Etapy fosforylacji oksydacyjnej, produkty, funkcje i inhibitory



The fosforylacja oksydacyjna jest procesem, w którym cząsteczki ATP są syntetyzowane z ADP i Pi (fosforan nieorganiczny). Ten mechanizm jest wykonywany przez bakterie i komórki eukariotyczne. W komórkach eukariotycznych fosforylację przeprowadza się w macierzy mitochondrialnej komórek niefotosyntetycznych.

Produkcja ATP jest napędzana przez transfer elektronów z koenzymów NADH lub FADH2 O2. Proces ten reprezentuje najwyższą produkcję energii w komórce i pochodzi z degradacji węglowodanów i tłuszczów.

Energia zmagazynowana w gradientach ładunku i pH, zwana również protonową siłą napędową, umożliwia przeprowadzenie tego procesu. Generowany gradient protonu powoduje, że zewnętrzna część membrany ma ładunek dodatni ze względu na stężenie protonów (H+) i macierz mitochondrialna jest negatywna.

Indeks

  • 1 W przypadku wystąpienia fosforylacji oksydacyjnej?
    • 1.1 Elektrownia komórkowa
  • 2 etapy
    • 2.1 Łańcuch transportu elektronów
    • 2.2 Redukcja CoQ bursztynianu
    • 2.3 Łączenie lub transdukcja energii
    • 2.4 Sprzężenie chemosmotyczne
    • 2.5 Synteza ATP
  • 3 produkty
  • 4 funkcje
  • 5 Kontrola fosforylacji oksydacyjnej
    • 5.1 Skoordynowana kontrola produkcji ATP
    • 5.2 Kontrola za pomocą akceptora
    • 5.3 Środki odsprzęgające
    • 5.4 Inhibitory
  • 6 referencji

Gdzie zachodzi fosforylacja oksydacyjna?

Procesy transportu elektronów i fosforylacji oksydacyjnej są związane z membraną. U prokariotów mechanizmy te są przeprowadzane przez błonę plazmatyczną. W komórkach eukariotycznych łączą się z błoną mitochondriów.

Liczba mitochondriów znalezionych w komórkach zmienia się w zależności od typu komórki. Na przykład u ssaków erytrocyty nie mają tych organelli, podczas gdy inne typy komórek, takie jak komórki mięśniowe, mogą mieć nawet miliony takich komórek.

Błona mitochondrialna składa się z prostej błony zewnętrznej, nieco bardziej złożonej błony wewnętrznej, a pośrodku z nich przestrzeni międzybłonowej, w której znajduje się wiele enzymów zależnych od ATP.

Zewnętrzna błona zawiera białko zwane poryną, które tworzy kanały do ​​prostej dyfuzji małych cząsteczek. Ta membrana jest odpowiedzialna za utrzymanie struktury i kształtu mitochondriów.

Wewnętrzna membrana ma większą gęstość i jest bogata w białka. Jest również nieprzepuszczalna dla cząsteczek i jonów, więc aby je przekroczyć, potrzebują białek międzybłonowych, które je transportują.

Wewnątrz matrycy fałdy wewnętrznej membrany rozciągają się, tworząc grzbiety, które umożliwiają jej uzyskanie dużego obszaru w małej objętości.

Elektrownia komórkowa

Mitochondria są uważane za głównego producenta energii komórkowej. W nim znajdują się enzymy zaangażowane w procesy cyklu kwasu cytrynowego, utlenianie kwasów tłuszczowych i enzymów oraz białka redoks transportu elektronów i fosforylacja ADP.

Gradient stężenia protonu (gradient pH) i gradient ładunków lub potencjał elektryczny w wewnętrznej błonie mitochondriów są odpowiedzialne za siłę napędową protonu. Niska przepuszczalność wewnętrznej membrany dla jonów (innych niż H)+) pozwala mitochondriom uzyskać stabilny gradient napięcia.

Elektroniczny transport, pompowanie protonów i uzyskiwanie ATP zachodzą jednocześnie w mitochondriach dzięki protonowej sile napędowej. Gradient pH utrzymuje warunki kwasowe w macierzy międzybłonowej i mitochondrialnej w warunkach alkalicznych.

Na każde dwa elektrony przenoszone na OR2 Przez membranę pompuje się około 10 protonów, tworząc gradient elektrochemiczny. Energia uwalniana w tym procesie jest wytwarzana stopniowo przez przejście elektronów przez łańcuch przenośnika.

Etapy

Energia uwalniana podczas reakcji utleniania-redukcji NADH i FADH2 jest on znacznie wysoki (około 53 kcal / mol dla każdej pary elektronów), więc do wykorzystania w produkcji cząsteczek ATP, musi być wytwarzany stopniowo wraz z przejściem elektronów przez transportery.

Są one zorganizowane w cztery kompleksy zlokalizowane w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Sprzęganie tych reakcji z syntezą ATP przeprowadza się w piątym kompleksie.

Łańcuch transportu elektronów

NADH przenosi parę elektronów, które wchodzą do kompleksu I łańcucha transportu elektronów. Elektrony są przenoszone do mononukleotydu flawinowego, a następnie do ubichinonu (koenzym Q) przez transporter żelazowo-siarkowy. Proces ten uwalnia dużą ilość energii (16,6 kcal / mol).

Ubichinon transportuje elektrony przez błonę do kompleksu III. W tym kompleksie elektrony przechodzą przez cytochromy b i c1 dzięki transporterowi żelaza i siarki.

Od kompleksu III elektrony przechodzą do kompleksu IV (oksydaza cytochromu c), przenoszone pojedynczo do cytochromu c (białko obwodowe błony). W kompleksie IV elektrony przechodzą przez parę jonów miedzi (Cua2+), następnie do cytochromu ca, następnie do innej pary jonów miedzi (Cub2+) i od tego do cytochromu a3.

Wreszcie elektrony są przenoszone na OR2 który jest ostatnim akceptorem i tworzy cząsteczkę wody (H2O) dla każdej pary otrzymanych elektronów. Przejście elektronów z kompleksu IV do O2 generuje również dużą ilość darmowej energii (25,8 kcal / mol).

Reduktaza bursztynianu CoQ

Kompleks II (reduktaza bursztynianu CoQ) otrzymuje parę elektronów z cyklu kwasu cytrynowego przez utlenianie cząsteczki bursztynianu do fumaranu. Te elektrony są przenoszone do FAD, przechodząc przez grupę żelazowo-siarkową, do ubichinonu. Z tego koenzymu trafiają do kompleksu III i podążają drogą opisaną wcześniej.

Energia uwalniana w reakcji przeniesienia elektronu na FAD nie jest wystarczająca do przepuszczenia protonów przez membranę, więc na tym etapie łańcucha nie powstaje protonowa siła napędowa, a w konsekwencji FADH daje mniej H+ że NADH.

Sprzężenie lub transdukcja energii

Energia wytworzona w opisanym wcześniej procesie transportu elektronów powinna być wykorzystywana do produkcji ATP, reakcji katalizowanej przez enzym syntazę ATP lub kompleks V. Konserwacja tej energii jest znana jako sprzężenie energii, a mechanizm ten został trudne do scharakteryzowania.

Opisano kilka hipotez opisujących tę transdukcję energii. Najlepiej przyjętą jest hipoteza sprzęgania chemosmotycznego, opisana poniżej.

Chemosmotyczne sprzężenie

Mechanizm ten sugeruje, że energia wykorzystywana do syntezy ATP pochodzi z gradientu protonowego w błonach komórkowych. Proces ten interweniuje w mitochondriach, chloroplastach i bakteriach i jest związany z transportem elektronów.

Kompleksy I i IV transportu elektronicznego działają jak pompy protonowe. Podlegają one zmianom konformacyjnym, które umożliwiają im pompowanie protonów do przestrzeni międzybłonowej. W kompleksie IV dla każdej pary elektronów z membrany wypompowywane są dwa protony, a dwa pozostałe pozostają w matrycy tworzącej H2O.

Ubichinon w kompleksie III przyjmuje protony z kompleksów I i II i uwalnia je poza błonę. Każdy kompleks I i III pozwala na przejście czterech protonów dla każdej transportowanej pary elektronów.

Matryca mitochondrialna charakteryzuje się niskim stężeniem protonów i ujemnym potencjałem elektrycznym, podczas gdy przestrzeń międzybłonowa przedstawia warunki odwrotne. Przepływ protonów przez tę membranę obejmuje gradient elektrochemiczny, który przechowuje niezbędną energię (± 5 kcal / mol na proton) do syntezy ATP.

Synteza ATP

Enzym syntetaza ATP jest piątym kompleksem zaangażowanym w fosforylację oksydacyjną. Jest odpowiedzialny za wykorzystanie energii gradientu elektrochemicznego do utworzenia ATP.

To białko transbłonowe składa się z dwóch składników: F0 i F1. Komponent F0 pozwala na powrót protonów do macierzy mitochondrialnej działającej jako kanał i F1 katalizuje syntezę ATP przez ADP i Pi, wykorzystując energię tego powrotu.

Proces syntezy ATP wymaga zmiany strukturalnej w F1 i montaż elementów F0 i F1. Translokacja protonu przez F0 powoduje zmiany konformacyjne w trzech podjednostkach F.1, pozwalając mu działać jako silnik rotacyjny, kierując formowaniem ATP.

Podjednostka odpowiedzialna za wiązanie ADP z Pi przechodzi ze stanu słabego (L) do stanu aktywnego (T). Gdy powstaje ATP, druga podjednostka przechodzi w stan otwarty (O), który pozwala na uwolnienie tej cząsteczki. Po zwolnieniu ATP podjednostka ta przechodzi ze stanu otwartego do stanu nieaktywnego (L).

Cząsteczki ADP i Pi dołączyć podjednostkę, która przeszła ze stanu O do stanu L.

Produkty

Łańcuch transportu elektronów i fosforylacja wytwarzają cząsteczki ATP. Utlenianie NADH wytwarza około 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) wolnej energii.

Ogólna reakcja na utlenianie NADH to:

NADH + 1/2 O2 +H+ ↔ H2O + NAD+

Transfer elektronów z NADH i FADH2 jest on podawany przez kilka kompleksów, dzięki czemu zmiana swobodnej energii ΔG ° może zostać podzielona na mniejsze „pakiety” energii, które są połączone z syntezą ATP.

Utlenianie cząsteczki NADH generuje syntezę trzech cząsteczek ATP. Podczas utleniania cząsteczki FADH2 jest sprzężony z syntezą dwóch ATP.

Te koenzymy pochodzą z procesów glikolizy i cyklu kwasu cytrynowego. Dla każdej cząsteczki zdegradowanej glukozą wytwarzanych jest 36 lub 38 cząsteczek ATP, w zależności od lokalizacji komórek. 36 ATP powstaje w mózgu i mięśniach szkieletowych, a 38 ATP w tkance mięśniowej.

Funkcje

Wszystkie organizmy, jednokomórkowe i wielokomórkowe, potrzebują minimalnej energii w swoich komórkach do przeprowadzenia w nich procesów, a tym samym do utrzymania funkcji życiowych w całym organizmie.

Procesy metaboliczne wymagają energii do przeprowadzenia. Większość energii użytecznej jest uzyskiwana przez degradację węglowodanów i tłuszczów. Wspomniana energia pochodzi z procesu fosforylacji oksydacyjnej.

Kontrola fosforylacji oksydacyjnej

Szybkość wykorzystania ATP w komórkach kontroluje syntezę tego samego, az kolei dzięki sprzężeniu fosforylacji oksydacyjnej z łańcuchem transportu elektronów, ogólnie reguluje również szybkość transportu elektronicznego.

Fosforylacja oksydacyjna ma ścisłą kontrolę, która zapewnia, że ​​ATP nie jest generowany szybciej niż jest zużywany. Istnieją pewne etapy w procesie transportu elektronów i sprzężonej fosforylacji, które regulują szybkość produkcji energii.

Skoordynowana kontrola produkcji ATP

Główne szlaki produkcji energii (komórkowe ATP) to glikoliza, cykl kwasu cytrynowego i fosforylacja oksydacyjna. Skoordynowana kontrola tych trzech procesów reguluje syntezę ATP.

Kontrola fosforylacji przez stosunek masowy ATP zależy od dokładnego udziału elektronów w łańcuchu transportowym. To z kolei zależy od relacji [NADH] / [NAD+], która jest zachowana pod wpływem działania glikolizy i cyklu kwasu cytrynowego.

Ta skoordynowana kontrola jest przeprowadzana przez regulację punktów kontrolnych glikolizy (PFK hamowanej przez cytrynian) i cyklu kwasu cytrynowego (dehydrogenaza pirogronianowa, taśma cytrynianowa, dehydrogenaza izocytrynianowa i dehydrogenaza α-ketoglutaranowa).

Sterowanie za pomocą akceptora

Kompleks IV (oksydaza cytochromu c) jest enzymem regulowanym przez jeden z jego substratów, co oznacza, że ​​jego aktywność jest kontrolowana przez zredukowany cytochrom c (c2+), który z kolei jest w równowadze ze stosunkiem stężeń między [NADH] / [NAD+] i stosunek akcji masowej [ATP] / [ADP] + [Pi].

Im wyższa relacja [NADH] / [NAD]+] i obniż [ATP] / [ADP] + [Pi], im więcej będzie koncentracji cytochromu [c2+] a aktywność kompleksu IV będzie większa. Jest to interpretowane na przykład, jeśli porównamy organizmy o różnych aktywnościach odpoczynku i wysokiej aktywności.

U osobnika o wysokiej aktywności fizycznej zużycie ATP, a zatem jego hydroliza do ADP + Pi będzie bardzo wysoka, generując różnicę w stosunku akcji masowej, która powoduje wzrost [c2+], a zatem wzrost syntezy ATP. U osoby w stanie spoczynku występuje sytuacja odwrotna.

W końcu tempo fosforylacji oksydacyjnej wzrasta wraz ze stężeniem ADP w mitochondriach. To stężenie zależy od translokatorów ADP-ATP odpowiedzialnych za transport nukleotydów adeninowych i Pi od cytozolu do macierzy mitochondrialnej.

Środki rozprzęgające

Na fosforylację oksydacyjną wpływają pewne czynniki chemiczne, które umożliwiają kontynuowanie transportu elektronicznego bez fosforylacji ADP, oddzielając produkcję i zachowanie energii.

Środki te stymulują szybkość zużycia tlenu przez mitochondria pod nieobecność ADP, powodując również wzrost hydrolizy ATP. Działają poprzez wyeliminowanie pośrednika lub przerwanie stanu energetycznego łańcucha transportu elektronów.

2,4-dinitrofenol, słaby kwas, który przechodzi przez błony mitochondrialne, jest odpowiedzialny za rozpraszanie gradientu protonu, ponieważ wiąże się z nimi po stronie kwasowej i uwalnia je po stronie podstawowej.

Związek ten był stosowany jako „pigułka odchudzająca”, ponieważ stwierdzono, że powoduje on wzrost oddychania, a zatem wzrost tempa metabolizmu i związaną z tym utratę wagi. Wykazano jednak, że jego negatywny wpływ może nawet spowodować śmierć.

Rozpraszanie gradientu protonu wytwarza ciepło. Brązowe komórki tkanki tłuszczowej stosują oddzielanie, kontrolowane hormonalnie, do wytwarzania ciepła. Hibernujące ssaki i noworodki pozbawione włosów składają się z tej tkanki, która służy jako rodzaj koca termicznego.

Inhibitory

Związki lub środki hamujące zapobiegają zarówno zużyciu O2 (transport elektroniczny) jako związana fosforylacja oksydacyjna. Środki te zapobiegają powstawaniu ATP dzięki wykorzystaniu energii wytwarzanej w transporcie elektronicznym. Dlatego łańcuch transportowy zatrzymuje się, gdy to zużycie energii nie jest dostępne.

Antybiotyk oligomycyna działa jako inhibitor fosforylacji u wielu bakterii, zapobiegając stymulacji ADP do syntezy ATP.

Istnieją także środki jonoforowe, które tworzą liposolowe kompleksy z kationami takimi jak K+ i Na+, i przechodzą przez błonę mitochondrialną z tymi kationami. Mitochondria następnie wykorzystują energię wytworzoną w transporcie elektronicznym do pompowania kationów zamiast syntezy ATP.

Referencje

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. i Walter, P. (2004). Niezbędna biologia komórki. Nowy Jork: Garland Science.
  2. Cooper, G. M., Hausman, R. E. i Wright, N. (2010). Komórka. (str. 397-402). Marbán.
  3. Devlin, T. M. (1992). Podręcznik biochemii: z korelacjami klinicznymi. John Wiley & Sons, Inc.
  4. Garrett, R. H. i Grisham, C. M. (2008). Biochemia. Thomson Brooks / Cole.
  5. Lodish, H., Darnell, J.E., Berk, A., Kaiser, C.A., Krieger, M., Scott, M. P., i Matsudaira, P. (2008). Biologia komórek molekularnych. Macmillan.
  6. Nelson, D. L. i Cox, M. M. (2006). Lehninger Principles of Biochemistry 4. edycja. Ed Omega. Barcelona.
  7. Voet, D. i Voet, J. G. (2006). Biochemia. Ed. Panamericana Medical.