FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA: ETAPY, FUNKCJE I INHIBITORY - BIOLOGIA - 2026

Fosforylacja oksydacyjna jest procesem, w którym cząsteczki są syntetyzowane od ATP, ADP i P _ı (nieorganicznego fosforanu). Mechanizm ten jest wykonywany przez bakterie i komórki eukariotyczne. W komórkach eukariotycznych fosforylacja zachodzi w macierzy mitochondrialnej komórek niefotosyntetycznych.

Produkcja ATP jest napędzana przez transfer elektronów z koenzymów NADH lub FADH ₂ do O ₂ . Ten proces reprezentuje główną produkcję energii w komórce i pochodzi z rozkładu węglowodanów i tłuszczów.

Źródło: Robot8A

Energia zmagazynowana w gradientach ładunku i pH, znana również jako siła napędowa protonów, umożliwia ten proces. Generowany gradient protonów powoduje, że zewnętrzna część błony ma ładunek dodatni ze względu na stężenie protonów (H ⁺ ) i ujemną macierz mitochondrialną.

Gdzie zachodzi fosforylacja oksydacyjna?

Z błoną związane są procesy transportu elektronów i fosforylacji oksydacyjnej. U prokariotów mechanizmy te zachodzą przez błonę plazmatyczną. W komórkach eukariotycznych łączą się z błoną mitochondrialną.

Liczba mitochondriów znajdujących się w komórkach różni się w zależności od typu komórki. Na przykład w erytrocytach ssaków brakuje tych organelli, podczas gdy inne typy komórek, takie jak komórki mięśniowe, mogą ich mieć nawet miliony.

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

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

Wewnętrzna błona ma większą gęstość i jest bogata w białka. Jest również nieprzepuszczalny dla cząsteczek i jonów, więc aby go przekroczyć, potrzebują białek międzybłonowych do ich transportu.

Wewnątrz matrycy rozciągają się fałdy wewnętrznej membrany, tworząc wypukłości, które pozwalają jej mieć dużą powierzchnię w małej objętości.

Elektrownia ogniwowa

Uważa się, że mitochondria są komórkowym producentem energii. Zawiera enzymy zaangażowane w procesy cyklu kwasu cytrynowego, utlenianie kwasów tłuszczowych, enzymy redoks oraz białka transportu elektronów i fosforylacji ADP.

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

Transport elektroniczny, pompowanie protonów i produkcja ATP zachodzą jednocześnie w mitochondriach dzięki sile napędowej protonów. Gradient pH utrzymuje kwaśne warunki w międzybłonowej i macierzy mitochondrialnej w warunkach zasadowych.

Na każde dwa elektrony przekazane do O ₂ około 10 protonów przepompowywanych jest przez membranę, tworząc gradient elektrochemiczny. Energia uwalniana w tym procesie jest wytwarzana stopniowo w wyniku przejścia elektronów przez łańcuch transportowy.

Gradacja

Energia uwalniana podczas reakcji utleniania-redukcji NADH i FADH ₂ jest znacznie wysoka (około 53 kcal / mol na każdą parę elektronów), więc aby została wykorzystana do produkcji cząsteczek ATP, musi być wytwarzana stopniowo przejście elektronów przez transportery.

Są one zorganizowane w cztery kompleksy zlokalizowane na wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Sprzężenie tych reakcji z syntezą ATP odbywa się w piątym kompleksie.

Łańcuch transportu elektronów

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

Ubichinon przenosi elektrony przez błonę do kompleksu III. W tym kompleksie elektrony przechodzą przez cytochromy bi c ₁ dzięki transporterowi żelazo-siarka.

Elektrony przechodzą z kompleksu III do kompleksu IV (oksydaza cytochromu c), przenoszone jeden po drugim w cytochromie c (białko błony obwodowej). W kompleksie IV elektrony przechodzą przez parę jonów miedzi (Cu _a ²⁺ ), następnie do cytochromu c _a , następnie do kolejnej pary jonów miedzi (Cu _b ²⁺ ) i stamtąd do cytochromu a ₃ .

Wreszcie elektrony są przenoszone do O _2, który jest ostatnim akceptorem i tworzy cząsteczkę wody (H ₂ O) dla każdej pary otrzymanych elektronów. Przejście elektronów z kompleksu IV do O ₂ również generuje dużą ilość darmowej energii (25,8 kcal / mol).

Bursztynianowa reduktaza CoQ

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

Energia uwolniona w reakcji przeniesienia elektronów do FAD nie wystarcza, aby przepuścić protony przez błonę, więc na tym etapie łańcucha nie jest generowana żadna siła napędowa protonów, w konsekwencji FADH daje mniej H ⁺ niż NADH.

Sprzęganie lub transdukcja energii

Energia wytworzona w opisanym wcześniej procesie transportu elektronów musi być zdolna do wykorzystania do produkcji ATP, reakcji katalizowanej przez enzym syntazę ATP lub kompleks V.Zachowanie tej energii jest znane jako sprzęganie energii, a mechanizm został trudne do scharakteryzowania.

Opisano kilka hipotez opisujących tę transdukcję energii. Najlepiej akceptowaną jest hipoteza chemosmotycznego sprzężenia, opisana poniżej.

Sprzężenie chemosmotyczne

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

Kompleksy I i IV transportu elektronów działają jak pompy protonowe. Te ulegają zmianom konformacyjnym, które pozwalają im pompować protony do przestrzeni międzybłonowej. W złożonych IV, dla każdej pary elektronów dwa protony są pompowane z membrany i dwóch innych pozostają w matrycy tworząc H ₂ O.

Ubichinon w kompleksie III przyjmuje protony z kompleksów I i II i uwalnia je na zewnątrz błony. Każdy kompleks I i III umożliwia przejście czterech protonów na każdą parę transportowanych elektronów.

Macierz mitochondrialna ma niskie stężenie protonów i ujemny potencjał elektryczny, natomiast w przestrzeni międzybłonowej występują warunki odwrotne. Przepływ protonów przez tę membranę reprezentuje gradient elektrochemiczny, który magazynuje energię niezbędną (± 5 kcal / mol na proton) do syntezy ATP.

Synteza ATP

Enzym syntetaza ATP jest piątym kompleksem zaangażowanym w fosforylację oksydacyjną. Odpowiada za wykorzystanie energii gradientu elektrochemicznego do wytworzenia ATP.

To białko transbłonowe składa się z dwóch składników: F ₀ i F ₁ . Składnik F ₀ umożliwia powrót protonów do macierzy mitochondrialnej, działając jako kanał, a F ₁ katalizuje syntezę ATP poprzez ADP i P _i , wykorzystując energię tego powrotu.

Proces syntezy ATP wymaga zmiany strukturalnej w F ₁ i montażu komponentów F ₀ i F ₁ . Translokacja protonu przez F ₀ powoduje zmiany konformacyjne w trzech podjednostkach F ₁ , pozwalając mu działać jako motor rotacji, kierując formowaniem ATP.

Podjednostka odpowiedzialna za wiązanie ADP z P _i zmienia się ze stanu słabego (L) na aktywny (T). Kiedy tworzy się ATP, druga podjednostka przechodzi w stan otwarty (O), który umożliwia uwolnienie tej cząsteczki. Po uwolnieniu ATP ta podjednostka przechodzi ze stanu otwartego do stanu nieaktywnego (L).

Cząsteczki ADP i P _i wiążą się z podjednostką, która przeszła ze stanu O do stanu L.

produkty

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

Ogólna reakcja utleniania NADH to:

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Transfer elektronów z NADH i FADH ₂ zachodzi poprzez różne kompleksy, pozwalając swobodnej zmianie energii ΔG ° na rozbicie się na mniejsze „pakiety” energii, które są sprzężone z syntezą ATP.

Utlenianie jednej cząsteczki NADH powoduje syntezę trzech cząsteczek ATP. Podczas gdy utlenianie cząsteczki FADH ₂ jest sprzężone z syntezą dwóch ATP.

Te koenzymy pochodzą z procesów glikolizy i kwasu cytrynowego. Z każdej zdegradowanej cząsteczki glukozy ostatecznie powstają 36 lub 38 cząsteczek ATP, w zależności od lokalizacji komórek. W mózgu i mięśniach szkieletowych 36 wytwarzanych jest ATP, natomiast w tkance mięśniowej 38 ATP.

cechy

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

Procesy metaboliczne wymagają energii. Większość użytecznej energii pozyskuje się z rozkładu węglowodanów i tłuszczów. Ta energia pochodzi z procesu fosforylacji oksydacyjnej.

Kontrola fosforylacji oksydacyjnej

Stopień wykorzystania ATP w komórkach kontroluje jego syntezę, az kolei, ze względu na sprzężenie fosforylacji oksydacyjnej z łańcuchem transportu elektronów, również ogólnie reguluje szybkość transportu elektronów.

Fosforylacja oksydacyjna podlega ścisłej kontroli, która zapewnia, że ​​ATP nie jest wytwarzane szybciej niż jest zużywane. Istnieją pewne etapy procesu transportu elektronów i sprzężonej fosforylacji, które regulują tempo 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 masowego działania ATP zależy od precyzyjnego dostarczania elektronów w łańcuchu transportowym. To z kolei zależy od stosunku /, który jest utrzymywany na wysokim poziomie przez działanie glikolizy i cykl kwasu cytrynowego.

Ta skoordynowana kontrola jest przeprowadzana poprzez regulację punktów kontrolnych glikolizy (PFK hamowany cytrynianem) i cyklu kwasu cytrynowego (dehydrogenaza pirogronianowa, taśma cytrynianowa, dehydrogenaza izocytrynianowa i dehydrogenaza α-ketoglutaranu).

Kontrola przez akceptora

Kompleks IV (oksydaza cytochromu c) jest enzymem regulowanym przez jeden z jego substratów, to znaczy jego aktywność jest kontrolowana przez zredukowany cytochrom c (c ²⁺ ), który z kolei pozostaje w równowadze ze stosunkiem stężeń pomiędzy / i współczynnik działania masy / +.

Im wyższy stosunek / i im niższy / +, tym wyższe stężenie cytochromu i wyższa aktywność kompleksu IV. Jest to interpretowane na przykład, jeśli porównamy organizmy o różnych aktywnościach odpoczynku i dużej aktywności.

U osoby o dużej aktywności fizycznej zużycie ATP, a tym samym jego hydroliza do ADP + P _i będzie bardzo wysokie, generując różnicę we współczynniku działania masy, która powoduje wzrost, a tym samym wzrost synteza ATP. U osoby w stanie spoczynku występuje sytuacja odwrotna.

Ostatecznie tempo fosforylacji oksydacyjnej rośnie wraz ze stężeniem ADP w mitochondriach. Wspomniana zawartość zależy translocators ADP, ATP, odpowiedzialnych za transport adeniny nukleotydów i P _I z cytozolu do macierzy mitochondrialnej.

Czynniki rozprzęgające

Na fosforylację oksydacyjną wpływają pewne czynniki chemiczne, które pozwalają na kontynuację transportu elektronów bez fosforylacji ADP, odłączając produkcję i konserwację energii.

Czynniki te stymulują tempo zużycia tlenu przez mitochondria przy braku ADP, powodując również wzrost hydrolizy ATP. Działają poprzez usunięcie półproduktu lub przerwanie stanu energetycznego w łańcuchu transportu elektronów.

2,4-dinitrofenol, słaby kwas przechodzący przez błony mitochondrialne, jest odpowiedzialny za rozpraszanie gradientu protonów, które wiążą się z nimi po stronie kwasowej i uwalniają po stronie zasadowej.

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

Rozpraszanie gradientu protonów wytwarza ciepło. Komórki w brązowej tkance tłuszczowej wytwarzają ciepło za pomocą kontrolowanego hormonalnie rozprzęgania. Hibernujące ssaki i noworodki, którym brakuje włosów, składają się z tej tkanki, która służy jako rodzaj koca termicznego.

Inhibitory

Związki lub środki hamujące zapobiegają zarówno zużyciu O ₂ (transport elektronów), jak i związanej z tym fosforylacji oksydacyjnej. Te czynniki zapobiegają tworzeniu się ATP poprzez wykorzystanie energii wytwarzanej w transporcie elektronicznym. Dlatego łańcuch transportowy zatrzymuje się, gdy wspomniane zużycie energii nie jest dostępne.

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

Istnieją również środki jonoforowe, które tworzą rozpuszczalne w tłuszczach kompleksy z kationami, takimi jak K ⁺ i Na ⁺ , i przechodzą przez błonę mitochondrialną z tymi kationami. Mitochondria wykorzystują następnie energię wytwarzaną w transporcie elektronicznym do pompowania kationów zamiast syntetyzowania ATP.

Bibliografia

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Niezbędna biologia komórki. Nowy Jork: Garland Science.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Komórka. (str. 397-402). Marban.
3. Devlin, TM (1992). Podręcznik biochemii: z korelacjami klinicznymi. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH i Grisham, CM (2008). Biochemia. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP i Matsudaira, P. (2008). Biologia komórek molekularnych. Macmillan.
6. Nelson, DL i Cox, MM (2006). Lehninger Principles of Biochemistry, wydanie 4. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D. i Voet, JG (2006). Biochemia. Panamerican Medical Ed.