OKSIDĒJOŠĀ FOSFORILĒŠANA: STADIJAS, FUNKCIJAS UN INHIBITORI - BIOLOĢIJA - 2025

Oksidatīvo fosforilēšanos ir process, kurā molekulas tiek sintezēti ATP no ADF un P _i (neorganisks fosfāts). Šo mehānismu veic baktērijas un eikariotu šūnas. Eikariotu šūnās fosforilēšanās notiek nefotosintētisko šūnu mitohondriju matricā.

ATP veidošanos veicina elektronu pārnešana no koenzīmiem NADH vai FADH ₂ uz O ₂ . Šis process atspoguļo lielāko enerģijas ražošanu šūnā, un to iegūst no ogļhidrātu un tauku sadalīšanās.

Avots: Robot8A

Lādiņā un pH gradientos uzkrātā enerģija, kas pazīstama arī kā protonu kustības spēks, ļauj šo procesu veikt. Izveidotais protonu gradients izraisa membrānas ārējās daļas pozitīvu lādiņu, pateicoties protonu (H ⁺ ) koncentrācijai, un mitohondriju matrica ir negatīva.

Kur notiek oksidatīvā fosforilēšanās?

Elektronu transporta un oksidatīvās fosforilēšanās procesi ir saistīti ar membrānu. Prokariotos šie mehānismi notiek caur plazmas membrānu. Eikariotu šūnās tie asociējas ar mitohondriju membrānu.

Šūnās atrasto mitohondriju skaits mainās atkarībā no šūnas veida. Piemēram, zīdītājiem eritrocītos trūkst šo organoīdu, savukārt citiem šūnu veidiem, piemēram, muskuļu šūnām, to var būt līdz miljoniem.

Mitohondriju membrāna sastāv no vienkāršas ārējās membrānas, nedaudz sarežģītākas iekšējās membrānas un starp tām starpmembrānas telpas, kur atrodas daudzi no ATP atkarīgi enzīmi.

Ārējā membrāna satur olbaltumvielu, ko sauc par porīnu, kas veido kanālus mazu molekulu vienkāršai difūzijai. Šī membrāna ir atbildīga par mitohondriju struktūras un formas uzturēšanu.

Iekšējai membrānai ir lielāks blīvums un tā ir bagāta ar olbaltumvielām. Tas ir necaurlaidīgs arī molekulām un joniem, tāpēc, lai tos šķērsotu, to pārvadāšanai nepieciešami starpmembrānu proteīni.

Matricas iekšējās membrānas krokas stiepjas, veidojot grēdas, kas ļauj tai būt lielam laukumam nelielā tilpumā.

Šūnu elektrostacija

Mitohondriji tiek uzskatīti par šūnu enerģijas ražotājiem. Tas satur fermentus, kas iesaistīti citronskābes cikla procesos, taukskābju oksidācijā, un redoksa enzīmus un olbaltumvielas, kas iesaistīti elektronu transportēšanā un ADP fosforilēšanā.

Protonu koncentrācijas gradients (pH gradients) un lādiņa gradients vai elektriskais potenciāls mitohondriju iekšējā membrānā ir atbildīgi par protona kustības spēku. Jonu (izņemot H ⁺ ) iekšējās membrānas zemā caurlaidība ļauj mitohondrijiem iegūt stabilu sprieguma gradientu.

Pateicoties protonu kustības spēkam, mitohondrijos vienlaikus notiek elektroniskais transports, protonu sūknēšana un ATP. PH gradients uztur skābus apstākļus starpmembrānā un mitohondriju matricā ar sārmainiem apstākļiem.

Katriem diviem elektroniem, kas pārnesti uz O _2, caur membrānu tiek sūknēti apmēram 10 protoni, izveidojot elektroķīmisko gradientu. Šajā procesā atbrīvotā enerģija tiek iegūta pakāpeniski, elektroniem izejot caur transporta ķēdi.

Posmi

NADH un FADH ₂ oksidācijas-reducēšanās reakcijās izdalītā enerģija ir ievērojami augsta (apmēram 53 kcal / mol katram elektronu pārim), tāpēc, lai to izmantotu ATP molekulu ražošanā, tā jāražo pakāpeniski ar elektronu caurlaide caur transportieriem.

Tie ir sadalīti četros kompleksos, kas atrodas uz iekšējās mitohondriju membrānas. Šo reakciju savienošana ar ATP sintēzi tiek veikta piektajā kompleksā.

Elektronu transporta ķēde

NADH nodod elektronu pāri, kas nonāk elektronu transportēšanas ķēdes I kompleksā. Elektroni ar dzelzs-sēra nesēja palīdzību tiek pārnesti uz flavina mononukleotīdu un pēc tam uz ubihinonu (koenzīms Q). Šis process atbrīvo lielu daudzumu enerģijas (16,6 kcal / mol).

Ubihinons transportē elektronus caur membrānu uz III kompleksu. Pateicoties dzelzs-sēra nesējam, šajā kompleksā elektroni iziet cauri citohromiem b un c ₁ .

Elektroni pāriet no III kompleksa uz IV kompleksu (citohroma c oksidāze), pa vienam pārvietojas citohromā c (perifērās membrānas olbaltumvielas). In kompleksa IV elektroni iet caur pāra vara jonu (Cu ²⁺ ), pēc tam uz citohroma c , pēc tam uz cita vara jonu pāra (Cu _b ²⁺ ), un no šī uz citohroma ar ₃ .

Visbeidzot, elektroni tiek pārnesti uz O _2, kas ir pēdējais akceptors un veido ūdens molekulu (H ₂ O) katram saņemtajam elektronu pārim. Elektronu pāreja no kompleksa IV uz O ₂ rada arī lielu daudzumu brīvas enerģijas (25,8 kcal / mol).

Sukcinātu CoQ reduktāze

Komplekss II (sukcināta CoQ reduktāze) saņem elektronu pāri no citronskābes cikla, oksidējot sukcināta molekulu uz fumarātu. Šie elektroni tiek nodoti FAD, caur dzelzs-sēra grupu, nonākot ubihinonā. No šī koenzīma viņi nonāk III kompleksā un seko iepriekš aprakstītajam ceļam.

Ar enerģiju, kas izdalās elektronu pārnešanas reakcijā uz FAD, nepietiek, lai vadītu protonus caur membrānu, tāpēc šajā ķēdes posmā netiek ģenerēts protonu virzošais spēks, un attiecīgi FADH rada mazāk H ⁺ nekā NADH.

Enerģijas savienošana vai pārvade

Iepriekš aprakstītajā elektronu transportēšanas procesā radīto enerģiju jāspēj izmantot ATP, reakcijas, ko katalizē enzīma ATP sintāze vai komplekss V, ražošanai. Minētās enerģijas saglabāšana ir zināma kā enerģijas savienošana, un mehānisms ir bijis grūti raksturojams.

Lai aprakstītu šo enerģijas pārnesi, ir aprakstītas vairākas hipotēzes. Vislabāk pieņemtā ir zemāk aprakstītā ķīmijzotiskā savienojuma hipotēze.

Kemosmotiskā savienošana

Šis mehānisms liek domāt, ka ATP sintēzē izmantotā enerģija nāk no protonu gradienta šūnu membrānās. Šis process iedarbojas uz mitohondrijiem, hloroplastiem un baktērijām, un tas ir saistīts ar elektronu transportēšanu.

Elektronu transporta kompleksi I un IV darbojas kā protonu sūkņi. Tajās notiek konformācijas izmaiņas, kas ļauj viņiem iesūknēt protonus starpposma telpā. Kompleksā IV katram elektronu pārim divi protoni tiek izsūknēti no membrānas un vēl divi paliek matricā, veidojot H ₂ O.

Ubikinons III kompleksā pieņem protonus no I un II kompleksa un atbrīvo tos uz membrānas ārpusi. I un III komplekss ļauj cauri četriem protoniem katram transportēto elektronu pārim.

Mitohondriju matricā ir zema protonu koncentrācija un negatīvs elektriskais potenciāls, savukārt starpmembrānu telpa parāda apgrieztus apstākļus. Protonu plūsma caur šo membrānu apzīmē elektroķīmisko gradientu, kas uzkrāj nepieciešamo enerģiju (± 5 kcal / mol uz protonu) ATP sintēzei.

ATP sintēze

Fermenta ATP sintetāze ir piektais komplekss, kas iesaistīts oksidatīvā fosforilēšanā. Tas ir atbildīgs par elektroķīmiskā gradienta enerģijas izmantošanu ATP veidošanai.

Šis transmembranais proteīns sastāv no diviem komponentiem: F ₀ un F ₁ . F ₀ komponents ļauj atgriešanos protonu pie mitohondriju matricu, darbojas kā kanāls un F ₁ katalizē sintēzi ATP caur ADF un P _i , izmantojot enerģiju minētajā atgriezes.

ATP sintēzes process prasa strukturālas izmaiņas F ₁ un komponentu F ₀ un F ₁ salikšanu . Protonu translokācija caur F ₀ izraisa konformācijas izmaiņas trīs F ₁ apakšvienībās , ļaujot tai darboties kā rotācijas motoram, virzot ATP veidošanos.

Par ADP saistīšanos ar P _i atbildīgā apakšvienība mainās no vāja stāvokļa (L) uz aktīvu (T). Kad veidojas ATP, otrā apakšvienība nonāk atvērtā stāvoklī (O), kas ļauj atbrīvot šo molekulu. Pēc ATP izlaišanas šī apakšvienība pāriet no atvērtā stāvokļa uz neaktīvo stāvokli (L).

ADP un P _i molekulas saistās ar apakšvienību, kas pārgājusi no O stāvokļa uz L stāvokli.

produkti

Elektronu transportēšanas ķēde un fosforilēšana rada ATP molekulas. NADH oksidēšana rada aptuveni 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) brīvas enerģijas.

NADH oksidācijas kopējā reakcija ir:

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Elektronu pārnešana no NADH un FADH ₂ notiek caur dažādiem kompleksiem, ļaujot brīvajai enerģijas maiņai ΔG ° sadalīties mazākās enerģijas “paketēs”, kuras ir savienotas ar ATP sintēzi.

Vienas NADH molekulas oksidēšana rada ATP trīs molekulu sintēzi. Kamēr FADH ₂ molekulas oksidēšana ir saistīta ar divu ATP sintēzi.

Šie koenzīmi nāk no glikolīzes un citronskābes cikla procesiem. Katrā noārdītās glikozes molekulā tie atkarībā no šūnu atrašanās vietas ražo 36 vai 38 ATP molekulas. Smadzenēs un skeleta muskuļos veidojas 36 ATP, bet muskuļu audos - 38 ATP.

Iespējas

Visiem vienšūnu un daudzšūnu organismiem ir nepieciešama minimāla enerģija šūnās, lai veiktu procesus tajos un, savukārt, uzturētu dzīvībai svarīgās funkcijas visā organismā.

Metabolisma procesiem ir nepieciešama enerģija. Lielāko daļu izmantojamās enerģijas iegūst, sadalot ogļhidrātus un taukus. Šo enerģiju iegūst no oksidatīvās fosforilēšanas procesa.

Oksidācijas fosforilēšanas kontrole

ATP izmantošanas ātrums šūnās kontrolē tā sintēzi, un, savukārt, pateicoties oksidatīvās fosforilēšanās savienojumam ar elektronu transportēšanas ķēdi, tas kopumā regulē arī elektronu transportēšanas ātrumu.

Oksidatīvajai fosforilēšanai ir stingra kontrole, kas nodrošina, ka ATP netiek ģenerēts ātrāk, nekā tas tiek patērēts. Elektronu transportēšanas un saistītās fosforilēšanas procesā ir noteiktas darbības, kas regulē enerģijas ražošanas ātrumu.

Koordinēta ATP ražošanas kontrole

Galvenie enerģijas ražošanas ceļi (šūnu ATP) ir glikolīze, citronskābes cikls un oksidatīvā fosforilēšanās. Šo trīs procesu koordinēta kontrole regulē ATP sintēzi.

Fosforilēšanās kontrole ar ATP masas darbības koeficientu ir atkarīga no precīzas elektronu padeves transporta ķēdē. Tas, savukārt, ir atkarīgs no / attiecības, ko uztur augstu ar glikolīzes un citronskābes cikla darbību.

Šo koordinēto kontroli veic, regulējot glikolīzes kontroles punktus (citrāta inhibēts PFK) un citronskābes ciklu (piruvāta dehidrogenāze, citrāta tapeāze, izocitrāta dehidrogenāze un α-ketoglutarāta dehidrogenāze).

Kontrole, ko veic akceptētājs

Komplekss IV (citohroma c oksidāze) ir ferments, ko regulē viens no tā substrātiem, tas ir, tā darbību kontrolē samazināts citohroms c (c ²⁺ ), kas savukārt ir līdzsvarā ar koncentrācijas attiecību starp / un masas attiecība / +.

Jo augstāks / attiecība un zemāks / +, jo augstāka ir citohroma koncentrācija un augstāka IV kompleksa aktivitāte. To interpretē, piemēram, ja salīdzinām organismus ar dažādām atpūtas un augstas aktivitātes aktivitātēm.

Personai ar augstu fizisko aktivitāti ATP patēriņš un līdz ar to tās hidrolīze līdz ADP + P _i būs ļoti liels, radot masas darbības attiecības atšķirību, kas izraisa sintēze ATP. Miega stāvoklī esošā indivīdā notiek pretēja situācija.

Galu galā ar ADP koncentrāciju mitohondrijos palielinās oksidatīvās fosforilēšanās ātrums. Šī koncentrācija ir atkarīga no ADP-ATP translocators, kas atbildīgas par adenīna nukleotīdu transporta un P _i no citosolā uz mitohondriju matricā.

Atvienošanas līdzekļi

Oksidatīvo fosforilēšanu ietekmē daži ķīmiski līdzekļi, kas ļauj turpināt elektronu transportēšanu, nenotiek ADP fosforilēšanās, atvienojot enerģijas ražošanu un saglabāšanu.

Šie līdzekļi stimulē mitohondriju skābekļa patēriņa ātrumu, ja nav ADP, izraisot arī ATP hidrolīzes palielināšanos. Viņi darbojas, noņemot starpproduktu vai sabojājot enerģijas stāvokli elektronu transporta ķēdē.

2,4-dinitrofenols, vāja skābe, kas iziet cauri mitohondriju membrānām, ir atbildīgs par protonu gradienta izkliedi, jo tie saistās ar tiem skābā pusē un atbrīvo tos no pamata puses.

Šis savienojums tika izmantots kā "diētas tabletes", jo tika konstatēts, ka tas palielina elpošanu, līdz ar to vielmaiņas ātruma palielināšanos un ar to saistīto svara zudumu. Tomēr tika pierādīts, ka tā negatīvā ietekme var izraisīt pat nāvi.

Protonu gradienta izkliedēšana rada siltumu. Brūnos taukaudos esošās šūnas siltuma iegūšanai izmanto hormonāli kontrolētu atdalīšanu. Hibernējošie zīdītāji un jaundzimušie, kuriem nav matu, sastāv no šiem audiem, kas kalpo kā sava veida termo sega.

Inhibitori

Inhibējošie savienojumi vai līdzekļi novērš gan O ₂ patēriņu (elektronu transportu), gan ar to saistīto oksidatīvo fosforilēšanos. Šie līdzekļi novērš ATP veidošanos, izmantojot enerģiju, kas saražota elektroniskajā transportā. Tāpēc transporta ķēde apstājas, ja minētais enerģijas patēriņš nav pieejams.

Antibiotika oligomicīns darbojas kā fosforilēšanas inhibitors daudzās baktērijās, novēršot ADP stimulēšanu ATP sintēzē.

Ir arī jonoforu līdzekļi, kas veido taukos šķīstošus kompleksus ar katjoniem, piemēram, K ⁺ un Na ⁺ , un caur šiem katjoniem iziet caur mitohondriju membrānu. Pēc tam mitohondriji elektroniskajā transportā saražoto enerģiju izmanto katjonu pumpēšanai, nevis ATP sintezēšanai.

Atsauces

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Būtiskā šūnu bioloģija. Ņujorka: Garland Science.
2. Kūpers, GM, Hausmans, RE & Wright, N. (2010). Šūna. (397.-402. lpp.). Marbans.
3. Devlin, TM (1992). Bioķīmijas mācību grāmata: ar klīniskajām korelācijām. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH, & Grisham, CM (2008). Bioķīmija. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaizers, CA, Krieger, M., Scott, MP, un Matsudaira, P. (2008). Molekulāro šūnu bioloģija. Makmillans.
6. Nelsons, DL, & Cox, MM (2006). Lehingera bioķīmijas principi, 4. izdevums. Eds Omega. Barselona.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Bioķīmija. Panamerican Medical Ed.