OXIDATIV FOSFORYLERING: STADIER, FUNKTIONER OG HÆMMERE - BIOLOGI - 2025

Den oxidative phosphorylering er en proces hvor molekyler syntetiseres ATP fra ADP og P _i (uorganisk phosphat). Denne mekanisme udføres af bakterier og eukaryote celler. I eukaryote celler finder fosforylering sted i mitochondrial matrix fra ikke-fotosyntetiske celler.

ATP-produktion er drevet af overførslen af elektroner fra de coenzymer NADH eller FADH ₂ til O ₂. Denne proces repræsenterer den største energiproduktion i cellen og stammer fra nedbrydningen af ​​kulhydrater og fedtstoffer.

Kilde: Robot8A

Energien, der er lagret i ladnings- og pH-gradienterne, også kendt som protonmotivkraften, gør det muligt for denne proces at finde sted. Den dannede protongradient får den ydre del af membranen til at have en positiv ladning på grund af koncentrationen af ​​protoner (H ⁺) og den mitokondriske matrix til at være negativ.

Hvor forekommer oxidativ fosforylering?

Processerne med elektrontransport og oxidativ phosphorylering er forbundet med en membran. I prokaryoter finder disse mekanismer sted gennem plasmamembranen. I eukaryote celler forbinder de sig med den mitochondriale membran.

Antallet af mitokondrier fundet i celler varierer afhængigt af celletypen. F.eks. Mangler erythrocytter hos pattedyr disse organeller, mens andre celletyper, såsom muskelceller, kan have op til millioner af dem.

Den mitokondriske membran består af en simpel ydre membran, en noget mere kompleks indre membran, og mellem dem intermembranrummet, hvor mange ATP-afhængige enzymer er placeret.

Den ydre membran indeholder et protein kaldet porin, der danner kanaler til den enkle diffusion af små molekyler. Denne membran er ansvarlig for at bevare strukturen og formen af ​​mitokondrier.

Den indre membran har en højere densitet og er rig på proteiner. Det er også uigennemtrængeligt for molekyler og ioner, så for at krydse det, har de brug for intermembranproteiner for at transportere dem.

Inde i matrixen strækker sig foldene af den indre membran sig og danner rygger, der giver den mulighed for at have et stort område i et lille volumen.

Cellekraftværk

Mitokondrier betragtes som den cellulære energiproducent. Det indeholder de enzymer, der er involveret i processerne i citronsyrecyklus, fedtsyreoxidation, og redoxenzymer og proteiner i elektrontransport og phosphorylering af ADP.

Protonkoncentrationsgradienten (pH-gradient) og ladningsgradienten eller det elektriske potentiale i mitokondriens indre membran er ansvarlige for protonmotivkraften. Den lave permeabilitet af den indre membran for ioner (bortset fra H ⁺) gør det muligt for mitokondrier at have en stabil spændingsgradient.

Elektronisk transport, protonpumping og ATP-produktion foregår samtidig i mitokondrierne takket være protonmotivkraften. PH-gradienten opretholder sure betingelser i intermembranen og i den mitochondriale matrix under alkaliske betingelser.

For hver to elektroner overføres til O ₂ ca. 10 protoner pumpes gennem membranen, hvilket skaber en elektrokemisk gradient. Den energi, der frigøres i denne proces, produceres gradvist ved passage af elektroner gennem transportkæden.

Niveauer

Energien frigivet under oxidationsreduktionsreaktionerne af NADH og FADH ₂ er betydeligt høj (ca. 53 kcal / mol for hvert par elektroner), så den skal anvendes til fremstilling af ATP-molekyler gradvist med passage af elektroner gennem transportører.

Disse er organiseret i fire komplekser placeret på den indre mitokondrielle membran. Koblingen af ​​disse reaktioner til syntesen af ​​ATP udføres i et femte kompleks.

Elektrontransportkæde

NADH overfører et par elektroner, der kommer ind i kompleks I i elektrontransportkæden. Elektronerne overføres til flavinmononukleotidet og derefter til ubiquinon (coenzym Q) via en jern-svovltransportør. Denne proces frigiver en stor mængde energi (16,6 kcal / mol).

Ubiquinone transporterer elektroner over membranen til kompleks III. I denne komplekse elektronerne passerer gennem cytochrom b og c ₁ takket være en jern-svovl-transporteren.

Elektroner passerer fra kompleks III til kompleks IV (cytochrome c oxidase), overført en efter en i cytochrome c (perifert membranprotein). I kompleks IV elektronerne passerer gennem et par af kobberioner (Cu _en ²⁺), derefter til cytochrom c _en, derefter til et andet par af kobberioner (Cu _b ²⁺) og fra denne til cytochrom en ₃.

Endelig er de elektroner overføres til O ₂ som er det sidste acceptor og danner et vandmolekyle (H ₂ O) for hvert par af elektroner modtaget. Passagen af elektroner fra kompleks IV til O ₂ frembringer også en stor mængde fri energi (25,8 kcal / mol).

Succinat CoQ-reduktase

Kompleks II (succinat CoQ-reduktase) modtager et par elektroner fra citronsyrecyklus gennem oxidation af et succinatmolekyle til fumarat. Disse elektroner overføres til FAD, som passerer gennem en jern-svovlgruppe, til ubiquinon. Fra dette coenzym går de til kompleks III og følger den tidligere beskrevne rute.

Energien frigivet i elektronoverførselsreaktionen til FAD er ikke nok til at drive protoner gennem membranen, så der genereres ingen protonmotivkraft i dette trin i kæden, og FADH giver derfor mindre H ⁺ end NADH.

Kobling eller transduktion af energi

Den energi, der er genereret i den tidligere beskrevne elektrontransportproces, skal kunne bruges til produktion af ATP, en reaktion katalyseret af enzymet ATP-syntase eller kompleks V. Bevaringen af ​​nævnte energi er kendt som energikobling, og mekanismen har været vanskeligt at karakterisere.

Flere hypoteser er blevet beskrevet for at beskrive denne energitransduktion. Den bedst accepterede er den kemosmotiske koblingshypotese, der er beskrevet nedenfor.

Kemosmotisk kobling

Denne mekanisme foreslår, at den energi, der bruges til ATP-syntese, kommer fra en protongradient i cellemembraner. Denne proces griber ind i mitokondrier, chloroplaster og bakterier og er forbundet med transport af elektroner.

Komplekser I og IV i elektrontransport fungerer som protonpumper. Disse gennemgår konformationelle ændringer, der giver dem mulighed for at pumpe protoner ind i intermembranrummet. I kompleks IV, for hvert par af elektroner, er to protoner pumpes ud af membranen og to mere forbliver i matrixen, der danner H ₂ O.

Ubiquinon i kompleks III accepterer protoner fra komplekserne I og II og frigiver dem til ydersiden af ​​membranen. Komplekser I og III tillader hver passage af fire protoner for hvert par transporterede elektroner.

Den mitokondriske matrix har en lav koncentration af protoner og et negativt elektrisk potentiale, mens intermembranrummet præsenterer de omvendte forhold. Strømmen af ​​protoner gennem denne membran repræsenterer den elektrokemiske gradient, der lagrer den nødvendige energi (± 5 kcal / mol pr. Proton) til syntesen af ​​ATP.

ATP-syntese

Enzymet ATP-syntetase er det femte kompleks involveret i oxidativ phosphorylering. Det er ansvarligt for at udnytte energien fra den elektrokemiske gradient til at danne ATP.

Dette transmembrane protein består af to komponenter: F ₀ og F ₁. F ₀ komponent tillader tilbagevenden af protoner til den mitokondrielle matrix, der fungerer som en kanal og F ₁ katalyserer syntesen af ATP gennem ADP og P _i, ved hjælp af energien af nævnte tilbagevenden.

ATP-syntese proces kræver en strukturel ændring i F ₁ og samling af komponenter F ₀ og F ₁. Proton translokation gennem F ₀ bevirker konformationsændringer i tre subunits af F ₁, gør det muligt at fungere som en motor af rotation, der dirigerer dannelsen af ATP.

Underenheden er ansvarlig for bindingen af ADP med P _i skifter fra en svag tilstand (L) til en aktiv (T). Når ATP dannes, går en anden underenhed i en åben tilstand (O), der tillader frigivelse af dette molekyle. Når ATP er frigivet, går denne underenhed fra den åbne tilstand til en inaktiv tilstand (L).

ADP og P _i molekyler binder til en underenhed, der har passeret fra en O tilstand til en L tilstand.

Produkter

Elektrontransportkæden og phosphorylering producerer ATP-molekyler. Oxidationen af ​​NADH producerer ca. 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) fri energi.

Den samlede reaktion for oxidation af NADH er:

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Overførslen af ​​elektroner fra NADH og FADH ₂ sker gennem forskellige komplekser, hvilket tillader, at den frie energiændring ΔG ° nedbrydes i "energipakker" med mindre energi, som er koblet til ATP-syntese.

Oxidationen af ​​et molekyle af NADH genererer syntese af tre molekyler af ATP. Mens oxidationen af ​​et molekyle af FADH ₂ kobles til syntesen af ​​to ATP.

Disse coenzymer kommer fra glycolyse- og citronsyrecyklusprocesserne. For hvert molekyle nedbrudt af glukose producerer de 36 eller 38 molekyler af ATP, afhængigt af placeringen af ​​cellerne. I hjernen og knoglemusklerne produceres 36 ATP, mens der i muskelvævet produceres 38 ATP.

Funktioner

Alle organismer, unicellulære og flercellede, har brug for minimal energi i deres celler for at udføre processerne inden i dem og til gengæld opretholde vitale funktioner i hele organismen.

Metabolske processer kræver energi for at finde sted. Det meste af den anvendelige energi opnås ved nedbrydning af kulhydrater og fedt. Denne energi stammer fra den oxidative phosphoryleringsproces.

Kontroll af oxidativ fosforylering

ATP-udnyttelsesgraden i celler styrer dens syntese, og til gengæld regulerer også hastigheden for elektrontransport på grund af koblingen af ​​oxidativ phosphorylering med elektrontransportkæden.

Oxidativ fosforylering har en streng kontrol, der sikrer, at ATP ikke genereres hurtigere, end det forbruges. Der er visse trin i processen med elektrontransport og koblet phosphorylering, der regulerer energiproduktionshastigheden.

Koordineret kontrol af ATP-produktion

De vigtigste veje for energiproduktion (cellulær ATP) er glykolyse, citronsyrecyklus og oxidativ fosforylering. Den koordinerede kontrol af disse tre processer regulerer syntesen af ​​ATP.

Styringen af ​​fosforylering med masseaktionsforholdet for ATP afhænger af den nøjagtige forsyning af elektroner i transportkæden. Dette afhænger igen af ​​forholdet /, som holdes højt ved hjælp af glykolysen og citronsyrecyklussen.

Denne koordinerede kontrol udføres ved at regulere glycolysekontrolpunkterne (citratinhiberet PFK) og citronsyrecyklussen (pyruvatdehydrogenase, citrat tapease, isocitratdehydrogenase og a-ketoglutaratdehydrogenase).

Kontrol af acceptor

Kompleks IV (cytochrome c oxidase) er et enzym reguleret af et af dets underlag, det vil sige dets aktivitet styres af reduceret cytochrom c (c ²⁺), som igen er i ligevægt med koncentrationsforholdet mellem / og masseaktionsforholdet på / +.

Jo højere forholdet og jo lavere / +, jo højere er koncentrationen af ​​cytochrome og jo højere er den komplekse IV-aktivitet. Dette fortolkes for eksempel, hvis vi sammenligner organismer med forskellige hvile- og højaktivitetsaktiviteter.

I et individ med høj fysisk aktivitet, forbrug af ATP og derfor dens hydrolyse til ADP + P _i vil være meget høj, generering af en forskel i massen handling ratio, der forårsager en stigning i, og derfor en stigning i syntese af ATP. I et individ i hvile opstår den omvendte situation.

I sidste ende stiger graden af ​​oxidativ fosforylering med koncentrationen af ​​ADP inden for mitokondrierne. Nævnte koncentration afhænger af ADP-ATP translokatorer er ansvarlige for transporten af adeninnukleotider og P _i fra cytosolen til den mitokondrielle matrix.

Frakoblingsmidler

Oxidativ fosforylering påvirkes af visse kemiske stoffer, der tillader elektrontransport at fortsætte uden fosforylering af ADP, frakobling af energiproduktion og -besparelse.

Disse midler stimulerer mitokondriens iltforbrugshastighed i fravær af ADP, hvilket også forårsager en stigning i ATP-hydrolyse. De fungerer ved at fjerne et mellemprodukt eller nedbryde en energitilstand i elektrontransportkæden.

2,4-dinitrophenol, en svag syre, der passerer gennem mitokondrielle membraner, er ansvarlig for at sprede protongradienten, da de binder til dem på den sure side og frigiver dem på basissiden.

Denne forbindelse blev anvendt som en "diætpiller", da det viste sig at producere en stigning i respiration, derfor en stigning i metabolisk hastighed og dertil knyttet vægttab. Det blev imidlertid vist, at dens negative virkning endda kunne forårsage død.

Spredning af protongradienten producerer varme. Celler i brunt fedtvæv bruger hormonelt kontrolleret frakobling til at producere varme. Dvale og pattedyr, der mangler hår, består af dette væv, der tjener som et slags termisk tæppe.

hæmmere

De inhibitoriske forbindelser eller midler forhindrer både O ₂ forbrug (elektrontransport) og tilhørende oxidativ phosphorylering. Disse midler forhindrer dannelse af ATP ved brug af energi produceret i elektronisk transport. Derfor stopper transportkæden, når nævnte energiforbrug ikke er tilgængelig.

Den antibiotiske oligomycin fungerer som en phosphoryleringsinhibitor i mange bakterier og forhindrer stimulering af ADP til ATP-syntese.

Der er også ionophore-midler, der danner fedtopløselige komplekser med kationer, såsom K ⁺ og Na ⁺, og passerer gennem mitokondriell membran med disse kationer. Mitokondrierne bruger derefter energien produceret i elektronisk transport til at pumpe kationer i stedet for at syntetisere ATP.

Referencer

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Væsentlig cellebiologi. New York: Garland Science.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Cellen. (s. 397-402). Marban.
3. Devlin, TM (1992). Lægebog om biokemi: med kliniske korrelationer. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH, & Grisham, CM (2008). Biokemi. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). Molekylær cellebiologi. Macmillan.
6. Nelson, DL, & Cox, MM (2006). Lehninger Principles of Biochemistry 4. udgave. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biokemi. Panamerican Medical Ed.