You are here

ELU ALUS. Energia ja energeetika

Bioloogilise energiata poleks elu ja seega peaks bioloogilise energiatootmise mehhanismi kujunemist pidama elu tekke kõige olulisemaks ja esmaseks etapiks. Kust ja kuidas saavad energiat bioloogilised rakud? Praegusaja rakkudes etendavad selles protsessis olulist rolli mitokondrid.

Alguses, Universumi alguses, enne Suurt Pauku, oli Energia. Nii väidavad füüsikud. Pärast seda energia ei kadunud, vaid muutis vormi – osa muundus aineks, osa antiaineks, mis samuti sisaldavad energiat, mõnikord vägagi palju.

Ühed fundamentaalsemad küsimused ongi, millises vormis eksisteeris energia enne Suurt Pauku, enne Universumi teket, mis/kes käivitas Suure Paugu ja miks. Ka füüsikud ei tea vastuseid, kuid ühes ollakse üksmeelel – alguses oli energia, mis mingil põhjusel hakkas muunduma ja osaliselt üle minema aineks. Energia hulk, mis laiali paiskus, oli tohutu ja paljuski kujuteldamatu. Tänapäeva teadmiste järgi koosneb Universum 74 protsendi ulatuses tumeenergiast – energiast, millest meil puudub ettekujutus. 22 protsenti on tumeainet, millest samuti pole selget teadmist. Ja neli protsenti Universumist moodustavad lihtsamad elemendid nagu vesinik ja heelium, seda vabal kujul ja tähtede koostises. Raskemaid elemente, mida tavaliselt aineks peame, on Universumis ülivähe, ainult 0,03 protsenti.

Universum paisub ja seega Universumi ruumi energiatihedus kahaneb. Teatud energiataseme puhul elementaarosakesed ühinevad, tekivad elemendid ehk aine, nagu meie seda tunneme. Lihtsamate ainete ühinemisel tähtede sisemuses tekivad raskemad elemendid. Need protsessid on tuumareaktsioonid ja nende käigus vabaneb tohutu hulk energiat, peamiselt elementaarosakeste – elektronide, prootonite, kuid ka eri tüüpi kiirguse – elektromagnetlainete kujul. Niisugused madalama energiasisaldusega energiavormid saadetakse Universumisse ja hajuvad ruumis. Tähed kiirgavad, me näeme ja naudime neid.

Energia ja elu Maal

Maal eksisteeriva elu seisukohast on energia samuti ülitähtis. On oluline, et siia jõuaks piisavalt energiat, kuid mitte liiga palju. Päikeselt ja kosmosest Maale kanduvad energia- ja ka ainevood on Maa algusaegadel olnud oluliselt suuremad ning järk-järgult kahanenud. Ent tänapäevalgi on Maale jõudva energia hulk liiga suur ja oleks hukatuslik mitmetele eluvormidele.

Liigse energia eest kaitseb Maad atmosfäär, mis Päikeselt saabuva ultraviolettkiirguse neelajana takistab selle maale jõudmist, vastasel korral orgaanilised ja biomolekulid muunduksid ning laguneksid. Et peamine ultraviolettkiirgust neelav gaas Maa atmosfääris on osoon, siis on mõistlik, et inimkond on piiranud osooni lagundavate gaaside kasutamist.

Päikeselt saabub Maale peamiselt nähtav ja infrapunakiirgus. Osa infrapunakiirgusest peegeldub ja saadetakse maailmaruumi tagasi. Mõningad Maa atmosfääri koostises olevad gaasid, eeskätt veeaur, metaan, lämmastikoksiid, osoon ning süsihappegaas neelavad infrapunakiirgust, mis põhjustab kliima soojenemist. Ilmekaim näide sellest on liustike ja mandrijää sulamine, millega võib kaasneda maailmamere taseme tõus, mis ohustab ulatuslike üleujutustega. Sõltuvalt ilmselt peamiselt päikeseenergia taseme kõikumisest võib Maa kliima ka jahtuda ja oluline osa mandritest kattuda jääkihiga. Kliima jahtumine kitsendab samuti inimkonnale sobilikke elupiirkondi ning keskkonna elukõlbulikuks muutmiseks tuleb kasutada energiat, globaalses mastaabis väga palju energiat. Kas inimkonnal on seda piisavalt ja milline on enim kasutatav energialiik?

Tuli energiaallikana

Energia tähtsust inimese kui liigi ja inimühiskonna arengus on raske üle hinnata. Kõige revolutsioonilisem sündmus on kahtlemata olnud tule kasutuselevõtt. Algas see lõkke tegemise tehnikast, kuid võimaldas järgnevaid tehnoloogilisi samme, mis viisid maakide sulatamise ja metallurgiani, uute materjalide ja tööriistade valmistamiseni, soodustades tööstuse arengut. Progress energiatootmises on omakorda võimaldanud mitte ainult tööstuse ja tehnika, vaid ka teaduse ja kultuuri arengut, kuna selleks on energiatootmise kõrvalt jäänud piisavalt aega ja vahendeid. Tänu piisavale energiavarule on inimene asustanud peaaegu kogu planeedi, ka varem elamiskõlbmatud alad, nagu polaarpiirkonnad.

Kui arvame, et tule kasutamine on vajunud minevikku ja lõket teeme veel üksnes lõbu pärast, eksime sügavalt. Tuli on tänapäevani inimkonna valdav energiaallikas, sest kuni 90 protsenti tarbitavast energiast saadakse fossiilseid kütuseid põletades. Kütuste põletamine sisepõlemis- ja muudes mootorites on 99 protsendi ulatuses aluseks nii maismaa-, vee- kui ka õhutranspordile, milleta seiskuks kohe maailmamajandus. Otsese, eriti efektiivsete kütuste plahvatusliku põletamisprotsessi kasutamisega saab siduda ka sõjanduse ja sõjatööstuse arengu.

Tuli on keemiliselt orgaaniliste ja teiste ainete põlemine ehk hapniku osalusel toimuv oksüdatsiooniprotsess, mille käigus vabaneb suur hulk energiat. Seetõttu on hapniku kasutuselevõtt toonud kaasa progressi energiatootmises ja sellega kaasnevana ühiskonna arengu. Kas aga selline areng on jätkusuutlik? Ilmselt mitte, sest kui ei leita fossiilsetele kütustele alternatiivseid energiaallikaid, oleme lähitulevikus energiakriisis, mis võib olla hoiatavalt lähedal – isegi mõne sajandi ehk kuue-seitsme inimpõlve kaugusel. Inimkond on kütusetarbimise probleeme mõistnud, kuid peamiselt kliima soojenemise problemaatika tõttu. Esimene samm tarbimise piiramiseks on orgaanilise aine põletamisel tekkiva süsihappegaasi kvootide näol tehtud. Fossiilsete kütuste nappust on samuti tunnetatud ja otsitakse alternatiivseid energiaallikaid. Samas pole nende lõppemisohtu adutud veel piisava tõsidusega, mida peegeldab kas või nafta hinna suhteline stabiilsus. Nafta hind võib aga hakata tõusma väga kiiresti – niipea, kui taibatakse, et ressurss hakkabki tegelikkuses ammenduma.

Ka hapnik võib otsa saada

Kas üksnes orgaaniline aine on piiratud ressurss? Kas üksnes orgaanilise aine kasutamisel tekkiv süsihappegaas on probleem? Vaadeldes põlemisprotsessi tervikuna, peab vastama eitavalt – orgaaniline aine pole ainus piiratud ressurss, seda on ka hapnik, mida kasutatakse orgaanilise aine põletamiseks.

Hapnik hakkas Maa atmosfääri tekkima 3,5 miljardit aastat tagasi ja saavutas tänapäevase taseme vähem kui pool miljardit aastat tagasi (joonis 1 trükinumbris). Hapnik tekkis elusorganismide kaasabil – biogeenselt, fotosünteesi tulemusena. Algselt tootsid hapnikku fotosünteetilised mikroorganismid, praegu teevad seda lisaks ka rohelised taimed, peamiselt vihmametsad. Kui vihmametsad ja ookeanide mikrofloora peaksid hävima, biogeenne hapnikutootmine lakkab ning hapniku tase võib langeda kriitilise piirini.

Küsimusele, kas tegelik olukord kinnitab hapnikutarbimisega seotud ohtude olemasolu, on vastus jaatav. Kui süsihappegaasi taseme täpseid mõõtmisi on läbi viidud juba viiskümmend aastat, siis hapniku taset on mõõdetud üksnes viimastel aastakümnetel. Kirjanduses on andmeid, mis viitavad sellele, et hapniku kontsentratsioon atmosfääris väheneb isegi kiiremini kui tõuseb süsihappegaasitase. Hapniku kontsentratsioon väheneb ka maailmameredes. On huvitav märkida, et hapnik ja süsihappegaas jaotuvad atmosfääris ja veekeskkonnas erinevalt: kui 99 protsenti hapnikku esineb atmosfääris, siis 98 protsenti süsihappegaasi lahustub maailmameres.

Seletusi hapniku viimastel aastatel täheldatud drastilisele vähenemisele atmosfääris pole ning kuna maailmamere temperatuur tõuseb, ei saa nähtust seletada ka hapniku neeldumisega maailmameres. Hapnikubilansi analüüsis tuleb oluliseks pidada biogeense hapnikutootmise taseme langust. Võrreldes 10 000 aastat varasema perioodiga on Maad katvate metsade pindala vähenenud hinnanguliselt poole võrra ja üksnes viimase kolmekümne aastaga on hapnikku tootva fütoplanktoni hulk kahanenud 30 protsenti. Juhul kui biogeense hapnikutootmise ja hapnikutarbimise saldo on jätkuvalt negatiivne, hakkab hapniku kontsentratsioon atmosfääris langema. Hapnikku on Maa atmosfääris võrreldes süsihappegaasiga(0,038 protsenti) oluliselt rohkem – 20,95 protsenti. Et elusorganismid, kaasa arvatud inimene, vajavad hapnikku, võivad juba väikesed muutused atmosfääri hapnikutasemes olla ränkade tagajärgedega.

Hapniku defitsiidiks siseruumides loetakse tänapäeval alla 19,5 protsendi. Samas võib tiheda asustusega piirkondades hapnikutase langeda 18 protsendini ning suurlinnade keskustes isegi madalamale, mis võib juba ohustada inimese tervist.

Jaanituli ilma tuleta

Kui inimkond kasvades ja arenedes kasutab ära fossiilse kütuse ja ka olulise hulga hapnikuvarust, mida elusorganismid miljardite aastate vältel on tootnud, oleme tagasi alguspunktis – Maal puudub orgaaniline aine ja atmosfääris piisav kogus hapnikku. Hapnikutase alla kümnendiku ohustab enamikke eluvorme. See aeg on veel kaugel, kuid juba kogunenud ohumärgid viitavad, et hetk, mil hapnikutase langeb alla kriitilise, võib kunagi saabuda.

Kuidas edasi? Kui on olemas piisavalt alternatiivset energiat, hakkab inimene ilmselt tootma hapnikku, mida kasutada ja hingata, kuid see on hoopis teine maailm. Hapnikku hakatakse müüma-ostma ja kokkuhoidlikult tarbima, hakatakse jagama hapnikukvoote. See saab olema karm aeg, mil jaanituld peetakse ilmselt tuleta. Niisugunegi stsenaarium võib käivituda üksnes mõne tuhande aasta möödudes.

Kas inimkonnal on fossiilsetele kütustele alternatiivset energiat? Põhimõtteliselt on ainuke arvestatav alternatiiv tuule- ja hüdroenergia. Väga võimas ja vähe reklaamitud energiaallikas on ka geotermaalne energia – Maa sisemuses peituv tohutu reserv, mis suudab lahendada energiaprobleemi pikaks ajaks. Praegu ei osata seda ammutada sügavamalt kui kolmsada meetrit, kuid inimkond areneb. Kunagi ei osatud ka naftat ammutada sügavamalt kui kakskümmend meetrit. Tuumaenergiat reaalseks alternatiiviks kahjuks nimetada ei saa, sest radioaktiivsete jäätmete ohutu matmine nõuab üha suuremaid kulutusi. On mõistetav, et tuumaenergeetika kaotab mõtte juhul, kui tuumakütuse tootmine ja jäätmete utiliseerimine nõuab rohkem energiat, kui tuumajaam toota suudab.

Bioenergeetika

Kuidas on lugu bioloogiliste süsteemidega? Näib, et ses osas energeetikaprobleemid puuduvad või on ebaolulised, ent nendest pole lihtsalt piisavalt räägitud. Teame, et vajame pisut toitu, aga kui oleme söönud, siis toimiks kõik nagu iseenesest. Kui toitu ehk energiat on vähe, tekivad eelkõige toidupuuduse probleemid. Sama juhtub ka siis, kui toitu tarbitakse üleliia. USA ja arenenud riigid kannatavad ülekaalulisuse, rasvumise ning nendega seotud haiguste all, mida peetakse 21. sajandi tõsiseimaks tervishoiuprobleemiks.

Toitumise kõrval ei vaevuta tavaliselt süvenema, kuidas bioenergeetika toimib. Teame, et bioenergeetika toimib reeglina hästi ning peame energiatarbimist oluliseks, sest head toitu ja jooki on heas seltskonnas tore nautida.

Rakuliste infosüsteemide vajadus

Bioenergeetika tähtsuse mõistmiseks vaatleme esmalt elusorganismide koostist ja ülesehitust.

Bioloogilised süsteemid – rakud – on keerukad ja sisaldavad elule ainuomaselt palju mitmesuguseid molekule. Ühtedeks tähtsamateks peetakse nukleiinhappeid, mis sisaldavad geene. Geenid sisaldavad infot valkude kui molekulaarsete tööriistade sünteesiks, geenide aktiveerimine ja regulatsioon juhib organismide arengut ning geenidefektid põhjustavad arenguhäireid. Rakkude paljunemisel geenid kopeeritakse ja kogu bioloogiline info antakse edasi järglastele. Kuidas toimib elusorganismide genoom ehk infosüsteem?

Bioloogilise info säilitamiseks tuleb geenid sünteesida, info kopeerimiseks peab olemasoleva DNA põhjal sünteesima uued, identsed DNA-molekulid (DNA replikatsioon ehk kahestumine). Info ülekandmiseks DNA-lt teistele kandjatele sünteesitakse DNA baasil esmalt mRNA (transkriptsioon) ja siis mRNA baasil aminohapetest koosnevad valgud (translatsioon; joonis 2 trükinumbris). Informatsiooni kandjaks on seega biomolekulid. Niisiis tuleb infosüsteemi toimimiseks sünteesida pidevalt uusi molekule. Tundub, nagu toimiks see automaatselt, kuid kahjuks mitte.

Adenosiintrifosfaat ehk APT on universaalne valuuta

DNA süntees: desoksünukleosiid trifosfaat (ATP) + DNAn = desoksünukleosiid difosfaat (ADP) + DNAn+1

RNA süntees: nukleosiid trifosfaat (ATP) + RNAn = nukleosiid trifosfaat (ADP)+ RNAn+1

Valkude süntees: aminohape + 3 GTP (3 ATP) + peptiid = 3 GDP (3ADP) + peptiid+1

Universaalne bioloogiline valuuta

Reastades rakuliste infosüsteemide vajadusi tähtsuse järjekorras, peame esimesele kohale paigutama samuti energia. Põhjus on lihtne: infokandjate geenide, informatsiooni vahendajamolekulide mRNA-de, molekulaarsete tööriistade valkude ja teiste biomolekulide sünteesiks, rääkimata muude oluliste bioprotsesside käivitamisest ja läbiviimisest, on vaja jälle energiat, nimetame seda siis bioloogiliseks energiaks. Mis on bioloogiline energia?

Mitmesuguste rakkude ja organismide võrdlemine näitab, et Maal esineva elu bioloogilise energia kandjaks on kindel aine – adenosiintrifosfaat ehk ATP, millele on üles ehitatud praktiliselt kõikide elusorganismide energiasüsteemid. ATP on just nagu universaalne bioloogiline valuuta, mis käivitab nii geenisünteesi, geenide transkriptsiooni, valgusünteesi, biomolekulide sünteesi kui ka teised olulised bioprotsessid, nagu ainete transpordi raku sisse ja sealt välja. Seega energeetilisest aspektist on adenosiintrifosfaat bioloogilise toimimise ehk elu alus.

Kust bioloogilised organismid seda hädavajalikku ainet – ATP-d saavad? Kõige lihtsam paljunev bioloogiline süsteem – viirus – kasutab enda taastootmiseks peremeesorganismi geenide ja valkude sünteesi mehhanisme ning energiareservi. Ökonoomne ja kaval, kuid viirus pole võimeline iseseisvaks eksistentsiks ja seetõttu viirust elusorganismiks nimetada ei saa.

Ent kust saab energiat bioloogiline rakk, mis on elusorganism? See tundub olevat elu põhiküsimus. ATP-d pole võimalik saada keskkonnast, sest vastavalt keemiaseadustele vesikeskkonnas see laguneb. Jääb üle vaid üks võimalus – rakud peavad ise ATP-d tootma.

Kuidas toota bioloogilist energiat? Kas siin on üks unikaalne võimalus või on neid mitu? Õnneks on võimalusi mitu, sest energiat saab muundada – ühe ja sama aine tootmiseks saab kasutada mitut energialiiki. Samamoodi nagu ratta võib panna pöörlema nii vee, tuule kui ka elektronide liikumise ehk elektri toimel, saab ka bioloogilist energiat toota mitmel moel. Selleks saab kasutada valgusenergiat, kuid ka teistes ainetes sisalduvat ehk keemilist energiat. Energia tootmise järgi jaotataksegi organismid vastavalt fototroofseteks ja kemotroofseteks. Samas peab kõik need lähteenergiad muundama ühtseks bioloogiliseks energiaekvivalendiks, milleks ongi ATP.

Elusorganism peab funktsioneerimiseks seega pidevalt tootma bioloogilist energiat. Siinne arutelu on ülimalt lihtne, isegi primitiivne, kuid ütleb meile üht – energia tootmine ja omamine on elusorganismi esmane vajadus ja ka elu tekke eeldus. Kui elusorganism ei suuda toota piisavalt energiat, muutub ta suure tõenäosusega varem või hiljem elutuks aineks.

Kuidas bioloogiline energiatootmine on tekkinud ja kuidas bioloogilised jõujaamad on üles ehitatud?

Orgaanilise supi teooria

Niisiis – bioloogilise energiata pole elu ja seega peaksime bioloogilise energiatootmise mehhanismi teket pidama elu tekke kõige olulisemaks ja esmaseks etapiks, millele on võimalik üles ehitada järgnevad. Taoline lähenemine pole veel üldlevinud, kuid esimesed sammud sel teel on tehtud. Nimelt peetakse juba ligi kaheksakümmend aastat kõige tõenäosemaks elu tekke hüpoteesiks seda, mis baseerub nn Haldane’i eksperimendil (Inglise bioloogi ja geneetiku John Burdon Sanderson Haldane’i järgi, kes elas aastatel 1892–1964) ja väidab, et elu tekkis ürgookeanis orgaaniliste molekulide sünteesi ja nende polümerisatsiooni tulemusena. Seda nn orgaanilise supi teooriat kinnitab katseklaasis korraldatud eksperiment, kus on võimalik lihtsatest ainetest, nagu vesi, süsihappegaas, metaan, ammoniaak, sünteesida elektrilahenduste ja kõrge temperatuuri rakendamisel väga paljusid orgaanilisi molekule, aminohappeid, nukleotiide, lipiide, mis on aluseks biopolümeeride – valkude ja nukleiinhapete – sünteesile.

Palju on vaieldud, mis tüüpi molekulid olid primaarsed, kas valgud või nukleiinhapped, kuid siiski pole see esmatähtis küsimus. Teame, et vesikeskkonnas on valkude ja nukleiinhapete sünteesi polümerisatsiooni- ehk kondenseerumisreaktsioonid (reaktsioonil eraldub vesi) energeetiliselt ebasoodsad, kuna vastasreaktsioon – polümeeride lagundamine vee molekulide toimel ehk hüdrolüüs – on energeetiliselt soodsam ja toimub iseeneslikult. Järelikult on eluks vajalike biomolekulide sünteesiks vaja energiat. Haldane pakkus välja, et algne elu sai energiat elektrilistest lahendustest (äike) ja ultraviolettkiirgusest, mis tuli Päikeselt.

Orgaanilise supi teooria kriitikuid see seletus ei rahulda ja nad väidavad, et kahjuks puudub selles teoorias jätkusuutlik energiaallikas. Kriitika on õigustatud ning tänapäeval teame, et nii elektrilahendused kui ka ultraviolettkiirgus on liiga suure energiasisaldusega ning pigem hävitavad biomolekule ja elusorganisme.

Prootonite gradiendi teooria

2010. aastal pakkusid Inglise teadlased elu tekke seletamiseks välja alternatiivse hüpoteesi, mille kohaselt pole esmatähtis orgaaniline süntees ja polümeeride teke, vaid bioloogilise energia tootmise mehhanismi leiutamine – esmased elusorganismid peavad kuidagi suutma toota bioloogilist energiat. Keskenduti ideele, et varajased rakud võtsid bioloogilise energia tootmiseks kasutusele prootonite gradiendi, mis esineb süvamere kindlates piirkondades, kus valitseb kohati leeliseline keskkond. Kui primitiivsed rakud, mis on ümbritsetud membraaniga ja tasakaalustatud happelisemas keskkonnas, satuvad leeliselisse keskkonda, toimub prootonite liikumine läbi membraani ja seda energiat saab kasutada bioloogilise energia kandjate sünteesiks. Seega peetakse prootoni gradiendis sisalduvat energiat ehk energiat, mis vabaneb prootonite liikumisel kõrgemalt kontsentratsioonilt madalamale, esmaseks bioloogiliseks energiavormiks, mida saab muundada teisteks energiavormideks.

Tänapäeval on teada, et just prootonite gradiendis sisalduvat energiat kasutatakse adenosiintrifosfaat ATP sünteesiks adenosiindifosfaadist ehk ADP-st ja anorgaanilisest fosfaadist. Kõige lihtsamalt saab sellist olukorda modelleerida poorse membraaniga, mille ühel pool on prootonite kontsentratsioon suurem kui teisel pool. Pooride avamisel hakkavad laetud osakesed liikuma madalama kontsentratsiooni poole ja liikuvad laengud sisaldavad energiat. Igasuguste suurte ja väikeste osakeste liikumises – olgu tegu õhu, vee, mõne muu aine, elektroni kui lihtsaima negatiivselt laetud osakese, prootoni kui lihtsaima positiivselt laetud osakese, teiste ioonide, laenguta aatomite või molekulidega – sisaldub energia ja selle arvel on võimalik teha tööd. Prootonid on laetud osakesed ja kui kahel pool membraani on nende kontsentratsioon erinev, tekib laengute erinevusest tingitud membraanpotentsiaal ja erinevast osakeste arvust tingitud prootonite kontsentratsiooni gradient, mis kokku moodustavad elektrokeemilise potentsiaali, mille arvelt saab teha tööd.

Töö kaudu saab energiat muundada teisteks kasulikeks energiavormideks, mida võib salvestada ja kasutada hiljem. Kirjeldatud põhimõttel töötab enamik mootoreid – kõrgemalt rõhult ehk kõrgema osakeste arvuga piirkonnast madalama rõhuga ehk väiksema osakeste arvuga piirkonda liikuvad osakesed panevad tööle turbiinid, võllid, mis omakorda kas teevad tööd (panevad liikuma teised esemed – autod, rongid, lennukid) või toodavad teist liiki energiat, peamiselt elektrienergiat. Ka elektrienergia on laetud osakeste liikumine kõrgema potentsiaali piirkonnast madalama potentsiaaliga piirkonda, mille arvel saab teha tööd. Seega on väga paljude energiavormide aluseks liikuvad osakesed. Sel lihtsal põhimõttel on konstrueeritud ka bioloogilise energiavormi – ATP tootmine prootonite gradiendis sisalduvast energiast (joonis 3 trükinumbris). Kõnealust hüpoteesi tuntakse kemoosmootse teooria nime all ja selle formuleeris 1961. aastal Inglise teadlane Peter Mitchell, keda kümme aastat hiljem hinnati tehtud avastuse eest Nobeli preemiaga.

Prootonite gradiendis sisalduva energia muundamist ATP energiaks kasutavad kõik elusorganismid tänapäevani. Kuna prootonite gradienti kõikjal ei esine, siis on selge, et see tuleb tekitada. Ja loodus on olnud leidlik – prootoni gradienti osatakse tekitada nii valgusenergiast (bakterid ja kloroplastid) kui ka elektronide liikumises sisalduvast energiast. Areng on toimunud väheefektiivsetelt energiaallikatelt, nagu valgus, efektiivsemate suunas, mille hulka kuuluvad redoksreaktsioonid ehk elektronide liikumine elektronide doonorilt elektronide vastuvõtjale ehk aktseptorile.

Tõhus elektronide aktseptor on hapnik ja enamik nüüdisaegseid aeroobseid organisme kasutabki hapnikku. Praegusaja rakkudes hõlmab aeroobne metabolism ehk hapniku kasutamisega toimuv ainevahetus prootonite gradiendi loomist ja ATP sünteesi lokaliseeritud rakusisestes organellides, milleks on mitokondrid.

Kuidas bioloogilist energiat toodetakse

Selleks on vaja vähemalt kahte väliskeskkonnast eraldatud ruumi, mida saab luua membraani abil. Tuleb tekitada prootonite gradient ja ehitada membraani ATP sünteesi molekulaarsed masinad, mis olid ilmselt esmased bioloogilised jõujaamad ja rakkude ühed esmased bioloogilised kompleksid.

ATP-d sünteesivat ensüümi nimetatakse ATP süntaasiks ja see koosneb membraanis olevast kompleksist Fo ning membraanist väljaulatuvast kompleksist F1. Fo ja F1 koosnevad omavahel interakteerunud valkudest, mida tähistatakse a, b, c, α, β, γ, δ ja ε.

Kuidas ATP süntaas toimib?

ATP süntaasi kompleksi membraani läbivas osas Fo ja valgu a kokkupuutepinnal on prootonite kanalid, mida läbides panevad prootonid liikuma Fo kompleksi ja valgulise rootori γ F1 sisemuses. F1 kompleksi pöörlemist takistab perifeerne varrekujuline nn staator, mis fikseerib F1 asendi membraani suhtes. Liikuv rootor vastastikmõjustub F1 paiknevate valkudega α ja β ning tekitab neis muutusi, millega kaasnevad ADP ja fosfaadi molekulide paigutumine ensüümi aktiivtsentritesse nõnda, et toimub ATP süntees ja keemilise energia tootmine. Ensüümi ATP süntaas aktiivtsenter paikneb α ja β valkude kokkupuutepinnal (joonis 4 trükinumbris).

ATP süntaas + ADP + Pi → ATP süntaas + ATP

Iga kolme prootoni transpordi tagajärjel teeb ATP süntaasi rootor 120-kraadise pöörde, mille käigus sünteesitakse ja vabastatakse üks ATP molekul.

ATP süntaasi kompleks on säilinud märkimisväärselt pika aja jooksul. See on sarnane nii bakterites, loomade ja taimede mitokondrites kui ka taimede klorofülli sisaldavas rakuplasmas, mis viitab ATP süntaasi iidsele põlvnemisele ja fundamentaalsele rollile elusorganismides.

Kirjeldatud rotatsioonkatalüüsi mehhanismi väljapakkumise ja struktuurse kontrolli eest omistati USA teadlasele Paul Boyerile ja Inglise teadlasele John Walkerile 1997. aastal Nobeli preemia.

Mitokondrid

Mitokondrid on membraaniga ümbritsetud organellid, mida esineb peaaegu kõigi eukarüootsete ehk tuuma omavate rakkude tsütoplasmas (joonis 5 ja 6 trükinumbris). Mitokondrite esmane ülesanne on toota suures koguses bioloogilist energiat ATP kujul.

Mitokondrid on tavaliselt ovaalse kujuga, nende suurus on 0,5–1 mikromeetrit. Erinevalt teistest raku organellidest on mitokondritel unikaalne genoom, mis inimese puhul kodeerib 37 geeniprodukti. Ülejäänud mitokondri valgud ekspresseeritakse tuumas paiknevatelt geenidelt ja transporditakse mitokondritesse. Need omadused näitavad, et mitokondrid pärinevad prokarüootsetest ehk tuuma mitteomavatest üheraksetest organismidest.

Lisaks energia tootmisele säilitavad mitokondrid kaltsiumi, osalevad rakkudevahelises signalisatsioonis, toodavad soojust ning vahendavad rakkude kasvu ja surma. Mitokondrite arv rakus varieerub, näiteks inimese punane verelible ei sisalda ühtegi mitokondrit, samas kui maksa ja lihase rakus võib neid olla sadu või isegi tuhandeid.

Mitokondrid on tekkinud rakkude sümbioosi tagajärjel, mille puhul eukarüootse raku eellasrakku sisenenud mitokondri eellasrakk spetsialiseerus peamiselt aeroobsele bioloogilise energia tootmisele.

Aeroobse energia tootmine on bioloogilise energia saamise kõige tõhusam viis. Iga nelja elektroni kohta, mis eemaldatakse substraatidelt ja kantakse üle molekulaarsele hapnikule, pumbatakse läbi membraani 20 prootonit, mille arvel sünteesitakse umbes kuus ATP molekuli. Ühe glükoosi molekuli täieliku oksüdeerimisega veeks ja süsihappegaasiks saadakse 32 molekuli ATP-d, mis on oluliselt suurem saagis, võrreldes anaeroobse ehk hapniku osaluseta toimuva protsessi – glükolüüsi – saagisega, milleks on kaks ATP molekuli.

Elektronide ülekanne hapnikule ja ATP süntees mitokondris

Mitokondritel on välismembraan ja sisemembraan, milles paiknevad elektronide ülekande kompleksid I–IV ning ATP süntaas (jooniseid 6, 7 ja 8 trükinumbris). Molekulaarse hapniku kasutamise eest vastutab kompleks IV ehk tsütokroom c osküdaas (CCO), mis koosneb eukarüootsete rakkude puhul 13 valgulisest alaühikust, millest kolme (Cox1, Cox2 ja Cox3) kodeerib mitokondriaalne DNA.

CCO sisaldab redokstsentritena kolme vaseiooni ja kahte raudasisaldavat kompleksi, mida nimetatakse heemiks (joonis 8 trükinumbris). Metallilised redokstsentrid vastutavad molekulaarse hapniku taandamise eest ja selles elektronülekandes vabanev energia kasutatakse prootonite gradiendi tekitamiseks mitokondri sisemuse ehk maatriksi ja membraanidevahelise ala vahel. Prootonite gradiendi arvelt, mida tekitavad ka teised elektroni ülekande kompleksid (kompleks I ja III), sünteesitaksegi mitokondrite sisemembraanis paikneva ATP süntaasi abil universaalset bioloogilist energiakandjat – ATP-d.

Vananemise põhjused – vase ja raua puudus

Esmapilgul näib hapniku kasutamine kulgevat raskusteta, kuid molekulaarsel tasemel on see seotud mitme keerulise probleemiga. On teada, et molekulaarsele hapnikule vähema kui nelja elektroni ülekandel ehk osalisel taandamisel tekivad kõrge reaktsioonivõimega radikaalid ja ühendid, mis on bioloogilistele süsteemidele toksilised. Seoses ohtlike vaheühendite esinemisega on aeroobse metabolismi puhul vaja realiseerida hapniku täielik ja võimalikult kiire taandamine nelja elektroniga, mille tagajärjel tekib vesi kui ohutu reaktsiooniprodukt.

Samas on molekulaarse hapniku taandamisreaktsioon seotud väga suure hulga energia vabanemisega, mis peab esmalt üle kanduma elektronide ülekandereaktsiooni katalüüsivatele redokstsentritele ja mida kasutatakse prootonite gradiendi tekitamiseks. Molekulaarse hapniku taandamisel vabaneva energia salvestamiseks sobivad biometallidest kõige paremini vaseioonid, mille peamiseks bioloogiliseks funktsiooniks rakkudes ongi kujunenud molekulaarse hapniku kasutamine nii energia tootmiseks kui ka mitmete oksüdatsioonireaktsioonide läbiviimiseks.

Seega on vase ja ka raua ioonidel täita ülioluline roll aeroobses ainevahetuses, mis on vajalik kõigi aeroobsete rakkude normaalseks toimimiseks. Rakud ühtaegu vajavad vase- ja rauaioone, kuid samas ei tohi metalliioonid rakkudes olla ka kontrollimatus olekus. Nõrgalt ja mittespetsiifiliselt seotud Cu(I)- ja Fe(II)-ioonid võivad interakteeruda mitmete hapnikuühenditega ja anda neile elektroni. Kõige ohtlikum reaktsioonipartner Cu(I)- ja Fe(II)-ioonidele on vesinikperoksiid (H2O2), millega reageerides tekivad väga kõrge reaktsioonivõimega hüdroksüülradikaalid (OH):

Cu(I)(Fe(II)) + H2O2 → Cu(II)(Fe(III)) + ·OH + OH-

Cu(II)- ja Fe(III)-ioonid muundatakse rakusiseses keskkonnas taandavate reagentide poolt tagasi Cu(I)-ks ja Fe(II)-ks ning reaktsioonitsükkel vesinikperoksiidiga võib korduda.

OH-radikaalid on aga võimelised kontrollimatult reageerima enamiku orgaaniliste molekulidega. Selle tagajärjel võivad rakkudes kahjustuda kõik biomolekulid, ka nukleiinhapped, valgud ja membraanlipiidid, mis teatud tasemest alates häirib rakkude normaalset toimimist. Taolised akumuleeruvad biomolekulide kahjustused ehk oksüdatiivne stress on elusorganismide vananemise peamine põhjus (joonis 9 trükinumbris).

Lisaks vananemisele seostub oksüdatiivne stress ka paljude haigustega, eeskätt neurodegeneratiivsete Alzheimeri ja Parkinsoni tõvega, kuid ka ateroskleroosi ja suhkurtõvega. Vananemise ja stressi foonil kulgevate haiguste puhul on peamiselt vase ja raua tase ning tasakaal organismis ja rakkudes oluliselt muutunud, mis viitab nende metallide ainevahetushäirete seotusele haiguste arenguga.

Nii ongi tekkinud oluline huvi just vase ja raua rakulise ainevahetuse ehk metabolismi ja homeostaasi (tasakaalu) paremaks mõistmiseks, kusjuures uuel teadmisel oleks oluline biomeditsiiniline rakendus, et ära hoida ja maha suruda rakulisi metallsõltuvaid haiguslikke protsesse.

Rakkude kontrolliv strateegia

Et kontrollida oksüdatiivseid kõrvalreaktsioone, kasutavad rakud mitut strateegiat. Lisaks taandavate omadustega ühenditele, nagu glutatioon, leidub tuuma omavates rakkudes madala molekulmassiga valku metallotioneiini, mis on võimeline siduma ja detoksifitseerima mitmeid metalliioone, kaasa arvatud Cu(I), eemaldades need keskkonnast. Teiseks antioksüdatiivseks kaitsestrateegiaks on reaktiivsete hapnikuosakeste lagundamine. Evolutsiooni käigus loodud antioksüdatiivsetest ensüümidest – biokatalüsaatoritest, mis kiirendavad keemilisi protsesse – on olulisemad need, mis lagundavad superoksiidi radikaale ja vesinikperoksiidi.

Superoksiidradikaal tekib molekulaarse hapniku taandamisel ühe elektroniga. Mitokondrite sisemembraanis paiknevad elektronide ülekande kompleksid ei toimi sajaprotsendilise saagisega ja hinnatakse, et kuni kaks protsenti elektrone lekib. Taoliste lekete tagajärjel tekivad rakus superoksiidradikaalid, mis pole küll keemiliselt reaktiivsed, kuid muunduvad edasi vesinikperoksiidiks, mis võib kirjeldatud viisil edasi muunduda ülireaktiivseks hüdroksüülradikaaliks. Superoksiidradikaalide neutraliseerimisprotsessis saab edukalt osaleda vask ning taoliseks vaske sisaldavaks ensüümiks rakkudes on Cu,Zn superoksiid dismutaas ehk Cu,Zn-SOD. Seega on vask leidnud rakendust nii hapniku kasutamisel kui ka rakkudele potentsiaalselt ohtlike hapnikuradikaalide vastaste kaitsereaktsioonide katalüüsis. Mitokondrite sisemuses leidub ka mangaani sisaldav SOD. Vesinikperoksiidi lagundamiseks kasutatakse ensüümi katalaas, mis muudab vesinikperoksiidi veeks ja hapnikuks.

Seega kõrvaldatakse SOD-de ja katalaasi abil hapniku ühe ja kahe elektroniga taandatud osakesi ning muundatakse need veeks ja hapnikuks. Katalaas on üks kiiremaid ensüüme, mis muundab ühes sekundis 40 miljonit peroksiidimolekuli ja milles katalüüsi eest vastutab rauaioone sisaldav ühend – heem.

Antioksüdatiivsed süsteemid on niisiis väga tõhusad ja nende väljatöötamine pidi algama juba enne hapniku kasutuselevõttu. Alles pärast seda, kui üheraksed organismid olid kohastunud kasvava hapnikutasemega, saabus hetk, mil hapnik võeti kasutusele energia tootmiseks.

Tõstes SOD-de ja katalaasi taset geenitehnoloogiliste vahenditega, toob see mudelorganismides nagu ümaruss ja hiir kaasa eluea olulise tõusu, mis kinnitab hapnikuradikaalide olulist osa vananemises ja vananemisest sõltuvate haiguste arengus.

Lisaks ensüümidele kasutavad bioloogilised süsteemid reaktiivsete hapnikuosakeste neutraliseerimiseks veel antioksüdatiivsete omadustega E- ja C-vitamiini ning samuti teisi toiduainetes sisalduvaid antioksüdante, nagu flavonoide, karotenoide ja polüfenoole. Viimaseid leidub hulgaliselt marjades ja köögiviljades, kuid ka näiteks punases veinis.

Nagu näeme, kulgeb bioloogilise energia tootmine ja hapniku kasutamine probleemideta, kuni kasulikud, energiat tootvad protsessid ning kahjulikud, reaktiivsete hapnikuühenditega seotud kõrvalprotsessid püsivad tasakaalus. Oluline organismi kaitsemehhanism on energia tootmisel tekkivate kõrvalproduktide neutraliseerimine, millest sõltub nii organismi eluiga kui ka haiguste esinemine.

Bioenergeetika arvudes

Elektronide ülekande komplekside I–IV abil transporditakse iga kahe elektroni kohta läbi membraani kümme prootonit. Iga kolmanda prootoni transpordil läbi ATP süntaasi kompleksi sünteesitakse üks ATP molekul.

APT sünteesi tsükkel toimub pidevalt, sest päevas vajab keskmine inimene (kaal 70 kg) 2800 kilokalorit (11 700 kilodžauli) energiat. Toidus sisalduva energia konverteerimine ATP-ks toimub umbes 50-protsendise efektiivsusega. Seega sünteesitakse päevas niipalju ATP-d, et see kataks energiavajaduse 5866 kilodžauli.

ATP hüdrolüüs annab rakulistes tingimustes umbes 50 kJ/mol, kokku sünteesitakse keskmises inimorganismis päevas 117 mooli ATP-d, mille mass on 64,6 kg.

Inimorganismis on umbes 50 grammi ATP-d, seega vahetub ATP tsükkel umbes 1300 korda päevas.

Kokku transporditakse läbi mitokondrite sisemembraani kolm mooli prootoneid ühe mooli sünteesitud ATP kohta, järelikult transporditakse läbi membraani 351 mooli prootoneid päevas. Arvestades happeekvivalentidesse, oleks see kas 17,7 kg kontsentreeritud väävelhapet või 35,6 kg kontsentreeritud soolhapet.

Oksüdatiivses fosforüleerimises tarbitakse iga nelja transporditud elektroni kohta üks hapnikumolekul.

Inimorganism tarbib päevas 562 grammi hapnikku ehk 393 liitrit puhast gaasilist hapnikku.

Inimorganismis tekib päevas 773 grammi süsihappegaasi ehk 393 liitrit puhast gaasilist süsihappegaasi.

 

PEEP PALUMAA (1959) on lõpetanud Võru 1. Keskkooli kuldmedaliga 1977 ja Tartu Ülikooli keemiaosakonna cum laude bioorgaanilises keemias 1982. Doktorikraadi (PhD) orgaanilises keemias sai 1986. Töötanud aastaid Tartu Ülikoolis, olnud külalisprofessor Zürichis ja Münsteris ning külalisteadur Kuopios. 1999. aastast töötab Tallinna Tehnikaülikoolis, 2002. aastast sealsamas geenitehnoloogia instituudi professor. Teadustöö põhisuunad – struktuurne ja meditsiiniline metalloproteoomika, Alzheimeri tõve molekulaarsed mehhanismid. Eesti teaduspreemia keemia ja molekulaarbioloogia alal 2011. Eesti Biokeemia Seltsi president.

2011. aasta novembris valiti professor Peep Palumaa esimese Eestis töötava teadlasena Euroopa Molekulaarbioloogia Organisatsiooni (European Molecular Biology Organization, EMBO) eluaegseks liikmeks. Sellesse organisatsiooni kuulub 1500 tipploodusteadlast üle maailma, nende hulgas 57 nobelisti, ja veel üks eestlane – Helsingis töötav Eesti TA akadeemik professor Mart Saarma.

Ilmume ka e-ajakirjana: