OKSIDATIVNA FOSFORILACIJA: STUPNJEVI, FUNKCIJE I INHIBITORI - BIOLOGIJA - 2026

Oksidativne fosforilacije je proces u kojem se molekule sintetiziraju iz ATP ADP i P _I (anorganski fosfat). Taj mehanizam provode bakterije i eukariotske stanice. U eukariotskim stanicama fosforilacija se odvija u mitohondrijskom matriksu nefotosintetskih stanica.

ATP proizvodnju pokreće prijenosu elektrona iz koenzima NADH ili FADH ₂ do O ₂. Taj postupak predstavlja najveću proizvodnju energije u stanici i dobiva se iz razgradnje ugljikohidrata i masti.

Izvor: Robot8A

Energija pohranjena u gradijentima naboja i pH, poznata i kao protonska sila pokreta, omogućava ovaj proces. Stvoreni gradijent protona uzrokuje da vanjski dio membrane ima pozitivan naboj zbog koncentracije protona (H ⁺), a mitohondrijski matriks negativan.

Gdje se javlja oksidativna fosforilacija?

Procesi transporta elektrona i oksidativna fosforilacija povezani su s membranom. Kod prokariota se ovi mehanizmi odvijaju kroz plazma membranu. U eukariotskim stanicama udružuju se s mitohondrijskom membranom.

Broj mitohondrija koji se nalaze u stanicama varira ovisno o vrsti stanice. Na primjer, u sisavaca, eritrociti nemaju ove organele, dok druge vrste stanica, poput mišićnih stanica, mogu ih imati do milijune.

Mitohondrijska membrana sastoji se od jednostavne vanjske membrane, nešto složenije unutarnje membrane, a između njih intermembranskog prostora, gdje se nalazi mnogo enzima ovisnih o ATP-u.

Vanjska membrana sadrži protein zvan porin koji tvori 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 nepropusna za molekule i ione, pa da bi ih prešli, potrebni su intermembranski proteini za njihov transport.

Unutar matrice protežu se nabori unutrašnje membrane, tvoreći grebene koji omogućuju veliko područje malog volumena.

Stanična elektrana

Mitohondriji se smatraju proizvođačem stanične energije. Sadrži enzime koji sudjeluju u procesima ciklusa limunske kiseline, oksidaciju masnih kiselina te redoks enzime i proteine ​​prijenosa elektrona i fosforilaciju ADP-a.

Koncentracijski gradijent protona (gradijent pH) i gradijent naboja ili električni potencijal u unutarnjoj membrani mitohondrija odgovorni su za snagu protona. Niska propusnost unutarnje membrane za ione (osim H ⁺) omogućava mitohondrijima da imaju stabilan gradijent napona.

Elektronski transport, protonska pumpa i proizvodnja ATP-a događaju se istovremeno u mitohondrijama, zahvaljujući protonskoj pokretačkoj sili. PH gradijent održava kisele uvjete u intermembrani i u mitohondrijskom matriksu s alkalnim uvjetima.

Na svaka dva elektrona prenosi na O ₂ oko 10 protoni se pumpa kroz membranu, stvarajući elektrokemijski gradijent. Energija oslobođena u ovom procesu nastaje postupno prolaskom elektrona kroz transportni lanac.

Faze

Energija oslobođena tijekom oksidacijsko-redukcijskih reakcija NADH i FADH ₂ znatno je visoka (oko 53 kcal / mol za svaki par elektrona), pa da bi se koristila u proizvodnji molekula ATP, ona se mora postupno proizvoditi s prolazak elektrona kroz transportere.

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

Transportni lanac elektrona

NADH prenosi par elektrona koji ulaze u kompleks I u lancu prijenosa elektrona. Elektroni se prenose u mononukleotid flavina, a potom u ubikinon (koenzim Q) putem transportera željeza i sumpora. Ovim postupkom oslobađa se velika količina energije (16,6 kcal / mol).

Ubikinon transportuje elektrone kroz membranu do kompleksa III. U ovaj kompleks se elektroni dolazi do citokroma b i c ₁ zahvaljujući željeznog-sumpor transportera.

Elektroni prelaze iz kompleksa III u kompleks IV (citokrom c oksidaza), koji se jedan po jedan prenose u citokrom c (protein periferne membrane). U složenom IV elektrona dolazi do para iona bakra (Cu ²⁺), a zatim u citokroma c, a zatim na drugi par iona bakra (Cu _b ²⁺), a od toga u citokroma a ₃.

Konačno, elektroni prenose se na O ₂ koja je zadnja akceptorske i čini molekulu vode (H ₂ O) za svaki par elektrona primili. Prolaz elektrona iz kompleksa IV do O ₂ i proizvodi veliku količinu slobodne energije (25,8 kcal / mol).

Sukcinantna CoQ reduktaza

Kompleks II (sukcinatna CoQ reduktaza) prima par elektrona iz ciklusa limunske kiseline oksidacijom molekule sukcinata u fumarat. Ti se elektroni prenose u FAD, prolazeći kroz željezo-sumpornu skupinu, do ubikinona. Iz ovog koenzima prelaze u kompleks III i slijede ranije opisani put.

Energija oslobođena reakcijom prijenosa elektrona na FAD nije dovoljna da bi se protoni vozili kroz membranu, tako da se u ovom koraku lanca ne stvara sila protona, te stoga FADH daje manje H ⁺ nego NADH.

Spajanje ili pretvorba energije

Energija koja se generira u prije opisanom procesu prijevoza elektrona mora se moći koristiti za proizvodnju ATP-a, reakcije katalizirane enzimom ATP sintaze ili kompleksa V. Očuvanje navedene energije poznato je kao spajanje energije, a mehanizam je bio teško okarakterizirati.

Nekoliko hipoteza opisano je za opisivanje ove energetske pretvorbe. Najbolje prihvaćena hipoteza hemozmotičnog spajanja, opisana u nastavku.

Kemozmotsko spajanje

Ovaj mehanizam predlaže da energija koja se koristi za sintezu ATP dolazi iz gradijenta protona u staničnim membranama. Ovaj proces intervenira u mitohondrijima, kloroplastima i bakterijama i povezan je s transportom elektrona.

Kompleksi I i IV transporta elektrona djeluju kao protonske pumpe. Oni podliježu konformacijskim promjenama koje im omogućuju da pumpaju protone u međumembranski prostor. U složenom IV, za svaki par elektrona, dva protona se ispumpava iz membrane, a još dva ostaju u matrici tvoreći H ₂ O.

Ubikinon u kompleksu III prihvaća protone iz kompleksa I i II i oslobađa ih na vanjskoj strani membrane. Kompleksi I i III omogućuju prolazak četiri protona za svaki par prevezenih elektrona.

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

ATP sinteza

Enzim ATP sintetaza peti je kompleks koji sudjeluje u oksidativnoj fosforilaciji. Odgovorna je za korištenje energije elektrokemijskog gradijenta u ATP.

Ovaj transmembranski protein sastoji se od dvije komponente: F ₀ i F ₁. F ₀ komponenta omogućuje povratak protona na mitohondrijskoj matricu, funkcionira kao kanal F ₁ katalizira sintezu ATP putem ADP i P _I, koristeći energiju navedenog povratka.

ATP sinteza Postupak zahtijeva strukturnu promjenu u F ₁ i sklop dijelova F ₀ i F ₁. Proton izgon kroz F ₀ izaziva konformacijske promjene u tri podjedinice F ₁, što omogućuje da djeluje kao motor rotacije, usmjeravaju stvaranju ATP-a.

Podjedinica odgovorna za vezanje ADP-a s P _i mijenja se iz slabog stanja (L) u aktivno (T). Kad se formira ATP, druga podjedinica prelazi u otvoreno stanje (O) što omogućava oslobađanje ove molekule. Nakon oslobađanja ATP-a, ova podjedinica prelazi iz otvorenog u neaktivno stanje (L).

Molekule ADP i P _i vežu se na podjedinicu koja je prešla iz O u L stanje.

proizvodi

Lanac transporta elektrona i fosforilacija proizvode ATP molekule. Oksidacijom NADH nastaje oko 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) slobodne energije.

Ukupna reakcija oksidacije NADH je:

NADH + 1/2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Prijenos elektrona iz NADH i FADH ₂ događa se kroz različite komplekse, omogućujući slobodnoj promjeni energije ΔG ° da se raspadne na manje energetske "pakete", koji su spojeni sa ATP sintezom.

Oksidacijom jedne molekule NADH nastaje sinteza tri molekule ATP-a. Dok je oksidacija molekule FADH ₂ povezana sa sintezom dva ATP-a.

Ovi koenzimi potječu iz procesa ciklusa glikolize i limunske kiseline. Za svaku razgrađenu molekulu glukoze dovode do stvaranja 36 ili 38 molekula ATP-a, ovisno o lokaciji stanica. U mozgu i skeletnim mišićima proizvodi se 36 ATP-a, dok se u mišićnom tkivu proizvodi 38 ATP-a.

Značajke

Svi organizmi, jednoćelijski i višećelijski, trebaju minimalnu energiju u svojim stanicama da bi izvršili procese unutar njih i zauzvrat održavali vitalne funkcije u cjelokupnom organizmu.

Metabolički procesi zahtijevaju energiju. Najveći dio upotrebljive energije dobiva se razgradnjom ugljikohidrata i masti. Ta se energija dobiva iz procesa oksidativne fosforilacije.

Kontrola oksidativne fosforilacije

Brzina iskorištavanja ATP-a u stanicama kontrolira njegovu sintezu, a zauzvrat, zbog povezivanja oksidativne fosforilacije s transportnim lancem elektrona, također općenito regulira brzinu prijenosa elektrona.

Oksidativna fosforilacija ima strogu kontrolu koja osigurava da se ATP ne stvara brže nego što se potroši. Postoje određeni koraci u procesu prijenosa elektrona i povezane 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 ova tri procesa regulira sintezu ATP-a.

Kontrola fosforilacije omjerom masnog djelovanja ATP ovisi o preciznoj opskrbi elektrona u transportnom lancu. To zauzvrat ovisi o omjeru / koji se održava visokim djelovanjem glikolize i ciklusom limunske kiseline.

Ova koordinirana kontrola provodi se reguliranjem kontrolnih točaka glikolize (PFK inhibirane citratom) i ciklusom limunske kiseline (piruvat dehidrogenaza, citratna tapeaza, izocitrat dehidrogenaza i α-ketoglutarat dehidrogenaza).

Kontrola akceptirom

Kompleks IV (citokrom c oksidaza) je enzim koji regulira jedan od njegovih supstrata, tj. Njegovu aktivnost kontrolira reducirani citokrom c (c ²⁺), koji je u ravnoteži s omjerom koncentracija između / i omjer masnog djelovanja / +.

Što je veći / omjer i niži / +, to je veća koncentracija citokroma i veća je aktivnost složenog IV. To se tumači, na primjer, ako usporedimo organizme s različitim aktivnostima mirovanja i velike aktivnosti.

U osobe s visokom tjelesnom aktivnošću, potrošnja ATP-a, a samim tim i njegova hidroliza na ADP + P _i, bit će vrlo velika, stvarajući razliku u omjeru djelovanja mase koja uzrokuje povećanje i, prema tome, porast sinteza ATP-a. Kod pojedinca u mirovanju događa se obrnuta situacija.

Konačno, stopa oksidativne fosforilacije raste s koncentracijom ADP-a unutar mitohondrija. Spomenuta koncentracija ovisi o ADP-ATP transloratorima odgovornim za transport adeninskih nukleotida i P _i iz citosola u mitohondrijski matriks.

Sredstva za odvajanje

Na oksidacijsku fosforilaciju utječu određena kemijska sredstva, koja omogućuju nastavak transporta elektrona bez da se dogodi ADP fosforilacija, ne razdvajajući proizvodnju i očuvanje energije.

Ova sredstva potiču stopu potrošnje kisika mitohondrija u odsutnosti ADP-a, uzrokujući također porast hidrolize ATP-a. Djeluju uklanjanjem intermedijara ili prekidom energetskog stanja u lancu prevoza elektrona.

2,4-dinitrofenol, slaba kiselina koja prolazi kroz mitohondrijske membrane, odgovorna je za raspršivanje gradijenta protona, jer se na njih veže na kiseloj strani i oslobađa ih na osnovnoj strani.

Ovaj spoj korišten je kao "pilula za dijetu" jer je otkriveno da povećava disanje, dakle porast metabolizma i pridruženi gubitak težine. Međutim, pokazalo se da njegov negativan učinak može čak uzrokovati smrt.

Raspadanje protonskog gradijenta proizvodi toplinu. Stanice smeđeg masnog tkiva koriste hormonski kontrolirano odvajanje kako bi proizvele toplinu. Hibernirajuće sisavce i novorođenčad kojima nedostaje dlaka sastoje se od ovog tkiva koje služi kao svojevrsna termička pokrivačica.

inhibitori

Inhibicijska spojevi ili sredstva za sprečavanje oba O ₂ potrošnje (elektrona) i povezane oksidativne fosforilacije. Ta sredstva sprečavaju stvaranje ATP-a korištenjem energije proizvedene u elektroničkom prijevozu. Stoga se prometni lanac zaustavlja kada navedena potrošnja energije nije dostupna.

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

Postoje i ionofori koji stvaraju komplekse topljive u masti s kationima kao što su K ⁺ i Na ⁺, i prolaze kroz mitohondrijsku membranu s tim kationima. Zatim mitohondriji koriste energiju proizvedenu u transportu elektrona da bi pumpali katione umjesto da sintetiziraju ATP.

Reference

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. i Walter, P. (2004). Bitna stanična biologija. New York: Garland Science.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Stanica. (str. 397-402). Marban.
3. Devlin, TM (1992). Udžbenik biokemije: s kliničkim korelacijama. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH, i Grisham, CM (2008). Biokemija. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, Kalifornija, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). Molekularna stanična biologija. Macmillan.
6. Nelson, DL, & Cox, MM (2006). Lehningerovi principi biokemije 4. izdanje. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D., i Voet, JG (2006). Biokemija. Panamerican Medical Ed.