OKSIDATIV FOSFORYLERING: STADIER, FUNKSJONER OG HEMMERE - BIOLOGI - 2026

Den oksidativ fosforylering er en prosess hvor molekylene er syntetisert ATP fra ADP og P _i (uorganisk fosfat). Denne mekanismen utføres av bakterier og eukaryote celler. I eukaryote celler foregår fosforylering i mitokondriell matrise av ikke-fotosyntetiske celler.

ATP-produksjon drives av overføring av elektroner fra koenzymene NADH eller FADH ₂ til O ₂ . Denne prosessen representerer den største energiproduksjonen i cellen og stammer fra nedbrytningen av karbohydrater og fett.

Kilde: Robot8A

Energien som er lagret i ladnings- og pH-gradientene, også kjent som protonmotivkraften, gjør at denne prosessen kan finne sted. Protongradienten som genereres får den ytre delen av membranen til å ha en positiv ladning på grunn av konsentrasjonen av protoner (H ⁺ ) og den mitokondriske matrisen til å være negativ.

Hvor forekommer oksidativ fosforylering?

Prosessene med elektrontransport og oksidativ fosforylering er assosiert med en membran. I prokaryoter foregår disse mekanismene gjennom plasmamembranen. I eukaryote celler assosierer de seg med mitokondriell membran.

Antall mitokondrier som finnes i celler varierer avhengig av celletype. Hos pattedyr mangler for eksempel erytrocytter disse organellene, mens andre celletyper, for eksempel muskelceller, kan ha opptil millioner av dem.

Den mitokondrielle membranen består av en enkel ytre membran, en noe mer sammensatt indre membran, og i mellom dem intermembranrommet, hvor mange ATP-avhengige enzymer er lokalisert.

Den ytre membranen inneholder et protein kalt porin som danner kanalene for enkel diffusjon av små molekyler. Denne membranen er ansvarlig for å opprettholde strukturen og formen til mitokondriene.

Den indre membranen har en høyere tetthet og er rik på proteiner. Det er også ugjennomtrengelig for molekyler og ioner, for å krysse det, de trenger intermembranproteiner for å transportere dem.

Inne i matrisen strekker folder av den indre membran seg, og danner rygger som gjør at den har et stort område i et lite volum.

Cellekraftverk

Mytokondriene regnes som produsent av celleenergi. Den inneholder enzymene som er involvert i prosessene i sitronsyresyklusen, fettsyreoksidasjon, og redoksenzymer og proteiner som er involvert i elektrontransport og fosforylering av ADP.

Protonkonsentrasjonsgradienten (pH-gradient) og ladningsgradienten eller det elektriske potensialet i den indre membranen i mitokondriene er ansvarlig for protonmotivkraften. Den lave permeabiliteten til den indre membranen for ioner (annet enn H ⁺ ) gjør at mitokondriene har en stabil spenningsgradient.

Elektronisk transport, protonpumping og ATP-produksjon skjer samtidig i mitokondriene, takket være protonmotivkraften. PH-gradienten opprettholder sure forhold i intermembranen og i mitokondriell matriks under alkaliske forhold.

For hver to elektroner overført til O _to ca 10 protoner pumpes gjennom membranen, noe som skaper en elektrokjemisk gradient. Energien som frigjøres i denne prosessen produseres gradvis ved passering av elektroner gjennom transportkjeden.

Stages

Energien som frigjøres under oksidasjonsreduksjonsreaksjonene til NADH og FADH ₂ er betydelig høy (rundt 53 kcal / mol for hvert par elektroner), så for å bli brukt til fremstilling av ATP-molekyler, må den produseres gradvis med passering av elektroner gjennom transportører.

Disse er organisert i fire komplekser lokalisert på den indre mitokondrielle membranen. Koblingen av disse reaksjonene til syntesen av ATP utføres i et femte kompleks.

Elektrontransportkjede

NADH overfører et par elektroner som kommer inn i kompleks I i elektrontransportkjeden. Elektronene overføres til flavinmononukleotidet og deretter til ubikinon (koenzym Q) gjennom en jern-svoveltransportør. Denne prosessen frigjør en stor mengde energi (16,6 kcal / mol).

Ubiquinone transporterer elektroner over membranen til kompleks III. I dette komplekset passerer elektronene gjennom cytokromer b og c ₁ takket være en jern-svoveltransportør.

Elektroner går fra kompleks III til kompleks IV (cytokrom c oksidase), overført en etter en i cytokrom c (perifert membranprotein). I kompleks IV passerer elektronene gjennom et par kobberioner (Cu _a ²⁺ ), deretter til cytokrom c _a , deretter til et annet par kobberioner (Cu _b ²⁺ ) og fra dette til cytokrom a ₃ .

Endelig er de elektroner overføres til O- ₂ , som er den siste akseptor og danner et vannmolekyl (H ₂ O) for hvert par av elektroner som mottas. Overføring av elektroner fra kompleks IV til O ₂ genererer også en stor mengde fri energi (25,8 kcal / mol).

Succinat CoQ-reduktase

Kompleks II (succinat CoQ-reduktase) mottar et par elektroner fra sitronsyresyklusen, gjennom oksidasjon av et succinatmolekyl til fumarat. Disse elektronene blir overført til FAD, og ​​passerer gjennom en jern-svovel-gruppe, til ubikinon. Fra dette koenzymet går de til kompleks III og følger ruten som tidligere er beskrevet.

Energien som frigjøres i elektronoverføringsreaksjonen til FAD er ikke nok til å drive protonene gjennom membranen, så det genereres ingen protonmotivkraft i dette trinnet i kjeden, og følgelig gir FADH mindre H ⁺ enn NADH.

Kobling eller overføring av energi

Energien som genereres i den tidligere beskrevne elektrontransportprosessen må kunne brukes til produksjon av ATP, en reaksjon katalysert av enzymet ATP-syntase eller kompleks V. Bevaringen av denne energien er kjent som energikobling, og mekanismen har vært vanskelig å karakterisere.

Flere hypoteser er blitt beskrevet for å beskrive denne energitransduksjonen. Den best aksepterte er den kjemosmotiske koblingshypotesen, beskrevet nedenfor.

Kjemosmotisk kobling

Denne mekanismen foreslår at energien som brukes til ATP-syntese kommer fra en protongradient i cellemembraner. Denne prosessen griper inn i mitokondriene, kloroplastene og bakteriene og er knyttet til transport av elektroner.

Komplekser I og IV for elektrontransport fungerer som protonpumper. Disse gjennomgår konformasjonsendringer som lar dem pumpe protoner inn i intermembranrommet. I komplekse IV, for hvert par av elektroner, er to protoner pumpes ut av membranen og to mer forbli i matrisen, som danner H ₂ O.

Ubiquinon i kompleks III tar imot protoner fra kompleksene I og II og frigjør dem til utsiden av membranen. Kompleksene I og III tillater hver passering av fire protoner for hvert par transporterte elektroner.

Den mitokondriske matrisen har en lav konsentrasjon av protoner og et negativt elektrisk potensial, mens intermembranområdet gir de omvendte forholdene. Flyten av protoner gjennom denne membranen representerer den elektrokjemiske gradienten som lagrer den nødvendige energien (± 5 kcal / mol per proton) for syntesen av ATP.

ATP-syntese

Enzymet ATP-syntetase er det femte komplekset som er involvert i oksidativ fosforylering. Det er ansvarlig for å utnytte energien til den elektrokjemiske gradienten for å danne ATP.

Dette transmembranproteinet består av to komponenter: F ₀ og F ₁ . F ₀ -komponenten tillater retur av protoner til den mitokondrielle matriks, som fungerer som en kanal og F _en katalyserer syntesen av ATP via ADP og P _i , ved hjelp av energi fra nevnte retur.

ATP-synteseprosessen krever en strukturell endring i F ₁ og monteringen av komponentene F ₀ og F ₁ . Proton translokasjon gjennom F ₀ fører til konformasjonsendringer i tre subenheter av F ₁ , slik at den kan fungere som en motor for rotasjon, dirigere dannelsen av ATP.

Underenheten som er ansvarlig for binding av ADP med P _i, skifter fra en svak tilstand (L) til en aktiv en (T). Når ATP dannes, går en andre underenhet i en åpen tilstand (O) som tillater frigjøring av dette molekylet. Etter at ATP er utgitt, går denne underenheten fra åpen tilstand til en inaktiv tilstand (L).

ADP og P _i molekyler binde seg til en underenhet som er gått over fra en O-tilstand til en l tilstand.

Produkter

Elektrontransportkjeden og fosforylering produserer ATP-molekyler. Oksidasjonen av NADH produserer omtrent 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) fri energi.

Den totale reaksjonen for oksidasjon av NADH er:

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Overføringen av elektronene fra NADH og FADH ₂ skjer gjennom forskjellige komplekser, slik at den frie energibytte ΔG ° kan brytes ned i mindre energipakker, som er koblet til ATP-syntese.

Oksidasjonen av ett molekyl av NADH genererer syntese av tre molekyler av ATP. Mens oksidasjonen av et molekyl av FADH ₂ er koblet til syntesen av to ATP.

Disse koenzymene kommer fra glykolyse- og sitronsyresyklusprosessene. For hvert molekyl som er degradert, ender de med å produsere 36 eller 38 molekyler av ATP, avhengig av plasseringen av cellene. I hjernen og skjelettmuskelen produseres 36 ATP mens det i muskelvevet er 38 ATP produseres.

Egenskaper

Alle organismer, enscellulære og flercellede, trenger minimal energi i cellene sine for å utføre prosessene i dem, og opprettholder igjen viktige funksjoner i hele organismen.

Metabolske prosesser krever energi for å finne sted. Det meste av den anvendbare energien er hentet fra nedbrytningen av karbohydrater og fett. Denne energien er avledet fra den oksidative fosforyleringsprosessen.

Kontroll av oksidativ fosforylering

ATP-utnyttelsesgraden i celler styrer syntesen, og på sin side, på grunn av koblingen av oksidativ fosforylering med elektrontransportkjeden, regulerer også generelt hastigheten for elektrontransport.

Oksidativ fosforylering har en streng kontroll som sikrer at ATP ikke genereres raskere enn den forbrukes. Det er visse trinn i prosessen med elektrontransport og koblet fosforylering som regulerer hastigheten på energiproduksjon.

Koordinert kontroll av ATP-produksjon

Hovedveiene for energiproduksjon (cellulær ATP) er glykolyse, sitronsyresyklusen og oksidativ fosforylering. Den koordinerte kontrollen av disse tre prosessene regulerer syntesen av ATP.

Kontrollen av fosforylering med masseaksjonsforholdet til ATP avhenger av den nøyaktige tilførselen av elektroner i transportkjeden. Dette avhenger igjen av forholdet / som holdes høyt ved virkningen av glykolyse og sitronsyresyklusen.

Denne koordinerte kontrollen utføres ved å regulere glykolysekontrollpunktene (sitrathemmet PFK) og sitronsyresyklusen (pyruvatdehydrogenase, citrat tapease, isocitrat dehydrogenase og α-ketoglutarate dehydrogenase).

Kontroll av aksepter

Kompleks IV (cytokrom c oksidase) er et enzym regulert av et av dets underlag, det vil si at dets aktivitet styres av redusert cytokrom c (c ²⁺ ), som igjen er i likevekt med konsentrasjonsforholdet mellom / og masseaksjonsforholdet på / +.

Jo høyere forholdet og lavere / +, jo høyere er konsentrasjonen av cytokrom og desto større er aktiviteten til kompleks IV. Dette tolkes for eksempel hvis vi sammenligner organismer med forskjellige hvileaktiviteter og aktiviteter med høy aktivitet.

I et individ med høy fysisk aktivitet, er forbruket av ATP og derfor dets hydrolyse til ADP + P _jeg vil være meget høy, genererer en forskjell i massevirkningsforholdet som fører til en økning i og derfor en økning i syntese av ATP. Hos en person i ro, oppstår omvendt situasjon.

Til syvende og sist øker graden av oksidativ fosforylering med konsentrasjonen av ADP i mitokondriene. Nevnte konsentrasjon avhenger av ADP-ATP-translokatorer som er ansvarlige for transport av adeninnukleotider og P _i fra cytosol til mitokondriell matrise.

Frakoblingsmidler

Oksidativ fosforylering påvirkes av visse kjemiske midler, som lar elektrontransporten fortsette uten fosforylering av ADP, frakobling av energiproduksjon og konservering.

Disse midlene stimulerer oksygenforbrukshastigheten til mitokondriene i fravær av ADP, og forårsaker også en økning i ATP-hydrolyse. De fungerer ved å fjerne et mellomprodukt eller bryte en energitilstand i elektrontransportkjeden.

2,4-dinitrofenol, en svak syre som går gjennom mitokondrielle membraner, er ansvarlig for å spre protongradienten, da de binder seg til dem på den sure siden og frigjør dem på basissiden.

Denne forbindelsen ble brukt som en "diettpiller" da det ble funnet å gi en økning i respirasjon, derfor en økning i metabolsk hastighet og tilhørende vekttap. Det ble imidlertid vist at dens negative virkning til og med kunne føre til død.

Dissipasjonen av protongradienten produserer varme. Celler i brunt fettvev bruker hormonelt kontrollert frakobling for å produsere varme. Dvale pattedyr og nyfødte som mangler hår, består av dette vevet som fungerer som et slags termisk teppe.

hemmere

Inhiberende forbindelser eller midler forhindrer både O _2- forbruk (elektrontransport) og tilhørende oksidativ fosforylering. Disse midlene forhindrer dannelse av ATP gjennom bruk av energi produsert i elektronisk transport. Derfor stopper transportkjeden når energiforbruket ikke er tilgjengelig.

Det antibiotiske oligomycinet fungerer som en fosforyleringsinhibitor i mange bakterier, og forhindrer stimulering av ADP til ATP-syntese.

Det er også ionofore midler, som danner fettløselige komplekser med kationer som K ⁺ og Na ⁺ , og passerer gjennom mitokondriell membran med disse kationene. Mitokondriene bruker deretter energien som produseres i elektronisk transport til å pumpe kationer i stedet for å syntetisere ATP.

referanser

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Essensiell cellebiologi. New York: Garland Science.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Cellen. (s. 397-402). Marban.
3. Devlin, TM (1992). Lærebok for biokjemi: med kliniske korrelasjoner. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH, & Grisham, CM (2008). Biokjemi. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). Mollekylær cellebiologi. Macmillan.
6. Nelson, DL, & Cox, MM (2006). Lehninger Principles of Biochemistry 4. utgave. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biokjemi. Panamerican Medical Ed.