Stadiji oksidativne fosforilacije, produkti, funkcije i inhibitori

oksidativna fosforilacija je proces u kojem se molekule ATP sintetiziraju iz ADP i P_ja (anorganski fosfat). Taj mehanizam provode bakterije i eukariotske stanice. U eukariotskim stanicama, fosforilacija se provodi u mitohondrijskom matrici ne-fotosintetskih stanica.

Proizvodnja ATP-a potaknuta je prijenosom elektrona iz NADH ili FADH koenzima₂ O₂. Ovaj proces predstavlja najveću proizvodnju energije u ćeliji i dolazi od razgradnje ugljikohidrata i masti.

Energija pohranjena u gradijentima naboja i pH, također poznata kao protonska pokretačka sila, omogućuje izvođenje ovog procesa. Generirani protonski gradijent uzrokuje da vanjski dio membrane ima pozitivan naboj zbog koncentracije protona (H)⁺) i mitohondrijska matrica je negativna.

indeks

• 1 Gdje dolazi do oksidativne fosforilacije?
  • 1.1 Postrojenje za ćelije
• 2 faze
  • 2.1 Lanac za prijenos elektrona
  • 2.2 Sukcinat CoQ reduktaza
  • 2.3 Spajanje ili prijenos energije
  • 2.4. Chemosmotic coupling
  • 2.5 Sinteza ATP
• 3 Proizvodi
• 4 Funkcije
• 5 Kontrola oksidativne fosforilacije
  • 5.1 Koordinirana kontrola proizvodnje ATP-a
  • 5.2 Kontrola akceptorom
  • 5.3 Sredstva za odvajanje
  • 5.4 Inhibitori
• 6 Reference

Gdje dolazi do oksidativne fosforilacije?

Procesi prijenosa elektrona i oksidativne fosforilacije povezani su s membranom. U prokariotima se ti mehanizmi provode kroz plazmatsku membranu. U eukariotskim stanicama povezuju se s membranom mitohondrija.

Broj mitohondrija u stanicama varira ovisno o tipu stanice. Na primjer, kod eritrocita sisavaca nedostaju te organele, dok drugi tipovi stanica, kao što su mišićne stanice, mogu imati do milijune.

Mitohondrijska membrana sastoji se od jednostavne vanjske membrane, nešto složenije unutarnje membrane, au sredini njih je intermembranalni prostor, gdje se nalaze mnogi ATP-ovisni enzimi..

Vanjska membrana sadrži protein nazvan porin koji formira kanale za jednostavnu difuziju malih molekula. Ova membrana je odgovorna za održavanje strukture i oblika mitohondrija.

Unutarnja membrana ima veću gustoću i bogata je proteinima. Također je nepropustan za molekule i ione tako da, da bi ga prešli, potrebni su im intermembranski proteini koji ih prenose.

Unutar matrice produljuju se nabori unutarnje membrane, tvoreći grebene koji mu omogućuju da ima veliku površinu u malom volumenu.

Stanična elektrana

Mitohondrije se smatraju središnjim proizvođačem stanične energije. U njemu su enzimi uključeni u procese ciklusa limunske kiseline, oksidacija masnih kiselina i enzima te redoks-proteini prijenosa elektrona i fosforilacija ADP-a..

Gradijent protonske koncentracije (gradijent pH) i gradijent naboja ili električni potencijal u unutarnjoj membrani mitohondrija odgovorni su za pokretačku snagu protona. Niska propusnost unutarnje membrane za ione (osim H)⁺) omogućuje da mitohondrije imaju stabilan gradijent napona.

Elektronski transport, pumpanje protona i dobivanje ATP-a odvijaju se istodobno u mitohondrijima, zahvaljujući protonskoj pokretačkoj snazi. Gradijent pH održava kisele uvjete u intermembranskoj i mitohondrijskoj matrici s alkalnim uvjetima.

Za svaka dva elektrona prenesena na OR₂ Kroz membranu se pumpa oko 10 protona, stvarajući elektrokemijski gradijent. Energija oslobođena u tom procesu postupno se proizvodi prolaskom elektrona kroz transportni lanac.

faze

Energija oslobođena tijekom reakcija oksidacije i redukcije NADH i FADH₂ znatno je visoka (oko 53 kcal / mol za svaki par elektrona), tako da se može koristiti za proizvodnju molekula ATP, mora se postupno proizvoditi prolaskom elektrona kroz transportere.

One su organizirane u četiri kompleksa smještena u unutarnjoj mitohondrijskoj membrani. Spajanje ovih reakcija na sintezu ATP provodi se u petom kompleksu.

Elektronski transportni lanac

NADH prenosi par elektrona koji ulaze u kompleks I prijenosnog lanca elektrona. Elektroni se prenose u mononukleotid flavina, a zatim u ubikinon (koenzim Q) preko transportera željeza i sumpora. Ovaj proces oslobađa veliku količinu energije (16,6 kcal / mol).

Ubiquinone prenosi elektrone kroz membranu do kompleksa III. U ovom kompleksu elektroni prolaze kroz citokrome b i c₁ zahvaljujući transporteru željeza i sumpora.

Od kompleksa III elektroni prelaze u IV kompleks (citokrom c oksidaza), koji se jedan po jedan prenose u citokrom c (membranski periferni protein). U IV kompleksu elektroni prolaze kroz par bakrenih iona (Cu_u²⁺), zatim do citokroma c_u, zatim u drugi par bakrenih iona (Cu_b²⁺) i od toga do citokroma a₃.

Konačno, elektroni se prenose u OR₂ koji je posljednji akceptor i tvori molekulu vode (H₂O) za svaki primljeni par elektrona. Prolaz elektrona iz kompleksa IV u O₂ također stvara veliku količinu slobodne energije (25,8 kcal / mol).

Sukcinat CoQ reduktaza

Kompleks II (sukcinat CoQ reduktaza) prima par elektrona iz ciklusa limunske kiseline, oksidacijom molekule sukcinata u fumarat. Ovi elektroni se prenose u FAD, prolazeći kroz grupu željeza i sumpora, u ubikinon. Iz tog koenzima odlaze u kompleks III i prate prethodno opisani put.

Energija koja se oslobađa u reakciji prijenosa elektrona na FAD nije dovoljna da pokrene protone kroz membranu, tako da se u ovom koraku lanca ne generira protonska pokretačka snaga, a time i FADH donosi manje H⁺ da je NADH.

Spajanje ili prijenos energije

Energija koja se generira u prethodno opisanom procesu transporta elektrona može se koristiti za proizvodnju ATP-a, reakcije katalizirane enzimom ATP sintetazom ili kompleksom V. Očuvanje te energije poznato je kao energetska sprega, a mehanizam je teško opisati.

Opisano je nekoliko hipoteza da bi se opisala ova transdukcija energije. Najbolje prihvaćena je hipoteza o kemosomotskom spajanju, opisana u nastavku.

Chemosmotic coupling

Ovaj mehanizam predlaže da energija korištena za sintezu ATP-a potječe od protonskog gradijenta u staničnim membranama. Ovaj proces intervenira u mitohondrijima, kloroplastima i bakterijama i povezan je s prijenosom elektrona.

Kompleksi I i IV elektroničkog transporta djeluju kao protonske pumpe. Oni prolaze kroz konformacijske promjene koje im omogućuju da ispumpavaju protone u intermembranalni prostor. U IV kompleksu za svaki par elektrona dva membrana se ispumpavaju iz membrane i još dva ostaju u matrici koja tvori H₂O.

Ubiquinone u kompleksu III prihvaća protone iz kompleksa I i II i oslobađa ih izvan membrane. Kompleksi I i III dopuštaju prolaz četiri protona za svaki par transportiranih elektrona.

Mitohondrijska matrica ima nisku koncentraciju protona i negativni električni potencijal, dok intermembranski prostor predstavlja inverzne uvjete. Protok protona kroz ovu membranu uključuje elektrokemijski gradijent koji pohranjuje potrebnu energiju (± 5 kcal / mol po protonu) za sintezu ATP-a..

Sinteza ATP

Enzim ATP sintetaza je peti kompleks uključen u oksidativnu fosforilaciju. On je odgovoran za iskorištavanje energije elektrokemijskog gradijenta za formiranje ATP-a.

Ovaj transmembranski protein sastoji se od dvije komponente: F₀ i F₁. Komponenta F₀ omogućuje povrat protona u mitohondrijsku matricu koja funkcionira kao kanal i F₁ katalizira sintezu ATP preko ADP i P_ja, koristeći energiju navedenog povratka.

Postupak sinteze ATP zahtijeva strukturalnu promjenu u F₁ i sastavljanje F komponenti₀ i F₁. Protonska translokacija kroz F₀ uzrokuje konformacijske promjene u tri podjedinice F₁, dopuštajući mu da djeluje kao rotacijski motor, usmjeravajući formiranje ATP-a.

Podjedinica koja je odgovorna za vezanje ADP s P_ja prelazi iz slabog stanja (L) u aktivno (T). Kada se formira ATP, druga podjedinica ide u otvoreno stanje (O) koje omogućuje oslobađanje ove molekule. Nakon oslobađanja ATP-a, ova podjedinica prelazi iz otvorenog stanja u neaktivno stanje (L).

Molekule ADP i P_ja pridružite se podjedinici koja je prešla iz O stanja u L stanje.

proizvoditi

Lanac prijenosa elektrona i fosforilacija proizvode ATP molekule. Oksidacija NADH daje oko 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) slobodne energije.

Ukupna reakcija za oksidaciju NADH je:

NADH + 1/2 O₂ +H⁺ H₂O + NAD⁺

Prijenos elektrona iz NADH i FADH₂ daje se kroz nekoliko kompleksa, omogućujući da se slobodna promjena energije ΔG ° podijeli na manje "pakete" energije, koji su povezani sa sintezom ATP-a..

Oksidacija NADH molekule generira sintezu triju molekula ATP. Dok je oksidacija FADH molekule₂ Spojena je na sintezu dva ATP.

Ti koenzimi dolaze iz procesa glikolize i ciklusa limunske kiseline. Za svaku molekulu razgrađene glukoze nastaje 36 ili 38 molekula ATP-a, ovisno o položaju stanica. 36 ATP se proizvode u mozgu i skeletnim mišićima, dok se 38 ATP proizvodi u mišićnom tkivu.

funkcije

Svi organizmi, jednostanični i pluricelularni, trebaju minimalnu energiju u svojim stanicama kako bi izvršili procese unutar njih, a zauzvrat održavaju vitalne funkcije u cjelokupnom organizmu.

Metabolički procesi zahtijevaju provođenje energije. Većina korisne energije dobiva se razgradnjom ugljikohidrata i masti. Navedena energija je izvedena iz procesa oksidativne fosforilacije.

Kontrola oksidativne fosforilacije

Brzina iskorištenja ATP u stanicama kontrolira sintezu istih, a zauzvrat, zbog spajanja oksidativne fosforilacije s prijenosnim lancem elektrona, također regulira općenito brzinu elektroničkog prijevoza općenito.

Oksidativna fosforilacija ima strogu kontrolu koja osigurava da se ATP ne stvara brže nego što se konzumira. Postoje određeni koraci u procesu transporta elektrona i spregnute fosforilacije koji reguliraju brzinu proizvodnje energije.

Koordinirana kontrola proizvodnje ATP-a

Glavni putevi proizvodnje energije (stanični ATP) su glikoliza, ciklus limunske kiseline i oksidativna fosforilacija. Koordinirana kontrola ovih triju procesa regulira sintezu ATP-a.

Kontrola fosforilacije omjerom masenog djelovanja ATP ovisi o preciznom doprinosu elektrona u transportnom lancu. To opet ovisi o odnosu [NADH] / [NAD⁺] koji je očuvan povišenim djelovanjem glikolize i ciklusa limunske kiseline.

Ova koordinirana kontrola provodi se reguliranjem kontrolnih točaka glikolize (PFK inhibiran citratom) i ciklusa limunske kiseline (piruvat dehidrogenaza, citratna traka, izocitrat dehidrogenaza i a-ketoglutarat dehidrogenaza)..

Kontrola akceptorom

IV kompleks (citokrom c oksidaza) je enzim reguliran jednim od njegovih supstrata, što znači da se njegova aktivnost kontrolira reduciranim citokromom c (c)²⁺), što je opet u ravnoteži s omjerom koncentracija između [NADH] / [NAD⁺i omjer djelovanja mase [ATP] / [ADP] + [P_ja].

Veći odnos [NADH] / [NAD]⁺] i spustite [ATP] / [ADP] + [P_ja], više će biti koncentracije citokroma [c²⁺] i aktivnost IV kompleksa će biti veća. To se, primjerice, tumači ako usporedimo organizme s različitim aktivnostima odmora i visoke aktivnosti.

Kod pojedinca s visokom tjelesnom aktivnošću, potrošnja ATP-a i stoga njegova hidroliza na ADP + P_ja će biti vrlo visoka, stvarajući razliku u omjeru masenog djelovanja koji uzrokuje povećanje [c²⁺i stoga povećanje sinteze ATP. Kod pojedinca u mirovanju dolazi do obrnute situacije.

Na kraju, stopa oksidativne fosforilacije raste s koncentracijom ADP unutar mitohondrija. Ova koncentracija ovisi o ADP-ATP translokatorima odgovornim za transport adeninskih nukleotida i P_ja od citosola do mitohondrijskog matriksa.

Sredstva za odvajanje

Na oksidativnu fosforilaciju utječu određeni kemijski agensi koji omogućuju nastavak elektroničkog transporta bez fosforilacije ADP-a, razdvajanja proizvodnje i očuvanja energije.

Ta sredstva stimuliraju stopu potrošnje kisika mitohondrija u odsutnosti ADP-a, što također uzrokuje povećanje hidrolize ATP-a. Oni djeluju eliminiranjem posrednika ili razbijanjem energetskog stanja prijenosnog lanca elektrona.

2,4-dinitrofenol, slaba kiselina koja prolazi kroz mitohondrijske membrane, odgovoran je za rasipanje gradijenta protona, jer se oni vežu za njih na kiseloj strani i oslobađaju ih na osnovnoj strani.

Ovaj spoj je korišten kao "pilula za gubitak težine" jer je utvrđeno da uzrokuje povećanje respiracije, dakle, povećanje brzine metabolizma i povezanog gubitka težine. Međutim, pokazalo se da bi njegov negativni učinak mogao uzrokovati smrt.

Rasipanje gradijenta protona proizvodi toplinu. Stanice smeđeg masnog tkiva koriste razdvajanje, kontrolirano hormonalno, da bi proizvele toplinu. Sisavci i novorođenčad koji nemaju kosu sastoje se od tkiva koje služi kao neka vrsta toplinskog pokrivača.

inhibitori

Spojevi ili inhibitorski agensi sprječavaju i potrošnju O₂ (elektronički transport) kao povezana oksidacijska fosforilacija. Ovi agensi sprečavaju stvaranje ATP-a korištenjem energije proizvedene u elektroničkom transportu. Stoga se transportni lanac zaustavlja kada ta potrošnja energije nije dostupna.

Antibiotik oligomicin djeluje kao inhibitor fosforilacije u mnogim bakterijama, sprječavajući stimulaciju ADP na sintezu ATP-a..

Postoje također ionoforni agensi, koji stvaraju liposolubilne komplekse s kationima poput K⁺ i Na⁺, i prolaze kroz mitohondrijsku membranu sa spomenutim kationima. Mitohondriji tada koriste energiju proizvedenu u elektroničkom transportu za pumpanje kationa umjesto za sintezu ATP-a.

reference

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. i Walter, P. (2004). Bitna biologija stanice. New York: znanost o Garlandu.
2. Cooper, G. M., Hausman, R. E. i Wright, N. (2010). Ćelija. (str. 397-402). Marban.
3. Devlin, T. M. (1992). Udžbenik biokemije: s kliničkim korelacijama. 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 biologija stanica. Macmillan.
6. Nelson, D.L., & Cox, M. M. (2006). Lehningerova načela biokemije 4. izdanje. Ed Omega. Barselona.
7. Voet, D., & Voet, J.G. (2006). biokemija. Ed Panamericana Medical.