ОКСИДАТИВНА ФОСФОРИЛАЦИЈА: СТАДИЈУМИ, ФУНКЦИЈЕ И ИНХИБИТОРИ - БИОЛОГИЈА - 2025

Оксидативне фосфорилације је процес у коме су молекули синтетисани АТП од АДП и П _И (неорганског фосфата). Овај механизам врше бактерије и еукариотске ћелије. У еукариотским ћелијама фосфорилација се одвија у митохондријалном матриксу нефотосинтетских ћелија.

АТП производња покреће трансфер електрона из НАДХ или коензима ФАДХ ₂ до О ₂ . Овај процес представља највећу производњу енергије у ћелији и добија се разградњом угљених хидрата и масти.

Извор: Робот8А

Енергија складиштена у градијентима наелектрисања и пХ, такође позната као протонска сила покрета, омогућава овај процес да се одвија. Створени градијент протона узрокује да спољни део мембране има позитиван набој због концентрације протона (Х ⁺ ), а митохондријски матрикс негативан.

Где се јавља оксидативна фосфорилација?

Процеси транспорта електрона и оксидативне фосфорилације повезани су са мембраном. Код прокариота се ови механизми одвијају кроз плазма мембрану. У еукариотским ћелијама асоцирају се на митохондријску мембрану.

Број митохондрија који се налазе у ћелијама варира у зависности од врсте ћелије. На пример, код сисара, еритроцити немају ове органеле, док друге врсте ћелија, као што су мишићне ћелије, могу да их садрже до милион.

Митохондријална мембрана састоји се од једноставне спољне мембране, нешто сложеније унутрашње мембране, а између њих и интермембранског простора, где се налази много ензима зависних од АТП-а.

Спољна мембрана садржи протеин зван порин који формира канале за једноставну дифузију малих молекула. Ова мембрана је одговорна за одржавање структуре и облика митохондрија.

Унутрашња мембрана има већу густину и богата је протеинима. Такође је непропусан за молекуле и јоне, па да би их прешли, потребни су интермембрански протеини да би их транспортовали.

Унутар матрице се продужују набори унутрашње мембране, формирајући гребене који омогућују велико подручје у малом волумену.

Ћелијска електрана

Митохондрије се сматрају произвођачем ћелијске енергије. Садржи ензиме који учествују у процесима циклуса лимунске киселине, оксидацију масних киселина и редокс ензиме и протеине који учествују у транспорту електрона и фосфорилацији АДП-а.

Концентрацијски градијент протона (градијент пХ) и градијент наелектрисања или електрични потенцијал у унутрашњој мембрани митохондрија одговорни су за снагу протона. Ниска пропусност унутрашње мембране за јоне (осим Х ⁺ ) омогућава митохондријима да имају стабилан градијент напона.

Електронски транспорт, протонска пумпа и производња АТП-а настају истовремено у митохондријама, захваљујући протонској покретачкој сили. ПХ градијент одржава киселе услове у интермембрани и у митохондријалном матриксу са алкалним условима.

За свака два електрона пренесена О ₂ око 10 протона пумпа кроз мембране, стварајући електрохемијска градијента. Енергија ослобођена у овом процесу настаје постепено проласком електрона кроз транспортни ланац.

Фазе

Енергија ослобођена током реакција редукције оксидације НАДХ и ФАДХ ₂ је знатно велика (око 53 кцал / мол за сваки пар електрона), па да би се користила у производњи молекула АТП, она се мора постепено производити са пролазак електрона кроз транспортере.

Они су организовани у четири комплекса који се налазе на унутрашњој митохондријској мембрани. Спајање ових реакција на синтезу АТП-а врши се у петом комплексу.

Транспортни ланац електрона

НАДХ преноси пар електрона који улазе у комплекс И у ланцу преноса електрона. Електрони се преносе у моновуклеотид флавина, а потом у убикинон (коензим К) преко транспортера гвожђа-сумпора. Овим поступком се ослобађа велика количина енергије (16,6 кцал / мол).

Убикинон транспортује електроне кроз мембрану до комплекса ИИИ. У овај комплекс електрони пролазе кроз цитохрома б и ц ₁ захваљујући једном транспортером гвожђе-сумпор.

Електрони прелазе из комплекса ИИИ у комплекс ИВ (цитокром ц оксидаза), преносе се један по један у цитокром ц (протеин периферне мембране). У комплексу ИВ електрони пролазе кроз пар јона бакра (Цу ²⁺ ), затим на цитохром ц , затим други пар бакарних јона (Цу _б ²⁺ ) и од то цитоцхроме а ₃ .

Коначно, електрони се преносе у О ₂ која је последња акцептор и гради молекула воде (Х ₂ О) за сваки пар електрона примљених. Пролазак електрона из комплексног ИВ до О ₂ такође генерише велику количину слободне енергије (25,8 кцал / мол).

Сукцинантна ЦоК редуктаза

Комплекс ИИ (сукцинатна ЦоК редуктаза) прима пар електрона из циклуса лимунске киселине, оксидацијом молекула сукцината до фумарата. Ови електрони се преносе у ФАД, пролазећи кроз групу гвожђа-сумпора, до убикинона. Из овог коензима прелазе у комплекс ИИИ и слиједе раније описани пут.

Енергија ослобођена реакцијом преноса електрона на ФАД није довољна да би се протони возили кроз мембрану, тако да се у овом кораку ланца не ствара сила протонског покрета, па према томе ФАДХ даје мање Х ⁺ него НАДХ.

Спајање или претворба енергије

Енергија генерисана у претходно описаном процесу преноса електрона мора бити у могућности да се користи за производњу АТП-а, реакције коју катализује ензим АТП синтаза или комплекс В. Конзервирање ове енергије познато је као спајање енергије, а механизам је био тешко је окарактерисати.

Неколико хипотеза је описано да би се описала ова енергетска трансдукција. Најбоље прихваћена хипотеза хемозмотичног спајања, описана доле.

Хемозмотско спајање

Овај механизам предлаже да енергија која се користи за синтезу АТП долази из протона градијента у ћелијским мембранама. Овај процес интервенише у митохондријама, хлоропластима и бактеријама и повезан је са транспортом електрона.

Комплекси И и ИВ превоза електрона делују као протонске пумпе. Они се подвргавају конформационим променама које им омогућавају да пумпају протоне у међумембрани простор. У комплексу ИВ, за сваки пар електрона два протона испумпава из мембране и још два остају у матрици, формирајући Х ₂ О.

Убикинон у комплексу ИИИ прихвата протоне из комплекса И и ИИ и ослобађа их спољашње стране мембране. Сваки од комплекса И и ИИИ омогућава пролазак четири протона за сваки пар транспортованих електрона.

Митохондријална матрица има малу концентрацију протона и негативан електрични потенцијал, док интермембрански простор представља обрнуте услове. Проток протона кроз ову мембрану представља електрохемијски градијент који складишти потребну енергију (± 5 кцал / мол по протону) за синтезу АТП-а.

АТП синтеза

Ензим АТП синтетаза је пети комплекс који учествује у оксидативној фосфорилацији. Он је одговоран за коришћење енергије електрохемијског градијента да би се формирао АТП.

Овај трансмембрански протеин састоји се од две компоненте: Ф ₀ и Ф ₁ . Тхе Ф ₀ компонента омогућава повратак протона на митохондријалном матрици, функционише као канал и Ф ₁ катализује синтезу АТП путем АДП и П _И , коришћењем енергије наведеног повратка.

АТП ситнезе захтева структурне промене у Ф ₁ и склапање компоненти Ф ₀ и Ф ₁ . Протон транслокација кроз Ф ₀ изазива конформационе промене у три субјединице Ф ₁ , чиме би да делује као мотор ротације, усмеравају формирање АТП.

Подјединица одговорна за везивање АДП са П _и мења се из слабог стања (Л) у активно (Т). Када се формира АТП, друга подјединица прелази у отворено стање (О) што омогућава ослобађање овог молекула. Након ослобађања АТП-а, ова подјединица прелази из отвореног у неактивно стање (Л).

Молекули АДП и П _и везују се за подјединицу која је прешла из стања О у стање Л.

производи

Ланац транспорта електрона и фосфорилација производе АТП молекуле. Оксидацијом НАДХ настаје око 52,12 кцал / мол (218 кЈ / мол) слободне енергије.

Укупна реакција оксидације НАДХ је:

НАДХ + 1/2 О ₂ + Х ⁺ ↔ Х ₂ О + НАД ⁺

Пренос електрона из НАДХ и ФАДХ ₂ одвија се кроз различите комплексе, омогућавајући слободној промени енергије ΔГ ° да се разгради у мање „пакете“ енергије, који су повезани са АТП синтезом.

Оксидација једног молекула НАДХ генерише синтезу три молекула АТП. Док је оксидација молекула ФАДХ ₂ повезана са синтезом два АТП-а.

Ови коензими потичу из процеса циклуса гликолизе и лимунске киселине. За сваки молекул разграђене глукозе на крају настаје 36 или 38 молекула АТП-а, у зависности од локације ћелија. У мозгу и скелетним мишићима 36 АТП се производи док се у мишићном ткиву производи 38 АТП.

Карактеристике

Сви организми, једноћелијски и вишећелијски, требају минималну енергију у својим ћелијама да би извршили процесе унутар њих и заузврат одржавали виталне функције у целом организму.

Метаболички процеси захтевају да се одвија енергија. Највећи део употребљиве енергије добија се разградњом угљених хидрата и масти. Та енергија се добија из процеса оксидативне фосфорилације.

Контрола оксидативне фосфорилације

Брзина коришћења АТП-а у ћелијама контролише његову синтезу, а заузврат, због повезивања оксидативне фосфорилације са ланцем преноса електрона, такође генерално регулише брзину преноса електрона.

Оксидативна фосфорилација има строгу контролу која осигурава да се АТП не ствара брже него што се потроши. Постоје одређени кораци у процесу преноса електрона и повезане фосфорилације који регулишу брзину производње енергије.

Координирана контрола производње АТП-а

Главни путеви производње енергије (ћелијски АТП) су гликолиза, циклус лимунске киселине и оксидативна фосфорилација. Координирана контрола ова три процеса регулише синтезу АТП-а.

Контрола фосфорилације односом масеног дејства АТП зависи од прецизног снабдевања електрона у транспортном ланцу. То заузврат зависи од омјера / који се одржава високим дјеловањем гликолизе и циклусом лимунске киселине.

Ова координисана контрола се врши регулисањем контролних тачака гликолизе (ПФК инхибиране цитратом) и циклусом лимунске киселине (пируват дехидрогеназа, цитратна тапеаза, изоцитрат дехидрогеназа и α-кетоглутарат дехидрогеназа).

Контрола акцесором

Комплекс ИВ (цитохром ц оксидаза) је ензим регулисан једним од његових супстрата, односно његова активност је контролисана редукованим цитохромом ц (ц ²⁺ ), који је у равнотежи са односом концентрације између / и омјер масене акције / +.

Што је већи / омјер и нижи / +, то је већа концентрација цитохрома и већа је комплексна ИВ активност. То се тумачи, на пример, ако упоредимо организме са различитим активностима мировања и високих активности.

Код особе са високом физичком активношћу, потрошња АТП-а и самим тим његова хидролиза у АДП + П _и биће веома велика, стварајући разлику у односу масеног дејства који изазива повећање и, према томе, повећање у синтеза АТП. Код појединца у мировању догађа се обрнута ситуација.

Коначно, стопа оксидативне фосфорилације расте с концентрацијом АДП-а унутар митохондрија. Наведена концентрација зависи од АДП-АТП транслокатора одговорних за транспорт аденинских нуклеотида и П _и из цитосола у митохондријски матрикс.

Средства за одвајање

На оксидативну фосфорилацију утичу одређена хемијска средства, која омогућавају наставак транспорта електрона без фосфорилације АДП-а, одвајања производње и очувања енергије.

Ова средства стимулишу стопу потрошње кисеоника у митохондријама у одсуству АДП-а, такође узрокујући пораст хидролизе АТП-а. Они раде уклањањем интермедијара или прекидом енергетског стања у ланцу преноса електрона.

2,4-динитрофенол, слаба киселина која пролази кроз митохондријске мембране, одговорна је за распршивање протонског градијента, јер се на њих веже на киселој страни и ослобађа их на основној страни.

Ово једињење је коришћено као "пилула за дијету" јер је откривено да повећава дисање, дакле пораст метаболизма и придружени губитак тежине. Међутим, показано је да његов негативан ефекат може чак изазвати смрт.

Распадање протонског градијента производи топлоту. Ћелије у смеђем масном ткиву користе хормонски контролирано одвајање како би произвеле топлоту. Хибернативно сисари и новорођенчад којима недостаје длака састоје се од овог ткива које служи као својеврсна термичка ћебад.

Инхибитори

У инхибиторна једињења или средства спречавају оба О ₂ потрошња (транспорта електрона) и повезане оксидативне фосфорилације. Ова средства спречавају стварање АТП-а коришћењем енергије произведене у електронском превозу. Стога се транспортни ланац зауставља када наведена потрошња енергије није доступна.

Антибиотик олигомицин делује као инхибитор фосфорилације у многим бактеријама, спречавајући стимулацију АДП-а синтезом АТП-а.

Постоје и јонофори који стварају комплексе растворљиве у мастима са катионима као што су К ⁺ и На ⁺ , и пролазе кроз митохондријску мембрану са овим катионима. Затим митохондрије користе енергију произведену у електронском транспорту да би пумпали катионе уместо да синтетишу АТП.

Референце

1. Албертс, Б., Браи, Д., Хопкин, К., Јохнсон, А., Левис, Ј., Рафф, М., Робертс, К. и Валтер, П. (2004). Битна ћелијска биологија. Нев Иорк: Гарланд Сциенце.
2. Цоопер, ГМ, Хаусман, РЕ и Вригхт, Н. (2010). Ћелија. (стр. 397-402). Марбан.
3. Девлин, ТМ (1992). Уџбеник биохемије: са клиничким корелацијама. Јохн Вилеи & Сонс, Инц.
4. Гарретт, РХ и Грисхам, ЦМ (2008). Биохемија. Тхомсон Броокс / Цоле.
5. Лодисх, Х., Дарнелл, ЈЕ, Берк, А., Каисер, Калифорнија, Криегер, М., Сцотт, МП, & Матсудаира, П. (2008). Молекуларна ћелијска биологија. Мацмиллан.
6. Нелсон, ДЛ и Цок, ММ (2006). Лехнингерови принципи биохемије 4. издање. Ед Омега. Барцелона.
7. Воет, Д. и Воет, ЈГ (2006). Биохемија. Панамерицан Медицал Ед.