Stopnje oksidativne fosforilacije, produkti, funkcije in inhibitorji



The oksidativno fosforilacijo je proces, pri katerem se molekule ATP sintetizirajo iz ADP in Pi (anorganski fosfat). Ta mehanizem izvajajo bakterije in evkariontske celice. V evkariontskih celicah se fosforilacija izvaja v mitohondrijskem matriksu ne-fotosintetičnih celic.

Proizvodnja ATP poteka s prenosom elektronov iz koencimov NADH ali FADH2 O2. Ta proces predstavlja najvišjo proizvodnjo energije v celici in izhaja iz razgradnje ogljikovih hidratov in maščob.

Energija, shranjena v gradientih polnjenja in pH, znana tudi kot protonska gibalna sila, omogoča izvedbo tega procesa. Nastali protonski gradient povzroči, da ima zunanji del membrane pozitivni naboj zaradi koncentracije protonov (H).+) in mitohondrijska matrika je negativna.

Indeks

  • 1 Kjer pride do oksidativne fosforilacije?
    • 1.1 Elektrarna za celice
  • 2 Stopnje
    • 2.1 Transportna veriga elektronov
    • 2.2 Sukcinat CoQ reduktaza
    • 2.3 Povezovanje ali pretvorba energije
    • 2.4 Chemosmotic povezovanje
    • 2.5 Sinteza ATP
  • 3 Izdelki
  • 4 Funkcije
  • 5 Nadzor oksidativne fosforilacije
    • 5.1 Usklajen nadzor proizvodnje ATP
    • 5.2 Nadzor s strani akceptorja
    • 5.3 Sredstva za ločevanje
    • 5.4 Zaviralci
  • 6 Reference

Kje se pojavi oksidativna fosforilacija?

Procesi prenosa elektronov in oksidativne fosforilacije so povezani z membrano. Pri prokariotih se ti mehanizmi izvajajo skozi plazemsko membrano. Pri evkariontskih celicah se povezujejo z membrano mitohondrijev.

Število mitohondrij v celicah se spreminja glede na vrsto celice. Pri eritrocitih sesalcev na primer primanjkuje teh organelov, medtem ko lahko druge vrste celic, kot so mišične celice, imajo do milijone.

Mitohondrijska membrana je sestavljena iz preproste zunanje membrane, nekoliko bolj kompleksne notranje membrane, v sredini pa je intermembranalni prostor, v katerem se nahaja veliko ATP-odvisnih encimov..

Zunanja membrana vsebuje beljakovino, imenovano 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 potrebujejo intermembranske proteine, ki jih prenašajo.

Znotraj matrice se podaljšujejo gubice notranje membrane, ki tvorijo grebene, ki omogočajo, da ima veliko območje v majhnem volumnu.

Elektrarna za celice

Mitohondrije velja za osrednjega proizvajalca celične energije. V njej so encimi, ki sodelujejo v procesih cikla citronske kisline, oksidaciji maščobnih kislin in encimov ter redoks proteinov pri prenosu elektronov in fosforilaciji ADP..

Za gradnjo protonske sile so odgovorni gradient koncentracije protonov (gradient pH) in gradient nabojev ali električni potencial v notranji membrani mitohondrijev. Nizka prepustnost notranje membrane za ione (razen H)+) mitohondrijem omogoča stabilen gradient napetosti.

Elektronski transport, črpanje protonov in pridobivanje ATP poteka hkrati v mitohondrijih, zahvaljujoč protonski gibalni sili. Gradient pH ohranja kislinske pogoje v intermembrani in mitohondrijskem matriksu z alkalnimi pogoji.

Za vsaka dva elektrona, prenesena v OR2 Preko membrane se črpa približno 10 protonov, kar ustvarja elektrokemični gradient. Energija, ki se sprosti v tem procesu, se proizvaja postopoma s prehodom elektronov skozi transportno verigo.

Stopnje

Energija, ki se sprosti med oksidacijsko-redukcijskimi reakcijami NADH in FADH2 je precej visoka (približno 53 kcal / mol za vsak par elektronov), tako da se lahko uporabi pri izdelavi molekul ATP, jo je treba proizvesti postopoma s prehodom elektronov skozi transporterje.

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

Elektronska transportna veriga

NADH prenese par elektronov, ki vstopajo v kompleks I transportne verige elektronov. Elektroni se prenesejo v mononukleotid flavina in nato v ubikinon (koencim Q) preko transporterja železa in žvepla. Ta postopek sprosti veliko količino energije (16,6 kcal / mol).

Ubiquinone prenaša elektrone skozi membrano v kompleks III. V tem kompleksu elektroni gredo skozi citokrome b in c1 zahvaljujoč prevozniku železa in žvepla.

Od kompleksa III elektroni preidejo v kompleks IV (citokrom c oksidaza), ki se prenaša ena po ena v citokrom c (membranski periferni protein). V kompleksu IV elektroni preidejo skozi par bakrovih ionov (Cua2+), nato na citokrom ca, nato v drug par bakrovih ionov (Cub2+) in od tega do citokroma a3.

Končno se elektroni prenesejo v OR2 ki je zadnji akceptor in tvori vodno molekulo (H2O) za vsak sprejeti par elektronov. Prehod elektronov iz kompleksa IV v O2 proizvaja tudi veliko proste energije (25,8 kcal / mol).

Sukcinat CoQ reduktaza

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

Energija, ki se sprošča v reakciji prenosa elektronov na FAD, ni dovolj za pogon protonov skozi membrano, tako da v tem koraku verige ne nastaja protonska gibalna moč in posledično FADH daje manj H+ da NADH.

Povezovanje ali pretvorba energije

Energija, ki nastane v prej opisanem procesu prenosa elektronov, se lahko uporabi za proizvodnjo ATP, reakcije, ki jo katalizira encim ATP sintaza ali kompleks V. Ohranjanje te energije je znano kot energetsko povezovanje in mehanizem je težko opredeliti.

Opisali smo več hipotez, ki opisujejo to energijsko transdukcijo. Najbolj sprejemljiva je hipoteza o kemosomotski vezavi, ki je opisana spodaj.

Chemosmotic coupling

Ta mehanizem predlaga, da energija, uporabljena za sintezo ATP, izvira iz protonskega gradienta v celičnih membranah. Ta proces posega v mitohondrije, kloroplaste in bakterije in je povezan z transportom elektronov.

Kompleksi I in IV elektronskega transporta delujejo kot protonske črpalke. Te so podvržene konformacijskim spremembam, ki jim omogočajo črpanje protonov v intermembranski prostor. V kompleksu IV za vsak par elektronov iz črpalke izčrpata dva protona, dva pa ostanejo v matriksu, ki tvori H2O.

Ubiquinone v kompleksu III sprejema protone iz kompleksov I in II in jih sprosti zunaj membrane. Kompleksi I in III omogočajo prehod štirih protonov za vsak par transportiranih elektronov.

Mitohondrijski matriks ima nizko koncentracijo protonov in negativni električni potencial, intermembranski prostor pa predstavlja inverzne pogoje. Pretok protonov skozi to membrano vključuje elektrokemijski gradient, ki shranjuje 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: F0 in F1. Komponenta F0 omogoča vrnitev protonov v mitohondrijsko matrico, ki deluje kot kanal in F1 katalizira sintezo ATP preko ADP in Pi, z energijo omenjenega vračanja.

Postopek sinteze ATP zahteva strukturno spremembo v F1 in sestavljanje F-komponent0 in F1. Prenos protonov skozi F0 povzroča konformacijske spremembe v treh podenotah F1, omogoča, da deluje kot rotacijski motor, ki usmerja oblikovanje ATP.

Podenoto, ki je odgovorna za vezavo ADP s Pi prehaja iz šibkega stanja (L) v aktivno (T). Ko nastane ATP, se druga podenota poda v odprto stanje (O), ki omogoča sproščanje te molekule. Po sprostitvi ATP ta podenota preide iz odprtega stanja v neaktivno stanje (L).

Molekule ADP in Pi pridružite podenoti, ki je šla iz stanja O v stanje L.

Izdelki

Prenosna veriga elektronov in fosforilacija tvorita molekule ATP. Oksidacija NADH povzroči približno 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) proste energije.

Splošna reakcija za oksidacijo NADH je:

NADH + 1/2 O2 +H+ . H2O + NAD+

Prenos elektronov iz NADH in FADH2 daje se skozi več kompleksov, ki omogočajo, da se prosto energijo spremeni ΔG ° v manjše "pakete" energije, ki so povezani s sintezo ATP..

Oksidacija molekule NADH generira sintezo treh molekul ATP. Medtem ko je oksidacija molekule FADH2 je vezan na sintezo dveh ATP.

Ti koencimi prihajajo iz procesov glikolize in cikla citronske kisline. Za vsako molekulo razgrajene glukoze se proizvede 36 ali 38 molekul ATP, odvisno od lokacije celic. 36 ATP nastaja v možganih in skeletnih mišicah, medtem ko se 38 ATP proizvaja v mišičnem tkivu.

Funkcije

Vsi organizmi, enocelični in pluricelularni, potrebujejo minimalno energijo v svojih celicah, da izvajajo procese znotraj njih in ohranjajo vitalne funkcije v celotnem organizmu..

Presnovni procesi zahtevajo izvedbo energije. Večino uporabne energije dobimo z razgradnjo ogljikovih hidratov in maščob. Navedena energija izhaja iz procesa oksidativne fosforilacije.

Nadzor oksidativne fosforilacije

Hitrost izkoriščanja ATP v celicah nadzoruje sintezo enake, in posledično, zaradi spajanja oksidativne fosforilacije z verigo prenosa elektronov, prav tako ureja hitrost elektronskega transporta na splošno.

Oksidativna fosforilacija ima strog nadzor, ki zagotavlja, da se ATP ne proizvaja hitreje, kot se porabi. Obstajajo določeni koraki v procesu transporta elektrona in vezani fosforilaciji, ki uravnavajo hitrost proizvodnje energije.

Usklajen nadzor proizvodnje ATP

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

Nadzor fosforilacije z masnim razmerjem ATP je odvisen od natančnega prispevka elektronov v transportni verigi. To pa je odvisno od razmerja [NADH] / [NAD+] ki se ohranja povišana z delovanjem glikolize in cikla citronske kisline.

Ta koordiniran nadzor se izvaja z uravnavanjem kontrolnih točk glikolize (PFK, ki jo inhibira citrat) in cikla citronske kisline (piruvat dehidrogenaza, citratni trak, izocitrat dehidrogenaza in α-ketoglutarat dehidrogenaza)..

Nadzor z akceptorjem

IV kompleks (citokrom c oksidaza) je encim, ki ga regulira eden od njegovih substratov, kar pomeni, da je njegova aktivnost nadzorovana z reduciranim citokromom c (c).2+), ki je v ravnovesju z razmerjem koncentracij med [NADH] / [NAD+in razmerje masnega delovanja [ATP] / [ADP] + [Pi].

Višje je razmerje [NADH] / [NAD]+] in znižali [ATP] / [ADP] + [Pi], večja bo koncentracija citokroma [c2+] in dejavnost IV kompleksa bo večja. To se na primer razlaga, če organizme primerjamo z različnimi aktivnostmi počitka in visoke aktivnosti.

Pri posamezniku z visoko fizično aktivnostjo poraba ATP in s tem njegova hidroliza do ADP + Pi bo zelo visoka, kar bo ustvarilo razliko v masnem razmerju, ki povzroči povečanje [c2+] in s tem povečanje sinteze ATP. Pri posamezniku v mirovanju pride do obratnega stanja.

Na koncu se stopnja oksidativne fosforilacije poveča s koncentracijo ADP v mitohondrijih. Ta koncentracija je odvisna od ADP-ATP translokatorjev, ki so odgovorni za transport adeninskih nukleotidov in Pi iz citosola v mitohondrijski matriks.

Sredstva za ločevanje

Na oksidativno fosforilacijo vplivajo nekatera kemična sredstva, ki omogočajo, da se elektronski transport nadaljuje brez fosforilacije ADP, ki ločuje proizvodnjo in ohranjanje energije..

Ta sredstva stimulirajo stopnjo porabe kisika v mitohondrijih v odsotnosti ADP, kar povzroča tudi povečanje hidrolize ATP. Delujejo tako, da odpravijo posrednika ali prekinejo energetsko stanje transportne verige elektronov.

2,4-dinitrofenol, šibka kislina, ki prehaja skozi mitohondrijske membrane, je odgovoren za razgradnjo protonskega gradienta, saj se z njimi vežejo na kisli strani in jih sproščajo na osnovni strani.

Ta spojina je bila uporabljena kot "tabletka za izgubo teže", ker je bilo ugotovljeno, da povzroča povečano dihanje, torej povečanje metabolizma in s tem povezano zmanjšanje telesne mase. Vendar pa je bilo dokazano, da bi lahko njegov negativen učinek povzročil celo smrt.

Disipacija protonskega gradienta proizvaja toploto. Rjave maščobne celice za ločevanje toplote uporabljajo hormonsko ločevanje. Prezimovalci sesalcev in novorojenčkov, ki nimajo las, so sestavljeni iz tega tkiva, ki služi kot nekakšna termalna odeja.

Zaviralci

Spojine ali inhibitorna sredstva preprečujejo porabo O2 (elektronski transport) kot s tem povezano oksidativno fosforilacijo. Ta sredstva preprečujejo nastanek ATP z uporabo energije, proizvedene v elektronskem transportu. Zato se transportna veriga ustavi, ko ta poraba energije ni na voljo.

Antibiotik oligomicin deluje kot zaviralec fosforilacije pri številnih bakterijah in preprečuje stimulacijo ADP pri sintezi ATP..

Obstajajo tudi ionoforna sredstva, ki tvorijo liposolubilne komplekse s kationi, kot je K+ in Na+, in prehajajo skozi mitohondrijsko membrano z omenjenimi kationi. Mitohondriji nato uporabijo energijo, proizvedeno v elektronskem transportu, za črpanje kationov namesto sinteze ATP.

Reference

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