Окислителни етапи на фосфорилиране, продукти, функции и инхибитори

на окислително фосфорилиране е процес, при който АТР молекули са синтезирани от ADP и Р_аз (неорганичен фосфат). Този механизъм се извършва от бактерии и еукариотни клетки. В еукариотните клетки, фосфорилирането се извършва в митохондриалната матрица на не-фотосинтетични клетки.

Производството на АТР се управлява от прехвърлянето на електрони от NADH или FADH коензими₂ О₂. Този процес представлява най-високото производство на енергия в клетката и се получава от разграждането на въглехидрати и мазнини.

Енергията, съхранявана в градиентите на заряда и рН, известна също като протонна движеща сила, позволява този процес да се извърши. Генерираният протонов градиент причинява външната част на мембраната да има положителен заряд, дължащ се на концентрацията на протони (Н).⁺) и митохондриалната матрица е отрицателна.

индекс

• 1 Къде се случва окислително фосфорилиране?
  • 1.1 Клетъчна електроцентрала
• 2 Етапи
  • 2.1 Електронна транспортна верига
  • 2.2. Succinate CoQ редуктаза
  • 2.3 Свързване или трансдукция на енергия
  • 2.4 Химиосмотично свързване
  • 2.5 Синтез на АТФ
• 3 продукта
• 4 Функции
• 5 Контрол на окислителното фосфорилиране
  • 5.1 Координиран контрол на производството на СПС
  • 5.2 Контрол от акцептора
  • 5.3 Несъединителни агенти
  • 5.4 Инхибитори
• 6 Препратки

Къде се случва окислителното фосфорилиране?

Процесите на електронен транспорт и окислително фосфорилиране са свързани с мембрана. При прокариотите тези механизми се осъществяват през плазмената мембрана. В еукариотните клетки те се свързват с мембраната на митохондриите.

Броят на митохондриите, открити в клетките, варира в зависимост от вида на клетката. Например, при бозайници еритроцитите нямат тези органели, докато други типове клетки, като мускулни клетки, могат да имат до милиони от тях.

Митохондриалната мембрана се състои от проста външна мембрана, малко по-сложна вътрешна мембрана, а в средата на тях междинното пространство, където се намират много АТР-зависими ензими..

Външната мембрана съдържа протеин, наречен порин, който образува каналите за проста дифузия на малки молекули. Тази мембрана е отговорна за поддържането на структурата и формата на митохондриите.

Вътрешната мембрана има по-висока плътност и е богата на протеини. Също така е непропусклив за молекули и йони, така че, за да го пресече, те се нуждаят от мембранни протеини, които ги транспортират.

В рамките на матрицата гънките на вътрешната мембрана се простират, образувайки хребети, които й позволяват да има голяма площ в малък обем.

Клетъчна електроцентрала

Митохондриите се считат за централен производител на клетъчна енергия. В него се включват ензимите, участващи в процесите на цикъла на лимонената киселина, окисляването на мастни киселини и ензими и редокси протеините на електронен транспорт и фосфорилиране на ADP..

Градиентът на протонната концентрация (рН градиент) и градиентът на зарядите или електрическият потенциал във вътрешната мембрана на митохондриите са отговорни за протонната движеща сила. Ниската пропускливост на вътрешната мембрана за йони (различни от Н)⁺) позволява на митохондриите да имат стабилен градиент на напрежението.

Електронният транспорт, изпомпването на протони и получаването на АТР се извършва едновременно в митохондриите, благодарение на протонната движеща сила. Градиентът на рН поддържа киселинни условия в интермембраната и митохондриалната матрица с алкални условия.

За всеки два електрона, прехвърлени в НОР₂ Около 10 протони се изпомпват през мембраната, създавайки електрохимичен градиент. Освободената енергия в този процес се произвежда постепенно чрез преминаване на електрони през конвейерната верига.

етапи

Енергията, отделена по време на окислително-редукционните реакции на NADH и FADH₂ то е значително високо (около 53 kcal / mol за всяка двойка електрони), така че да се използва при производството на АТР молекули, то трябва да се произвежда постепенно с преминаването на електрони през транспортери.

Те са организирани в четири комплекса, разположени във вътрешната митохондриална мембрана. Свързването на тези реакции към синтеза на АТР се извършва в пети комплекс.

Електронна транспортна верига

NADH прехвърля двойка електрони, които влизат в комплекс I на електронната транспортна верига. Електроните се прехвърлят към флавиновия мононуклеотид, а след това към убихинона (коензим Q) чрез транспортьор на желязо-сяра. Този процес отделя голямо количество енергия (16.6 kcal / mol).

Убихинон пренася електрони през мембраната до комплекс III. В този комплекс електроните преминават през цитохромите b и c₁ благодарение на превозвача на желязо-сяра.

От комплекс III електроните преминават към IV комплекс (цитохром с оксидаза), прехвърлян един по един в цитохром с (мембранен периферен протеин). В IV комплекса електроните преминават през двойка медни йони (Cu.)_за²⁺), след това към цитохром с_за, след това към друга двойка медни йони (Cu_б²⁺) и от това до цитохром а₃.

Накрая, електроните се прехвърлят в OR₂ който е последният акцептор и образува молекула на вода (Н₂О) за всяка получена двойка електрони. Преминаването на електрони от комплекс IV в О₂ също генерира голямо количество свободна енергия (25.8 kcal / mol).

Succinate CoQ редуктаза

Комплекс II (сукцинатна CoQ редуктаза) получава двойка електрони от цикъла на лимонената киселина, чрез окисляване на молекула сукцинат до фумарат. Тези електрони се прехвърлят към FAD, преминавайки през желязо-сярна група, към убихинона. От този коензим те отиват в комплекс III и следват описания по-горе начин.

Енергията, отделена при реакцията на електронен трансфер към FAD, не е достатъчна за задвижване на протоните през мембраната, така че в тази стъпка на веригата не се генерира протонна двигателна сила и следователно FADH дава по-малко H⁺ че NADH.

Свързване или трансдукция на енергия

Енергията, генерирана в описания по-горе електронен транспорт, трябва да може да се използва за производството на АТР, реакция, катализирана от ензима АТР синтаза или комплекс V. Опазването на тази енергия е известно като енергийно свързване и механизмът трудно се характеризира.

Описани са няколко хипотези, които описват тази енергийна трансдукция. Най-добре се приема хипотезата за химиомотично свързване, описана по-долу.

Хемозотично свързване

Този механизъм предполага, че енергията, използвана за синтеза на АТР, идва от протонния градиент в клетъчните мембрани. Този процес се намесва в митохондриите, хлоропластите и бактериите и е свързан с електронен транспорт.

Комплекси I и IV на електронния транспорт действат като протонни помпи. Те преминават през конформационни промени, които им позволяват да изпомпват протоните в интермембранното пространство. В IV комплекса за всяка двойка електрони се изпомпват два протона от мембраната и още два остават в матрицата, образуваща Н₂О.

Убихинон в комплекс III приема протони от комплекси I и II и ги освобождава извън мембраната. Комплекси I и III позволяват преминаването на четири протони за всяка транспортирана двойка електрони.

Митохондриалната матрица има ниска концентрация на протони и отрицателен електрически потенциал, докато междумембранното пространство представя обратните условия. Потокът от протони през тази мембрана включва електрохимичен градиент, който съхранява необходимата енергия (± 5 kcal / mol на протон) за синтеза на АТР.

Синтез на АТР

Ензимът АТФ синтетаза е петият комплекс, участващ в окислителното фосфорилиране. Той е отговорен за възползване от енергията на електрохимичния градиент за образуване на АТР.

Този трансмембранен протеин се състои от два компонента: F₀ и F₁. Компонентът F₀ позволява връщането на протоните в митохондриалната матрица, функционираща като канал и F₁ катализира синтеза на АТР през ADP и Р_аз, използвайки енергията на споменатото връщане.

Процесът на синтез на АТР изисква структурна промяна във F₁ и сглобяването на F-компонентите₀ и F₁. Протонната транслокация през F₀ причинява конформационни промени в три субединици на F₁, позволявайки му да действа като ротационен двигател, насочвайки образуването на АТР.

Субединицата, която е отговорна за свързването на ADP с Р_аз преминава от слабо състояние (L) към активен (T). Когато се образува АТР, втората субединица отива в отворено състояние (О), което позволява освобождаването на тази молекула. След освобождаването на АТР, тази субединица преминава от отворено към неактивно състояние (L).

Молекулите на ADP и Р_аз се присъединят към подединица, преминала от O състояние в L състояние.

продукция

Електронната транспортна верига и фосфорилирането продуцират АТР молекули. Окисляването на NADH дава около 52.12 kcal / mol (218 kJ / mol) свободна енергия.

Цялостната реакция за окисляване на NADH е:

NADH + 1/2 O₂ +Н⁺ Н₂O + NAD⁺

Прехвърлянето на електрони от NADH и FADH₂ дава се чрез няколко комплекси, позволяващи промяната на свободната енергия ΔG ° да бъде разделена на по-малки "пакети" от енергия, които са свързани с синтеза на АТФ..

Окислението на NADH молекула генерира синтеза на три молекули АТР. Докато окисляването на молекулата FADH₂ е свързан към синтеза на два АТР.

Тези коензими идват от процесите на гликолизата и цикъла на лимонената киселина. За всяка молекула от разградена глюкоза се получават 36 или 38 молекули АТР, в зависимост от местоположението на клетките. 36 ATP се произвеждат в мозъка и скелетните мускули, докато 38 ATP се произвеждат в мускулната тъкан.

функции

Всички организми, едноклетъчни и плурицелуларни, се нуждаят от минимална енергия в клетките си, за да осъществяват процесите в тях, а от своя страна поддържат жизнените функции в целия организъм..

Метаболитните процеси изискват извършването на енергия. Повечето от използваемата енергия се получава чрез разграждане на въглехидрати и мазнини. Тази енергия се получава от процеса на окислително фосфорилиране.

Контрол на окислителното фосфорилиране

Скоростта на използване на АТФ в клетките контролира синтеза на същото, а на свой ред, благодарение на свързването на оксидативното фосфорилиране с електронната транспортна верига, тя също регулира скоростта на електронния транспорт като цяло..

Оксидативното фосфорилиране има строг контрол, който гарантира, че АТФ не се генерира по-бързо, отколкото се консумира. Има определени стъпки в процеса на електронния транспорт и свързаното фосфорилиране, които регулират скоростта на производство на енергия.

Координиран контрол на производството на АТФ

Основните пътища за производство на енергия (клетъчен АТФ) са гликолизата, цикъла на лимонената киселина и окислителното фосфорилиране. Координираният контрол на тези три процеса регулира синтеза на АТФ.

Контролът на фосфорилирането от масовото действие на АТФ зависи от точния принос на електроните в транспортната верига. Това от своя страна зависи от връзката [NADH] / [NAD⁺], която се запазва повишена от действието на гликолизата и цикъла на лимонената киселина.

Този координиран контрол се извършва чрез регулиране на контролните точки на гликолизата (PFK инхибирана от цитрат) и цикъла на лимонената киселина (пируват дехидрогеназа, цитратна лента, изоцитрат дехидрогеназа и α-кетоглутарат дехидрогеназа).

Контрол от акцептора

IV комплексът (цитохром с оксидаза) е ензим, регулиран от един от неговите субстрати, което означава, че неговата активност се контролира от редуциран цитохром с²⁺), което от своя страна е в равновесие с отношението на концентрациите между [NADH] / [NAD⁺] и съотношението на масовото действие на [ATP] / [ADP] + [P_аз].

Колкото по-висока е връзката [NADH] / [NAD]⁺] и понижете [ATP] / [ADP] + [P_аз], колкото е по-голяма концентрацията на цитохром [c²⁺] и активността на IV комплекса ще бъде по-голяма. Това се интерпретира, например, ако сравним организмите с различни дейности на почивка и висока активност.

При индивид с висока физическа активност, консумацията на АТФ и следователно нейната хидролиза до ADP + P_аз ще бъде много висока, генерирайки разлика в съотношението на масовото действие, което причинява увеличение на [c²⁺] и следователно увеличаване на синтеза на АТР. При човек в покой се случва обратната ситуация.

В крайна сметка, степента на окислително фосфорилиране се увеличава с концентрацията на ADP в митохондриите. Тази концентрация зависи от ADP-АТР транслокаторите, отговорни за транспортирането на аденинови нуклеотиди и Р_аз от цитозола към митохондриалната матрица.

Разединяващи агенти

Оксидативното фосфорилиране се влияе от определени химични агенти, които позволяват електронният транспорт да продължи без фосфорилиране на ADP, отделяйки производството и запазването на енергия.

Тези агенти стимулират скоростта на консумация на кислород в митохондриите в отсъствието на ADP, като също така предизвикват увеличаване на хидролизата на АТР. Те действат чрез елиминиране на посредник или прекъсване на енергийното състояние на електронната транспортна верига.

2,4-динитрофенол, слаба киселина, която преминава през митохондриалните мембрани, е отговорна за разсейването на протонния градиент, тъй като те се свързват с тях от киселата страна и ги освобождават от основната страна.

Това съединение се използва като "хапче за отслабване", тъй като е установено, че води до увеличаване на дишането, следователно, увеличаване на скоростта на метаболизма и свързаната загуба на тегло. Оказва се обаче, че отрицателният му ефект може дори да причини смърт.

Разсейването на протонния градиент произвежда топлина. Клетките на кафявата мастна тъкан използват разкъсване, контролирано хормонално, за да произвеждат топлина. Смъртните бозайници и новородените без коса се състоят от тази тъкан, която служи като вид термично одеяло.

инхибитори

Съединенията или инхибиращите средства предотвратяват едновременно консумацията на О₂ (електронен транспорт) като свързано окислително фосфорилиране. Тези агенти предотвратяват образуването на АТР чрез използване на енергията, произведена в електронния транспорт. Следователно транспортната верига спира, когато тази консумация на енергия не е налична.

Антибиотикът олигомицин действа като инхибитор на фосфорилирането в много бактерии, предотвратявайки стимулирането на ADP към синтеза на АТР..

Има и йонофорни агенти, които правят липоразтворими комплекси с катиони като К⁺ и Na⁺, и те преминават през митохондриалната мембрана с споменатите катиони. След това митохондриите използват енергията, произведена в електронния транспорт, за да изпомпват катиони, вместо да синтезират АТР.

препратки

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Съществена клетъчна биология. Ню Йорк: Garland Science.
2. Купър, Г. М., Хаусман, Р. Е. и Райт, Н. (2010). Клетката. (стр. 397-402). Marban.
3. Девлин, Т. М. (1992). Учебник по биохимия: с клинични корелации. John Wiley & Sons, Inc..
4. Garrett, R. H., & Grisham, C. M. (2008). биохимия. Томсън Брукс / Коул.
5. Lodish, H., Darnell, J.E., Berk, A., Kaiser, C.A., Krieger, M., Scott, M.P., & Matsudaira, P. (2008). Молекулярна клетъчна биология. Macmillan.
6. Нелсън, Д. Л., & Кокс, М. М. (2006). Принципи на биохимията на Ленингер 4-то издание. Ед Омега. Барселона.
7. Voet, D., & Voet, J.G. (2006). биохимия. Ed. Panamericana Medical.