OXIDAČNÁ FOSFORYLÁCIA: ŠTÁDIÁ, FUNKCIE A INHIBÍTORY - BIOLÓGIE - 2025

Oxidatívny fosforylácie je proces, keď sú molekuly syntetizované ATP z ADP a P _i (anorganický fosfát). Tento mechanizmus vykonávajú baktérie a eukaryotické bunky. V eukaryotických bunkách prebieha fosforylácia v mitochondriálnej matrici ne fotosyntetických buniek.

Produkcia ATP je poháňaný prevodom elektrónov od koenzýmy NADH alebo FADH ₂ na O ₂ . Tento proces predstavuje hlavnú produkciu energie v bunke a je odvodený z rozkladu uhľohydrátov a tukov.

Zdroj: Robot8A

Energia uložená v nálohe a gradienty pH, tiež známe ako protónová hnacia sila, umožňuje tento proces. Vytvorený protónový gradient spôsobuje, že vonkajšia časť membrány má kladný náboj v dôsledku koncentrácie protónov (H ⁺ ) a mitochondriálnej matrice, ktorá je negatívna.

Kde sa vyskytuje oxidačná fosforylácia?

Procesy prenosu elektrónov a oxidačnej fosforylácie sú spojené s membránou. V prokaryotoch sa tieto mechanizmy uskutočňujú cez plazmovú membránu. V eukaryotických bunkách sa spájajú s mitochondriálnou membránou.

Počet mitochondrií nájdených v bunkách sa líši v závislosti od typu bunky. Napríklad u cicavcov erytrocyty postrádajú tieto organely, zatiaľ čo iné typy buniek, ako napríklad svalové bunky, ich môžu mať až milióny.

Mitochondriálna membrána pozostáva z jednoduchej vonkajšej membrány, trochu zložitejšej vnútornej membrány a medzi nimi medzimembránového priestoru, v ktorom sa nachádza veľa enzýmov závislých od ATP.

Vonkajšia membrána obsahuje proteín nazývaný porín, ktorý tvorí kanály pre jednoduchú difúziu malých molekúl. Táto membrána je zodpovedná za udržiavanie štruktúry a tvaru mitochondrií.

Vnútorná membrána má vyššiu hustotu a je bohatá na proteíny. Je tiež nepriepustné pre molekuly a ióny, takže na jej kríženie potrebujú intermembránové proteíny, aby ich transportovali.

Vo vnútri matrice sa rozkladajú záhyby vnútornej membrány a vytvárajú sa hrebene, ktoré jej umožňujú mať veľkú plochu v malom objeme.

Bunková elektráreň

Mitochondria sa považuje za výrobcu bunkovej energie. Obsahuje enzýmy zapojené do procesov cyklu kyseliny citrónovej, oxidácie mastných kyselín a redoxné enzýmy a proteíny zapojené do prenosu elektrónov a fosforylácie ADP.

Protónový koncentračný gradient (pH gradient) a nábojový gradient alebo elektrický potenciál vo vnútornej membráne mitochondrií sú zodpovedné za hnaciu silu protónu. Nízka priepustnosť vnútornej membrány pre ióny (iné ako H ⁺ ) umožňuje mitochondriám stabilný gradient napätia.

Elektronická preprava, čerpanie protónov a výroba ATP sa vyskytujú súčasne v mitochondriách vďaka protónovej hnacej sile. PH gradient udržuje kyslé podmienky v medzimembráne a v mitochondriálnej matrici za alkalických podmienok.

Pre každé dva elektróny prevedených na O ₂ asi 10 protóny sú čerpané cez membránu, čím elektrochemický gradient. Energia uvoľnená v tomto procese sa produkuje postupne prechodom elektrónov cez transportný reťazec.

etapy

Energia uvoľnená počas oxidačno-redukčných reakcií NADH a FADH ₂ je značne vysoká (okolo 53 kcal / mol na každý pár elektrónov), takže na použitie pri výrobe molekúl ATP sa musí produkovať postupne s priechod elektrónov cez transportéry.

Sú usporiadané do štyroch komplexov umiestnených na vnútornej mitochondriálnej membráne. Kopulácia týchto reakcií so syntézou ATP sa uskutočňuje v piatom komplexe.

Elektrónový dopravný reťazec

NADH prenáša pár elektrónov, ktoré vstupujú do komplexu I reťazca prenosu elektrónov. Elektróny sa prenášajú na flavínový mononukleotid a potom na ubiquinón (koenzým Q) pomocou transportéra železo-síra. Tento proces uvoľňuje veľké množstvo energie (16,6 kcal / mol).

Ubichinón transportuje elektróny cez membránu do komplexu III. V tomto komplexe elektróny prechádzajú cez cytochrómy b a c ₁ vďaka transportéru železo-síra.

Elektróny prechádzajú z komplexu III do komplexu IV (cytochróm c oxidáza), prenášané jeden po druhom do cytochrómu c (proteín periférnej membrány). V komplexe IV elektróny prechádzajú dvojicou iónov medi (Cu ²⁺ ), potom na cytochróm c , potom na ďalšiu dvojicu iónov medi (Cu _b ²⁺ ) a z toho sa cytochrómu a ₃ .

Nakoniec, elektróny sú prevedené na O _2, ktorý je posledným akceptor a tvorí molekulu vody (H ₂ O) pre každý pár elektrónov prijatých. Priechod elektrónov z komplexu IV O ₂ tiež generuje veľké množstvo voľnej energie (25,8 kcal / mol).

Sukcinátná CoQ reduktáza

Komplex II (sukcinátová CoQ reduktáza) prijíma pár elektrónov z cyklu kyseliny citrónovej oxidáciou sukcinátovej molekuly na fumarát. Tieto elektróny sa prenesú do FAD a potom prechádzajú cez skupinu železo-síra do ubichinónu. Z tohto koenzýmu idú do komplexu III a nasledujú už opísanú cestu.

Energia uvoľnená pri reakcii prenosu elektrónov na FAD nestačí na poháňanie protónov cez membránu, takže v tomto kroku reťazca nevzniká žiadna hnacia sila protónu, a preto FADH poskytuje menej H ⁺ ako NADH.

Spojenie alebo prevod energie

Energia generovaná vyššie opísaným procesom prenosu elektrónov musí byť schopná byť použitá na výrobu ATP, reakciu katalyzovanú enzýmom ATP syntáza alebo komplex V. Zachovanie tejto energie je známe ako energetická väzba a mechanizmus bol ťažko charakterizovať.

Bolo opísaných niekoľko hypotéz na opísanie tohto prenosu energie. Najlepšie akceptovaná je hypotéza chemosmotickej kopulácie, ktorá je opísaná nižšie.

Chemosmotická väzba

Tento mechanizmus navrhuje, že energia použitá na syntézu ATP pochádza z protónového gradientu v bunkových membránach. Tento proces zasahuje do mitochondrií, chloroplastov a baktérií a je spojený s transportom elektrónov.

Komplexy I a IV transportu elektrónov pôsobia ako protónové pumpy. Tieto podstupujú konformačné zmeny, ktoré im umožňujú pumpovať protóny do intermembránového priestoru. V komplexe IV, pre každú dvojicu elektrónov, dva protóny sú čerpané z membrány a ďalšie dva zostávajú v matrici, tvoriaci H ₂ O.

Ubichinón v komplexe III prijíma protóny z komplexov I a II a uvoľňuje ich na vonkajšiu stranu membrány. Komplexy I a III každý umožňujú prechod štyroch protónov pre každý pár transportovaných elektrónov.

Mitochondriálna matrica má nízku koncentráciu protónov a negatívny elektrický potenciál, zatiaľ čo intermembránový priestor predstavuje inverzné podmienky. Tok protónov touto membránou predstavuje elektrochemický gradient, ktorý ukladá potrebnú energiu (± 5 kcal / mol na protón) na syntézu ATP.

Syntéza ATP

Enzým ATP syntetáza je piaty komplex, ktorý sa podieľa na oxidačnej fosforylácii. Je zodpovedný za využitie energie elektrochemického gradientu na vytvorenie ATP.

Tento transmembránový proteín sa skladá z dvoch častí: F ₀ a F ₁ . F ₀ zložka umožňuje návrat protónov do mitochondriálnej matrix, fungujúci ako kanál a F ₁ katalyzuje syntézu ATP prostredníctvom ADP a P _i , využitím energie uvedeného návratu.

ATP syntézy vyžaduje štrukturálne zmeny v F ₁ a montáž súčiastok F ₀ a F ₁ . H-Nukleárna translokácia až F ₀ spôsobí konformační zmeny v troch podjednotiek F ₁ , čo umožňuje pôsobiť ako otáčania motora, riadenia tvorby ATP.

Podjednotka zodpovedá za viazanie ADP s P _i mení od slabého stavu (L) k aktívnej jednej (T). Keď sa vytvorí ATP, druhá podjednotka prejde do otvoreného stavu (O), ktorý umožňuje uvoľnenie tejto molekuly. Po uvoľnení ATP prejde táto podjednotka z otvoreného do neaktívneho stavu (L).

ADP a P _aj molekuly sa viažu na a-podjednotku, ktorá uplynula od O stave do stavu L.

Produkty

Elektrónový transportný reťazec a fosforylácia produkujú molekuly ATP. Oxidácia NADH produkuje asi 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) voľnej energie.

Celková reakcia na oxidáciu NADH je:

NADH + 1 - ₂ O ₂ + H ^{+ -} H ₂ O + NAD ⁺

Prenos elektrónov z NADH a FADH ₂ dochádza prostredníctvom rôznych komplexov, čo je zmena voľnej energie? G ° rozobrať na menšie energie "pakety", ktoré sú spojené so syntézy ATP.

Oxidácia jednej molekuly NADH generuje syntézu troch molekúl ATP. Kým oxidácia molekuly FADH ₂ je pripojený k syntéze dvoch ATP.

Tieto koenzýmy pochádzajú z procesov cyklu glykolýzy a kyseliny citrónovej. Pre každú degradovanú molekulu glukózy nakoniec produkujú 36 alebo 38 molekúl ATP, v závislosti od umiestnenia buniek. V mozgu a kostrovom svale sa produkuje 36 ATP, zatiaľ čo v svalovom tkanive sa produkuje 38 ATP.

Vlastnosti

Všetky organizmy, jednobunkové a mnohobunkové, potrebujú vo svojich bunkách minimálnu energiu na vykonávanie procesov v nich a na udržanie životne dôležitých funkcií v celom organizme.

Metabolické procesy vyžadujú energiu. Väčšina využiteľnej energie sa získava rozkladom uhľohydrátov a tukov. Táto energia je odvodená z procesu oxidačnej fosforylácie.

Kontrola oxidačnej fosforylácie

Miera využitia ATP v bunkách riadi jeho syntézu a na druhej strane vďaka kondenzácii oxidačnej fosforylácie s reťazcom transportu elektrónov tiež všeobecne reguluje rýchlosť prenosu elektrónov.

Oxidačná fosforylácia má prísnu kontrolu, ktorá zaisťuje, že ATP sa nevytvára rýchlejšie, ako sa spotrebúva. Existujú určité kroky v procese prenosu elektrónov a viazanej fosforylácie, ktoré regulujú rýchlosť výroby energie.

Koordinovaná kontrola výroby ATP

Hlavnými cestami produkcie energie (bunkový ATP) sú glykolýza, cyklus kyseliny citrónovej a oxidačná fosforylácia. Koordinovaná kontrola týchto troch procesov reguluje syntézu ATP.

Kontrola fosforylácie pomocou pomeru hmotnostného pôsobenia ATP závisí od presného prísunu elektrónov v transportnom reťazci. To zase závisí od / pomeru, ktorý je udržiavaný vysoký pôsobením glykolýzy a cyklu kyseliny citrónovej.

Táto koordinovaná kontrola sa vykonáva reguláciou glykolýznych kontrolných bodov (citrát inhibovaný PFK) a cyklu kyseliny citrónovej (pyruvát dehydrogenáza, citrát tapáza, izocitrát dehydrogenáza a a-ketoglutarát dehydrogenáza).

Kontrola prijímateľom

Komplex IV (cytochróm c oxidáza) je enzým regulovaný jedným zo svojich substrátov, to znamená, že jeho aktivita je kontrolovaná redukovaným cytochrómom c (c ²⁺ ), ktorý je zase v rovnováhe s pomerom koncentrácií medzi / a pomer hmotnostnej akcie / +.

Čím vyšší je pomer / a tým nižší je / +, tým vyššia je koncentrácia cytochrómu a vyššia aktivita komplexu IV. To sa interpretuje napríklad, ak porovnávame organizmy s rôznymi odpočinkovými a vysokoaktívnymi činnosťami.

U jedinca s vysokou fyzickou aktivitou bude spotreba ATP, a teda aj jej hydrolýza na ADP + P _i, veľmi vysoká, čo spôsobí rozdiel v pomere účinku hmoty, ktorý spôsobí zvýšenie a teda zvýšenie syntéza ATP. U jednotlivca v pokoji nastáva opačná situácia.

Nakoniec sa rýchlosť oxidačnej fosforylácie zvyšuje s koncentráciou ADP v mitochondriách. Uvedená koncentrácia je závislá na ADP-ATP translokátory zodpovedných za prepravu adeninových nukleotidov a P _aj z cytosolu do mitochondriálnej matrix.

Oddeľovacie činidlá

Oxidačná fosforylácia je ovplyvňovaná určitými chemickými látkami, ktoré umožňujú pokračovanie transportu elektrónov bez fosforylácie ADP, nespájajú produkciu a zachovanie energie.

Tieto látky stimulujú rýchlosť spotreby kyslíka mitochondrií v neprítomnosti ADP, čo tiež spôsobuje zvýšenie hydrolýzy ATP. Fungujú tak, že odstránia medziprodukt alebo prerušia energetický stav v reťazci prenosu elektrónov.

2,4-dinitrofenol, slabá kyselina, ktorá prechádza mitochondriálnymi membránami, je zodpovedný za rozptýlenie protónového gradientu, pretože sa na ne viažu na kyslej strane a uvoľňuje ich na bázickej strane.

Táto zlúčenina sa použila ako "tabletka na chudnutie", pretože sa zistilo, že spôsobuje zvýšenie respirácie, a teda zvýšenie rýchlosti metabolizmu a súvisiace zníženie hmotnosti. Ukázalo sa však, že jej negatívny účinok by mohol spôsobiť smrť.

Rozptyl protónového gradientu vytvára teplo. Bunky v hnedom tukovom tkanive používajú na výrobu tepla hormonálne kontrolované rozpojenie. Hibernácia cicavcov a novorodencov, ktorým chýbajú vlasy, pozostáva z tohto tkaniva, ktoré slúži ako druh tepelnej pokrývky.

inhibítory

Inhibičný zlúčeniny alebo činidlá sa predišlo O ₂ spotreba (transportu elektrónov) a spojené oxidatívny fosforylácie. Tieto látky zabraňujú tvorbe ATP pomocou energie vyrobenej v elektronickej doprave. Dopravná reťaz sa preto zastaví, keď uvedená spotreba energie nie je k dispozícii.

Antibiotický oligomycín funguje ako inhibítor fosforylácie v mnohých baktériách, čím bráni stimulácii syntézy ADP na syntézu ATP.

Existujú tiež ionoforové činidlá, ktoré tvoria v tuku rozpustné komplexy s katiónmi, ako sú K ⁺ a Na ⁺ , a prechádzajú s týmito katiónmi mitochondriálnou membránou. Mitochondrie potom využívajú energiu vyrobenú v elektronickej doprave na čerpanie katiónov namiesto syntézy ATP.

Referencie

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Základná bunková biológia. New York: Garland Science.
2. Cooper, GM, Hausman, RE a Wright, N. (2010). Bunka. (str. 397 až 402). Marban.
3. Devlin, TM (1992). Učebnica biochémie: s klinickými koreláciami. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH, a Grisham, CM (2008). Biochémie. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). Biológia molekulárnych buniek. Macmillan.
6. Nelson, DL, a Cox, MM (2006). Lehninger Principles of Biochemistry 4. vydanie. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochémie. Panamerican Medical Ed.