Oxiderende phosphoryleringsstrin, produkter, funktioner og inhibitorer

den oxidativ phosphorylering er en proces, hvor ATP-molekyler syntetiseres fra ADP og P_jeg (uorganisk phosphat). Denne mekanisme udføres af bakterier og eukaryote celler. I eukaryote celler udføres phosphorylering i den mitokondrie matrix af ikke-fotosyntetiske celler.

Produktionen af ​​ATP er drevet af overførsel af elektroner fra NADH- eller FADH-coenzymer₂ O₂. Denne proces repræsenterer den højeste energiproduktion i cellen og er afledt af nedbrydning af kulhydrater og fedtstoffer.

Den energi, der opbevares i ladningen og pH-gradienterne, også kendt som protonmotivkraft, tillader denne proces at blive udført. Protongradienten, der dannes, bevirker, at membranets ydre del har en positiv ladning på grund af koncentrationen af ​​protoner (H⁺) og mitokondrie matrixen er negativ.

indeks

• 1 Hvor der forekommer oxidativ phosphorylering?
  • 1.1 Cellkraftværk
• 2 trin
  • 2.1 Elektron transportkæde
  • 2.2 Succinat CoQ reduktase
  • 2.3 Kobling eller transduktion af energi
  • 2.4 Kemosmotisk kobling
  • 2.5 Syntese af ATP
• 3 produkter
• 4 funktioner
• 5 Kontrol af oxidativ phosphorylering
  • 5.1 Koordineret kontrol af ATP-produktion
  • 5.2 Kontrol af acceptor
  • 5.3 Afkoblingsmidler
  • 5.4 hæmmere
• 6 referencer

Hvor forekommer oxidativ phosphorylering?

Processerne for elektrontransport og oxidativ phosphorylering er forbundet med en membran. I prokaryoter udføres disse mekanismer gennem plasmamembranen. I eukaryote celler associeres de med mitokondrierens membran.

Antallet af mitokondrier fundet i celler varierer afhængigt af typen af ​​celle. For eksempel mangler erythrocytter i disse pattedyr, mens andre celletyper, såsom muskelceller, kan have op til millioner af dem.

Den mitokondrie membran består af en simpel ydre membran, en noget mere kompleks indre membran, og midt i dem er intermembranal rummet, hvor mange ATP-afhængige enzymer er placeret.

Den ydre membran indeholder et protein kaldet porin, der danner kanalerne til simpel diffusion af små molekyler. Denne membran er ansvarlig for opretholdelsen af ​​mitochondriernes struktur og form.

Den indre membran har en højere densitet og er rig på proteiner. Det er også uigennemtrængeligt for molekyler og ioner, så for at krydse det, har de brug for intermembrane proteiner, som transporterer dem.

Inden for matricen strækker foldene af den indre membran sig, der danner kamme, der gør det muligt at have et stort område i et lille volumen.

Cellkraftværk

Mitokondrier betragtes som den centrale producent af cellulær energi. I det er enzymerne involveret i processerne i citronsyrecyklus, oxidation af fedtsyrer og enzymer og redoxproteiner af elektrontransport og phosphorylering af ADP.

Proton-koncentrationsgradienten (pH-gradient) og gradienten af ​​ladninger eller elektrisk potentiale i mitokondrierens indre membran er ansvarlig for protonmotivkraften. Den lave membranets lave permeabilitet for ioner (undtagen H)⁺) tillader mitokondrier at have en stabil spændingsgradient.

Den elektroniske transport, pumpning af protoner og opnåelse af ATP forekommer samtidigt i mitokondrier takket være den protoniske kraft. PH-gradienten opretholder syreforholdene i intermembranen og den mitokondrie matrix med alkaliske betingelser.

For hver to elektroner overføres til OR₂ Omkring 10 protoner pumpes gennem membranen, hvilket skaber en elektrokemisk gradient. Den energi, der frigives i denne proces, produceres gradvist ved passage af elektroner gennem transportkæden.

etaper

Den energi, der frigives under oxidationsreduktionsreaktionerne af NADH og FADH₂ det er betydeligt højt (ca. 53 kcal / mol for hvert par elektroner), så det kan anvendes til fremstilling af ATP-molekyler, skal det fremstilles gradvist ved passage af elektroner gennem transportører.

Disse er organiseret i fire komplekser placeret i den indre mitokondriale membran. Koblingen af ​​disse reaktioner til syntesen af ​​ATP udføres i et femte kompleks.

Elektron transportkæde

NADH overfører et par elektroner, der går ind i komplekse I af elektrontransportkæden. Elektronerne overføres til flavinmononukleotidet og derefter til ubiquinonen (coenzym Q) gennem en jern-svovltransportør. Denne proces frigiver en stor mængde energi (16,6 kcal / mol).

Ubiquinon transporterer elektroner gennem membranen til kompleks III. I dette kompleks går elektronerne gennem cytokromerne b og c₁ takket være en jern-svovl transportør.

Fra komplekse III passerer elektronerne til IV-komplekset (cytochrom c oxidase), overført en efter en til cytokrom c (membran perifer protein). I IV-komplekset passerer elektronerne gennem et par kobberioner (Cu_til²⁺), derefter til cytokrom c_til, derefter til et andet par kobberioner (Cu_b²⁺) og herfra til cytokrom a₃.

Endelig overføres elektronerne til OR₂ som er den sidste acceptor og danner et vandmolekyle (H₂O) for hvert par elektroner modtaget. Passagen af ​​elektroner fra komplekse IV til O₂ genererer også en stor mængde fri energi (25,8 kcal / mol).

Succinat CoQ reduktase

Kompleks II (succinat CoQ-reduktase) modtager et par elektroner fra citronsyrecyklusen ved oxidation af et succinatmolekyle til fumarat. Disse elektroner overføres til FAD, der passerer gennem en jern-svovlgruppe, til ubiquinonen. Fra dette coenzym går de til komplekse III og følger den tidligere beskrevne rute.

Den energi, der frigives i elektronoverførselsreaktionen til FAD, er ikke tilstrækkelig til at drive protonerne gennem membranen, så i dette trin af kæden genereres ingen protonmotivkraft, og følgelig giver FADH mindre H⁺ at NADH.

Kobling eller transduktion af energi

Den energi, der genereres i den tidligere beskrevne elektrontransportproces, skal kunne anvendes til produktion af ATP, en reaktion katalyseret af enzymet ATP-syntase eller kompleks V. Bevarelsen af ​​denne energi er kendt som energikobling, og mekanismen har været svært at karakterisere.

Flere hypoteser er beskrevet for at beskrive denne energitransduktion. Den bedst accepterede er den kemosmotiske koblingshypotese, der beskrives nedenfor.

Kemosmotisk kobling

Denne mekanisme foreslår, at den energi, der anvendes til syntesen af ​​ATP, kommer fra en protonisk gradient i cellemembraner. Denne proces intervenerer i mitokondrier, chloroplaster og bakterier og er forbundet med elektrontransport.

Komplekser I og IV i elektronisk transport virker som protonpumper. Disse gennemgår konformationelle ændringer, der tillader dem at pumpe protonerne i intermembranal-rummet. I IV-komplekset for hvert par elektroner pumpes to protoner ud af membranen, og to mere forbliver i matrixen, der danner H₂O.

Ubiquinon i kompleks III accepterer protoner fra komplekser I og II og frigiver dem uden for membranen. Komplekserne I og III tillader hver især passage af fire protoner for hvert par elektroner transporteret.

Den mitokondrie matrix har en lav koncentration af protoner og negativt elektrisk potentiale, mens intermembranrummet præsenterer de omvendte betingelser. Strømmen af ​​protoner gennem denne membran involverer den elektrokemiske gradient, der lagrer den nødvendige energi (± 5 kcal / mol pr proton) til syntesen af ​​ATP.

Syntese af ATP

Enzymet ATP syntetase er det femte kompleks involveret i oxidativ phosphorylering. Det er ansvarligt for at udnytte energien i den elektrokemiske gradient til at danne ATP.

Dette transmembranprotein består af to komponenter: F₀ og F₁. Komponenten F₀ gør det muligt at returnere protonerne til mitokondriematrixen, der fungerer som en kanal og F₁ katalyserer syntesen af ​​ATP gennem ADP og P_jeg, ved hjælp af tilbagesendelsens energi.

ATP-synteseprocessen kræver en strukturel ændring i F₁ og samlingen af ​​F-komponenterne₀ og F₁. Proton-translokationen gennem F₀ forårsager konformationelle ændringer i tre underenheder af F₁, tillader det at fungere som en rotationsmotor, der styrer dannelsen af ​​ATP.

Den underenhed, der er ansvarlig for bindingen af ​​ADP med P_jeg det går fra en svag tilstand (L) til en aktiv en (T). Når ATP dannes, går en anden underenhed til en åben tilstand (O), der tillader frigivelsen af ​​dette molekyle. Når ATP er frigivet, går denne underenhed fra åben tilstand til en inaktiv tilstand (L).

Molekylerne af ADP og P_jeg slutte sig til en underenhed, der er gået fra en O-stat til L-staten.

producere

Elektrontransportkæden og phosphoryleringen producerer ATP-molekyler. Oxidation af NADH producerer ca. 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) fri energi.

Den overordnede reaktion for oxidationen af ​​NADH er:

NADH + 1/2 O₂ +H⁺ ↔ H₂O + NAD⁺

Overførslen af ​​elektroner fra NADH og FADH₂ den gives gennem flere komplekser, hvilket tillader den frie energiforandring ΔG ° at opdeles i mindre "pakker" af energi, som er koblet til syntesen af ​​ATP.

Oxidationen af ​​et NADH-molekyle frembringer syntesen af ​​tre molekyler af ATP. Mens oxidationen af ​​et FADH molekyle₂ er koblet til syntesen af ​​to ATP.

Disse coenzymer kommer fra processerne af glycolyse og citronsyrecyklus. For hvert molekyle af glukosedbrydede produceres 36 eller 38 molekyler af ATP afhængigt af placeringen af ​​cellerne. 36 ATP produceres i hjernen og skeletmuskulaturen, mens 38 ATP produceres i muskelvæv.

funktioner

Alle organismerne, unicellular og pluricellular, har brug for en minimumsenergi i deres celler for at udføre processerne indenfor dem og opretholder igen de vitale funktioner i hele organismen.

Metaboliske processer kræver, at energi udføres. Størstedelen af ​​den anvendelige energi opnås ved nedbrydning af kulhydrater og fedtstoffer. Den nævnte energi er afledt af den oxidative phosphoryleringsproces.

Kontrol af oxidativ phosphorylering

Hastigheden af ​​ATP-anvendelse i celler styrer syntesen af ​​den samme, og det regulerer også på grund af koblingen af ​​oxidativ phosphorylering med elektrontransportkæden den elektroniske transporthastighed generelt.

Oxidativ phosphorylering har en streng kontrol, der sikrer, at ATP ikke genereres hurtigere, end det forbruges. Der er visse trin i processen med elektron transport og koblet phosphorylering, der regulerer hastigheden af ​​energiproduktionen.

Koordineret kontrol af ATP-produktion

De vigtigste energiproduktionsveje (cellulær ATP) er glycolyse, citronsyrecyklus og oxidativ phosphorylering. Den koordinerede kontrol af disse tre processer regulerer syntesen af ​​ATP.

Kontrol af phosphorylering ved massevirkningsforholdet for ATP afhænger af det præcise bidrag af elektroner i transportkæden. Dette afhænger igen af ​​forholdet [NADH] / [NAD⁺], der bevares forhøjet ved virkningen af ​​glycolyse og citronsyrecyklusen.

Denne koordineret kontrol udføres ved regulering af kontrolpunkter i glycolyse (PFK inhiberet af citrat) og citronsyre cyklus (pyruvatdehydrogenase, CINTASA citrat, isocitratdehydrogenase og α-ketoglutarat dehydrogenase).

Kontrol af acceptor

IV-komplekset (cytochrom c oxidase) er et enzym reguleret af et af dets substrater, hvilket betyder, at dets aktivitet styres af reduceret cytokrom c (c²⁺), som igen er i ligevægt med forholdet mellem koncentrationer mellem [NADH] / [NAD⁺] og massevirkningsforholdet for [ATP] / [ADP] + [P_jeg].

Jo højere forholdet [NADH] / [NAD]⁺] og sænk [ATP] / [ADP] + [P_jeg], jo mere koncentration vil der være cytokrom [c²⁺] og aktiviteten af ​​IV-komplekset vil være større. Dette fortolkes for eksempel, hvis vi sammenligner organismer med forskellige aktiviteter af hvile og høj aktivitet.

I et individ med høj fysisk aktivitet er forbruget af ATP og dermed dets hydrolyse til ADP + P_jeg vil være meget høj, hvilket skaber en forskel i masseaktionsforholdet, der forårsager en stigning i [c²⁺] og derfor en stigning i syntesen af ​​ATP. I en person i hvile opstår den omvendte situation.

Til sidst øges hastigheden af ​​oxidativ phosphorylering med koncentrationen af ​​ADP inden for mitokondrier. Denne koncentration afhænger af ADP-ATP-translokatorer, der er ansvarlige for transporten af ​​adeninukleotider og P_jeg fra cytosol til mitokondriske matrix.

Uncoupling agenter

Oxidativ phosphorylering påvirkes af visse kemiske stoffer, som tillader elektronisk transport at fortsætte uden at fosforylering af ADP forekommer, afkobling af produktion og bevarelse af energi.

Disse midler stimulerer oxygenforbrugshastigheden af ​​mitokondrierne i fravær af ADP, hvilket også forårsager en stigning i hydrolysen af ​​ATP. De handler ved at eliminere en formidler eller bryde en energitilstand for elektrontransportkæden.

2,4-dinitrophenol, en svag syre, der passerer gennem mitochondriemembraner, er ansvarlig for at aflede protongradienten, derefter slutte sig til dem i den sure side og udgivet på den grundlæggende side.

Denne forbindelse blev anvendt som et "vægttabs pille", fordi det viste sig at frembringe en forøgelse af åndedræt, derfor en stigning i metabolisk hastighed og tilhørende vægttab. Det blev imidlertid vist, at dets negative effekt også kunne forårsage døden.

Dissipation af protongradienten producerer varme. Brune fedtvævceller bruger afkobling, styret hormonalt, til at producere varme. Hibernating pattedyr og nyfødte manglende hår består af dette væv, der tjener som en slags termisk tæppe.

inhibitorer

Forbindelserne eller hæmmende midler forhindrer både forbrug af O₂ (elektronisk transport) som den associerede oxidative phosphorylering. Disse midler forhindrer dannelsen af ​​ATP ved anvendelse af den energi, der produceres i elektronisk transport. Derfor stopper transportkæden, når dette energiforbrug ikke er tilgængeligt.

Det antibiotiske oligomycin virker som en inhibitor af phosphorylering i mange bakterier, hvilket forhindrer stimuleringen af ​​ADP til syntesen af ​​ATP.

Der er også ionofore midler, som gør liposopløselige komplekser med kationer som K⁺ og Na⁺, og de passerer gennem mitokondrie membranen med nævnte kationer. Mitokondrier bruger derefter energien produceret i elektronisk transport til pumpe kationer i stedet for at syntetisere ATP.

referencer

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Væsentlig 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). Lærebog om biokemi: med kliniske korrelationer. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, R. H., & Grisham, C. M. (2008). Biokemi. 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 principper for biokemi 4. udgave. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D., & Voet, J. G. (2006). biokemi. Ed. Panamericana Medical.