Anteckningar - Berusade fiskar
Syre är en livsviktig molekyl för att upprätthålla liv och de flesta vertebrater kan endast tolerera korta exkursioner in i en anoxisk miljö. Syre är den sista elektronacceptorn i elektrontransportkedjan (oxidativ fosforylering), så i dess frånvaro kommer ATP-syntas sluta fungera och ATP-generering är enbart möjligt via glykolysen (Anaerobisk metabolism).
Den vanliga guldfisken Carassius auratus är emellertid anmärkningsvärt motståndskraftig mot anoxi. Vid låga temperaturer under vintern kan guldfisken överleva flera dygn i total avsaknad av syre.
Dess nära släkting, Rudan Carassius carassius, är ett ännu mer extremt fall. Rudan är en Nordeuropeisk sötvattensfisk som ofta bebor små dammar, som på grund av isbeläggning blir hypoxiska och slutligen anoxiska under flera månader varje vinter (Holopainen et al., 1986). Dess exceptionella tolerans mot hypoxi och anoxi gör den till den enda fisk som finns i dessa habitat.
Undersök orsakerna till att dessa två fiskarter har så hög tolerans mot hypoxi. Börja med att diagnostisera problemet som dessa fiskar måste lösa för att överleva.
Varför behövs syre?
Först kan vi svara på varför vi andas syre:
Det är reaktivt
Det är abundant (21% i atmosfären exempelvis)
Det är en elektronacceptor
På grund av detta är syre ett bra grundämne att använda som den slutliga elektronacceptorn i slutet av elektrontransportkedjan.
Den enda anledningen till att vi andas syre är alltså att vi behöver en elektronacceptor till våran elektrontransportkedja. Andra ämnen hade fungerat, men på grund av syres abundans är den bra att använda.
Aerob metabolism
Glykolysen är det första steget i att omvanda glukos till ATP (Adenosintrifosfat), som är energin typ varje grej i kroppen kostar. ‘
Glykolysen
Glykolysen sker ute i cytosolen/cytoplasman (kärt barn har många namn)
Glukos spjälkas i 10 steg i glykolysen. Det finns en investeringsfas, där 2ATP går åt (2ATP → 2ADP + Pi), och en skördningsfas, där 2ATP vinns per pyruvatmolekyl (slutsubstratet). Det bildas två pyruvatmolekyler (3C) per glukosmolekyl (6C), därav vinns det 2ATP från glykolysen.
Utöver ATP får vi ut 2NADH som reducerats från NAD+
Klart är glykolysen mer komplicerat än detta i verkligheten, men bilden beskriver den viktigaste kunskapen i just denna kursen
Pyruvat in i mitokondriens matrix + Acetyl CoA
Pyruvat bildas i cytosolen/cytoplasman eftersom det är där glykolysen sker, men resterande reaktioner sker inuti mitokondriens matrix (typ, men det kommer vi till). Därav måste pyruvat komma in i mitokondriens matrix. Det har varit lite debatt om detta sker med passiv transport eller aktiv transport. Jag anser aktiv transport, för det är det jag är lärd. Magnus anser passiv transport, för koncentrationen av pyruvat i mitokondriens matrix (matrix = inuti båda mitokondriens membran). Jag hade själv satsat på passiv transport eftersom Magnus sagt det, men om du med blivit lärd att det är aktiv har du iaf mig som stöd :)
Wohoo, nu är pyruvatet inne i mitokondriens matrix! Nu behöver pyruvatet omvandlas till Acetyl CoA. Detta sker i ett komplex som kallas pyruvat dehydrogenaskomplex, och den har 3 delar:
I del 1 plockas en karboxylgrupp ifrån pyruvat molekylen, och ett CO2 bildas som restprodukt
I del 2 sätts CoA (coenzym A) på det som är kvar av pyruvatet, och en NAD+ reduceras till en NADH eftersom det är en oxidativ reaktion.
I del 3 överförs en acetylgrupp på CoA, vilket ger oss våran slutprodukt; Acetyl CoA.
Vår pyruvat (3C) är nu acetyl CoA (2C). Denna processen är irreversibel. Acetyl CoA kan inte bli pyruvat igen om man vänder på processen.
En lätt beskrivning av när pyruvat oxideras. Är troligen lite överkurs, det viktigaste är troligen att du vet att reaktionen går ut på 3C → 2C och att slutprodukten heter Acetyl CoA
Citronsyracykeln:
Citronsyracykeln är en process som fortsätter så länge som ny Acetyl CoA tillförs. AcetylCoA (2C) kopplas på Oxaloacetat (4C) för att bilda Citrate (6C). Denna kolkedja går sedan igenom flertalet steg som kort kort kan summeras 6C→5C→4C (finns några isomera steg med). Slutligen landar vi på oxaloacetat igen, och cykeln börjar om från början med att Acetyl CoA sätts på igen. För varje glukosmolekyl kommer citronsyracykeln att snurra två varv (1 per Acetyl CoA, en Acetyl CoA per pyruvat, två pyruvat per glukosmolekyl). Varje gång en kol försvinner från kedjan kommer CO2 att vara slaggprodukten, och vid oxidativa reaktioner kommer en av elektronbärarna att reduceras (NAD+ → NADH, FAD → FADH2, oftast NAD+). Vid en reaktion bildas även GTP (detta är basically ATP fast Adenin(A) är utbytt till Guanin(G), kom ihåg era kvävebaser kids). GTP kan användas som det är, för vissa reaktioner kräver faktiskt just GTP, men omvandlas också ofta till ATP nästan direkt.
Per varv kommer det att bildas:
3NADH
1FADH2
1GTP/ATP
2CO2
Elektrontransportkedjan:
Citronsyracykeln fortsätter att snurra som ingenting, med vad gör vi med alla elektronbärare som skapats? Jo, vi skickar dem till elektrontransportkedjan! Elektrontransporten sitter i det inre membranet i mitokondrien med 4 komplex (5 om du räknar ATP-syntetas som ett komplex). Q är en liten hjälpreda (kommer inte ihåg exakt vad, men typ piskar på elektroner så att de fortsätter framåt). 3 av de 4 komplexen arbetar med att oxidera elektronbärare. NADH oxideras vid komplex 1 (-2e-) och 10st protoner pumpas in genom komplex 1,3 och 4. Elektronerna studsar igenom alla komplexen och driver protonpumparna, och accepteras till sist av syreatomen (man brukar skriva ½ O2 även om man inte får det för endast en syreatom används i reaktionen, men man hittar liksom inte O naturligt du hittar det som O2 eller i någon annan molekyl). När elektronerna accepteras bildas vatten:
½ O2 + 2e- + 2H+ → H2O
Som man kan se binds även protoner/vätejoner upp, men om man börjar tänka i spåret av att syre är till för att forsla bort vätejoner följer man fel kanin. Det finns alltid löst H+ lite överallt, elektronerna är de som behöver försvinna eftersom de är riktigt reaktiva. Hur många protoner varje protonpump pumpar in mellan mitokondriens membran är:
Komplex 1 - Pumpar 4H+
Komplex 3 - Pumpar 4H+
Komplex 4 - Pumpar 2H+
Komplex 2 har inget med protonpumpar att göra, komplexet innehåller succinatdehydrogenas och har som uppgift att göra om succinat till fumarat. Vid komplex 2 oxideras även FADH2 till FAD, men protonerna pumpas in genom komplec 3 och 4. Enligt Wiki tillsätts lite elektroner till elektrontransportkedjan pga allt detta, men INGA. PROTONER. PUMPAS!!!
En inte helt exakt bild av elektrontransportkedjan såklart, men visar på hur komplex 1, 3 och 4 pumpar protoner.
Eftersom protonerna aktivt pumpas mot sin koncentrationsgradient kommer det skapas en stor koncentrationsgradient mellan matrix (insidan av båda mitokondriernas membran) och mellanrummet mellan de två membranen. På andra sidan av elektrontransportkedjan sitter Komplex 5/ATP-syntas/ATP-syntetas (kärt barn har många namn). ATP-syntetas är som en stor läcka protonpumparna konstant försöker åtgärda. När protonerna strömmar med passiv transport in i matrixen kommer ATP-syntetas snurra som en liten propeller och bilda ATP genom:
ADP + Pi + 4H+ ←→ ATP + H2O (Detta är från Wiki)
Denna processen kallas oxidativ fosforylering, och en ATP bildas per 4H+ som transporteras genom passiv transport
Uträkningar:
Nu vet vi mer exakt vad som sker
Uträkningar:
4 protoner krävs för att få till den oxidativa fosfolyseringen
1 NADH = 2.5ATP (10/4)
1 FADH2 = 1.5ATP (6/4), FADH2 lastar av elektroner i komplex 2 och pumpar därav inte protoner i komplex 1.
För varje elektronbärare får man ut en vatten
ATP per glukosmolekyl
Hur mycket ATP får vi av aerob metabolism?
10 NADH, 2 FADH2
112 protoner, vilket ger 28 ATP (112/4)
+ 2 “ATP” (GTP) från citronsyracykeln = 30 ATP
+ 2 ATP från glykolysen ger totalt 32 ATP
Ofta 30-32, varför diskreptans? Det kan kosta ATP för att ta sig över membranet för elektronbärarna, men beror helt på vävnad och plats osv.
I muskler och hjärna kostar det ofta, i lever och hjärta brukar det vara gratis
Beror på proteiner i mitokondriens membran
Allt detta kallas för energimetabolismen
Anaerob metabolism
Vad sker i en anaerob miljö?
Elektronerna har inget att attraheras av, protonpumparna slutar fungera, “läckan” i ATP Syntetas gör att koncentrationsgradienten jämnas ut.
Om inte elektroner kan lastas av kan inte elektronbärare oxideras heller, vilket till slut leder till att FAD och NAD+ inte finns.
Då kollapsar citronsyracykeln, inget GTP härifrån.
Pyruvat kan inte omvandlas till Acetyl CoA eftersom NAD+ saknas
Pyruvat slutar flöda in i mitokondrien eftersom den passiva diffusionen in i mitokondrien avbryts (koncentrationsgradienten är konstig)
Glykolysen är opåverkad ett tag eftersom den sker i cytosolen.
När NAD+ även tar slut i cytosolen börjar pyruvat att omvandlas till mjölksyra (laktat), detta är för att NADH oxideras till NAD+, och kan fortsätta driva gykolysen även om citronsyracykeln och elektrontransportkedjan stannat av
Laktat dehydrogenas
Detta är normal anaerob metabolism
Vad drar igång laktat dehydrogenas? Koncentrationen av pyruvat
Laktat bryts ner
Potentiella risker?
Laktat är giftigt i höga mängder, det sura PH-värdet kan denaturera proteiner
Hur kan rudan klara sig utan syre under så lång tid?
Vad gör då fisken?
Rudan har ett enzym som kan konvertera pyruvat till acetaldehyd och till sist etanol.
Pyruvat → acetaldelhyd drivs av pyruvat dekarboxylas (ta bort kol), IRREVERSIBEL
Acetaldehyd → etanol drivs av alkohol dehydrogenas (ta bort väte), REVERSIBEL
Etanolen diffunderar genom gälarna för att molekylen är liten och oladdad. Laktat är också liten, men den är laddad.
Uppkomsten av pyruvat dekarboxylas inom rudfiskarna är ensamt i djurriket, annars finns det typ hos bakterier (möjligen svampar om jag hörde rätt?)
Laktat kan ta sig ut i en cell, in i blodströmmen, in i en annan cell (som när den ska till levern), varför har inte fiskarna bara laktat kanaler i sina gälar? Hade väl varit en lättare lösning
Etanol oxiderar också NADH och gör därav samma sak som mjölksyra
Etanolen minskar fryspunkten, ja, men så minimalt att det inte påverkar dem i naturen. Det har uppmätts några decimaler lägre fryspunkt, men det är i labbmiljöer som aldrig händer i naturen
Etanol är ju skadligt för hjärnan, är det rimligt att etanol bildas i hjärnan? Nej, i hjärnan produceras laktat (vår hjärna måste köra aerob metabolism)
Laktatet görs om till pyruvat, som bildar etanol, i levern.
Anaerob metabolism:
De går miste om 28-30ATP eftersom de endast kan förlita sig på glykolysen, och de har ingen väntehylla för etanolen. De kastar alltså ut energi, mjölksyra kan ju göras om genom glukoneogenes
Fryser rudorna till dör dem, dessa gräver ner sig i dyn och är så stilla som bara möjligt.
Varför kan inte andra fiskar överleva lika länge?
För att de är inkapabla till detta, och de kvävs. om nånting dör en ruda/guldfisk av svält, men inte av syrebrist
Rudor svälter, andra fiskar kvävs
Diverse annat som nämnts:
Energilagring hos djur:
Kreatinfosfat, mycket kortsiktig energilagring, den första energin vi bränner i muskler
Glykogen, kortsiktig energilagring
Triglycerigder, långsiktig energilagring, fett
Rudan kan inte lagra fett eftersom fett spjälkas till Acetyl CoA, och den är helt onödig i anaerob respiration
Beta oxidation kräver även en FADH2
Varför kan man inte bara lagra ATP?
ATP är extrem kortlivad, om man inte är snabb bryts den energirika bindningen av sig själv.
Fun facts:
Näbbmöss kan frysa till is
Vissa grodor kan det med, de tappar troligen minnen eftersom att cellkopplingarna pajas i kylan
Myxozoer (Myxozoa), de är alla parasiter, deras cellorgnaisation är helt “screwed up”. Deras celldelning ger celler i celler i celler etc. En annan grej de gör är att de inte har någon metabolism (pga obligat parasitism). De har ingen pyruvatmetabolism, ingen komplex 1, 3, 4. De kan inte driva aerob metabolism, det finns inte ens gener för dessa karaktärerna kvar hos myxozoer. Anledningen att vissa komplex är kvar är ren slump, blir rudimentära strukturer som (antagligen) inte kostar så mycket att bibehålla. Annars hade nog allt försvunnit. PDH har blivit en pseudogen, DNA polymeras med.