Oksidatīvie fosforilācijas posmi, produkti, funkcijas un inhibitori



The oksidatīvā fosforilācija ir process, kurā ATP molekulas tiek sintezētas no ADP un Pi (neorganiskais fosfāts). Šo mehānismu veic baktērijas un eukariotu šūnas. Eukariotiskajās šūnās fosforilācija tiek veikta ne-fotosintētisko šūnu mitohondrijā..

ATP ražošanu veicina elektronu pārnešana no NADH vai FADH koenzīmiem2 O2. Šis process veido lielāko enerģijas ražošanu šūnā un ir iegūts no ogļhidrātu un tauku degradācijas.

Uzlādes un pH gradientos saglabātā enerģija, kas pazīstama arī kā protonisks dzinējspēks, ļauj veikt šo procesu. Radīto protonu gradientu dēļ membrānas ārējā daļa ir pozitīva uzlāde protonu koncentrācijas dēļ (H+) un mitohondriju matrica ir negatīva.

Indekss

  • 1 Kur notiek oksidatīvā fosforilācija?
    • 1.1 Šūnu elektrostacija
  • 2 posmi
    • 2.1 Elektronu transportēšanas ķēde
    • 2.2. Succinate CoQ reduktāze
    • 2.3 Enerģijas sakabināšana vai pārvade
    • 2.4 Ķīmiskā savienošana
    • 2.5 ATP sintēze
  • 3 produkti
  • 4 Funkcijas
  • 5 Oksidatīvās fosforilācijas kontrole
    • 5.1. Koordinēta ATP ražošanas kontrole
    • 5.2. Kontroles kontrole
    • 5.3 Atvienošanas līdzekļi
    • 5.4 Inhibitori
  • 6 Atsauces

Kur notiek oksidatīvā fosforilācija?

Elektronu transportēšanas un oksidatīvās fosforilācijas procesi ir saistīti ar membrānu. Prokariātos šie mehānismi tiek veikti caur plazmas membrānu. Eukariotu šūnās tās saistās ar mitohondriju membrānu.

Šūnās konstatēto mitohondriju skaits atšķiras atkarībā no šūnas veida. Piemēram, zīdītājiem eritrocītiem trūkst šo organellu, bet citiem šūnu tipiem, piemēram, muskuļu šūnām, var būt līdz miljoniem..

Mitohondriju membrāna sastāv no vienkāršas ārējās membrānas, nedaudz sarežģītākas iekšējās membrānas un to vidū starpmembrānās telpas, kur atrodas daudzi ATP atkarīgi fermenti..

Ārējā membrāna satur proteīnu, ko sauc par porīnu, kas veido kanālus nelielu molekulu vienkāršai difūzijai. Šī membrāna ir atbildīga par mitohondriju struktūras un formas saglabāšanu.

Iekšējai membrānai ir augstāks blīvums un tas ir bagāts ar proteīniem. Tā ir arī necaurlaidīga pret molekulām un joniem, tāpēc, lai šķērsotu to, tām ir vajadzīgi starpmembrānu proteīni, kas tos transportē.

Matricas iekšpusē iekšējās membrānas krokās tiek izstieptas, veidojot kores, kas ļauj tai iegūt lielu platību nelielā apjomā.

Šūnu elektrostacija

Mitohondriji tiek uzskatīti par šūnu enerģijas centrālo ražotāju. Tajā ir iekļauti citronskābes cikla procesos iesaistītie fermenti, taukskābju oksidēšana un elektronu transportēšanas enzīmu oksidēšana un ADP fosforilācija..

Protonu koncentrācijas gradients (pH gradients) un lādiņu vai elektriskā potenciāla gradients mitohondriju iekšējā membrānā ir atbildīgs par protonu motora spēku. Iekšējās membrānas zemā caurlaidība joniem (izņemot H)+) ļauj mitohondrijiem nodrošināt stabilu sprieguma gradientu.

Pateicoties protoniskajam dzinējspēkam, mitohondrijās vienlaicīgi notiek elektroniskais transports, protonu sūknēšana un ATP iegūšana. PH gradients saglabā skābes apstākļus starpmembrānos un mitohondriju matricā ar sārmainu stāvokli.

Par katru diviem elektroniem, kas nodoti OR2 Caur membrānu tiek iesūknēti aptuveni 10 protoni, radot elektrokemijas gradientu. Šajā procesā izdalītā enerģija pakāpeniski tiek panākta, elektronus šķērsojot konveijera ķēdē.

Posmi

Enerģija, kas izdalās NADH un FADH oksidācijas-reducēšanas reakciju laikā2 tas ir ievērojami augsts (aptuveni 53 kcal / mol katram elektronu pārim), lai to izmantotu ATP molekulu ražošanā, tas ir jāsagatavo pakāpeniski ar elektronu pāreju caur pārvadātājiem..

Tie ir sakārtoti četros kompleksos, kas atrodas iekšējā mitohondriju membrānā. Šo reakciju sasaiste ar ATP sintēzi tiek veikta piektajā kompleksā.

Elektronu transportēšanas ķēde

NADH nodod elektronu pāri, kas nonāk elektronu transporta ķēdes I kompleksā. Elektronus pārnes uz flavīna mononukleotīdu un pēc tam ar ubikvinonu (koenzīms Q) caur dzelzs sēra pārvadātāju. Šis process atbrīvo lielu enerģijas daudzumu (16,6 kcal / mol).

Ubiquinone transportē elektronus caur membrānu uz kompleksu III. Šajā kompleksā elektroni iziet cauri citohroms b un c1 pateicoties dzelzs sēra pārvadātājam.

No kompleksa III elektroni pāriet uz IV kompleksu (citohroma c oksidāzi), ko pa vienam nodod citohroma c (membrānas perifērā proteīns). IV kompleksā elektroni iziet cauri vara joniem (Cua2+), tad citohroma ca, tad uz citu vara jonu pāri (Cub2+) un no tā citohroma a3.

Visbeidzot, elektroni tiek nodoti OR2 kas ir pēdējais akceptors un veido ūdens molekulu (H. \ t2O) par katru saņemto elektronu pāri. Elektronu pāreja no kompleksa IV uz O2 arī rada lielu brīvās enerģijas daudzumu (25,8 kcal / mol).

Succinate CoQ reduktāze

Komplekss II (sukcināta CoQ reduktāze) saņem elektronu pāris no citronskābes cikla, oksidējot sukcināta molekulu uz fumarātu. Šie elektroni tiek pārvesti uz FAD, šķērsojot dzelzs sēra grupu, uz ubikinonu. No šī koenzīma viņi dodas uz kompleksu III un seko iepriekš aprakstītajam maršrutam.

Elektronu pārneses reakcijā uz FAD izdalītā enerģija nav pietiekama, lai vadītu protonus caur membrānu, tāpēc šajā ķēdes posmā protoniskā motora jauda netiek ģenerēta, un līdz ar to FADH rada mazāk H+ ka NADH.

Enerģijas sakabināšana vai pārvade

Iepriekš aprakstītajā elektronu transportēšanas procesā saražoto enerģiju vajadzētu izmantot ATP, reakcijas, ko katalizē ATP sintēze vai komplekss V, ražošanai. Šīs enerģijas saglabāšana ir pazīstama kā enerģijas savienojums, un mehānisms ir bijis grūti raksturot.

Ir aprakstītas vairākas hipotēzes, lai aprakstītu šo enerģijas transdukciju. Vislabāk pieņemtais ir turpmāk aprakstītā ķīmijmotisko sakaru hipotēze.

Ķīmiskā savienošana

Šis mehānisms liek domāt, ka ATP sintēzei izmantotā enerģija nāk no protonu gradienta šūnu membrānās. Šis process iejaucas mitohondrijās, hloroplastos un baktērijās un ir saistīts ar elektronu transportu.

Elektroniskā transporta kompleksi I un IV darbojas kā protonu sūkņi. Tās tiek pakļautas konformācijas izmaiņām, kas ļauj tos sūknēt intermembranālajā telpā. Katram elektronu pārim IV kompleksā tiek izvadīti divi protoni no membrānas un vēl divi paliek matricā, kas veido H2O.

Ubiquinone III kompleksā pieņem protonus no kompleksiem I un II un atbrīvo tos ārpus membrānas. I un III komplekss katram ļauj pārvadāt četrus protonus katram transportējamam elektronu pārim.

Mitohondriju matricai ir zema protonu koncentrācija un negatīvais elektriskais potenciāls, savukārt starpmembrānu telpā ir apgriezti apstākļi. Protonu plūsma caur šo membrānu ietver elektrokemijas gradientu, kas uzglabā nepieciešamo enerģiju (± 5 kcal / mol uz protonu) ATP sintēzei..

ATP sintēze

ATP sintetāzes enzīms ir piektais komplekss, kas iesaistīts oksidatīvajā fosforilācijā. Tā ir atbildīga par elektroķīmiskā gradienta enerģijas izmantošanu, veidojot ATP.

Šis transmembrānais proteīns sastāv no divām sastāvdaļām: F0 un F1. Komponents F0 ļauj atdot protonus mitohondriju matricai, kas darbojas kā kanāls un F1 katalizē ATP sintēzi ar ADP un P palīdzībui, izmantojot minētās atgriešanās enerģiju.

ATP sintēzes procesam nepieciešama strukturāla pārmaiņa F1 un F komponentu montāža0 un F1. Protonu translokācija caur F0 izraisa konformācijas izmaiņas trijās F apakšvienībās1, ļaujot tai darboties kā rotācijas dzinējam, vadot ATP veidošanu.

Apakšvienība, kas ir atbildīga par ADP saistīšanu ar Pi tas iet no vāja stāvokļa (L) uz aktīvo (T). Kad tiek veidots ATP, otrā apakšvienība nonāk atklātā stāvoklī (O), kas ļauj atbrīvot šo molekulu. Pēc ATP atbrīvošanas šī apakšvienība pāriet no atvērtā stāvokļa uz neaktīvu stāvokli (L).

ADP un P molekulasi pievienoties apakšvienībai, kas ir aizgājusi no O valsts uz L stāvokli.

Produkti

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

Kopējā reakcija NADH oksidācijai ir:

NADH + 1/2 O2 +H+ ↔ H2O + NAD+

Elektronu pārnešana no NADH un FADH2 to dod vairāki kompleksi, ļaujot brīvās enerģijas maiņai ΔG ° sadalīt mazākos enerģijas "iepakojumos", kas ir saistīti ar ATP sintēzi..

NADH molekulas oksidēšana ģenerē trīs ATP molekulu sintēzi. FADH molekulas oksidēšanās laikā2 ir savienots ar divu ATP sintēzi.

Šie koenzīmi nāk no glikolīzes un citronskābes cikla procesiem. Katrai glikozes molekulai, kas ir sadalīta, tiek veidotas 36 vai 38 ATP molekulas atkarībā no šūnu atrašanās vietas. 36 ATP rodas smadzenēs un skeleta muskuļos, bet 38 ATP tiek ražoti muskuļu audos.

Funkcijas

Visiem organismiem, vienšūniem un pluricelulāriem, ir nepieciešama minimāla enerģija savās šūnās, lai veiktu procesus tajās, un, savukārt, saglabā vitāli svarīgās funkcijas visā organismā..

Metabolisma procesiem ir nepieciešama enerģija. Lielāko daļu izmantojamās enerģijas iegūst no ogļhidrātu un tauku degradācijas. Minētā enerģija ir iegūta no oksidatīvā fosforilācijas procesa.

Oksidatīvās fosforilācijas kontrole

ATP izmantošanas līmenis šūnās kontrolē to pašu sintēzi, un, savukārt, oksidatīvās fosforilācijas un elektronu transporta ķēdes savienojuma dēļ tas arī regulē elektroniskās transporta ātrumu kopumā..

Oksidatīvai fosforilācijai ir stingra kontrole, kas nodrošina, ka ATP netiek ģenerēts ātrāk, nekā tas tiek patērēts. Elektronu transportēšanas procesā un saistītajā fosforilācijā ir noteikti soļi, kas regulē enerģijas ražošanas ātrumu.

Koordinēta ATP ražošanas kontrole

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

Fosforilēšanas kontrole pēc ATP masas darbības koeficienta ir atkarīga no elektronu precīzā ieguldījuma transporta ķēdē. Tas savukārt ir atkarīgs no attiecībām [NADH] / [NAD+] kas saglabājas paaugstināts ar glikolīzes un citronskābes cikla darbību.

Šī koordinētā kontrole tiek veikta, regulējot glikolīzes kontroles punktus (PFK, ko inhibē citrāts) un citronskābes ciklu (piruvāta dehidrogenāzi, citrāta lenti, izocitrāta dehidrogenāzi un α-ketoglutarāta dehidrogenāzi).

Kontrole ar akceptoru

IV komplekss (citohroma c oksidāze) ir enzīms, ko regulē viens no tā substrātiem, kas nozīmē, ka tā darbību kontrolē samazināts citohroma c (c2+), kas savukārt ir līdzsvarā ar [NADH] / [NAD+un [ATP] / [ADP] + [Pi].

Jo augstāka ir saistība [NADH] / [NAD]+] un pazeminiet [ATP] / [ADP] + [Pi], jo vairāk koncentrācijas būs citohroms [c2+] un IV kompleksa darbība būs lielāka. To interpretē, piemēram, ja mēs salīdzinām organismus ar dažādām atpūtas un augsta aktivitāšu aktivitātēm.

Personā ar augstu fizisko aktivitāti, ATP patēriņš un līdz ar to hidrolīze uz ADP + Pi būs ļoti augsts, radot atšķirību masas darbības koeficientā, kas izraisa pieaugumu [c2+] un tāpēc ATP sintēzes pieaugums. Personā, kas atrodas atpūtā, notiek pretēja situācija.

Galu galā oksidatīvās fosforilācijas ātrums palielinās līdz ar ADP koncentrāciju mitohondrijās. Šī koncentrācija ir atkarīga no ADP-ATP translokatoriem, kas atbild par adenīna nukleotīdu un P transportēšanui no citozola līdz mitohondriju matricai.

Atvienošanas līdzekļi

Oksidatīvo fosforilāciju ietekmē daži ķīmiskie līdzekļi, kas ļauj turpināt elektronisko transportēšanu bez ADP fosforilācijas, atdalot enerģijas ražošanu un saglabāšanu..

Šie līdzekļi stimulē mitohondriju skābekļa patēriņu, ja nav ADP, kā arī palielina ATP hidrolīzi. Tie darbojas, likvidējot starpnieku vai iznīcinot elektronu transporta ķēdes enerģētisko stāvokli.

2,4-dinitrofenols, vājš skābe, kas iet cauri mitohondriju membrānām, ir atbildīgs par protonu gradienta izkliedi, jo tie saistās ar tiem skābajā pusē un atbrīvo tos uz pamata pusi..

Šo savienojumu izmantoja kā "svara zuduma tabletes", jo tika konstatēts, ka tas palielina elpošanu, tādējādi palielina vielmaiņas ātrumu un ar to saistīto svara zudumu. Tomēr tika pierādīts, ka tās negatīvā ietekme var izraisīt pat nāvi.

Protonu gradienta izkliede rada siltumu. Brūnā taukaudu šūnās tiek izmantota atsaistīšana, ko kontrolē hormonāli, lai iegūtu siltumu. Hibernējoši zīdītāji un jaundzimušie, kuriem trūkst matu, sastāv no šī auda, ​​kas kalpo kā sava veida siltuma segas.

Inhibitori

Savienojumi vai inhibitori novērš gan O patēriņu2 (elektroniskais transports) kā saistīto oksidatīvo fosforilāciju. Šie līdzekļi novērš ATP veidošanos, izmantojot elektroniskajā transportā saražoto enerģiju. Tāpēc transporta ķēde apstājas, kad šis enerģijas patēriņš nav pieejams.

Oligomicīna antibiotika darbojas kā fosforilācijas inhibitors daudzās baktērijās, novēršot ADP stimulāciju ATP sintēzē..

Ir arī jonoforu līdzekļi, kas padara liposšķīstošus kompleksus ar tādiem katjoniem kā K+ un Na+, un tie iet caur mitohondriju membrānu ar minētajiem katjoniem. Mitohondriji pēc tam izmanto elektroniskajā transportā saražoto enerģiju sūkņu katjoniem, nevis sintezē ATP.

Atsauces

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Essential šūnu bioloģija. Ņujorka: Garland Zinātne.
  2. Cooper, G. M., Hausman, R. E. & Wright, N. (2010). Šūna. (p. 397-402). Marbán.
  3. Devlin, T. M. (1992). Bioķīmijas mācību grāmata ar klīniskām korelācijām. John Wiley & Sons, Inc.
  4. Garrets, R. H., un Grisham, C. M. (2008). Bioķīmija. Thomson Brooks / Cole.
  5. Lodish, H., Darnell, J.E., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Scott, M. P., un Matsudaira, P. (2008). Molekulārā šūnu bioloģija. Macmillan.
  6. Nelsons, D. L., un Cokss, M. M. (2006). Lehningera bioķīmijas principi 4. izdevums. Ed Omega. Barselona.
  7. Voet, D., & Voet, J. G. (2006). Bioķīmija. Ed. Panamericana Medical.