ОКИСЛИТЕЛНО ФОСФОРИЛИРАНЕ: ЕТАПИ, ФУНКЦИИ И ИНХИБИТОРИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На окислително фосфорилиране е процес, където молекули са синтезирани АТР от ADP и Р _и (неорганичен фосфат). Този механизъм се осъществява от бактерии и еукариотни клетки. В еукариотните клетки фосфорилирането се извършва в митохондриалната матрица на не-фотосинтетичните клетки.

Производство ATP се задвижва от прехвърлянето на електрони от коензими NADH или FADH ₂ до О ₂. Този процес представлява основното производство на енергия в клетката и се получава от разграждането на въглехидратите и мазнините.

Източник: Robot8A

Енергията, съхранявана в градиентите на заряда и рН, известна още като протонната движеща сила, дава възможност този процес да се осъществи. Протонният градиент, който се генерира, причинява външната част на мембраната да има положителен заряд поради концентрацията на протони (H ⁺), а митохондриалната матрица да е отрицателна.

Къде се осъществява окислителното фосфорилиране?

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

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

Митохондриалната мембрана се състои от обикновена външна мембрана, малко по-сложна вътрешна мембрана и между тях интермембранно пространство, където са разположени много АТФ-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. Освен това е непромокаем за молекулите и йони, така че, за да го пресекат, те се нуждаят от мембранни протеини, за да ги транспортират.

Вътре в 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 производител на клетъчна енергия. Той съдържа ензимите, участващи в процесите на цикъла на лимонената киселина, окисляването на мастните киселини и редокс ензимите и протеините, участващи в транспорта на електрони и фосфорилирането на ADP.

Концентрационният градиент на протона (градиент на рН) и градиентът на заряда или електрически потенциал във вътрешната мембрана на митохондриите са отговорни за протонната двигателна 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 производството на ATP се случват едновременно в митохондриите, благодарение на протонната движеща сила. PH градиентът поддържа киселинни условия в интермембраната и в митохондриалната матрица с алкални условия.

За всеки две електрони прехвърлят О ₂ около 10 протони се изпомпват през мембраната, създаване на електрохимична градиент. Енергията, която се освобождава в този процес, се произвежда постепенно от преминаването на електрони през транспортната верига.

Етапи

Енергията, отделена по време на окислително-редукционните реакции на NADH и FADH _2, е значително висока (около 53 kcal / mol за всяка двойка електрони), така че за да се използва в производството на молекули на АТФ, тя трябва да се произвежда постепенно с преминаването на електрони през транспортери.

Те са организирани в четири комплекса, разположени на вътрешната митохондриална мембрана. Свързването на тези реакции със синтеза на АТФ се осъществява в пети комплекс.

Електронна транспортна верига

NADH прехвърля двойка електрони, които влизат в комплекс I на електронно-транспортната верига. Електроните се прехвърлят във флануновия мононуклеотид, а след това до убихинон (коензим Q) чрез железо-серен транспортер. Този процес освобождава голямо количество енергия (16,6 kcal / mol).

Убихинон транспортира електрони през мембраната до комплекс III. В този комплекс електроните преминават през цитохроми b и c ₁ благодарение на железно-серен транспортер.

Електроните преминават от комплекс III в комплекс IV (цитохром с оксидаза), прехвърлен един по един в цитохром с (протеин на периферната мембрана). В комплекс IV електроните преминават през двойка медни йони (Cu _a ²⁺), след това към цитохром c _a, след това към друга двойка медни йони (Cu _b ²⁺) и от това към цитохром a ₃.

Накрая, електроните се прехвърлят О ₂, която е последната акцептор и образува молекула вода (H ₂ O) за всяка двойка електрони, получени. Преминаването на електрони от комплекс IV на О ₂ и генерира голямо количество свободна енергия (25.8 ккал / мол).

Сукцинатна CoQ редуктаза

Комплекс II (сукцинатна CoQ редуктаза) получава двойка електрони от цикъла на лимонената киселина, чрез окисляване на сукцинатна молекула до фумарат. Тези електрони се прехвърлят във FAD, преминавайки през желязо-сярна група, до убихинон. От този коензим преминават към комплекс III и следват описания по-рано маршрут.

Енергията, отделена при реакцията на прехвърляне на електрон към FAD, не е достатъчна за задвижване на протоните през мембраната, така че не се генерира протонна движеща сила в този етап на веригата и следователно FADH дава по-малко H ⁺ отколкото NADH.

Свързване или преобразуване на енергия

Енергията, генерирана при описания по-горе процес на транспортиране на електрон, трябва да може да се използва за производството на АТФ, реакция, катализирана от ензима АТФ синтаза или комплекс V. Консервирането на тази енергия е известно като свързване на енергия и механизмът е трудно да се характеризира.

Описани са няколко хипотези, които описват това енергийно преобразуване. Най-добре приетата е хипотезата за хемозмотично свързване, описана по-долу.

Хемосмотично свързване

Този механизъм предлага енергията, използвана за синтеза на АТФ, да идва от протонен градиент в клетъчните мембрани. Този процес се намесва в митохондриите, хлоропластите и бактериите и е свързан с транспорта на електрони.

Комплекси I и IV на електронния транспорт действат като протонни помпи. Те претърпяват конформационни промени, които им позволяват да изпомпват протони в междумембранното пространство. В комплекс IV, за всяка двойка електрони, два протона се изпомпват от мембраната и още два остане в матрицата, образуваща H ₂ O.

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

Митохондриалната матрица има ниска концентрация на протони и отрицателен електрически потенциал, докато интермембранното пространство представя обратните условия. Потокът на протони през тази мембрана представлява електрохимичен градиент, който съхранява необходимата енергия (± 5 ккал / мол на протон) за синтеза на АТФ.

ATP синтез

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

Този трансмембранен протеин се състои от два компонента: F ₀ и F ₁. Ф ₀ компонент позволява връщането на протоните в митохондриалния матрикс, функциониращ като канал и F ₁ катализира синтеза на АТФ чрез ADP и Р _и, използвайки енергията на споменатия връщане.

В синтеза на АТФ процес изисква структурни промени в F ₁ и сглобяването на компонентите F ₀ и F ₁. Протон транслокация чрез F ₀ причинява конформационни промени в три субединици на F ₁, което му позволява да действа като двигател на въртене, насочвайки образуването на АТФ.

Субединицата, отговорна за свързването на ADP с P _{i, се} променя от слабо състояние (L) в активно (T). Когато се формира ATP, втора субединица преминава в отворено състояние (O), което позволява освобождаването на тази молекула. След освобождаване на ATP тази субединица преминава от отворено състояние в неактивно състояние (L).

Молекулите ADP и P _{i се} свързват към субединица, преминала от състояние O в състояние L.

продукти

Електронно-транспортната верига и фосфорилирането произвеждат ATP молекули. Окисляването на NADH произвежда около 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) свободна енергия.

Общата реакция за окисляване на NADH е:

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Прехвърлянето на електрони от NADH и FADH ₂ става чрез различни комплекси, което позволява на свободната промяна на енергията ΔG ° да се разпадне на по-малки енергийни „пакети“, които са свързани с синтеза на АТФ.

Окисляването на една молекула от NADH поражда синтеза на три молекули АТФ. Докато окисляването на молекула на FADH ₂ е свързано със синтеза на два АТФ.

Тези коензими идват от процесите на цикъла на гликолиза и лимонена киселина. За всяка молекула на разградена глюкоза те в крайна сметка произвеждат 36 или 38 молекули АТФ, в зависимост от местоположението на клетките. В мозъка и скелетния мускул 36 се произвежда ATP, докато в мускулната тъкан се произвежда 38 ATP.

Характеристика

Всички организми, едноклетъчни и многоклетъчни, се нуждаят от минимална енергия в клетките си, за да осъществят процесите вътре в тях и от своя страна да поддържат жизненоважни функции в целия организъм.

Метаболитните процеси изискват да се осъществява енергия. По-голямата част от използваемата енергия се получава при разграждането на въглехидратите и мазнините. Тази енергия се получава от процеса на окислително фосфорилиране.

Контрол на окислителното фосфорилиране

Степента на използване на АТФ в клетките контролира неговия синтез и от своя страна, поради свързването на окислителното фосфорилиране с електронно-транспортната верига, също така обикновено регулира скоростта на транспорт на електрон.

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

Координиран контрол на производството на ATP

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

Контролът на фосфорилирането чрез коефициента на масово действие на АТФ зависи от точното захранване на електрони в транспортната верига. Това от своя страна зависи от / съотношението, което се поддържа високо под действието на гликолиза и цикъла на лимонената киселина.

Този координиран контрол се осъществява чрез регулиране на контролните точки за гликолиза (цитрат инхибира PFK) и цикъла на лимонената киселина (пируват дехидрогеназа, цитратна лентаза, изоцитрат дехидрогеназа и α-кетоглутарат дехидрогеназа).

Контрол от акцептор

Комплекс IV (цитохром с оксидаза) е ензим, регулиран от един от неговите субстрати, тоест неговата активност се контролира от намален цитохром с (с ²⁺), който от своя страна е в равновесие със съотношението на концентрация между / и съотношението на масовото действие на / +.

Колкото е по-високо съотношението / и по-ниско е / +, толкова по-висока е концентрацията на цитохром и по-висока е активността на комплекс IV. Това се тълкува например, ако сравним организмите с различни дейности за почивка и висока активност.

При индивид с висока физическа активност консумацията на АТФ и следователно нейната хидролиза до ADP + P _i ще бъде много висока, генерирайки разлика в съотношението на масовото действие, което причинява увеличение и следователно увеличение на синтез на АТФ. При индивид в покой възниква обратната ситуация.

В крайна сметка скоростта на окислително фосфорилиране се увеличава с концентрацията на ADP в рамките на митохондриите. Споменатите концентрация зависи от АДФ-АТР translocators отговорни за транспортиране на аденин нуклеотиди и Р _I от цитозола на митохондриалния матрикс.

Разединяващи агенти

Окислителното фосфорилиране се влияе от определени химични агенти, които позволяват транспортирането на електрон да продължи без да се осъществява фосфорилиране на АДФ, като се отделя производството и запазването на енергия.

Тези средства стимулират нивото на консумация на кислород в митохондриите при липса на ADP, което също води до увеличаване на хидролизата на АТФ. Те работят, като премахват междинно или прекъсват енергийно състояние във веригата за пренос на електрон.

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 диета", тъй като е установено, че води до увеличаване на дишането, следователно увеличаване на метаболизма и свързана с това загуба на тегло. Въпреки това беше показано, че негативният му ефект може дори да причини смърт.

Разсейването на протонния градиент произвежда топлина. Клетките в кафява мастна тъкан използват хормонално контролирано отделяне, за да произвеждат топлина. Зимуващите бозайници и новородени, на които им липсва коса, се състоят от тази тъкан, която служи като вид термично одеяло.

Инхибиторите

Инхибиторните съединения или средства, предотвратяване и двете О ₂ консумация (електронен транспорт) и свързана окислително фосфорилиране. Тези агенти предотвратяват образуването на АТФ чрез използването на енергия, произведена в електронен транспорт. Следователно транспортната верига спира, когато споменатата консумация на енергия не е налична.

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

Съществуват и йонофорни агенти, които образуват мастноразтворими комплекси с катиони като К ⁺ и Na ⁺ и преминават през митохондриалната мембрана с тези катиони. След това митохондриите използват енергията, произведена в електронен транспорт, за да изпомпват катиони, вместо да синтезират АТФ.

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. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Клетката. (с. 397-402). Marban.
3. Devlin, TM (1992). Учебник по биохимия: с клинични корелации. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH и Grisham, CM (2008). Биохимия. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). Молекулярна клетъчна биология. Macmillan.
6. Nelson, DL, & Cox, MM (2006). Ленингер Принципи на биохимията 4-то издание. Ед Омега. Барселона.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Биохимия. Panamerican Medical Ed.