Стадії окисного фосфорилювання, продукти, функції та інгібітори



The окисне фосфорилювання є процесом, де молекули АТФ синтезуються з ADP і Pi (неорганічний фосфат). Цей механізм виконується бактеріями і эукариотическими клітинами. У еукаріотичних клітинах фосфорилювання здійснюється в мітохондріальній матриці не фотосинтетичних клітин.

Продукція АТФ обумовлена ​​перенесенням електронів з коферментів NADH або FADH2 O2. Цей процес являє собою найвищу продукцію енергії в клітці і походить від деградації вуглеводів і жирів.

Енергія, що зберігається в градієнтах заряду і рН, також відома як протонна рушійна сила, дозволяє проводити цей процес. Створений протонний градієнт призводить до того, що зовнішня частина мембрани має позитивний заряд через концентрацію протонів (Н).+), а мітохондріальна матриця негативна.

Індекс

  • 1 Де відбувається окисне фосфорилювання?
    • 1.1 Стільникова електростанція
  • 2 Етапи
    • 2.1 Електронна транспортна ланцюг
    • 2.2 Сукцинат CoQ редуктази
    • 2.3 Зчеплення або трансдукція енергії
    • 2.4
    • 2.5 Синтез АТФ
  • 3 Продукти
  • 4 Функції
  • 5 Контроль окисного фосфорилювання
    • 5.1 Координований контроль за виробництвом СПС
    • 5.2 Контроль акцептором
    • 5.3 Роз'єднувачі
    • 5.4 Інгібітори
  • 6 Посилання

Де відбувається окисне фосфорилювання?

Процеси електронного транспорту і окисного фосфорилювання пов'язані з мембраною. У прокаріотів ці механізми здійснюються через плазматичну мембрану. У еукаріотичних клітинах вони асоціюються з мембраною мітохондрій.

Кількість мітохондрій, виявлених у клітинах, змінюється залежно від типу клітини. Наприклад, у ссавців еритроцити не мають цих органел, в той час як інші типи клітин, такі як м'язові клітини, можуть мати до мільйонів.

Митохондріальна мембрана складається з простої зовнішньої мембрани, дещо більш складної внутрішньої мембрани, а в середині них міжмембранний простір, де розташовані багато АТФ-залежних ферментів..

Зовнішня мембрана містить білок, який називається порін, що утворює канали для простої дифузії малих молекул. Ця мембрана відповідає за збереження структури і форми мітохондрій.

Внутрішня мембрана має більш високу щільність і багата білками. Він також непроникний для молекул і іонів, тому, щоб перетнути його, вони потребують міжмембранних білків, які їх транспортують.

Усередині матриці складки внутрішньої мембрани розширюються, утворюючи гребені, що дозволяють їй мати велику площу в малому обсязі.

Клітинна електростанція

Мітохондрії вважається центральним виробником клітинної енергії. У ньому знаходяться ферменти, що беруть участь у процесах циклу лимонної кислоти, окислення жирних кислот і ферментів, а також окисно-відновні білки переносу електронів і фосфорилювання АДФ..

Градієнт концентрації протона (градієнт рН) і градієнт зарядів або електричний потенціал у внутрішній мембрані мітохондрій є відповідальними за рушійну силу протона. Низька проникність внутрішньої мембрани для іонів (крім Н)+) дозволяє мітохондріям мати стабільний градієнт напруги.

Електронний транспорт, накачування протонів і отримання АТФ відбуваються одночасно в мітохондріях завдяки протонній рушійній силі. Градієнт рН підтримує кислотні умови в межмембранном і мітохондріальному матриці з лужними умовами.

За кожні два електрони переносяться в АР2 Через мембрану прокачується близько 10 протонів, створюючи електрохімічний градієнт. Енергія, що виділяється в цьому процесі, виробляється поступово через проходження електронів через ланцюг конвеєра.

Етапи

Енергія, що виділяється при окисно-відновних реакціях NADH і FADH2 він значно високий (близько 53 ккал / моль для кожної пари електронів), тому для виробництва молекул АТФ він повинен вироблятися поступово при проходженні електронів через транспортери.

Вони складаються з чотирьох комплексів, розташованих у внутрішній мітохондріальній мембрані. Зв'язок цих реакцій з синтезом АТФ здійснюється в п'ятому комплексі.

Електронна транспортна ланцюг

NADH передає пару електронів, які входять у комплекс I транспортної ланцюга електронів. Електрони переносяться на мононуклеотид флавіна, а потім на убіхінон (кофермент Q) через транспортер заліза-сірку. Цей процес випускає велику кількість енергії (16,6 ккал / моль).

Убіхінон транспортує електрони через мембрану до комплексу III. У цьому комплексі електрони проходять через цитохроми b і c1 завдяки залізо-сірчаному транспортеру.

З комплексу III електрони переходять до IV комплексу (цитохром c оксидаза), переносяться один за одним у цитохром c (мембранний периферичний білок). У IV комплексі електрони проходять через пару іонів міді (Cua2+), потім до цитохрому ca, потім до іншої пари іонів міді (Cub2+) і від цього до цитохрому a3.

Нарешті, електрони переносяться в АР2 який є останнім акцептором і утворює молекулу води (Н2O) для кожної отриманої пари електронів. Проходження електронів від комплексу IV до O2 також генерує велику кількість вільної енергії (25,8 ккал / моль).

Сукцинат CoQ редуктази

Комплекс II (сукцинат CoQ редуктази) отримує пару електронів з циклу лимонної кислоти шляхом окислення молекули сукцинату до фумарата. Ці електрони передаються FAD, проходячи через залізо-сірчану групу, до убіхінону. З цього коферменту вони переходять до комплексу III і слідують описаному раніше шляху.

Енергія, що виділяється при реакції переносу електрона на ФАД, недостатньо для того, щоб протони проходили через мембрану, тому на цьому етапі ланцюга не генерується протонної рушійної сили, і, отже, FADH дає менше H+ що NADH.

Зчеплення або трансдукція енергії

Енергія, що генерується в процесі перенесення електронів, описаного раніше, повинна бути використана для виробництва АТФ, реакції, катализируемой ферментом АТФ-синтазою або комплексом V. Збереження цієї енергії відоме як енергетична зв'язок, і механізм був важко охарактеризувати.

Описано кілька гіпотез для опису цієї енергетичної трансдукції. Найбільш прийнятною є гіпотеза хіміосмотичного зв'язку, описана нижче.

Хіміосмотичне зчеплення

Цей механізм припускає, що енергія, що використовується для синтезу АТФ, походить від протонного градієнта в клітинних мембранах. Цей процес втручається в мітохондрії, хлоропласти і бактерії і пов'язаний з транспортом електронів.

Комплекси I і IV електронного транспорту виконують роль протонних насосів. Вони проходять конформаційні зміни, які дозволяють прокачувати протони в міжмембранний простір. У IV-комплексі для кожної пари електронів з мембрани відкачуються два протони і ще два залишаються в матриці, що утворює H2O.

Убіхінон в комплексі III приймає протони з комплексів I і II і вивільняє їх поза мембрани. Комплекси I і III кожен дозволяють проходити чотири протони для кожної пари перенесених електронів.

Мітохондріальна матриця має низьку концентрацію протонів і негативний електричний потенціал, а міжмембранний простір - обернені умови. Потік протонів через цю мембрану передбачає електрохімічний градієнт, який зберігає необхідну енергію (± 5 ккал / моль на протон) для синтезу АТФ.

Синтез АТФ

Фермент АТФ-синтетаза є п'ятим комплексом, що бере участь в окисному фосфорилюванні. Він відповідає за використання енергії електрохімічного градієнта для формування АТФ.

Цей трансмембранний білок складається з двох компонентів: F0 і F1. Компонент F0 дозволяє повернути протони до мітохондріальної матриці, що функціонує як канал і F1 каталізує синтез АТФ через АДФ і Рi, з використанням енергії згаданого повернення.

Процес синтезу АТФ вимагає структурної зміни F1 і складання F-компонентів0 і F1. Транслокація протонів через F0 викликає конформаційні зміни в трьох субодиницях F1, дозволяючи йому діяти як двигун обертання, направляючи формування АТФ.

Субодиниця, відповідальна за зв'язування ADP з Pi вона переходить від слабкого стану (L) до активного (T). Коли АТФ утворюється, друга субодиниця переходить до відкритого стану (O), що дозволяє вивільнення цієї молекули. Після вивільнення АТП ця субодиниця переходить з відкритого стану в неактивний стан (L).

Молекули ADP і Pi приєднується до субодиниці, яка перейшла з стану O до стану L.

Продукти

Електронний транспортний ланцюг і фосфорилювання продукують молекули АТФ. Окислення NADH дає близько 52,12 ккал / моль (218 кДж / моль) вільної енергії.

Загальна реакція окислення NADH:

NADH + 1/2 O2 +H+ . H2O + NAD+

Перенесення електронів з NADH і FADH2 вона подається через кілька комплексів, що дозволяють розділити на вільні зміни енергії ΔG ° на менші "пакети" енергії, які пов'язані з синтезом АТФ..

Окислення молекули NADH генерує синтез трьох молекул АТФ. При цьому відбувається окислення молекули FADH2 пов'язаний з синтезом двох АТФ.

Ці коферменти походять від процесів гліколізу і циклу лимонної кислоти. Для кожної молекули глюкози деградують, 36 або 38 молекул АТФ виробляють, в залежності від розташування клітин. 36 АТФ виробляються в мозку і скелетних м'язах, у той час як 38 АТФ виробляються в м'язовій тканині.

Функції

Всі організми, одноклітинні і багатоклітинні, потребують мінімальної енергії в своїх клітинах для здійснення процесів, що відбуваються в них, і в свою чергу підтримують життєві функції в повному організмі.

Метаболічні процеси вимагають проведення енергії. Більшу частину корисної енергії отримують шляхом деградації вуглеводів і жирів. Зазначена енергія походить від процесу окисного фосфорилювання.

Контроль окисного фосфорилювання

Швидкість утилізації АТФ в клітинах контролює синтез того ж самого, і, в свою чергу, через зв'язок окисного фосфорилювання з ланцюгом транспорту електрона, він також регулює швидкість електронного транспортування.

Окисне фосфорилювання має суворий контроль, який гарантує, що АТФ не генерується швидше, ніж споживається. Існують певні кроки в процесі електронного транспорту і пов'язаного фосфорилювання, які регулюють швидкість виробництва енергії.

Координований контроль за виробництвом СПС

Основними шляхами виробництва енергії (клітинний АТФ) є гліколіз, цикл лимонної кислоти та окисне фосфорилювання. Координований контроль цих трьох процесів регулює синтез АТФ.

Контроль фосфорилювання відношенням маси АТФ залежить від точного внеску електронів в транспортний ланцюг. Це в свою чергу залежить від співвідношення [NADH] / [NAD+], що зберігається під впливом гліколізу і циклу лимонної кислоти.

Цей скоординований контроль здійснюється шляхом регулювання контрольних точок гліколізу (PFK, інгібується цитратом) і циклу лимонної кислоти (піруватдегідрогеназа, цитратна стрічка, ізоцитратдегідрогеназа і α-кетоглутаратдегідрогеназа)..

Контроль акцептором

IV комплекс (цитохром c оксидаза) є ферментом, регульованим одним з його субстратів, що означає, що його активність контролюється за рахунок зменшеного цитохрому c (c)2+), яка в свою чергу знаходиться в рівновазі з співвідношенням концентрацій між [NADH] / [NAD+] і коефіцієнт дії маси [ATP] / [ADP] + [Pi].

Чим вище відношення [NADH] / [NAD]+] і знизити [ATP] / [ADP] + [Pi], чим більше буде концентрації цитохрому [c2+] і активність IV комплексу буде більшою. Це інтерпретується, наприклад, якщо ми порівнюємо організми з різною активністю відпочинку і високою активністю.

У індивідуума з високою фізичною активністю, споживання АТФ і, отже, його гідроліз до ADP + Pi буде дуже високим, генеруючи різницю в коефіцієнті масової дії, що викликає збільшення [c2+] і, отже, збільшення синтезу АТФ. У людини в стані спокою відбувається зворотна ситуація.

Зрештою, швидкість окисного фосфорилювання зростає з концентрацією АДФ в межах мітохондрій. Ця концентрація залежить від ADP-ATP-транслокаторів, відповідальних за транспортування аденинових нуклеотидів і Pi від цитозоля до мітохондріальної матриці.

Роз'єднувачі

На окисне фосфорилювання впливають певні хімічні агенти, які дозволяють електронному транспорту продовжувати без фосфорилювання ADP, що відбувається, розв'язуючи виробництво та збереження енергії.

Ці агенти стимулюють швидкість споживання кисню мітохондрій у відсутності АДФ, також викликаючи збільшення гідролізу АТФ. Вони діють, усуваючи посередника або порушуючи енергетичний стан транспортного ланцюга електронів.

2,4-динитрофенол, слабка кислота, що проходить через мітохондріальні мембрани, відповідає за розсіювання протонного градієнта, оскільки вони зв'язуються з ними на кислих сторонах і вивільняють їх на основній стороні.

Ця сполука використовувалася як "таблетка для схуднення", оскільки було виявлено збільшення дихання, отже, збільшення швидкості метаболізму і пов'язаної з нею втрати ваги. Проте було показано, що його негативний ефект може навіть викликати смерть.

Дисипація протонного градієнта виробляє тепло. Клітини коричневої жирової тканини використовують розв'язку, контрольовану гормонально, для отримання тепла. Зісленні ссавці та новонароджені, у яких немає волосся, складаються з цієї тканини, яка служить своєрідним тепловим покриттям.

Інгібітори

Сполуки або інгібуючі агенти запобігають як споживання O2 (електронний транспорт) як пов'язане окисне фосфорилювання. Ці агенти запобігають утворенню АТФ за допомогою енергії, виробленої в електронному транспорті. Тому транспортний ланцюжок зупиняється, коли це енергоспоживання недоступне.

Антибіотик олігоміцин діє як інгібітор фосфорилювання у багатьох бактерій, запобігаючи стимуляцію АДФ до синтезу АТФ..

Існують також іонофорні агенти, які утворюють ліпорозчинні комплекси з катіонами типу K+ і Na+, і вони проходять через мембрану мітохондрій із зазначеними катіонами. Потім мітохондрії використовують енергію, вироблену в електронному транспорті, для накачування катіонів замість синтезу АТФ.

Список літератури

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Основна біологія клітини. Нью-Йорк: Гарландська наука.
  2. Купер, Г. М., Хаусман, Р. Е. і Райт, Н. (2010). Клітка. (стор. 397-402). Марбан.
  3. Девлін, Т. М. (1992). Підручник з біохімії: з клінічними кореляціями. John Wiley & Sons, Inc..
  4. Garrett, R. H., & Grisham, C. M. (2008). Біохімія. Томсон Брукс / Коул.
  5. Lodish, H., Darnell, J.E., Berk, A., Kaiser, C.A., Krieger, M., Scott, M.P., & Matsudaira, P. (2008). Молекулярна клітинна біологія. Макміллан.
  6. Нельсон, Д. Л., & Кокс, М. М. (2006). Принципи біохімії Ленінгера 4-е видання. Ед Омега. Барселона.
  7. Voet, D., & Voet, J.G. (2006). Біохімія. Ed. Panamericana Medical.