Oksidaciniai fosforilinimo etapai, produktai, funkcijos ir inhibitoriai

The oksidacinis fosforilinimas yra procesas, kuriame ATP molekulės sintezuojamos iš ADP ir P_i (neorganinis fosfatas). Šį mechanizmą atlieka bakterijos ir eukariotinės ląstelės. Eukariotinėse ląstelėse fosforilinimas atliekamas ne fotosintetinių ląstelių mitochondrijų matricoje.

ATP gamybą skatina elektronų perkėlimas iš NADH arba FADH koenzimų₂ O₂. Šis procesas reiškia didžiausią energijos gamybą ląstelėje ir yra gaunamas dėl angliavandenių ir riebalų skilimo.

Energijos, saugomos įkrovimo ir pH gradientuose, taip pat žinomos kaip protonų varomoji jėga, leidžia šį procesą atlikti. Gautas protonų gradientas sukelia išorinę membranos dalį, kuri turi teigiamą krūvį dėl protonų koncentracijos (H⁺) ir mitochondrijų matrica yra neigiama.

Indeksas

• 1 Kai vyksta oksidacinis fosforilinimas?
  • 1.1 Ląstelių elektrinė
• 2 etapai
  • 2.1 Elektronų transportavimo grandinė
  • 2.2 Sukcinato CoQ reduktazė
  • 2.3 Energijos prijungimas arba persiuntimas
  • 2.4 Chemosmotinė jungtis
  • 2.5 ATP sintezė
• 3 Produktai
• 4 Funkcijos
• 5 Oksidacinio fosforilinimo kontrolė
  • 5.1 Koordinuota ATP gamybos kontrolė
  • 5.2. Priėmėjo kontrolė
  • 5.3 Atjungimo priemonės
  • 5.4 Inhibitoriai
• 6 Nuorodos

Kur vyksta oksidacinis fosforilinimas?

Elektronų transportavimo ir oksidacinio fosforilinimo procesai yra susiję su membrana. Prokariotuose šie mechanizmai atliekami per plazmos membraną. Eukariotinėse ląstelėse jie siejasi su mitochondrijos membrana.

Ląstelių mitochondrijų skaičius skiriasi priklausomai nuo ląstelės tipo. Pavyzdžiui, žinduolių eritrocitai neturi šių organelių, o kiti ląstelių tipai, pvz., Raumenų ląstelės, gali turėti iki milijonų jų..

Mitochondrijų membraną sudaro paprasta išorinė membrana, šiek tiek sudėtingesnė vidinė membrana ir jų viduryje intermembraninė erdvė, kurioje yra daug ATP priklausančių fermentų..

Išorinė membrana turi baltymą, vadinamą porinu, kuris sudaro kanalus paprastoms mažų molekulių difuzijai. Ši membrana yra atsakinga už mitochondrijų struktūros ir formos palaikymą.

Vidinė membrana turi didesnį tankį ir yra daug baltymų. Ji taip pat yra nepralaidi molekulėms ir jonams, todėl, norint ją kirsti, jiems reikia intermembraninių baltymų, kurie juos transportuoja.

Matricoje vidinės membranos raukšlės plečiasi, formuodamos griovelius, leidžiančius jai turėti didelį plotą mažame tūrio.

Ląstelių elektrinė

Mitochondrija laikoma centrine ląstelių energijos gamintoja. Jame yra citrinų rūgšties ciklo procesuose dalyvaujantys fermentai, riebalų rūgščių oksidavimas ir elektronų transportavimo fermentų redokso baltymai bei ADP fosforilinimas..

Protonų koncentracijos gradientas (pH gradientas) ir krūvių ar elektros potencialo gradientas mitochondrijos vidinėje membranoje yra atsakingi už protonų judėjimo jėgą. Mažas vidinės membranos pralaidumas jonams (išskyrus H)⁺) leidžia mitochondrijoms turėti stabilų įtampos gradientą.

Elektroninis transportavimas, protonų pumpavimas ir ATP gavimas vienu metu vyksta mitochondrijose dėl protoninės varomosios jėgos. PH gradientas palaiko rūgščias sąlygas intermembrane ir mitochondrijų matricoje su šarminėmis sąlygomis.

Kiekvienam dviem elektronams, perkeliamiems į AR₂ Apie 10 protonų perpumpuojama per membraną, sukuriant elektrocheminį gradientą. Šiame procese išleista energija palaipsniui gaunama einant elektronus per konvejerio grandinę.

Etapai

NADH ir FADH oksidacijos-redukcijos reakcijos metu išsiskirianti energija₂ tai yra labai aukšta (apie 53 kcal / mol kiekvienai elektronų porai), todėl ji turi būti naudojama gaminant ATP molekules, ji turi būti gaminama palaipsniui einant elektronais per transporterius.

Jie suskirstyti į keturis kompleksus, esančius vidinėje mitochondrijoje. Šių reakcijų susiejimas su ATP sinteze atliekamas penktame komplekse.

Elektronų transportavimo grandinė

NADH perduoda elektronų porą, kuri patenka į elektronų transportavimo grandinės I kompleksą. Elektronai perkeliami į flavino mononukleotidą, o po to - į ubikinoną (koenzimą Q) per geležies-sieros transporterį. Šis procesas išskiria daug energijos (16,6 kcal / mol).

Ubiquinone transportuoja elektronus per membraną į kompleksą III. Šiame komplekse elektronai eina per citochromus b ir c₁ geležies ir sieros transporterio dėka.

Iš komplekso III elektronai patenka į IV kompleksą (citochromo c oksidazę), perkeliami po vieną į citochromo c (membranos periferinį baltymą). IV komplekse elektronai praeina per porą vario jonų (Cu_a²⁺), tada į citochromą c_a, tada į kitą vario jonų porą (Cu_b²⁺) ir nuo to iki citochromo a₃.

Galiausiai elektronai perkeliami į AR₂ kuris yra paskutinis akceptorius ir sudaro vandens molekulę (H. \ t₂O) kiekvienai gautai elektronų porai. Elektronų patekimas iš komplekso IV į O₂ taip pat sukuria daug laisvos energijos (25,8 kcal / mol).

Sukcinato CoQ reduktazė

Kompleksas II (sukcinato CoQ reduktazė) gauna elektronų porą iš citrinos rūgšties ciklo oksiduojant sukcinato molekulę į fumaratą. Šie elektronai perkeliami į FAD, einant per geležies-sieros grupę į ubikinoną. Iš šio koenzimo jie eina į kompleksą III ir seka anksčiau aprašytą maršrutą.

Elektronų perdavimo reakcijoje į FAD išsiskirianti energija nėra pakankama protonams vairuoti per membraną, todėl šiame grandinės etape nėra sukurta protoninė varomoji galia, todėl FADH duoda mažiau H⁺ kad NADH.

Energijos prijungimas arba perdavimas

Pirmiau aprašytame elektronų transportavimo procese generuojama energija turėtų būti naudojama ATP, reakcijos, kurią katalizuoja fermentas ATP sintezė arba kompleksas V., gamybai. Šios energijos išsaugojimas yra žinomas kaip energijos jungtis, ir mechanizmas buvo sunku apibūdinti.

Aprašyta keletas hipotezių, apibūdinančių šį energijos perdavimo procesą. Geriausiai priimtina yra chemosmotinių sukabinimo hipotezė, aprašyta žemiau.

Chemosmotinė jungtis

Šis mechanizmas siūlo, kad ATP sintezei naudojama energija būtų gaunama iš protonų gradiento ląstelių membranose. Šis procesas vyksta mitochondrijose, chloroplastuose ir bakterijose ir yra susijęs su elektronų transportavimu.

Elektroninio transporto kompleksai I ir IV veikia kaip protonų siurbliai. Jie vykdo konformacinius pokyčius, kurie leidžia jiems pumpuoti protonus į intermembranalinę erdvę. IV komplekse kiekvienai elektronų porai iš membranos išpumpuojami du protonai ir dar du lieka matricoje, sudarančioje H₂O.

Ubiquinone III komplekse priima I ir II kompleksų protonus ir atleidžia juos nuo membranos. I ir III kompleksai kiekvienam transportuojamam elektronų porui leidžia praeiti keturis protonus.

Mitochondrijų matricoje yra maža protonų koncentracija ir neigiamas elektrinis potencialas, o intermembraninėje erdvėje yra atvirkštinės sąlygos. Protonų srautas per šią membraną apima elektrocheminį gradientą, kuris saugo reikiamą energiją (± 5 kcal / mol per protoną) ATP sintezei..

ATP sintezė

ATP sintezės fermentas yra penktasis kompleksas, susijęs su oksidaciniu fosforilinimu. Jis yra atsakingas už elektrocheminio gradiento energijos panaudojimą, kad būtų sudarytas ATP.

Šis transmembraninis baltymas susideda iš dviejų komponentų: F₀ ir F₁. Komponentas F₀ leidžia grąžinti protonus į mitochondrijų matricą, veikiančią kaip kanalą, ir F₁ katalizuoja ATP sintezę per ADP ir P_i, naudojant minėtos grąžos energiją.

ATP sintezės procesui reikia struktūrinių pokyčių F₁ ir F komponentų surinkimas₀ ir F₁. Protonų perkėlimas per F₀ sukelia konformacinius pokyčius trijuose F padaliniuose₁, leisti jai veikti kaip rotacijos variklis, nukreipiantis ATP formavimąsi.

Subvienetas, atsakingas už ADP sujungimą su P_i jis eina iš silpnos būsenos (L) į aktyvųjį (T). Suformavus ATP, antrasis subvienetas pereina į atvirą būseną (O), kuri leidžia išleisti šią molekulę. Atleidus ATP, šis subvienetas pereina nuo atviros būsenos į neaktyvią būseną (L).

ADP ir P molekulės_i prisijungti prie subvieneto, kuris išėjo iš O būsenos į L būseną.

Produktai

Elektronų transportavimo grandinė ir fosforilinimas gamina ATP molekules. NADH oksidacija gamina apie 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) laisvos energijos.

Bendra NADH oksidacijos reakcija yra:

NADH + 1/2 O₂ +H⁺ ↔ H₂O + NAD⁺

Elektronų perkėlimas iš NADH ir FADH₂ jis pateikiamas per kelis kompleksus, leidžiant laisvai energijai keisti ΔG ° suskirstyti į mažesnius energijos paketus, kurie yra susieti su ATP sinteze..

NADH molekulės oksidacija generuoja trijų ATP molekulių sintezę. FADH molekulės oksidacijos metu₂ yra susieta su dviejų ATP sinteze.

Šie koenzimai kilę iš glikolizės ir citrinų rūgšties ciklo procesų. Kiekvienai išskaidytos gliukozės molekulei gaminamos 36 arba 38 ATP molekulės, priklausomai nuo ląstelių vietos. 36 ATP gaminami smegenyse ir skeleto raumenyse, o raumenų audinyje - 38 ATP.

Funkcijos

Visiems organizmams, vienaląsčiams ir daugialypiams, jų ląstelėse reikia minimalios energijos, kad jie vyktų procesuose, ir savo ruožtu išlaikytų gyvybines funkcijas visame organizme..

Metaboliniai procesai reikalauja energijos. Didžioji dalis panaudojamos energijos gaunama skaidant angliavandenius ir riebalus. Minėta energija gaunama iš oksidacinio fosforilinimo proceso.

Oksidacinio fosforilinimo kontrolė

ATP panaudojimo ląstelėse greitis kontroliuoja tos pačios sintezės procesą, o dėl oksidacinio fosforilinimo su elektronų transportavimo grandine jis taip pat reguliuoja elektroninio transporto greitį..

Oksidacinis fosforilinimas turi griežtą kontrolę, užtikrinančią, kad ATP nebūtų generuojamas greičiau nei suvartojama. Yra tam tikri žingsniai elektronų transportavimo ir susieto fosforilinimo procesuose, reguliuojančiuose energijos gamybos greitį.

Koordinuota ATP gamybos kontrolė

Pagrindiniai energijos gamybos būdai (ląstelių ATP) yra glikolizė, citrinų rūgšties ciklas ir oksidacinis fosforilinimas. Koordinuota šių trijų procesų kontrolė reguliuoja ATP sintezę.

Fosforilinimo kontrolė pagal ATP masės veiksmų santykį priklauso nuo tikslaus elektronų indėlio transporto grandinėje. Tai savo ruožtu priklauso nuo santykių [NADH] / [NAD⁺], kuris yra išsaugotas padidėjus glikolizės ir citrinos rūgšties ciklo poveikiui.

Ši koordinuota kontrolė atliekama reguliuojant glikolizės kontrolinius taškus (citratas slopina PFK) ir citrinos rūgšties ciklą (piruvato dehidrogenazę, citrato juostą, izocitrato dehidrogenazę ir α-ketoglutarato dehidrogenazę)..

Priėmėjo kontrolė

IV kompleksas (citochromo c oksidazė) yra fermentas, reguliuojamas vieno iš jo substratų, o tai reiškia, kad jo aktyvumą kontroliuoja sumažintas citochromo c (c²⁺), kuri savo ruožtu yra subalansuota su [NADH] / [NAD⁺ir [ATP] / [ADP] + [P_i].

Kuo didesnis santykis [NADH] / [NAD]⁺] ir nuleiskite [ATP] / [ADP] + [P_i], tuo daugiau koncentracijos bus citochromo [c²⁺] ir IV komplekso veikla bus didesnė. Tai aiškinama, pavyzdžiui, jei lyginame organizmus su skirtinga poilsio ir aukšto aktyvumo veikla.

Asmeniui, turinčiam didelį fizinį aktyvumą, ATP vartojimas ir dėl to hidrolizė į ADP + P_i bus labai didelis, ir tai sukels skirtumą tarp masės veiksmų santykio, kuris sukelia padidėjimą [c²⁺ir todėl ATP sintezės padidėjimas. Atsitiktinėje situacijoje atsiduria priešinga padėtis.

Galiausiai oksidacinio fosforilinimo greitis didėja, kai ADP koncentracija yra mitochondrijose. Ši koncentracija priklauso nuo ADP-ATP translokatorių, atsakingų už adenino nukleotidų ir P transportavimą_i nuo citozolio iki mitochondrijų matricos.

Atjungimo priemonės

Oksidacinį fosforilinimą įtakoja tam tikri cheminiai veiksniai, kurie leidžia elektroniniam transportui tęsti be ADP fosforilinimo, atsiejus energijos gamybą ir išsaugojimą..

Šie agentai stimuliuoja deguonies suvartojimo greitį mitochondrijose be ADP, taip pat padidina ATP hidrolizę. Jie veikia pašalindami tarpininką arba nutraukdami elektronų transportavimo grandinės energijos būklę.

2,4-dinitrofenolis, silpna rūgštis, kuri eina per mitochondrijų membranas, yra atsakinga už protonų gradiento išsklaidymą, nes jie jungiasi prie jų rūgštinėje pusėje ir atleidžia juos į pagrindinę pusę.

Šis junginys buvo naudojamas kaip "svorio netekimo piliulė", nes buvo nustatyta, kad jis padidina kvėpavimą, todėl padidėja medžiagų apykaitos greitis ir susijęs svorio sumažėjimas. Tačiau buvo įrodyta, kad jo neigiamas poveikis gali sukelti net mirtį.

Protonų gradiento išsklaidymas sukuria šilumą. Rudos riebalinio audinio ląstelės naudoja atsiejimą, kontroliuojamą hormoniniu būdu, kad gautų šilumą. Hibernuojantys žinduoliai ir naujagimiai, kuriems trūksta plaukų, susideda iš šio audinio, kuris tarnauja kaip šiluminė antklodė.

Inhibitoriai

Junginiai arba inhibitoriai neleidžia vartoti O₂ (elektroninis transportavimas) kaip susijęs oksidacinis fosforilinimas. Šie agentai užkerta kelią ATP formavimuisi naudojant elektroniniame transporte pagamintą energiją. Todėl transporto grandinė nustoja veikti, kai tokio energijos suvartojimo nėra.

Antibiotikas oligomicinas veikia kaip daugelio bakterijų fosforilinimo inhibitorius, neleidžiant ADP stimuluoti ATP sintezę..

Taip pat yra jonoforo agentų, kurie lipos tirpius kompleksus sudaro su katijonais, tokiais kaip K⁺ ir Na⁺, ir jie eina per mitochondrijų membraną minėtais katijonais. Tuomet mitochondrijos naudoja elektroninėje transporte pagamintą energiją siurblių katijonams, o ne sintezuoti ATP.

Nuorodos

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Esminė ląstelių biologija. Niujorkas: Garland Science.
2. Cooperis, G. M., Hausmanas, R. E. & Wright, N. (2010). Ląstelė. (p. 397-402). Marbán.
3. Devlin, T. M. (1992). Biochemijos vadovėlis: su klinikinėmis koreliacijomis. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, R. H., ir Grisham, C. M. (2008). Biochemija. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, J.E., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Scott, M. P., ir Matsudaira, P. (2008). Molekulinės ląstelės biologija. Macmillan.
6. Nelsonas, D. L., ir Cox, M. M. (2006). Lehningerio biochemijos principai 4-asis leidimas. Ed Omega. Barselona.
7. Voet, D., & Voet, J. G. (2006). Biochemija. Red. Panamericana Medical.