Stupne oxidačnej fosforylácie, produkty, funkcie a inhibítory

oxidačná fosforylácia je proces, v ktorom sú ATP molekuly syntetizované z ADP a P_ja (anorganický fosfát). Tento mechanizmus sa uskutočňuje baktériami a eukaryotickými bunkami. V eukaryotických bunkách sa fosforylácia uskutočňuje v mitochondriálnej matrici ne-fotosyntetických buniek.

Produkcia ATP je riadená prenosom elektrónov z koenzýmov NADH alebo FADH₂ O₂. Tento proces predstavuje najvyššiu produkciu energie v bunke a je odvodený z degradácie sacharidov a tukov.

Energia uložená v nábojových a pH gradientoch, známa tiež ako protónová hnacia sila, umožňuje tento proces uskutočniť. Vytvorený protónový gradient spôsobuje, že vonkajšia časť membrány má pozitívny náboj v dôsledku koncentrácie protónov (H⁺) a mitochondriálna matrica je negatívna.

index

• 1 Tam, kde dochádza k oxidačnej fosforylácii?
  • 1.1 Bunková elektráreň
• 2 Fázy
  • 2.1 Elektrónový transportný reťazec
  • 2.2 Sukcinát CoQ reduktáza
  • 2.3 Spojenie alebo prenos energie
  • 2.4 Chemosmotická väzba
  • 2.5 Syntéza ATP
• 3 Produkty
• 4 Funkcie
• 5 Kontrola oxidačnej fosforylácie
  • 5.1 Koordinovaná kontrola výroby ATP
  • 5.2 Kontrola pomocou akceptora
  • 5.3 Oddeľovacie činidlá
  • 5.4 Inhibítory
• 6 Referencie

Kde dochádza k oxidačnej fosforylácii?

Procesy prenosu elektrónov a oxidačnej fosforylácie sú spojené s membránou. V prokaryotoch sa tieto mechanizmy uskutočňujú cez plazmatickú membránu. V eukaryotických bunkách sa spájajú s membránou mitochondrií.

Počet mitochondrií v bunkách sa líši podľa typu bunky. Napríklad u cicavcov tieto erytrocyty nemajú tieto organely, zatiaľ čo iné typy buniek, ako napríklad svalové bunky, môžu mať až milióny z nich..

Mitochondriálna membrána sa skladá z jednoduchej vonkajšej membrány, o niečo zložitejšej vnútornej membrány, a uprostred nich je medzimembranálny priestor, kde sa nachádza mnoho enzýmov závislých od ATP..

Vonkajšia membrána obsahuje proteín nazývaný porín, ktorý tvorí kanály pre jednoduchú difúziu malých molekúl. Táto membrána je zodpovedná za udržiavanie štruktúry a tvaru mitochondrií.

Vnútorná membrána má vyššiu hustotu a je bohatá na proteíny. Je tiež nepriepustný pre molekuly a ióny, takže na jeho kríženie potrebujú intermembránové proteíny, ktoré ich transportujú.

V matrici sa rozprestierajú záhyby vnútornej membrány, ktoré vytvárajú hrebene, ktoré jej umožňujú mať veľkú plochu v malom objeme.

Bunková elektráreň

Mitochondrie sa považujú za centrálneho výrobcu bunkovej energie. Sú to enzýmy zapojené do procesov cyklu kyseliny citrónovej, oxidácie mastných kyselín a enzýmov a redox proteínov transportu elektrónov a fosforylácie ADP.

Gradient koncentrácie protónov (gradient pH) a gradient nábojov alebo elektrického potenciálu vo vnútornej membráne mitochondrií sú zodpovedné za hnaciu silu protónov. Nízka priepustnosť vnútornej membrány pre ióny (iné ako H)⁺) umožňuje mitochondriám mať stabilný gradient napätia.

Elektronický transport, čerpanie protónov a získavanie ATP sa vyskytujú súčasne v mitochondriách vďaka protónovej hybnej sile. PH gradient udržiava kyslé podmienky v intermembráne a mitochondriálnej matrici s alkalickými podmienkami.

Pre každé dva elektróny prenesené do OR₂ Približne 10 protónov sa čerpá cez membránu a vytvára elektrochemický gradient. Energia uvoľnená v tomto procese sa vytvára postupne prechodom elektrónov cez dopravnú reťaz.

stupňa

Energia uvoľnená počas oxidačno-redukčných reakcií NADH a FADH₂ je značne vysoká (okolo 53 kcal / mol pre každý pár elektrónov), tak aby sa mohla použiť pri výrobe ATP molekúl, musí sa produkovať postupne s prechodom elektrónov cez transportéry.

Sú usporiadané do štyroch komplexov umiestnených vo vnútornej mitochondriálnej membráne. Spojenie týchto reakcií so syntézou ATP sa uskutočňuje v piatom komplexe.

Elektronový transportný reťazec

NADH prenáša pár elektrónov, ktoré vstupujú do komplexu I elektrónového transportného reťazca. Elektróny sú prenesené do flavínového mononukleotidu a potom do ubichinónu (koenzým Q) cez transportér železo-síra. Tento proces uvoľňuje veľké množstvo energie (16,6 kcal / mol).

Ubiquinone transportuje elektróny cez membránu do komplexu III. V tomto komplexe prechádzajú elektróny cez cytochrómy bac₁ vďaka transportéru železo-síra.

Z komplexu III prechádzajú elektróny do IV komplexu (cytochróm c oxidáza), ktorý sa prenáša jeden po druhom do cytochrómu c (membránový periférny proteín). V komplexe IV prechádzajú elektróny cez dvojicu iónov medi (Cu_na²⁺), potom na cytochróm c_na, potom na ďalší pár iónov medi (Cu_b²⁺) az toho na cytochróm a₃.

Nakoniec sa elektróny prenesú do OR₂ ktorý je posledným akceptorom a tvorí molekulu vody (H₂O) pre každý pár prijatých elektrónov. Priechod elektrónov z komplexu IV do O₂ tiež vytvára veľké množstvo voľnej energie (25,8 kcal / mol).

Sukcinát CoQ reduktáza

Komplex II (sukcinát CoQ reduktáza) prijíma pár elektrónov z cyklu kyseliny citrónovej oxidáciou molekuly sukcinátu na fumarát. Tieto elektróny sa prenesú do FAD, prechádzajúceho cez skupinu železo-síra, do ubichinónu. Z tohto koenzýmu idú do komplexu III a sledujú skôr opísanú cestu.

Energia uvoľnená v reakcii prenosu elektrónov na FAD nie je dostatočná na to, aby poháňala protóny cez membránu, takže v tomto kroku reťazca sa nevytvára žiadna protónová hnacia sila, a preto FADH poskytuje menej H⁺ že NADH.

Spojenie alebo prenos energie

Energia generovaná v procese prenosu elektrónov opísanom vyššie by mala byť schopná byť použitá na produkciu ATP, reakcie katalyzovanej enzýmom ATP syntázy alebo komplexu V. Zachovanie tejto energie je známe ako energetická väzba a mechanizmus bol ťažko charakterizovať.

Na opis tejto transdukcie energie bolo opísaných niekoľko hypotéz. Najlepšie akceptovaná hypotéza chemosmotickej väzby je opísaná nižšie.

Chemosmotická väzba

Tento mechanizmus navrhuje, aby energia použitá na syntézu ATP pochádzala z protónového gradientu v bunkových membránach. Tento proces zasahuje do mitochondrií, chloroplastov a baktérií a je spojený s transportom elektrónov.

Komplexy I a IV elektronického transportu pôsobia ako protónové čerpadlá. Tieto prechádzajú konformačnými zmenami, ktoré im umožňujú čerpať protóny do medzimembranálneho priestoru. V komplexe IV pre každý pár elektrónov sú z membrány čerpané dva protóny a ďalšie dva zostávajú v matrici tvoriacej H.₂O.

Ubichinón v komplexe III prijíma protóny z komplexov I a II a uvoľňuje ich mimo membrány. Komplexy I a III umožňujú priechod štyroch protónov pre každý pár transportovaných elektrónov.

Mitochondriálna matrica má nízku koncentráciu protónov a negatívny elektrický potenciál, zatiaľ čo intermembránový priestor predstavuje inverzné podmienky. Tok protónov cez túto membránu zahŕňa elektrochemický gradient, ktorý uchováva potrebnú energiu (± 5 kcal / mol na protón) na syntézu ATP..

Syntéza ATP

Enzým ATP syntetáza je piaty komplex zapojený do oxidačnej fosforylácie. Je zodpovedný za využitie energie elektrochemického gradientu za vzniku ATP.

Tento transmembránový proteín sa skladá z dvoch zložiek: F₀ a F₁. Zložka F₀ umožňuje návrat protónov do mitochondriálnej matice fungujúcej ako kanál a F₁ katalyzuje syntézu ATP prostredníctvom ADP a P_ja, s využitím energie uvedeného návratu.

Proces syntézy ATP vyžaduje štrukturálnu zmenu v F₁ a montáž komponentov F₀ a F₁. Translokácia protónov cez F₀ spôsobuje konformačné zmeny v troch podjednotkách F₁, umožňujúce pôsobiť ako rotačný motor, ktorý riadi tvorbu ATP.

Podjednotka, ktorá je zodpovedná za väzbu ADP s P_ja prechádza zo slabého stavu (L) do aktívneho (T). Keď sa vytvorí ATP, druhá podjednotka ide do otvoreného stavu (O), ktorý umožňuje uvoľnenie tejto molekuly. Po uvoľnení ATP prejde táto podjednotka z otvoreného stavu do neaktívneho stavu (L).

Molekuly ADP a P_ja pripojte sa k podjednotke, ktorá prešla zo stavu O do stavu L.

vyrobiť

Elektronový transportný reťazec a fosforylácia produkujú ATP molekuly. Oxidácia NADH produkuje asi 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) voľnej energie.

Celková reakcia na oxidáciu NADH je:

NADH + 1/2 O₂ +H⁺ ↔ H₂O + NAD⁺

Prenos elektrónov z NADH a FADH₂ je daná cez niekoľko komplexov, čo umožňuje zmenu voľnej energie ΔG ° na menšie "balíky" energie, ktoré sú spojené so syntézou ATP.

Oxidácia NADH molekuly vytvára syntézu troch molekúl ATP. Zatiaľ čo oxidácia molekuly FADH₂ je spojený so syntézou dvoch ATP.

Tieto koenzýmy pochádzajú z procesov glykolýzy a cyklu kyseliny citrónovej. Pre každú molekulu degradovanej glukózy sa pripraví 36 alebo 38 molekúl ATP v závislosti od umiestnenia buniek. 36 ATP sa tvoria v mozgu a kostrovom svale, zatiaľ čo 38 ATP sa produkuje vo svalovom tkanive.

funkcie

Všetky organizmy, jednobunkové a viacbunečné, potrebujú minimálnu energiu vo svojich bunkách na vykonávanie procesov v nich a na druhej strane si zachovávajú vitálne funkcie v celom organizme.

Metabolické procesy vyžadujú energiu. Väčšina využiteľnej energie sa získava degradáciou sacharidov a tukov. Uvedená energia je odvodená z procesu oxidačnej fosforylácie.

Kontrola oxidačnej fosforylácie

Rýchlosť využitia ATP v bunkách kontroluje syntézu toho istého a následne, v dôsledku väzby oxidačnej fosforylácie s elektrónovým transportným reťazcom, tiež reguluje rýchlosť elektronickej dopravy všeobecne.

Oxidačná fosforylácia má prísnu kontrolu, ktorá zaisťuje, že ATP nie je generovaný rýchlejšie ako je spotrebovaný. Existujú určité kroky v procese transportu elektrónov a viazanej fosforylácie, ktoré regulujú rýchlosť výroby energie.

Koordinovaná kontrola výroby ATP

Hlavnými cestami produkcie energie (bunkový ATP) sú glykolýza, cyklus kyseliny citrónovej a oxidačná fosforylácia. Koordinovaná kontrola týchto troch procesov reguluje syntézu ATP.

Kontrola fosforylácie hmotnostným akčným pomerom ATP závisí od presného príspevku elektrónov v transportnom reťazci. To zase závisí od vzťahu [NADH] / [NAD⁺], ktorý je zachovaný zvýšený pôsobením glykolýzy a cyklu kyseliny citrónovej.

Táto koordinovaná kontrola sa vykonáva reguláciou kontrolných bodov glykolýzy (PFK inhibovaná citrátom) a cyklu kyseliny citrónovej (pyruvát dehydrogenáza, citrátová páska, izocitrát dehydrogenáza a a-ketoglutarát dehydrogenáza).

Kontrola pomocou akceptora

IV komplex (cytochróm c oxidáza) je enzým regulovaný jedným z jeho substrátov, čo znamená, že jeho aktivita je kontrolovaná redukovaným cytochrómom c (c).²⁺), ktorý je zase v rovnováhe s pomerom koncentrácií medzi [NADH] / [NAD⁺] a hmotnostný akčný pomer [ATP] / [ADP] + [P_ja].

Čím vyšší je vzťah [NADH] / [NAD]⁺] a [ATP] / [ADP] + [P_ja], čím väčšia bude koncentrácia cytochrómu [c²⁺] a aktivita IV komplexu bude väčšia. Vykladá sa to napríklad vtedy, ak porovnáme organizmy s rôznymi aktivitami odpočinku a vysokou aktivitou.

U jedinca s vysokou fyzickou aktivitou je spotreba ATP a teda jeho hydrolýza na ADP + P_ja bude veľmi vysoká, čím sa vytvorí rozdiel v hmotnostnom akčnom pomere, ktorý spôsobí zvýšenie [c²⁺] a teda zvýšenie syntézy ATP. U jednotlivca v pokoji nastáva opačná situácia.

Nakoniec sa rýchlosť oxidačnej fosforylácie zvyšuje s koncentráciou ADP v mitochondriách. Táto koncentrácia závisí od ADP-ATP translokátorov zodpovedných za transport adenínových nukleotidov a P_ja z cytosolu do mitochondriálnej matrice.

Odpájacie činidlá

Oxidačná fosforylácia je ovplyvnená určitými chemickými činidlami, ktoré umožňujú elektronický transport pokračovať bez toho, aby sa vyskytla fosforylácia ADP, oddelenie výroby a uchovávania energie.

Tieto činidlá stimulujú rýchlosť spotreby kyslíka mitochondrií v neprítomnosti ADP, čo tiež spôsobuje zvýšenie hydrolýzy ATP. Pôsobia tak, že odstraňujú sprostredkovateľa alebo porušujú energetický stav transportného reťazca elektrónov.

2,4-dinitrofenol, slabá kyselina, ktorá prechádza mitochondriálnymi membránami, je zodpovedná za rozptýlenie gradientu protónov, pretože sa na ne viaže na kyslej strane a uvoľňuje ich na základnej strane..

Táto zlúčenina sa použila ako "tabletka na zníženie hmotnosti", pretože sa zistilo, že spôsobuje zvýšenie respirácie, teda zvýšenie rýchlosti metabolizmu a súvisiaceho úbytku hmotnosti. Ukázalo sa však, že jeho negatívny účinok môže dokonca spôsobiť smrť.

Rozptýlenie gradientu protónov produkuje teplo. Bunky hnedého tukového tkaniva využívajú na produkciu tepla oddeľovanie, kontrolované hormonálne. Hibernujúce cicavce a novorodenci, ktorým chýbajú vlasy, pozostávajú z tohto tkaniva, ktoré slúži ako druh tepelnej deky.

inhibítory

Zlúčeniny alebo inhibičné činidlá zabraňujú tak spotrebe O₂ (elektronický transport) ako pridružená oxidačná fosforylácia. Tieto činidlá zabraňujú tvorbe ATP použitím energie vyrobenej v elektronickom transporte. Dopravný reťazec sa preto zastaví, keď táto spotreba energie nie je k dispozícii.

Antibiotikum oligomycin funguje ako inhibítor fosforylácie v mnohých baktériách, zabraňuje stimulácii ADP na syntézu ATP..

Existujú aj ionoforové činidlá, ktoré robia komplexy rozpustné v tukoch s katiónmi, ako je K⁺ a Na⁺, a prechádzajú cez mitochondriálnu membránu s uvedenými katiónmi. Mitochondrie potom použijú energiu vyrobenú v elektronickom transporte na katiónové pumpy namiesto syntézy ATP.

referencie

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Základná bunková biológia. New York: Garland Science.
2. Cooper, G. M., Hausman, R. E. & Wright, N. (2010). Bunka. (pp. 397-402). Marban.
3. Devlin, T. M. (1992). Učebnica biochémie: s klinickými koreláciami. John Wiley & Sons, Inc..
4. Garrett, R. H., & Grisham, C. M. (2008). biochémie. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, J.E., Berk, A., Kaiser, C.A., Krieger, M., Scott, M. P., & Matsudaira, P. (2008). Mollekulárna biológia buniek. Macmillan.
6. Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2006). Lehningerove zásady biochémie 4. vydanie. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D., & Voet, J. G. (2006). biochémie. Panamericana Medical.