OKSIDACINIS FOSFORILINIMAS: STADIJOS, FUNKCIJOS IR INHIBITORIAI - BIOLOGIJA - 2025

Oksidacinis fosforilinimas yra procesas, kai molekulės yra susintetintas ATP iš ADP ir P _i (neorganinio fosfato). Šį mechanizmą vykdo bakterijos ir eukariotų ląstelės. Eukariotų ląstelėse fosforilinimas vyksta nefotosintetinių ląstelių mitochondrijų matricoje.

ATP gamybą skatina elektronų perkėlimas iš kofermentų NADH arba FADH ₂ į O ₂ . Šis procesas atspindi didžiąją energijos dalį ląstelėje ir yra gaunamas suskaidžius angliavandenius ir riebalus.

Šaltinis: „Robot8A“

Šis krūvis ir pH gradientuose kaupiama energija, dar vadinama protono judančiąja jėga, įgalina šį procesą. Dėl susidariusio protono gradiento išorinė membranos dalis turi teigiamą krūvį dėl protonų (H ⁺ ) koncentracijos ir mitochondrijų matricos yra neigiama.

Kur vyksta oksidacinis fosforilinimas?

Elektronų transportavimo ir oksidacinio fosforilinimo procesai yra siejami su membrana. Prokariotuose šie mechanizmai vyksta per plazmos membraną. Eukariotų ląstelėse jie asocijuojasi su mitochondrijų membrana.

Ląstelėse randamas mitochondrijų skaičius skiriasi priklausomai nuo ląstelės tipo. Pavyzdžiui, žinduoliuose eritrocituose trūksta šių organelių, tuo tarpu kitų tipų ląstelės, tokios kaip raumenų ląstelės, gali turėti iki milijonų.

Mitochondrijų membraną sudaro paprasta išorinė membrana, šiek tiek sudėtingesnė vidinė membrana, o tarp jų - tarpląstelinė erdvė, kurioje yra daug nuo ATP priklausomų fermentų.

Išorinėje membranoje yra baltymas, vadinamas porin, kuris sudaro kanalus paprastai mažų molekulių difuzijai. Ši membrana yra atsakinga už mitochondrijų struktūros ir formos palaikymą.

Vidinė membrana turi didesnį tankį ir joje gausu baltymų. Tai taip pat nepralaidi molekulėms ir jonams, todėl norint juos pernešti, reikia tarpmembrinių baltymų.

Matricos viduje išsikiša vidinės membranos raukšlės, sudarydamos keterus, leidžiančius jai turėti didelį plotą nedideliame tūryje.

Ląstelių elektrinė

Mitochondrijos yra laikomos ląstelių energijos gamintoju. Jame yra citrinų rūgšties ciklo, riebalų rūgščių oksidacijos procesuose dalyvaujantys fermentai, elektronų transportavimo ir ADP fosforilinimo redokso fermentai ir baltymai.

Už protono varomąją jėgą atsakingi protonų koncentracijos gradientas (pH gradientas) ir krūvio gradientas arba elektrinis potencialas vidinėje mitochondrijų membranoje. Mažas vidinės membranos pralaidumas jonams (išskyrus H ⁺ ) leidžia mitochondrijoms turėti stabilų įtampos gradientą.

Dėl protonų varomosios jėgos mitochondrijose vienu metu vyksta elektroninis transportas, protonų siurbimas ir ATP gamyba. PH gradientas palaiko rūgštines sąlygas tarpląsteliniame ir mitochondrijų matricoje, esant šarminėms sąlygoms.

Kiekvieniems dviem į O ₂ perneštiems elektronams per membraną pumpuojamas maždaug 10 protonų, sukuriant elektrocheminį gradientą. Šiame procese išsiskirianti energija gaunama palaipsniui einant elektronams per transportavimo grandinę.

Etapai

Energija, išsiskirianti per NADH ir FADH ₂ oksidacijos-redukcijos reakcijas, yra labai didelė (apie 53 kcal / mol kiekvienai elektronų porai), todėl norint ją panaudoti gaminant ATP molekules, ji turi būti gaminama palaipsniui su elektronų praleidimas per transporterius.

Jie yra suskirstyti į keturis kompleksus, esančius ant vidinės mitochondrijų membranos. Šių reakcijų susiejimas su ATP sinteze vykdomas penktame komplekse.

Elektronų pernešimo grandinė

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

Ubichinonas gabena elektronus per membraną į III kompleksą. Šiame komplekse elektronai praeina per citochromus b ir c ₁ geležies-sieros pernešėjo dėka.

Elektronai pereina iš III komplekso į IV kompleksą (citochromo c oksidazė), po vieną perkeliami į citochromą c (periferinės membranos baltymas). Sudėtingų IV elektronai pereiti per vario jonų poros (Cu ²⁺ ), po to citochromo c , tada į kitą vario jonų poros (Cu _b ²⁺ ) ir iš to, kad citochromo yra ₃ .

Pagaliau, elektronai yra perkeliami į O ₂ kuri yra paskutinė akceptorius ir sudaro vandens molekulę (H ₂ O) kiekvienam gautų elektronų pora. Elektronų praėjimas iš IV komplekso į O ₂ taip pat sukuria daug laisvosios energijos (25,8 kcal / mol).

Sukcinato CoQ reduktazė

II kompleksas (sukcinato CoQ reduktazė) gauna elektronų porą iš citrinos rūgšties ciklo, oksiduodamas sukcinato molekulę į fumaratą. Šie elektronai perkeliami į geležies-sieros grupę į FAD į ubichinoną. Iš šio kofermento jie pereina į III kompleksą ir seka anksčiau aprašytą kelią.

Energijos, išsiskiriančios elektronų perdavimo reakcijai į FAD, nepakanka, kad protonai būtų pernešami per membraną, todėl šiame grandinės žingsnyje protonų varomoji jėga nesusidaro, todėl FADH sukuria mažiau H ⁺ nei NADH.

Energijos sujungimas ar perdavimas

Anksčiau aprašytame elektronų transportavimo procese sugeneruotą energiją turi būti įmanoma panaudoti ATP, reakcijos, katalizuojamos fermento ATP sintazės arba komplekso V, gamybai. Šios energijos išsaugojimas yra žinomas kaip energijos sujungimas, o mechanizmas buvo sunku apibūdinti.

Šiam energijos perdavimui apibūdinti buvo pateiktos kelios hipotezės. Geriausiai priimta chemosmotinė susiejimo hipotezė, aprašyta žemiau.

Chemosmotinis sujungimas

Šis mechanizmas rodo, kad ATP sintezei naudojama energija gaunama iš protonų gradiento ląstelių membranose. Šis procesas įsiterpia į mitochondrijas, chloroplastus ir bakterijas ir yra susijęs su elektronų pernešimu.

I ir IV elektronų pernešimo kompleksai veikia kaip protonų siurbliai. Tai keičia konformacinius pokyčius, leidžiančius jiems perpumpuoti protonus į tarpląstelinę erdvę. Sudėtingų IV, kiekvienam elektronų pora, du protonai yra pumpuojamas iš membranos ir dar du lieka matricoje, formavimo H ₂ O.

III komplekse esantis ubikinonas priima protonus iš I ir II kompleksų ir išskiria juos į membranos išorę. I ir III kompleksai leidžia praeiti po keturis protonus kiekvienai pernešamų elektronų porai.

Mitochondrijų matrica turi mažą protonų koncentraciją ir neigiamą elektrinį potencialą, o tarpląstelinė erdvė rodo atvirkštines sąlygas. Protonų srautas per šią membraną parodo elektrocheminį gradientą, kuris kaupia reikiamą energiją (± 5 kcal / mol vienam protonui) ATP sintezei.

ATP sintezė

Fermento ATP sintetazė yra penktasis kompleksas, dalyvaujantis oksidaciniame fosforilinime. Jis yra atsakingas už elektrocheminio gradiento energijos panaudojimą, kad susidarytų ATP.

Šis transmembraninis baltymas susideda iš dviejų komponentų: F ₀ ir F ₁ . F ₀ komponentas leidžia protonų grįžimą į Mitochondrija, veikianti kaip kanalo ir F ₁ katalizuoja ATP sintezę per ADP ir P _i , naudojant minėtos grįžimo energiją.

ATP sintezės procesui reikia struktūrinių F ₁ pokyčių ir komponentų F ₀ bei F ₁ surinkimo . Protonų translokacija per F ₀ sukelia konformacinius pokyčius trijuose F ₁ subvienetuose , leidžiančius jam veikti kaip sukimosi variklis, nukreipiant ATP formavimąsi.

Už ADP jungimąsi su P _i atsakantis subvienetas keičiasi iš silpnos būsenos (L) į aktyvią (T). Susidarius ATP, antrasis subvienetas pereina į atvirą būseną (O), leidžiančią išlaisvinti šią molekulę. Išleidus ATP, šis subvienetas pereina iš atviros būsenos į neaktyvią būseną (L).

ADP ir P _i molekulės jungiasi su subvienetu, kuris perėjo iš O būsenos į L būseną.

Produktai

Elektronų pernešimo grandinė ir fosforilinimas sukuria ATP molekules. NADH oksidacija suteikia apie 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) laisvosios energijos.

Bendra NADH oksidacijos reakcija yra:

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Elektronų perdavimas iš NADH ir FADH ₂ vyksta per įvairius kompleksus, leidžiančius laisvosios energijos pokyčiui ΔG ° suskaidyti į mažesnius energijos „paketus“, kurie yra sujungti su ATP sinteze.

Vienos NADH molekulės oksidacija sukuria trijų ATP molekulių sintezę. Nors FADH ₂ molekulės oksidacija yra sujungta su dviejų ATP sinteze.

Šie koenzimai atsiranda dėl glikolizės ir citrinų rūgšties ciklo procesų. Kiekvienoje suskaidytos gliukozės molekulėje jie gamina 36 arba 38 ATP molekules, atsižvelgiant į ląstelių vietą. Smegenyse ir griaučių raumenyse susidaro 36 ATP, o raumeniniame audinyje - 38 ATP.

funkcijos

Visiems organizmams, tiek vienaląsčiams, tiek daugialąsčiams, ląstelėse reikia kuo mažiau energijos, kad jie galėtų vykdyti procesus juose ir savo ruožtu palaikyti gyvybines viso organizmo funkcijas.

Metaboliniams procesams vykti reikalinga energija. Didžioji dalis sunaudojamos energijos gaunama suskaidžius angliavandenius ir riebalus. Ši energija gaunama oksidacinio fosforilinimo proceso metu.

Oksidacinio fosforilinimo kontrolė

ATP panaudojimo greitis ląstelėse kontroliuoja jo sintezę, o savo ruožtu dėl oksidacinio fosforilinimo sujungimo su elektronų pernešimo grandine taip pat paprastai reguliuoja elektronų pernešimo greitį.

Oksidacinis fosforilinimas turi griežtą kontrolę, užtikrinančią, kad ATP nesusidaro greičiau, nei sunaudojama. Yra tam tikri elektronų pernešimo ir sujungto fosforilinimo proceso etapai, kurie reguliuoja energijos gamybos greitį.

Koordinuota ATP gamybos kontrolė

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

Fosforilinimo valdymas pagal ATP masės santykį priklauso nuo tikslaus elektronų tiekimo transportavimo grandinėje. Tai savo ruožtu priklauso nuo santykio, kurį palaiko didelis dėl glikolizės ir citrinos rūgšties ciklo.

Ši suderinta kontrolė vykdoma reguliuojant glikolizės kontrolės taškus (citrato slopinamas PFK) ir citrinos rūgšties ciklą (piruvato dehidrogenazė, citrato tapeazė, izocitrato dehidrogenazė ir α-ketoglutarato dehidrogenazė).

Kontrolė priimančiojo

Kompleksas IV (citochromo c oksidazė) yra fermentas, kurį reguliuoja vienas iš jo substratų, tai yra, jo aktyvumą kontroliuoja sumažintas citochromas c (c ²⁺ ), kuris savo ruožtu yra pusiausvyroje su koncentracijos santykiu tarp / ir masės santykis / +.

Kuo didesnis / santykis ir kuo mažesnis / +, tuo didesnė citochromo koncentracija ir didesnis IV kompleksinis aktyvumas. Tai aiškinama, pavyzdžiui, jei lyginame organizmus su skirtingais poilsio ir didelio aktyvumo organizmais.

Asmeniui, turinčiam didelį fizinį aktyvumą, ATP suvartojimas ir dėl to jo hidrolizė į ADP + P _i bus labai dideli, dėl to padidės masės veikimo santykis, dėl kurio padidės ir padidės ATP sintezė. Atsipalaidavusiam asmeniui įvyksta atvirkštinė situacija.

Galiausiai oksidacinio fosforilinimo greitis didėja, kai ADP koncentracija mitochondrijose. Sakė koncentracija priklauso nuo ADP-ATP translocators, atsakingų už adenino nukleotidų transporto ir P _i nuo citozolyje į Mitochondrija.

Atjungimo agentai

Oksidaciniam fosforilinimui daro įtaką tam tikri cheminiai agentai, kurie leidžia tęsti elektronų transportavimą neįvykus ADP fosforilinimui, atjungdami energijos gamybą ir išsaugojimą.

Šie agentai skatina mitochondrijų deguonies sunaudojimo greitį, kai nėra ADP, taip pat sukeldami ATP hidrolizės padidėjimą. Jie veikia pašalindami tarpinę medžiagą arba nutraukdami energijos būseną elektronų pernešimo grandinėje.

2,4-dinitrofenolis, silpna rūgštis, praeinanti per mitochondrijų membranas, yra atsakingas už protonų gradiento išsisklaidymą, nes jie jungiasi su jais rūgščioje pusėje ir išskiria juos iš pagrindinės pusės.

Šis junginys buvo naudojamas kaip „dietos piliulė“, nes buvo nustatyta, kad jis padidina kvėpavimą, todėl padidėja medžiagų apykaita ir su tuo susijęs svorio kritimas. Tačiau buvo parodyta, kad neigiamas jo poveikis netgi gali sukelti mirtį.

Protono gradiento išsisklaidymas sukelia šilumą. Rudaus riebalinio audinio ląstelės šilumai gaminti naudoja hormoniškai kontroliuojamą atjungimą. Hiberniuojantys žinduoliai ir naujagimiai, kuriems trūksta plaukų, susideda iš šio audinio, kuris tarnauja kaip savotiška šiluminė antklodė.

Inhibitoriai

Slopinamasis junginiai arba medžiagos neleidžia abu O ₂ suvartojimą (elektronų transporto) ir su ja susijusios oksidacinis fosforilinimas. Šie agentai neleidžia susidaryti ATP, naudojant energiją, pagamintą elektroniniame transporte. Todėl transporto grandinė sustoja, kai nėra galimybės sunaudoti energijos.

Antibiotikas oligomicinas veikia kaip fosforilinimo inhibitorius daugelyje bakterijų, užkertant kelią ADP stimuliuoti ATP sintezei.

Taip pat yra jonoforų agentų, kurie su katijonais, tokiais kaip K ⁺ ir Na ⁺ , sudaro riebaluose tirpius kompleksus ir su šiais katijonais praeina per mitochondrijų membraną. Tuomet mitochondrijos naudoja elektroniniame transporte pagamintą energiją katijonams siurbti, o ne sintetinti ATP.

Nuorodos

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. ir Walter, P. (2004). Esminė ląstelių biologija. Niujorkas: girliandų mokslas.
2. Cooperis, GM, Hausmanas, RE & Wright, N. (2010). Ląstelė. (p. 397–402). Marbanas.
3. Devlin, TM (1992). Biochemijos vadovėlis: su klinikinėmis koreliacijomis. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH ir Grisham, CM (2008). Biochemija. Thomsonas Brooksas / Cole'as.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, ir Matsudaira, P. (2008). Molekulinių ląstelių biologija. Macmillanas.
6. Nelsonas, D. L. ir Coxas, MM (2006). Lehningerio biochemijos principai, 4-asis leidimas. Edas Omega. Barselona.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochemija. Panamerican Medical Ed.