OXIDATIV FOSFORYLERING: STADIER, FUNKTIONER OCH HÄMMARE - BIOLOGI - 2025

Den oxidativa fosforyleringen är en process där molekyler syntetiseras ATP från ADP och P _i (oorganiskt fosfat). Denna mekanism utförs av bakterier och eukaryota celler. I eukaryota celler sker fosforylering i mitokondrial matris från icke-fotosyntetiska celler.

ATP-produktion drivs av överföring av elektroner från koenzymerna NADH eller FADH ₂ O ₂ . Denna process representerar den största energiproduktionen i cellen och härrör från nedbrytningen av kolhydrater och fetter.

Källa: Robot8A

Energin lagrad i laddnings- och pH-gradienterna, även känd som protonmotivkraften, gör det möjligt för denna process att ske. Den protongradient som alstras gör att den yttre delen av membranet har en positiv laddning på grund av koncentrationen av protoner (H ⁺ ) och den mitokondriella matrisen att vara negativ.

Var sker oxidativ fosforylering?

Processerna för elektrontransport och oxidativ fosforylering är associerade med ett membran. I prokaryoter sker dessa mekanismer genom plasmamembranet. I eukaryota celler associerar de med mitokondriell membran.

Antalet mitokondrier som finns i celler varierar beroende på celltyp. Till exempel saknar erytrocyter hos däggdjur dessa organeller, medan andra celltyper, såsom muskelceller, kan ha upp till miljoner av dem.

Det mitokondriella membranet består av ett enkelt yttre membran, ett något mer komplext inre membran, och mellan dem intermembranutrymmet, där många ATP-beroende enzymer finns.

Det yttre membranet innehåller ett protein som kallas porin som bildar kanalerna för enkel diffusion av små molekyler. Detta membran ansvarar för att bibehålla strukturen och formen av mitokondrierna.

Det inre membranet har en högre densitet och är rikt på proteiner. Det är också ogenomträngligt för molekyler och joner, för att korsa det behöver de intermembranproteiner för att transportera dem.

Inuti matrisen sträcker sig veck i det inre membranet och bildar åsar som gör att den får ett stort område i en liten volym.

Cellkraftverk

Mitokondrierna betraktas som den cellulära energiproducenten. Den innehåller enzymerna som är involverade i processerna i citronsyrecykeln, fettsyraoxidation och redoxenzymer och proteiner för elektrontransport och fosforylering av ADP.

Protonkoncentrationsgradienten (pH-gradient) och laddningsgradienten eller den elektriska potentialen i mitokondriens inre membran är ansvariga för protonmotivkraften. Det inre membranets låga permeabilitet för joner (andra än H ⁺ ) gör att mitokondrierna har en stabil spänningsgradient.

Elektronisk transport, protonpumpning och ATP-produktion sker samtidigt i mitokondrierna tack vare protonmotivkraften. PH-gradienten upprätthåller sura förhållanden i intermembranet och i den mitokondriska matrisen under alkaliska förhållanden.

För varje två elektroner överförs till O ₂ ca 10 protoner pumpas genom membranet, vilket skapar en elektrokemisk gradient. Energin som frigörs i denna process produceras gradvis genom att elektroner passerar genom transportkedjan.

Stages

Energin som frigörs under oxidationsreduktionsreaktionerna för NADH och FADH ₂ är avsevärt hög (cirka 53 kcal / mol för varje par elektroner), så för att användas vid tillverkning av ATP-molekyler måste den produceras gradvis med passage av elektroner genom transportörer.

Dessa är organiserade i fyra komplex belägna på det inre mitokondriella membranet. Kopplingen av dessa reaktioner till syntesen av ATP utförs i ett femte komplex.

Elektron transport kedja

NADH överför ett par elektroner som kommer in i komplex I i elektrontransportkedjan. Elektronerna överförs till flavinmononukleotiden och sedan till ubikinon (koenzym Q) genom en järn-svaveltransportör. Denna process frigör en stor mängd energi (16,6 kcal / mol).

Ubiquinone transporterar elektroner över membranet till komplex III. I denna komplexa elektronerna passerar genom cytokromer b och c ₁ tack vare en järn-svavel-transportören.

Elektroner passerar från komplex III till komplex IV (cytokrom c oxidas), överförs en efter en i cytokrom c (perifert membranprotein). I komplex IV elektronerna passerar genom ett par av kopparjoner (Cu _en ²⁺ ), sedan till cytokrom c _en , sedan till ett annat par av kopparjoner (Cu _b ²⁺ ) och från denna till cytokrom en ₃ .

Slutligen elektronerna överförs till O ₂ som är den sista acceptom och bildar en vattenmolekyl (H ₂ O) för varje par av elektroner som mottagits. Passagen av elektroner från komplex IV till O ₂ genererar också en stor mängd fri energi (25,8 kcal / mol).

Succinera CoQ-reduktas

Komplex II (succinat CoQ-reduktas) får ett par elektroner från citronsyrecykeln genom oxidation av en succinatmolekyl till fumarat. Dessa elektroner överförs till FAD, genom en järnsvavelgrupp, till ubikinon. Från detta koenzym går de till komplex III och följer den tidigare beskrivna vägen.

Energin som frigörs i elektronöverföringsreaktionen till FAD räcker inte för att driva protonerna genom membranet, så ingen protonmotivkraft genereras i detta steg i kedjan, och FADH ger följaktligen mindre H ⁺ än NADH.

Koppling eller överföring av energi

Energin som genereras i den tidigare beskrivna elektrontransportprocessen måste kunna användas för produktion av ATP, en reaktion katalyserad av enzymet ATP-syntas eller komplex V. Konserveringen av denna energi är känd som energikoppling, och mekanismen har varit svårt att karakterisera.

Flera hypoteser har beskrivits för att beskriva denna energitransduktion. Det bäst accepterade är den kemosmotiska kopplingshypotesen, som beskrivs nedan.

Kemosmotisk koppling

Denna mekanism föreslår att energin som används för ATP-syntes kommer från en protongradient i cellmembran. Denna process griper in i mitokondrierna, kloroplaster och bakterier och är kopplad till transport av elektroner.

Komplex I och IV för elektrontransport fungerar som protonpumpar. Dessa genomgår konformationella förändringar som gör att de kan pumpa protoner in i intermembranutrymmet. I komplex IV, för varje par av elektroner, två protoner pumpas ut av membranet och två mer kvar i matrisen, som bildar H ₂ O.

Ubiquinon i komplex III accepterar protoner från komplex I och II och släpper dem till utsidan av membranet. Komplex I och III tillåter var och en passager av fyra protoner för varje par transporterade elektroner.

Den mitokondriska matrisen har en låg koncentration av protoner och en negativ elektrisk potential, medan intermembranrummet presenterar de omvända förhållandena. Protonflödet genom detta membran representerar den elektrokemiska gradienten som lagrar den nödvändiga energin (± 5 kcal / mol per proton) för syntesen av ATP.

ATP-syntes

Enzymet ATP-syntetas är det femte komplexet som är involverat i oxidativ fosforylering. Det ansvarar för att utnyttja energin i den elektrokemiska gradienten för att bilda ATP.

Detta transmembranprotein består av två komponenter: F ₀ och F ₁ . F ₀ komponenten tillåter återlämnande av protoner till den mitokondriska matrisen, som fungerar som en kanal och F ₁ katalyserar syntesen av ATP genom ADP och P _i , med hjälp av energin hos nämnda retur.

ATP-syntes processen kräver en strukturell förändring av F ₁ och montering av komponenter F ₀ och F ₁ . Protonsloka genom F ₀ orsakar konformationsförändringar i tre subenheter av F ₁ , så att den kan fungera som en motor för rotation, som styr bildningen av ATP.

Subenheten är ansvarig för bindningen av ADP med P _i förändras från en svag stat (L) till en aktiv (T). När ATP bildas går en andra underenhet i ett öppet tillstånd (O) som tillåter frisättning av denna molekyl. När ATP släpps går denna underenhet från det öppna tillståndet till ett inaktivt tillstånd (L).

ADP och P _i molekyler binder till en underenhet som har passerat från en O tillstånd till ett L tillstånd.

Produkter

Elektrontransportkedjan och fosforylering producerar ATP-molekyler. Oxidationen av NADH producerar cirka 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) fri energi.

Den totala reaktionen för oxidation av NADH är:

NADH + 1/2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Överföringen av elektroner från NADH och FADH ₂ sker genom olika komplex, vilket gör att den fria energiförändringen ΔG ° kan brytas ner i mindre energipaket, som är kopplade till ATP-syntes.

Oxidationen av en molekyl av NADH genererar syntesen av tre molekyler av ATP. Medan oxidationen av en molekyl av FADH ₂ är kopplad till syntesen av två ATP.

Dessa koenzym kommer från glykolys- och citronsyracykelprocesserna. För varje molekyl som bryts ned med glukos producerar de 36 eller 38 molekyler av ATP, beroende på platsen för cellerna. I hjärnan och skelettmusklerna produceras 36 ATP medan de i muskelvävnaden produceras 38 ATP.

Funktioner

Alla organismer, unicellulära och flercelliga, behöver minimal energi i sina celler för att genomföra processerna inom dem, och i sin tur upprätthåller vitala funktioner i hela organismen.

Metaboliska processer kräver energi för att ske. Det mesta av användbar energi erhålls från nedbrytningen av kolhydrater och fetter. Denna energi kommer från den oxidativa fosforyleringsprocessen.

Kontroll av oxidativ fosforylering

ATP-utnyttjandegraden i celler styr dess syntes, och i sin tur reglerar den i allmänhet också hastigheten för elektrontransport på grund av kopplingen av oxidativ fosforylering med elektrontransportkedjan.

Oxidativ fosforylering har en strikt kontroll som säkerställer att ATP inte genereras snabbare än den konsumeras. Det finns vissa steg i processen för elektrontransport och kopplad fosforylering som reglerar energiproduktionshastigheten.

Samordnad kontroll av ATP-produktion

Huvudvägarna för energiproduktion (cellulär ATP) är glykolys, citronsyrecykeln och oxidativ fosforylering. Den samordnade kontrollen av dessa tre processer reglerar syntesen av ATP.

Styrningen av fosforylering med massverkningsförhållandet för ATP beror på den exakta tillförseln av elektroner i transportkedjan. Detta beror i sin tur på förhållandet / som hålls högt genom glykolysverkan och citronsyrecykeln.

Denna samordnade kontroll utförs genom reglering av glykolyskontrollpunkterna (citratinhiberad PFK) och citronsyrecykeln (pyruvatdehydrogenas, citrat tapeas, isocitrat dehydrogenas och a-ketoglutarat dehydrogenas).

Kontroll av acceptor

Komplex IV (cytokrom c oxidas) är ett enzym som regleras av ett av dess substrat, det vill säga dess aktivitet styrs av reducerat cytokrom c (c ²⁺ ), som i sin tur är i jämvikt med koncentrationsförhållandet mellan / och massaktionsförhållandet på + +.

Ju högre förhållandet / och lägre / +, desto högre koncentration av cytokrom och desto större är aktiviteten för komplex IV. Detta tolkas till exempel om vi jämför jämförbara organismer med olika vilande aktiviteter och aktiviteter med hög aktivitet.

I en individ med hög fysisk aktivitet, bruk av ATP och därför dess hydrolys till ADP + P _jag kommer att vara mycket hög, vilket genererar en skillnad i massverkan-förhållande som orsakar en ökning av och därför en ökning i syntes av ATP. I en individ i vila inträffar den omvända situationen.

I slutändan ökar graden av oxidativ fosforylering med koncentrationen av ADP inom mitokondrierna. Nämnda koncentration beror på ADP-ATP translocators ansvariga för transport av adeninnukleotider och P _i från cytosolen till den mitokondriella matrisen.

Kopplingsmedel

Oxidativ fosforylering påverkas av vissa kemiska ämnen, som tillåter elektrontransport att fortsätta utan att ADP-fosforylering äger rum, kopplar bort energiproduktion och konservering.

Dessa medel stimulerar mitokondriens syreförbrukningshastighet i frånvaro av ADP, vilket också orsakar en ökning av ATP-hydrolys. De fungerar genom att ta bort en mellanprodukt eller bryta ett energitillstånd i elektrontransportkedjan.

2,4-dinitrofenol, en svag syra som passerar genom mitokondriella membran, ansvarar för att sprida protongradienten, eftersom de binder till dem på den sura sidan och frigör dem på bassidan.

Denna förening användes som ett "dietpil" eftersom det visade sig ge en ökning av andning, därför en ökning av metabolism och tillhörande viktminskning. Det visade sig dock att dess negativa effekt till och med kunde orsaka dödsfall.

Spridningen av protongradienten producerar värme. Celler i brun fettvävnad använder hormonellt kontrollerad frånkoppling för att producera värme. Viloläggande däggdjur och nyfödda som saknar hår består av denna vävnad som fungerar som ett slags termiskt filt.

hämmare

De inhiberande föreningar eller medel förhindra både O ₂ konsumtion (elektrontransport) och tillhörande oxidativ fosforylering. Dessa medel förhindrar bildandet av ATP genom användning av energi producerad i elektronisk transport. Därför stoppar transportkedjan när energiförbrukningen inte är tillgänglig.

Det antibiotiska oligomycinet fungerar som en fosforyleringsinhibitor i många bakterier, vilket förhindrar stimulering av ADP till ATP-syntes.

Det finns också jonoformedel, som bildar fettlösliga komplex med katjoner såsom K ⁺ och Na ⁺ , och passerar genom mitokondriell membran med dessa katjoner. Mitokondrierna använder sedan energin som produceras i elektronisk transport för att pumpa katjoner istället för att syntetisera ATP.

referenser

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Väsentlig cellbiologi. New York: Garland Science.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Cellen. (sid. 397-402). Marban.
3. Devlin, TM (1992). Lärobok för biokemi: med kliniska korrelationer. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH, & Grisham, CM (2008). Biokemi. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). Mollecular cellbiologi. Macmillan.
6. Nelson, DL, & Cox, MM (2006). Lehninger Principles of Biochemistry 4: e upplagan. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biokemi. Panamerican Medical Ed.