Oksüdatiivsed fosforüülimise etapid, tooted, funktsioonid ja inhibiitorid



The oksüdatiivne fosforüülimine on protsess, kus ATP molekulid sünteesitakse ADP-st ja P-sti (anorgaaniline fosfaat). Seda mehhanismi teostavad bakterid ja eukarüootsed rakud. Eukarüootsetes rakkudes viiakse fosforüülimine läbi mitte-fotosünteesirakkude mitokondriaalses maatriksis..

ATP tootmist juhib elektronide ülekanne NADH või FADH koensüümidest2 O2. See protsess kujutab endast kõige kõrgemat energia tootmist rakus ja on saadud süsivesikute ja rasvade lagunemisest.

Laadimis- ja pH-gradientides salvestatud energia, mida tuntakse ka protoonilise jõuallikana, võimaldab seda protsessi läbi viia. Tekkinud prootoni gradient põhjustab membraani välimise osa positiivse laengu prootonide kontsentratsiooni tõttu (H+) ja mitokondriaatriks on negatiivne.

Indeks

  • 1 Kui toimub oksüdatiivne fosforüülimine?
    • 1.1. Elekter
  • 2 etappi
    • 2.1 Elektroonilise transpordi kett
    • 2.2 Suktsinaat CoQ reduktaas
    • 2.3 Energia ühendamine või muundamine
    • 2.4 Kemosmootiline sidestus
    • 2.5 ATP süntees
  • 3 Tooted
  • 4 Funktsioonid
  • 5 Oksüdatiivse fosforüülimise kontroll
    • 5.1 ATP tootmise koordineeritud kontroll
    • 5.2 Juhtimine aktseptori poolt
    • 5.3 Sideained
    • 5.4 Inhibiitorid
  • 6 Viited

Kus toimub oksüdatiivne fosforüülimine?

Elektronide transpordi ja oksüdatiivse fosforüülimise protsessid on seotud membraani. Prokarüootides viiakse need mehhanismid läbi plasma membraani. Eukarüootsetes rakkudes seostuvad nad mitokondrite membraaniga.

Rakkudes leiduvate mitokondrite arv varieerub sõltuvalt raku liigist. Näiteks imetajatel puuduvad erütrotsüüdid nendest organellidest, samas kui teistel rakutüüpidel, näiteks lihasrakkudel, võib olla kuni miljoneid neist.

Mitokondriaalne membraan koosneb lihtsast välismembraanist, mõnevõrra keerulisemast sisemembraanist ja nende keskel intermembranaalsest ruumist, kus paiknevad paljud ATP-sõltuvad ensüümid.

Välismembraan sisaldab valku, mida nimetatakse poriiniks, mis moodustab kanalid väikeste molekulide lihtsaks difusiooniks. See membraan vastutab mitokondrite struktuuri ja kuju säilitamise eest.

Sisemembraanil on suurem tihedus ja see sisaldab palju valke. Samuti on see molekulidele ja ioonidele läbitungimatu, et ületada seda, et nad vajavad intermembraanseid valke, mis neid transportivad.

Maatriksis laienevad sisemembraani voldid, mis moodustavad servi, mis võimaldavad tal olla väike ruum väikese mahuga.

Cell elektrijaam

Mitokondrid loetakse tsellulaarse energia keskseks tootjaks. Selles on sidrunhappe tsükli protsessides osalevad ensüümid, rasvhapete ja ensüümide oksüdeerimine ning elektroni transpordi redoksvalgud ja ADP fosforüülimine..

Protoonide motiivi eest vastutavad prootoni kontsentratsiooni gradient (pH gradient) ja laengute või elektrilise potentsiaali gradient mitokondrite sisemembraanis. Sisemembraani madal läbilaskvus ioonide jaoks (va H)+) võimaldab mitokondritel olla stabiilne pinge gradient.

Tänu protoonilisele liikumapanevale jõule toimuvad mitokondrites samaaegselt elektrooniline transport, prootonite pumpamine ja ATP saamine. PH gradient säilitab happelised tingimused intermembraanis ja mitokondriaalses maatriksis leeliseliste tingimustega.

Iga kahe elektroni kohta, mis on OR-le üle antud2 Membraanist pumbatakse umbes 10 prootonit, luues elektrokeemilise gradiendi. Selles protsessis vabanev energia saadakse järk-järgult elektronide läbimise kaudu läbi konveieri ahela.

Etapid

NADH ja FADH oksüdatsiooni-redutseerimisreaktsioonide käigus vabanenud energia2 see on märkimisväärselt kõrge (umbes 53 kcal / mol iga elektroni paari kohta), nii et seda tuleb kasutada ATP molekulide tootmisel, see peab olema toodetud järk-järgult elektronide läbimisega vedajate kaudu.

Need on organiseeritud neljaks kompleksiks, mis asuvad sisemise mitokondriaalse membraani sees. Nende reaktsioonide sidumine ATP sünteesiga viiakse läbi viiendas kompleksis.

Elektronide transportimise kett

NADH edastab elektronide paari, mis siseneb elektroni transpordiahela kompleksi I. Elektronid viiakse üle flaviinmononukleotiidile ja seejärel ubikinoonile (koensüüm Q) raua-väävli transporteri kaudu. See protsess vabastab suure koguse energiat (16,6 kcal / mol).

Ubikinoon transpordib elektroni läbi membraani kompleksi III. Selles kompleksis läbivad elektronid tsütokroomide b ja c1 tänu raud-väävli transpordile.

Kompleksist III läbivad elektronid IV kompleksi (tsütokroom c oksüdaas), mis kantakse ükshaaval tsütokroom c (membraanperifeerne valk). IV kompleksis läbivad elektronid vaskioonide paari (Cua2+), seejärel tsütokroom ca, seejärel teise vaskioonide paari (Cub2+) ja sellest tsütokroomi a3.

Lõpuks kantakse elektronid OR-le2 mis on viimane aktseptor ja moodustab veemolekuli (H2O) iga vastuvõetud elektroni paari kohta. Elektronide läbimine kompleksist IV kuni O2 tekitab ka suure koguse vaba energiat (25,8 kcal / mol).

Suktsinaat CoQ reduktaas

Kompleks II (suktsinaat CoQ reduktaas) võtab sidrunhappe tsüklist elektronide paari, suktsinaadi molekuli oksüdeerimise teel fumaraadiks. Need elektronid kantakse üle FAD-le, mis läbib raud-väävli rühma ubikinooniga. Sellest koensüümist lähevad nad kompleksi III ja järgivad eelnevalt kirjeldatud marsruuti.

Elektroonilise ülekande reaktsioonis FAD-le vabanenud energia ei ole piisav, et juhtida prootoneid läbi membraani, nii et ahela selles etapis ei genereerita protoonset liikumapanevat jõudu ja seega annab FADH vähem H+ et NADH.

Energia ühendamine või muundamine

Eelnevalt kirjeldatud elektroni transpordiprotsessis genereeritud energiat peaks olema võimalik kasutada ATP, reaktsiooni, mida katalüüsib ensüüm ATP süntaas või kompleks V, tootmiseks. Selle energia säilitamine on tuntud kui energiaühendus ja mehhanism on olnud seda on raske iseloomustada.

Selle energiaülekande kirjeldamiseks on kirjeldatud mitmeid hüpoteese. Parim aktsepteeritav on allpool kirjeldatud keemilise sidumise hüpotees.

Kemosmootiline sidestus

See mehhanism teeb ettepaneku, et ATP sünteesiks kasutatav energia pärineb rakumembraanide protoonilisest gradiendist. See protsess sekkub mitokondritesse, kloroplastidesse ja bakteritesse ning on seotud elektroni transpordiga.

Elektroonilise transpordi kompleksid I ja IV toimivad prootonpumpadena. Need läbivad konformatsioonilised muutused, mis võimaldavad neil prootoneid intermembranaalsesse ruumi pumbata. Iga elektroni paari IV kompleksis pumbatakse membraanist välja kaks prootonit ja veel kaks jäävad maatriksisse, mis moodustab H2O.

Kompleksis III olev ubiquinone aktsepteerib prootoneid kompleksidest I ja II ning vabastab need väljaspool membraani. I ja III kompleksid võimaldavad iga transporditud elektroni paari jaoks läbida neli prootonit.

Mitokondriaalsel maatriksil on madal prootonite kontsentratsioon ja negatiivne elektriline potentsiaal, samas kui intermembraanses ruumis on vastupidised tingimused. Prootonite vool läbi selle membraani hõlmab elektrokeemilist gradienti, mis salvestab vajaliku energia (± 5 kcal / mol protooni kohta) ATP sünteesiks..

ATP süntees

Ensüüm ATP süntetaas on viies oksüdatiivse fosforüülimise kompleks. See vastutab elektrokeemilise gradiendi energia kasutamise eest, moodustades ATP.

See transmembraanne valk koosneb kahest komponendist: F0 ja F1. Komponent F0 võimaldab prootonite naasmist mitokondriaatriksiks, mis toimib kanalina ja F1 katalüüsib ATP sünteesi ADP ja P kaudui, kasutades tagasipöördumise energiat.

ATP sünteesiprotsess nõuab struktuurimuutust F-s1 ja F-komponentide kokkupanek0 ja F1. Prootoni translokatsioon läbi F0 põhjustab F-i kolme alaühiku konformatsioonilisi muutusi1, võimaldades tal tegutseda rotatsioonimootorina, suunates ATP kujunemist.

Allüksus, mis vastutab ADP sidumise eest P-gai see läheb nõrgest olekust (L) aktiivseks (T). Kui ATP on moodustatud, läheb teine ​​alaühik avatud olekusse (O), mis võimaldab selle molekuli vabanemist. Pärast ATP vabastamist läheb see alaühik avatud olekust mitteaktiivsesse olekusse (L).

ADP ja P molekulidi liituda subühikuga, mis on O-olekust L-olekusse läinud.

Tooted

Elektronide transportimise ahel ja fosforüülimine toodavad ATP molekule. NADH oksüdeerimine annab umbes 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) vaba energiat.

Üldine reaktsioon NADH oksüdatsiooniks on:

NADH + 1/2 O2 +H+ ↔ H2O + NAD+

Elektronide ülekanne NADH-st ja FADH-st2 seda antakse mitme kompleksi kaudu, võimaldades vaba energia muutumist ΔG ° jagada väiksemateks energiapaketideks, mis on ühendatud ATP sünteesiga..

NADH molekuli oksüdatsioon tekitab kolme ATP molekuli sünteesi. FADH molekuli oksüdeerimisel2 on ühendatud kahe ATP sünteesiga.

Need koensüümid pärinevad glükolüüsi ja sidrunhappe tsükli protsessidest. Iga glükoosi molekuli kohta, mis on lagunenud, valmistatakse sõltuvalt rakkude asukohast 36 või 38 ATP molekuli. 36 ATP toodetakse ajus ja skeletilihas, samas kui 38 ATP-d toodetakse lihaskoes.

Funktsioonid

Kõik organismid, ühe- ja mitmetsellised, vajavad oma rakkudes minimaalset energiat nende protsesside läbiviimiseks ja omakorda säilitavad kogu organismi elutähtsad funktsioonid.

Metaboolsed protsessid vajavad energiat. Enamik kasutatavast energiast saadakse süsivesikute ja rasvade lagunemisel. Nimetatud energia saadakse oksüdatiivsest fosforüülimisprotsessist.

Oksüdatiivse fosforüülimise kontroll

Rakkude ATP kasutamise kiirus kontrollib sama sünteesi ja omakorda reguleerib oksüdatiivse fosforüülimise ja elektroni transpordi ahelaga sidumist, samuti reguleerib see üldiselt elektroonilise transpordi kiirust.

Oksüdatiivsel fosforüülimisel on range kontroll, mis tagab, et ATP-d ei tekitata kiiremini kui seda tarbitakse. Elektroonilise transpordi protsessis on olemas teatavad sammud ja seotud fosforüülimine, mis reguleerivad energiatootmise kiirust.

Koordineeritud kontroll ATP tootmise üle

Peamised energiatootmise viisid (rakuline ATP) on glükolüüs, sidrunhappe tsükkel ja oksüdatiivne fosforüülimine. Nende kolme protsessi koordineeritud kontroll reguleerib ATP sünteesi.

Fosforüülimise kontroll ATP massi-aktiivsuse suhte alusel sõltub elektronide täpsest panusest transpordiahelasse. See sõltub omakorda suhetest [NADH] / [NAD+] mis on säilinud kõrgendatud glükolüüsi ja sidrunhappe tsükli toimel.

Kooskõlastatud kontroll viiakse läbi reguleerides glükolüüsi kontrollpunkte (tsitraadiga inhibeeritud PFK) ja sidrunhappe tsüklit (püruvaadi dehüdrogenaas, tsitraatlint, isotsitraat dehüdrogenaas ja a-ketoglutaraadi dehüdrogenaas)..

Kontroll aktseptori poolt

IV kompleks (tsütokroom c oksidaas) on ensüüm, mida reguleerib üks selle substraate, mis tähendab, et selle aktiivsust reguleeritakse tsütokroom c (c2+), mis omakorda on tasakaalus [NADH] / [NAD+] ja [ATP] / [ADP] + [Pi].

Mida kõrgem on suhe [NADH] / [NAD]+] ja alandage [ATP] / [ADP] + [Pi], seda suurem on tsütokroomi kontsentratsioon [c2+] ja IV kompleksi aktiivsus on suurem. Seda tõlgendatakse näiteks siis, kui me võrdleme organisme erinevate puhke- ja kõrge aktiivsusega tegevustega.

Isik, kellel on suur füüsiline aktiivsus, ATP tarbimine ja seega selle hüdrolüüs ADP + P-ksi on väga suur, tekitades massitegevuse suhte erinevuse, mis põhjustab suurenemist [c2+] ja seega ATP sünteesi suurenemine. Ülejäänud inimesel tekib vastupidine olukord.

Lõpuks suureneb oksüdatiivse fosforüülimise kiirus ADP kontsentratsiooniga mitokondrites. See kontsentratsioon sõltub ADP-ATP translokaatoritest, mis vastutavad adeniini nukleotiidide ja P transpordi eesti tsütosoolist mitokondriaalse maatriksini.

Sideained

Oksüdatiivset fosforüülimist mõjutavad teatud keemilised ained, mis võimaldavad elektroonilist transporti jätkata ilma ADP fosforüülimiseta, eraldades energia tootmise ja säilitamise..

Need ained stimuleerivad mitokondrite hapniku tarbimise kiirust ADP puudumisel, põhjustades samuti ATP hüdrolüüsi suurenemist. Nad toimivad elektroni transpordiahela vahendaja kõrvaldamise või energia seisundi katkestamise teel.

2,4-dinitrofenool, nõrk hape, mis läbib mitokondrite membraane, vastutab prootoni gradienti hajutamise eest, kuna nad seostuvad nende happelise küljega ja vabastavad need põhi poolel.

Seda ühendit kasutati "kaalulangetamise pillina", sest leiti, et see põhjustab hingamise suurenemist, seega metabolismi kiiruse ja sellega seotud kaalukaotuse suurenemist. Siiski näidati, et selle negatiivne mõju võib põhjustada isegi surma.

Prootoni gradienti hajutamine põhjustab soojust. Pruun rasvkoe rakud kasutavad soojuse tekitamiseks hormonaalselt kontrollitavat lahtisidumist. Hibernating imetajad ja vastsündinuid, kellel puuduvad juuksed, koosnevad sellest koest, mis on omamoodi termiline tekk.

Inhibiitorid

Ühendid või inhibeerivad ained takistavad nii O-i tarbimist2 (elektrooniline transport) kui sellega seotud oksüdatiivne fosforüülimine. Need ained takistavad ATP teket, kasutades elektroonilises transpordis toodetud energiat. Seetõttu peatub transpordiahel, kui see energiatarbimine pole kättesaadav.

Antibiootikum oligomütsiin toimib fosforüülimise inhibiitorina paljudes bakterites, takistades ADP stimuleerimist ATP sünteesiks..

On ka ionofoorseid aineid, mis muudavad rasvlahustuvad kompleksid katioonidega nagu K+ ja Na+, ja need läbivad nimetatud katioonidega läbi mitokondriaalse membraani. Seejärel kasutavad mitokondrid elektroonilise transpordi käigus toodetud energiat pumba katioonidele ATP sünteesimise asemel.

Viited

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Oluline rakubioloogia. New York: Garland Science.
  2. Cooper, G. M., Hausman, R. E. & Wright, N. (2010). Rakk. (lk 397-402). Marbán.
  3. Devlin, T. M. (1992). Biokeemia õpik: kliiniliste korrelatsioonidega. John Wiley & Sons, Inc.
  4. Garrett, R. H. ja Grisham, C. M. (2008). Biokeemia. Thomson Brooks / Cole.
  5. Lodish, H., Darnell, J. E., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Scott, M. P., & Matsudaira, P. (2008). Mollekulaarne rakubioloogia. Macmillan.
  6. Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2006). Lehningeri biokeemia põhimõtted 4. väljaanne. Ed Omega. Barcelona.
  7. Voet, D., & Voet, J. G. (2006). Biokeemia. Ed. Panamericana Medical.