גופיף (organelle) בעל ממברנה כפולה (חיצונית ופנימית) המצוי ברוב תאי ה-eukaryote (תאים בעלי גרעין). מספר גופיפי מיטוכונדריה בתא אחד נע בין מספר מאות למספר אלפים, תלוי בסוג התא. למיטוכונדריה מספר רב של תפקידים בחייו ומותו של תא, המרכזי שבהם, נשוא מאמר זה, הוא ייצור מולקולת האנרגיה ATP.
| מספר גופיפי מיטוכונדריה בתאי השרירים גדל כתגובה לאימון אירובי, כך גדלה יכולת השריר לבצע מאמץ אירובי לפרקי זמן ארוכים, וה"כושר הגופני" משתפר. |
מבנה סכימטי של מיטוכונדריה מתואר בציור 2.
ציור 2 – מבנה סכימטי של מיטוכונדריה
(Electron transport chain (ETC
במאמר על מערכות האנרגיה בגוף ראינו כי רוב האנרגיה בגופינו מיוצרת בתהליך האירובי oxidative phosphorylation במיטוכונדריה. ה-ETC הוא ליבו של תהליך זה.
כל מולקולה של גלוקוז שאכלנו מומרת בתהליך הנקרא glycolysis לשתי מולקולות pyruvate. מולקולות ה-pyruvate מחומצנות למולקולה בשם acetyl CoA המשמשת כדלק לתהליך הנקרא citric acid cycle, המייצר מולקולות בשם NADH ו-FADH2 אשר מספקות את האלקטרונים הדרושים לפעולתו של תהליך ה-ETC.
בתוך הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה משובצות קבוצות של 4 מכלולי חלבון נייחים ומולקולות אורגניות ניידות, כמתואר בציור 3.
ציור 3 – מכלולי ה-ETC המשובצים בממברנה הפנימית של המיטוכונדריה: חלבונים נייחים (I, II, III, IV), ומולקולות ניידות (Cyt C, Coenzyme Q).
בתהליך ה-ETC מועברים אלקטרונים ממכלול למכלול בתגובות חימצון-חיזור (redox) של מולקולות ה-NADH ו-FADH2.
בכל שלב הם מאבדים חלק מהאנרגיה שלהם. מכלולים IV ,III ,I משתמשים באנרגיה זו כדי לשאוב פרוטונים (+H) מצד אחד לצד השני של הממברנה הפנימית.
כתוצאה משאיבה זו נוצרים הן גרדיאנט צפיפות והן הפרש פוטנציאלים בין שני צידי הממברנה.
התהליך מסתיים במכלול IV. בשרשרת של תגובות, ארבעה אלקטרונים, ארבעה פרוטונים יחד עם מולקולה של חמצן מומרים לשתי מולקולות של מים. בהעדר חמצן כל תהליך ה-ETC נעצר.
| הסיבה שאנחנו נושמים חמצן היא כדי שהחמצן ישמש כקולט האלקטרונים (electron acceptor) הסופי של התהליך. |
גרדיאנט הצפיפות והפרש הפוטנציאלים משמשים כמקור אנרגיה למכלול ה-ATP synthase – המנוע אשר מייצר את מולקולות ה-ATP.
ציור 4 – ATP synthase
לסיום, צפו בשני סרטוני אנימציה נפלאים המתארים את כל התהליך בשלמותו.