OKSIDATIVNA FOSFORILACIJA: STADIJI, FUNKCIJE IN INHIBITORJI - BIOLOGIJA - 2026

Oksidativne fosforilacije je postopek, kjer se molekule sintetiziramo ATP iz ADP in P _i (anorganski fosfat). Ta mehanizem izvajajo bakterije in evkariontske celice. V evkariontskih celicah fosforilacija poteka v mitohondrijskem matriksu nefotosintetskih celic.

Proizvodnja ATP poganja prenosu elektronov iz koencimov NADH ali FADH ₂ do O ₂ . Ta postopek predstavlja glavno proizvodnjo energije v celici in izhaja iz razgradnje ogljikovih hidratov in maščob.

Vir: Robot8A

Energija, shranjena v gradientu naboja in pH, znana tudi kot protonska gibalna sila, omogoča ta proces. Nastali gradient protona povzroči, da ima zunanji del membrane pozitiven naboj zaradi koncentracije protonov (H ⁺ ) in mitohondrijskega matriksa negativni.

Kje pride do oksidativne fosforilacije?

Procesi prenosa elektronov in oksidativno fosforilacijo so povezani z membrano. Pri prokariotih se ti mehanizmi odvijajo skozi plazemsko membrano. V evkariontskih celicah se povezujejo z mitohondrijsko membrano.

Število mitohondrijev, ki jih najdemo v celicah, se razlikuje glede na vrsto celice. Na primer, pri sesalcih eritrociti nimajo teh organelov, druge vrste celic, na primer mišične celice, pa jih lahko imajo do več milijonov.

Mitohondrijska membrana je sestavljena iz preproste zunanje membrane, nekoliko bolj zapletene notranje membrane, vmes pa medmembranskega prostora, kjer se nahaja veliko encimov, odvisnih od ATP.

Zunanja membrana vsebuje protein, imenovan porin, ki tvori kanale za preprosto difuzijo majhnih molekul. Ta membrana je odgovorna za vzdrževanje strukture in oblike mitohondrijev.

Notranja membrana ima večjo gostoto in je bogata z beljakovinami. Prav tako je neprepustna za molekule in ione, tako da za prekrižanje potrebujejo medmembranske beljakovine, da jih lahko prevažajo.

V notranjosti matrike se raztezajo gube notranje membrane, ki tvorijo grebene, ki omogočajo veliko površino z majhnim volumnom.

Celična elektrarna

Mitohondriji veljajo za proizvajalca celične energije. Vsebuje encime, vključene v procese cikla citronske kisline, oksidacijo maščobnih kislin ter redoks encime in beljakovine, ki sodelujejo pri transportu elektronov in fosforilaciji ADP.

Koncentracijski gradient protona (gradient pH) in gradient naboja ali električni potencial v notranji membrani mitohondrijev sta odgovorna za gibalno silo protona. Nizka prepustnost notranje membrane za ione (razen H ⁺ ) omogoča mitohondrijam stabilen gradient napetosti.

Elektronski transport, črpanje protonov in proizvodnja ATP se pojavljajo istočasno v mitohondrijih, zahvaljujoč protonski gibalni sili. Gradient pH vzdržuje kisle pogoje v med membrani in v mitohondrijskem matriksu z alkalnimi pogoji.

Pri vsaki dve elektroni prenesejo do O ₂ se okoli 10 protoni črpamo skozi membrano, ki ustvarja elektrokemijsko gradienta. Energija, ki se sprošča v tem procesu, nastaja postopoma s prehodom elektronov skozi transportno verigo.

Obdobja

Energija, ki se sprosti med oksidacijsko-redukcijskimi reakcijami NADH in FADH _2, je precej velika (približno 53 kcal / mol za vsak par elektronov), zato jo je treba uporabiti pri izdelavi molekul ATP, vendar pa jo moramo postopoma proizvajati z prehod elektronov skozi transporterje.

Ti so organizirani v štiri komplekse, ki se nahajajo na notranji mitohondrijski membrani. Povezovanje teh reakcij na sintezo ATP poteka v petem kompleksu.

Transportna veriga elektronov

NADH prenese par elektronov, ki vstopajo v kompleks I verige prenosa elektronov. Elektroni se preko prenosnika železa in žvepla prenesejo v mononukleotid flavina in nato v ubikinon (koencim Q). S tem postopkom se sprosti velika količina energije (16,6 kcal / mol).

Ubikinon prevaža elektrone po membrani do kompleksa III. V tem kompleksu elektroni prehajajo skozi citohrome b in c ₁ zahvaljujoč prevozniku železa in žvepla.

Elektroni prehajajo iz kompleksa III v kompleks IV (citokrom c oksidaza), ki se en za drugim prenašajo v citokrom c (protein periferne membrane). V kompleksu IV elektroni prehajajo skozi par bakrovih ionov (Cu _a ²⁺ ), nato v citokrom c _a , nato v drug par bakrovih ionov (Cu _b ²⁺ ) in od tega v citokrom a ₃ .

Končno so elektroni prenesejo do O ₂ , ki je bila nazadnje akceptor in tvori molekulo vode (H ₂ O) za vsak par elektronov prejeti. Prehod elektronov iz kompleksa IV do O ₂ tvori tudi veliko količino proste energije (25,8 kJ / mol).

Sukcinantna CoQ reduktaza

Kompleks II (sukcinatna CoQ reduktaza) prejme par elektronov iz cikla citronske kisline z oksidacijo molekule sukcinata v fumarat. Ti elektroni se prenesejo v FAD, skozi skupino železo-žvepla, v ubikinon. Iz tega koencima gredo v kompleks III in sledijo prej opisani poti.

Energija, ki se sprosti pri reakciji prenosa elektronov na FAD, ni dovolj za pogon protonov skozi membrano, zato v tem koraku verige ne nastane protonska gibalna sila in posledično FADH proizvede manj H ⁺ kot NADH.

Povezovanje ali pretvorba energije

Energija, ustvarjena v predhodno opisanem postopku prenosa elektronov, mora biti sposobna uporabiti za proizvodnjo ATP, reakcije, ki jo katalizira encim ATP sintaza ali kompleks V. Ohranjanje te energije je znano kot spajanje energije, mehanizem pa je bil težko opisati.

Za opis te pretvorbe energije je bilo opisanih več hipotez. Najbolje sprejeta je hipoteza hemozmotičnega spajanja, opisana spodaj.

Kemozmotična sklopka

Ta mehanizem predlaga, da energija, ki se uporablja za sintezo ATP, izvira iz protonskega gradienta v celičnih membranah. Ta proces posega v mitohondrije, kloroplaste in bakterije ter je povezan s transportom elektronov.

Kompleksi I in IV prenosa elektronov delujejo kot protonske črpalke. Ti so podvrženi konformacijskim spremembam, ki jim omogočajo črpanje protonov v medembranski prostor. V kompleksa IV, za vsak par elektronov, dva protoni črpa iz membrane in dva ostane v matrici, ki tvorijo H ₂ O.

Ubikinon v kompleksu III sprejema protone iz kompleksov I in II in jih sprošča na zunanjo stran membrane. Kompleksa I in III omogočata prehod štirih protonov za vsak par prepeljanih elektronov.

Mitohondrijska matrica ima nizko koncentracijo protonov in negativni električni potencial, medmembranski prostor pa predstavlja obratne pogoje. Pretok protonov skozi to membrano predstavlja elektrokemični gradient, ki hrani potrebno energijo (± 5 kcal / mol na proton) za sintezo ATP.

Sinteza ATP

Encim ATP sintetaza je peti kompleks, ki sodeluje pri oksidativni fosforilaciji. Odgovoren je za izkoriščanje energije elektrokemičnega gradienta za tvorbo ATP.

Ta transmembranski protein je sestavljen iz dveh komponent: F ₀ in F ₁ . F ₀ komponenta omogoča vrnitev protonov v mitohondrijske matrico, ki deluje kot kanal in F ₁ katalizira sintezo ATP preko ADP in P _i , z energijo omenjenemu povratnemu vodu.

Proces sinteze ATP zahteva strukturno spremembo F ₁ in sestavljanje komponent F ₀ in F ₁ . Pretočna protona skozi F ₀ povzroči konformacijske spremembe v treh podenotah F ₁ , ki mu omogočajo, da deluje kot motor vrtenja in usmerja nastanek ATP.

Podenota, odgovorna za vezavo ADP s P _{i, se} spremeni iz šibkega stanja (L) v aktivno (T). Ko nastane ATP, druga podenota preide v odprto stanje (O), ki omogoča sproščanje te molekule. Po sprostitvi ATP ta podenota preide iz odprtega stanja v neaktivno stanje (L).

Molekuli ADP in P _{i se} vežeta na podenoto, ki je prešla iz stanja O v stanje L.

izdelkov

Elektronska transportna veriga in fosforilacija proizvajata molekuli ATP. Pri oksidaciji NADH nastane približno 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) proste energije.

Celotna reakcija oksidacije NADH je:

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Prenos elektronov iz NADH in FADH ₂ poteka skozi različne komplekse, ki omogočajo, da se prosta sprememba energije ΔG ° razgradi na manjše "pakete" energije, ki so povezani s sintezo ATP.

Oksidacija ene molekule NADH povzroči sintezo treh molekul ATP. Medtem ko je oksidacija molekule FADH ₂ povezana s sintezo dveh ATP.

Ti koencimi izvirajo iz ciklusov glikolize in citronske kisline. Za vsako molekulo razgrajene glukoze na koncu nastane 36 ali 38 molekul ATP, odvisno od lokacije celic. V možganih in skeletnih mišicah nastane 36 ATP, v mišičnem tkivu pa 38 ATP.

Lastnosti

Vsi organizmi, enocelični in večcelični, potrebujejo v svojih celicah minimalno energijo za izvajanje procesov v njih in ohranjajo vitalne funkcije v celotnem organizmu.

Presnovni procesi potrebujejo energijo, da potekajo. Večino uporabne energije dobimo pri razgradnji ogljikovih hidratov in maščob. Ta energija se pridobiva iz procesa oksidativne fosforilacije.

Nadzor oksidativne fosforilacije

Stopnja izkoriščenosti ATP v celicah nadzoruje njegovo sintezo in posledično zaradi povezave oksidativne fosforilacije z verigo prenosa elektronov na splošno ureja tudi hitrost prenosa elektronov.

Oksidativna fosforilacija ima strog nadzor, ki zagotavlja, da ATP ne nastaja hitreje, kot ga porabimo. V procesu prevoza elektronov in vezane fosforilacije obstajajo določeni koraki, ki uravnavajo hitrost proizvodnje energije.

Usklajeni nadzor proizvodnje ATP

Glavne poti proizvodnje energije (celični ATP) so glikoliza, cikel citronske kisline in oksidativna fosforilacija. Usklajeni nadzor teh treh procesov uravnava sintezo ATP.

Nadzor fosforilacije z razmerjem masnega delovanja ATP je odvisen od natančne oskrbe elektronov v transportni verigi. To pa je odvisno od / razmerja, ki ga ohranja delovanje glikolize in cikla citronske kisline.

Ta usklajena kontrola se izvaja z uravnavanjem kontrolnih točk glikolize (citrat inhibira PFK) in cikla citronske kisline (piruvat dehidrogenaza, citrat trapeaza, izocitrat dehidrogenaza in α-ketoglutarat dehidrogenaza).

Nadzor s sprejemnikom

Kompleks IV (citokrom c oksidaza) je encim, ki ga uravnava eden od njegovih substratov, torej njegovo aktivnost nadzira znižani citokrom c (c ²⁺ ), ki je v ravnovesju s koncentracijskim razmerjem med / in razmerje masnega delovanja / +.

Višje kot je razmerje / in nižje je / +, višja je koncentracija citokroma in višja je aktivnost kompleksnega IV. To razlagamo na primer, če organizme primerjamo z različnimi aktivnostmi počitka in z visoko aktivnostjo.

Pri posamezniku z visoko fizično aktivnostjo bo poraba ATP-ja in s tem njegova hidroliza do ADP + P _i zelo velika, kar bo povzročilo razliko v masnem razmerju delovanja, ki povzroča povečanje in s tem povečanje sinteza ATP. Pri posamezniku v mirovanju se zgodi obratna situacija.

Konec koncev se stopnja oksidativne fosforilacije poveča s koncentracijo ADP znotraj mitohondrijev. Omenjena koncentracija je odvisna od prenosnikov ADP-ATP, ki so odgovorni za transport adeninskih nukleotidov in P _i iz citosola v mitohondrijski matriks.

Sredstva za odklapljanje

Na oksidativno fosforilacijo vplivajo nekatera kemična sredstva, ki omogočajo nadaljevanje transporta elektronov, ne da bi prišlo do fosforilacije ADP, ne da bi se ločila proizvodnja in ohranjanje energije.

Ta sredstva spodbudijo stopnjo porabe kisika mitohondrijev, če ADP ni, kar povzroči tudi povečanje hidrolize ATP. Delujejo tako, da odstranijo vmesno ali prekinejo energetsko stanje v verigi prenosa elektronov.

2,4-dinitrofenol, šibka kislina, ki prehaja skozi mitohondrijske membrane, je odgovoren za razpršitev protonskega gradienta, saj se na njih vežejo na kisli strani in jih sprostijo na osnovni strani.

Ta spojina je bila uporabljena kot "dieta proti tabletkam", saj je bilo ugotovljeno, da povzroči povečanje dihanja, torej povečanje metabolične hitrosti in s tem povezano hujšanje. Pokazalo pa se je, da lahko njegov negativni učinek povzroči celo smrt.

Razprševanje protonskega gradienta proizvaja toploto. Celice v rjavem maščobnem tkivu uporabljajo hormonsko nadzorovano odstranjevanje, da proizvajajo toploto. Zimujoči sesalci in novorojenčki, ki nimajo dlake, so sestavljeni iz tega tkiva, ki služi kot nekakšna termična odeja.

Zaviralci

Inhibitorni spojine ali sredstva preprečujejo oba O ₂ porabe (transport elektronov) in pripadajoči oksidativne fosforilacije. Ta sredstva preprečujejo nastajanje ATP z uporabo energije, proizvedene v elektronskem prometu. Zato se transportna veriga ustavi, ko omenjena poraba energije ni na voljo.

Antibiotik oligomicin deluje kot zaviralec fosforilacije pri mnogih bakterijah in preprečuje stimulacijo ADP na sintezo ATP.

Obstajajo tudi ionoforna sredstva, ki tvorijo v maščobi topne komplekse s kationi, kot sta K ⁺ in Na ⁺ , in s temi kationi prehajajo skozi mitohondrijsko membrano. Nato mitohondriji porabljajo energijo, proizvedeno v elektronskem prometu, za črpanje kationov, namesto da bi sintetizirali ATP.

Reference

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Bistvena celična biologija. New York: Garland Science.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Celica. (str. 397-402). Marban.
3. Devlin, TM (1992). Učbenik biokemije: s kliničnimi korelacijami. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH in Grisham, CM (2008). Biokemija. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, poslanec, in Matsudaira, P. (2008). Molekularna celična biologija. Macmillan.
6. Nelson, DL, & Cox, MM (2006). Lehningerjeva načela biokemije 4. izdaja. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biokemija. Panamerican Medical Ed.