Oksidative fosforyleringsstrinn, produkter, funksjoner og inhibitorer



den oksidativ fosforylering er en prosess hvor ATP-molekyler syntetiseres fra ADP og Pjeg (uorganisk fosfat). Denne mekanismen utføres av bakterier og eukaryotiske celler. I eukaryote celler utføres fosforylering i mitokondriamatrixen av ikke-fotosyntetiske celler.

Produksjonen av ATP drives av overføring av elektroner fra NADH- eller FADH-koenzymer2 O2. Denne prosessen representerer den høyeste energiproduksjonen i cellen og er avledet fra nedbrytningen av karbohydrater og fettstoffer.

Energien lagret i ladningen og pH-gradienter, også kjent som protonmotivkraft, tillater denne prosessen å bli utført. Protongradienten som genereres, forårsaker at den ytre delen av membranen har en positiv ladning på grunn av konsentrasjonen av protoner (H+) og mitokondriematrisen er negativ.

index

  • 1 Hvor oksidativ fosforylering oppstår?
    • 1.1 Cellkraftverk
  • 2 trinn
    • 2.1 Elektrontransportkjede
    • 2.2 Succinat CoQ reduktase
    • 2.3 Kobling eller transduksjon av energi
    • 2.4 Kjemosmotisk kobling
    • 2.5 Syntese av ATP
  • 3 produkter
  • 4 funksjoner
  • 5 Kontroll av oksidativ fosforylering
    • 5.1 Koordinert kontroll av ATP-produksjon
    • 5.2 Kontroll av akseptor
    • 5.3 Uncoupling agenter
    • 5.4 Inhibitorer
  • 6 Referanser

Hvor forekommer oksidativ fosforylering?

Prosessene for elektrontransport og oksidativ fosforylering er forbundet med en membran. I prokaryoter utføres disse mekanismene gjennom plasmamembranen. I eukaryote celler forholder de seg til membranen i mitokondriene.

Antallet mitokondrier funnet i celler varierer i henhold til typen av celle. For eksempel mangler erytrocytter hos disse organeller, mens andre celletyper, som muskelceller, kan ha opptil millioner av dem.

Den mitokondrie membranen består av en enkel ytre membran, en noe mer kompleks indre membran, og i midten av dem er intermembranal-rommet, hvor mange ATP-avhengige enzymer er lokalisert.

Ytre membranen inneholder et protein som kalles 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 høyere tetthet og er rik på proteiner. Det er også ugjennomtrengelig for molekyler og ioner, for å krysse det, trenger de intermembrane proteiner som transporterer dem.

Innenfor matrisen strekker seg foldene av den indre membranen, og danner riller som gjør det mulig å ha et stort område i et lite volum.

Cell kraftverk

Mitokondrier anses som den sentrale produsenten av cellulær energi. Den inneholder som er involvert i prosessene i henhold til sitronsyresyklusen, fettsyreoksydasjon og redox-enzymer og elektrontransportproteiner og fosforylering av ADP enzymer.

Konsentrasjonsgradienten av protoner (pH gradient) og gradienten av belastning eller elektrisk potensial i den indre mitokondrie-membran, er ansvarlig for den proton drivkraft. Den lave permeabiliteten til den indre membranen for ioner (annet enn H)+) gjør at mitokondrierene har en stabil spenningsgradient.

Elektronisk transport, pumping av protoner og oppnåelse av ATP forekommer samtidig i mitokondriene, takket være protonmotivkraft. PH-gradienten opprettholder syreforholdene i intermembranen og mitokondriamatrisen med alkaliske betingelser.

For hver to elektroner overføres til OR2 Om lag 10 protoner pumpes gjennom membranen, og skaper en elektrokjemisk gradient. Energien som frigjøres i denne prosessen, produseres gradvis ved hjelp av elektroner gjennom transportbåndet.

stadier

Energien utgitt under oksidasjonsreduksjonsreaksjonene av NADH og FADH2 er betydelig høy (ca. 53 kcal / mol for hvert par av elektroner), så som skal anvendes ved fremstilling av molekyler av ATP må skje gradvis med passering av elektroner gjennom transportbånd.

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

Elektron transport kjede

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

Ubiquinon transporterer elektroner gjennom membranen til kompleks III. I dette komplekset går elektronene gjennom cytokromene b og c1 takket være en jern-svovel transportør.

Fra komplekse III overføres elektronene til IV-komplekset (cytokrom c oxidase), overført en etter en til cytokrom c (membran perifert protein). I IV-komplekset passerer elektronene gjennom et par kobberioner (Cutil2+), deretter til cytokrom ctil, deretter til et annet par kobberioner (Cub2+) og fra dette til cytokrom a3.

Til slutt overføres elektronene til OR2 som er den siste akseptoren og danner et vannmolekyl (H2O) for hvert par elektroner mottatt. Gjennomgangen av elektroner fra komplekse IV til O2 genererer også en stor mengde fri energi (25,8 kcal / mol).

Succinat CoQ reduktase

Kompleks II (succinat-CoQ-reduktase) mottar et par elektroner fra sitronsyre-syklusen ved oksydasjon av et molekyl av succinat til fumarat. Disse elektronene overføres til FAD, som passerer gjennom en jern-svovelgruppe, til ubiquinonen. Fra dette koenzymet går de til komplekse III og følger ruten som tidligere er beskrevet.

Den energi som frigjøres i reaksjonen for overføring av elektroner til den FAD er ikke tilstrekkelig til å drive protoner gjennom membranen, slik at det i dette trinn kjeden ikke proton bevegelseskraft blir generert, og følgelig FADH gir mindre H+ at NADH.

Kobling eller transduksjon av energi

Energien som genereres i elektrontransportprosessen som tidligere er beskrevet, bør være i stand til å bli benyttet for produksjon av ATP, reaksjonen katalyseres av enzymet ATP-syntase-kompleks eller V. bevaring av denne energien er kjent som energi kopling, og mekanismen har vært vanskelig å karakterisere.

Flere hypoteser er 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 syntesen av ATP kommer fra en protonisk gradient i cellemembraner. Denne prosessen inngår i mitokondrier, kloroplaster og bakterier og er koblet til elektrontransport.

Kompleksene I og IV i elektronisk transport fungerer som protonpumper. Disse gjennomgår konformasjonelle endringer som tillater dem å pumpe protonene i intermembranal-rommet. I IV-komplekset for hvert par elektroner pumpes to protoner ut av membranen og to igjen forblir i matrisen som danner H2O.

Ubiquinon i kompleks III aksepterer protoner fra kompleksene I og II og frigjør dem utenfor membranen. Kompleksene I og III tillater hver passasje av fire protoner for hvert par elektroner transportert.

Den mitokondriske matriksen har en lav konsentrasjon av protoner og negativt elektrisk potensial, mens intermembranområdet gir de omvendte forholdene. Strømmen av protoner gjennom denne membranen innebærer den elektrokjemiske gradienten som lagrer den nødvendige energi (± 5 kcal / mol pr proton) for syntesen av ATP.

Syntese av ATP

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

Dette transmembranproteinet består av to komponenter: F0 og F1. Komponenten F0 tillater retur av protonene til mitokondriellmatrisen som fungerer som en kanal og F1 katalyserer syntesen av ATP gjennom ADP og Pjeg, bruker energien til avkastningen.

ATP-synteseprosessen krever en strukturell forandring i F1 og samlingen av F-komponentene0 og F1. Proton-translokasjonen gjennom F0 forårsaker konformasjonsendringer i tre underenheter av F1, slik at den kan fungere som en rotasjonsmotor som styrer dannelsen av ATP.

Underenheten som er ansvarlig for bindingen av ADP med Pjeg Den går fra en svak tilstand (L) til en aktiv en (T). Når ATP dannes, går en andre underenhet til 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).

Molekylene av ADP og Pjeg bli med i en underenhet som har gått fra en O-stat til L-staten.

produsere

Elektrontransportkjeden og fosforyleringen produserer ATP-molekyler. Oksidasjon av NADH gir ca. 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) fri energi.

Den samlede reaksjonen for oksidasjon av NADH er:

NADH + 1/2 O2 +H+ ↔ H2O + NAD+

Overføringen av elektroner fra NADH og FADH2 den gis gjennom flere komplekser, slik at den frie energiforandring ΔG ° blir delt inn i mindre "pakker" av energi, som er koblet til syntese av ATP.

Oxidasjonen av et NADH-molekyl genererer syntesen av tre molekyler av ATP. Mens oksidasjonen av en FADH-molekyl2 er koblet til syntese av to ATP.

Disse koenzymer kommer fra prosesser av glykolyse og sitronsyre syklusen. For hvert molekyl av glukoseforringet produseres 36 eller 38 molekyler av ATP, avhengig av plasseringen av cellene. 36 ATP produseres i hjernen og skjelettmuskulaturen mens 38 ATP produseres i muskelvev.

funksjoner

Alle organismer, unicellular og pluricellular, trenger en minimal energi i sine celler for å utføre prosessene i dem, og opprettholder igjen de vitale funksjonene i hele organismen.

Metabolske prosesser krever energi som skal utføres. Det meste av brukbar energi er oppnådd ved nedbrytning av karbohydrater og fett. Den nevnte energi er avledet fra den oksidative fosforyleringsprosessen.

Kontroll av oksidativ fosforylering

Hastigheten for ATP-utnyttelse i celler styrer syntesen av det samme, og i sin tur regulerer den elektroniske transporthastigheten generelt på grunn av koblingen av oksidativ fosforylering med elektrontransportkjeden..

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

Koordinert kontroll av ATP-produksjon

De viktigste energiproduksjonsbanene (cellulær ATP) er glykolyse, sitronsyre-syklusen og oksidativ fosforylering. Den koordinerte kontrollen av disse tre prosessene regulerer syntesen av ATP.

Kontrollen av fosforylering ved masseaktivitetsforholdet for ATP avhenger av det nøyaktige bidraget av elektroner i transportkjeden. Dette avhenger igjen av forholdet [NADH] / [NAD+] Som er det holdes høy ved hjelp av virkningen av glykolyse og sitronsyresyklusen.

Dette koordinert styring blir utført ved å regulere kontrollpunktene i glykolysen (PFK inhibert av citrat) og sitronsyresyklusen (pyruvat dehydrogenase, CINTASA citrat, isocitrat dehydrogenase og α-ketoglutarat dehydrogenase).

Kontroll av akseptor

IV-komplekset (cytokrom c-oxidase) er et enzym regulert av et av dets substrater, noe som betyr at dets aktivitet styres av redusert cytokrom c (c2+), som igjen er i likevekt med forholdet mellom konsentrasjoner mellom [NADH] / [NAD+] og masseaktivitetsforholdet for [ATP] / [ADP] + [Pjeg].

Jo høyere relasjonen [NADH] / [NAD]+] og senk [ATP] / [ADP] + [Pjeg], jo mer konsentrasjon vil det være av cytokrom [c2+] og aktiviteten til IV-komplekset vil bli større. Dette tolkes, for eksempel sammenligne organismer med ulike aktiviteter og høy aktivitet resten.

I et individ med høy fysisk aktivitet, er forbruket av ATP og dermed dets hydrolyse til ADP + Pjeg vil være svært høy, noe som gir en forskjell i masseaktivitetsforholdet som forårsaker en økning i [c2+] og derfor en økning i syntesen av ATP. I en person i hvile oppstår omvendt situasjon.

Til slutt øker frekvensen av oksidativ fosforylering med konsentrasjonen av ADP i mitokondriene. Denne konsentrasjonen avhenger av ADP-ATP-translokatorer som er ansvarlige for transporten av adeninukleotider og Pjeg fra cytosol til mitokondriske matriksen.

Uncoupling agenter

Oksidativ fosforylering påvirkes av visse kjemiske midler, som tillater elektronisk transport å fortsette uten at fosforylering av ADP oppstår, frakobling av produksjon og bevaring av energi.

Disse midlene stimulerer oksygenforbruket i mitokondriene i fravær av ADP, og forårsaker også en økning i hydrolysen av ATP. De opptrer ved å eliminere en mellommann eller bryte energitilstanden til elektrontransportkjeden.

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

Denne forbindelsen ble brukt som et "vekttap pille" fordi det ble funnet å gi en økning i respirasjon, derfor en økning i metabolisk hastighet og tilhørende vekttap. Imidlertid ble det vist at den negative effekten kunne føre til døden.

Dissipasjon av protongradienten gir varme. Celler av brunt fettvev uncoupling anvendes, hormonelt styrt for å produsere varme. Dvale pattedyr og nyfødte som mangler hår bestå av dette vev tjener som en slags varmeteppe.

inhibitorer

Forbindelsene eller inhibitorene forhindrer både forbruk av O2 (elektronisk transport) som tilhørende oksidativ fosforylering. Disse midlene hindrer dannelsen av ATP ved bruk av energien som produseres i elektronisk transport. Derfor stopper transportkjeden når dette energiforbruket ikke er tilgjengelig.

Det antibiotiske oligomycinet virker som en inhibitor av fosforylering i mange bakterier, som forhindrer stimulering av ADP til syntesen av ATP.

Det er også ionofore-midler, som gjør liposoluble komplekser med kationer som K+ og Na+, og de passerer gjennom mitokondriamembranen med kationene. Mitokondrier bruker så sin energi produsert i elektrontransportkjeden for 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). Nødvendig cellebiologi. New York: Garland Science.
  2. Cooper, G. M., Hausman, R. E. & Wright, N. (2010). Cellen. (s. 397-402). Marban.
  3. Devlin, T. M. (1992). Lærebok for biokjemi: med kliniske korrelasjoner. John Wiley & Sons, Inc.
  4. Garrett, R. H., & Grisham, C. M. (2008). biokjemi. Thomson Brooks / Cole.
  5. Lodish, H., Darnell, J.E., Berk, A., Kaiser, C.A., Krieger, M., Scott, M. P., & Matsudaira, P. (2008). Mollecular cellebiologi. Macmillan.
  6. Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2006). Lehninger Prinsipper for biokjemi 4. utgave. Ed Omega. Barcelona.
  7. Voet, D., & Voet, J. G. (2006). biokjemi. Ed. Panamericana Medical.