Човникові системи та нуклеотиди NADH, FADH_{<small>2</small>}

NAD⁺ та FAD

Синтез АТФ не завжди відбувається при взаємодії ферменту з субстратом, якщо ми подивимось на гліколіз, то в результаті цього метаболічного шляху утворюється лише 4 молекули АТФ на одну молекулу глюкози, в циклі кребса - зовсім одна молекула ГТФ.Але в результаті деяких реакцій, окислена версія нікотинамід аденін динуклеотиду(NAD⁺) відновлюється та перетворюється в NADH + H⁺.Окрім цього нуклеотиду, існує ще флавін аденін динуклеотид(FAD), який в результаті деяких реакцій також відновлюється до FADH₂.Також варто згадати про нікотинамід аденін динуклеотид фосфат(NADPH), зверніть увагу, що це майже те ж саме що NADH, але до рибози приєднана одна фосфатна група, і цей нуклеотид не бере участь в синтезі АТФ: він слугує донором електронів та протонів у окисно-відновних реакціях, наприклад, в боротьбі з активними формами оксигена, або ж слугує донором гідрогенів для синтезу жирних кислот.Давайте трохи детальніше розглянемо що це взагалі за молекули.
Нікотинамід аденін динуклеотид в своїй окисленій версії може бути представлений у наступному вигляді:

Коли відбувається якась реакція окиснення, наприклад, візьмемо реакцію перетворення малату в оксалоацетат під дією фермента малат-дегідрогеназа:

Фермент класу дегідрогеназа забирає 2 атоми гідрогена, кожен в свою чергу складається з одного протону та одного електрону, тобто якщо ми забираємо 2 атоми гідрогена з молекули, то ми маємо 2 електрона і 2 протона.
На зображені вище, ми бачимо, що молекула NAD має позитивний заряд за рахунок атома нітрогену в нікотині.

Ми беремо два електрони і один протон, в свою чергу, один електрон піде до нітрогена, таким чином "приглушить" його позитивний заряд, а ще один електрон і один протон(якщо ми це об'єднаємо, то отримаємо атом гідрогена) підуть і приєднаються до нікотинового кільця, таким чином розірвуть подвійний зв'язок, ось ми і отримуємо відновлену форму нікотинаміду аденін динуклеотиду(NADH).Це все добре, але ми забули про ще один протон, який просто буде плавати в цитоплазмі/матриксу мітохондрії, або ж якщо ми відновлюємо FAD або NADP⁺, то просто отримуємо FADH₂(за таким самим принципом, але тепер вони приєднуються не до нікотину, а до флавіну) або NADPH.

Звісно ми знаємо, що все дійство синтезу АТФ відбувається в мітохондрії, а значить нам потрібно цей протон а також NADH закинути в матрикс мітохондрії, якщо ці молекули утворились в цитоплазмі клітини, для цього існують човникові системи.

Човникові системи

Човникові системи потрібні для того, щоб перенести молекули NADH + H⁺ з цитоплазми клітини в матрикс мітохондрії, так як саме в цьому місці вони будуть використовуватися для синтезу АТФ.Але ще однією дуже важливою дрібницею буде те, що клітині не можна накопичувати NADH + H⁺ в цитоплазмі, тому що в такому випадку зупиниться гліколіз, що може призвести і до апоптозу.Існує два основні механізми:

• Гліцерол-3-фосфатний шунт
• Малат-аспартатний шунт

Гліцерол-3-фосфатний шунт

Відразу скажу, що цей механізм наявний лише в скелетних м'язових клітинах.
В процесі гліколізу у нас утворюється молекула диоксиацетон фосфату, яка трохи схожа на гліцерин, але їй чогось не вистачає - двох атомів гідрогену.Ми вже знаємо, щоб утворити відновлену форму NAD нам також потрібно два атоми гідрогену, а це в свою чергу означає, що ми можемо взяти NADH + H⁺ і перенести це все діло на диоксиацетон фосфат і таким чином передати йому два атоми гідрогену і утворити гліцерин-3-фосфат, чому ні?Так все і відбувається, фермент цитоплазматична гліцерол-3-фосфат дегідрогеназа використовує NADH + H⁺ як донор двох атомів гідрогену і передає їх на диоксиацетон фосфат, таким чином формує гліцерол-3-фосфат і NAD⁺.

Ось наша новоутворена молекула потрапила в міжклітинний простір, тут, на внутрішній мембрані мітохондрії знаходиться мітохондріальна гліцерол-3-фосфат дегідрогеназа, яка зробить все навпаки: забере два атома гідрогена від цієї молекули, таким чином у нас утвориться FADH₂(він відразу потрапляє в руки електрон транспортного ланцюга, відновлюючи убіхінон до убіквінолу, детальніше - окремо) та диоксиацетон фосфат, який просто втіче в цитоплазму і цикл повториться.

Малат-аспартатний шунт

Якщо гліцерол-3-фосфатний механізм був для вас важкий, то тоді краще трішки відпочиньте, бо те, про що ми будемо говорити зараз, потребує 101% вашого мозку.
В деяких ситуаціях оксалоацетат(проміжний продукт циклу Кребса) потрапляє в цитоплазму клітини, в основному для глюконеогенезу та малат-аспартат човникової системи.
1.Ми беремо наш оксалоацетат та NADH + H⁺ і каталізатор(фермент) - цитоплазматична малат дегідрогеназа, яка окислює NADH до NAD⁺ та забирає наш протон, в результаті чого оксалоацетат відновлюється до малату.2.Малат може проникати в матрикс мітохондрії за допомогою антипорту - альфа-кетоглутарат проходить в цитоплазму, а малат - в матрикс, але запам'ятайте, що альфа-кетоглутарат потрапив в цитоплазму, ми ще це згадаємо.
3.Коли малат знаходиться в матриксі, то тут на нього діє мітохондріальна малат дегідрогеназа, яка окислює малат(забирає від нього електрони) і відновлює NAD⁺ до NADH + H⁺ і утворюється оксалоацетат, тобто, все навпаки, як в цитоплазмі.
4.Наступним кроком ми беремо глутамат(амінокислота) та об'єднуємо його з оксалоацетатом(реакція трансамінування), в результаті чого утворюється альфа-кетоглутарат та аспартат.
5.Аспартат виходить з матриксу мітохондрії, але на взамін йому, сюди потрапляє глутамат.6.Коли аспартат опинився в цитоплазмі, то від нього забирають аміногрупу групу, яка транспортується на альфа-кетоглутарат(той, що ми згадували в першій реакції) в результаті утворюється оксалоацетат та глутамат.