Stupně oxidační fosforylace, produkty, funkce a inhibitory



oxidační fosforylace je proces, ve kterém jsou ATP molekuly syntetizovány z ADP a Pi (anorganický fosfát). Tento mechanismus je prováděn bakteriemi a eukaryotickými buňkami. V eukaryotických buňkách se fosforylace provádí v mitochondriální matrici ne-fotosyntetických buněk.

Produkce ATP je řízena přenosem elektronů z koenzymů NADH nebo FADH2 O2. Tento proces představuje nejvyšší produkci energie v buňce a je odvozen z degradace sacharidů a tuků.

Energie uložená v náboji a gradientech pH, ​​známá také jako protonická hnací síla, umožňuje tento proces provádět. Generovaný protonový gradient způsobuje, že vnější část membrány má kladný náboj v důsledku koncentrace protonů (H+) a matice mitochondrií je negativní.

Index

  • 1 Tam, kde dochází k oxidační fosforylaci?
    • 1.1 Buněčná elektrárna
  • 2 Fáze
    • 2.1 Elektronový transportní řetězec
    • 2.2 Sukcinát CoQ reduktáza
    • 2.3 Spojení nebo přenos energie
    • 2.4 Chemosmotická vazba
    • 2.5 Syntéza ATP
  • 3 Produkty
  • 4 Funkce
  • 5 Kontrola oxidační fosforylace
    • 5.1 Koordinovaná kontrola výroby ATP
    • 5.2 Kontrola pomocí akceptoru
    • 5.3 Odlučovací činidla
    • 5.4 Inhibitory
  • 6 Odkazy

Kde dochází k oxidační fosforylaci?

Procesy přenosu elektronů a oxidační fosforylace jsou spojeny s membránou. V prokaryotech se tyto mechanismy provádějí přes plazmatickou membránu. V eukaryotických buňkách se spojují s membránou mitochondrií.

Počet mitochondrií v buňkách se liší podle typu buňky. Například u savců tyto organely postrádají erytrocyty, zatímco jiné typy buněk, jako jsou svalové buňky, mohou mít až miliony těchto buněk..

Mitochondriální membrána se skládá z jednoduché vnější membrány, poněkud složitější vnitřní membrány, a uprostřed je mezimembranální prostor, kde je umístěno mnoho enzymů závislých na ATP..

Vnější membrána obsahuje protein zvaný porin, který tvoří kanály pro jednoduchou difuzi malých molekul. Tato membrána je zodpovědná za udržování struktury a tvaru mitochondrií.

Vnitřní membrána má vyšší hustotu a je bohatá na proteiny. Je také nepropustný pro molekuly a ionty, takže pro jeho křížení potřebují intermembránové proteiny, které je transportují.

V matrici se rozkládají záhyby vnitřní membrány, tvořící hřebeny, které jí umožňují mít velkou plochu v malém objemu.

Buněčná elektrárna

Mitochondrie je považována za ústředního výrobce buněčné energie. Jsou to enzymy zapojené do procesů cyklu kyseliny citrónové, oxidace mastných kyselin a enzymů a redox proteinů transportu elektronů a fosforylace ADP.

Protonový koncentrační gradient (gradient pH) a gradient nábojů nebo elektrického potenciálu ve vnitřní membráně mitochondrií jsou zodpovědné za protonovou hybnou sílu. Nízká propustnost vnitřní membrány pro ionty (jiné než H)+) umožňuje mitochondriím mít stabilní gradient napětí.

Elektronický transport, čerpání protonů a získávání ATP probíhá současně v mitochondriích díky protonické hybné síle. PH gradient udržuje alkalické podmínky v intermembránu a mitochondriální matrici.

Pro každý dva elektrony přenesené do OR2 Asi 10 protonů je čerpáno přes membránu a vytváří elektrochemický gradient. Energie uvolňovaná v tomto procesu se vytváří postupně průchodem elektronů přes řetěz dopravníku.

Fáze

Energie uvolněná během oxidačně redukčních reakcí NADH a FADH2 to je značně vysoké (kolem 53 kcal / mol pro každý pár elektronů), tak být použitý ve výrobě ATP molekul, to musí být produkováno postupně s průchodem elektronů přes transportéry \ t.

Ty jsou organizovány do čtyř komplexů umístěných ve vnitřní mitochondriální membráně. Spojení těchto reakcí se syntézou ATP se provádí v pátém komplexu.

Elektronový transportní řetězec

NADH přenáší pár elektronů, které vstupují do komplexu I elektronového transportního řetězce. Elektrony jsou přeneseny do flavinového mononukleotidu a poté do ubichinonu (koenzym Q) prostřednictvím transportéru železo-síra. Tento proces uvolňuje velké množství energie (16,6 kcal / mol).

Ubiquinone transportuje elektrony přes membránu do komplexu III. V tomto komplexu procházejí elektrony cytochromy b a c1 díky transportéru železo-síra.

Z komplexu III přecházejí elektrony do komplexu IV (cytochrom c oxidasa), který je po jednom přenesen do cytochromu c (membránový periferní protein). V komplexu IV procházejí elektrony dvojicí iontů mědi (Cua2+), pak na cytochrom ca, pak na další pár iontů mědi (Cub2+) az toho na cytochrom a3.

Nakonec jsou elektrony přeneseny do OR2 který je posledním akceptorem a tvoří molekulu vody (H2O) pro každý přijatý pár elektronů. Průchod elektronů z komplexu IV do O2 také vytváří velké množství volné energie (25,8 kcal / mol).

Sukcinát CoQ reduktáza

Komplex II (sukcinát CoQ reduktáza) přijímá pár elektronů z cyklu kyseliny citrónové oxidací molekuly sukcinátu na fumarát. Tyto elektrony jsou přeneseny do FAD, procházející přes skupinu železo-síra, do ubichinonu. Z tohoto koenzymu jdou do komplexu III a sledují dříve popsanou cestu.

Energie uvolněná v elektronové přenosové reakci na FAD nestačí k tomu, aby protony protékala membránou, takže v tomto kroku řetězce není generována žádná protonická hnací síla, a proto FADH produkuje méně H+ že NADH.

Připojení nebo přenos energie

Energie generovaná v procesu elektronového transportu popsaného výše by měla být schopna být použita pro produkci ATP, reakce katalyzované enzymem ATP syntázou nebo komplexem V. Zachování této energie je známé jako vazba energie a mechanismus byl obtížně charakterizovat.

Pro popis této transdukce energie bylo popsáno několik hypotéz. Nejlépe je akceptována hypotéza chemosmotické vazby popsaná níže.

Chemosmotická vazba

Tento mechanismus navrhuje, aby energie použitá pro syntézu ATP pocházela z protonického gradientu v buněčných membránách. Tento proces zasahuje do mitochondrií, chloroplastů a bakterií a je spojen s transportem elektronů.

Komplexy I a IV elektronického transportu působí jako protonová čerpadla. Ty procházejí konformačními změnami, které jim umožňují pumpovat protony do intermembranálního prostoru. V komplexu IV pro každý pár elektronů jsou z membrány čerpány dva protony a další dva zůstávají v matrici tvořící H2O.

Ubichinon v komplexu III přijímá protony z komplexů I a II a uvolňuje je mimo membránu. Komplexy I a III umožňují průchod čtyř protonů pro každý pár transportovaných elektronů.

Mitochondriální matice má nízkou koncentraci protonů a negativní elektrický potenciál, zatímco intermembránový prostor představuje inverzní podmínky. Tok protonů přes tuto membránu zahrnuje elektrochemický gradient, který ukládá potřebnou energii (± 5 kcal / mol na proton) pro syntézu ATP.

Syntéza ATP

Enzym ATP syntetáza je pátým komplexem zapojeným do oxidační fosforylace. Je zodpovědný za využití energie elektrochemického gradientu k tvorbě ATP.

Tento transmembránový protein se skládá ze dvou složek: F0 a F1. Složka F0 umožňuje návrat protonů do mitochondriální matice fungující jako kanál a F1 katalyzuje syntézu ATP prostřednictvím ADP a Pi, s využitím energie uvedeného návratu.

Proces syntézy ATP vyžaduje strukturní změnu ve F1 a montáž komponent F0 a F1. Translokace protonů přes F0 způsobuje konformační změny ve třech podjednotkách F1, umožňující působit jako rotační motor, který řídí tvorbu ATP.

Podjednotka, která je zodpovědná za vazbu ADP s Pi přechází ze slabého stavu (L) na aktivní (T). Když se vytvoří ATP, druhá podjednotka jde do otevřeného stavu (O), který umožňuje uvolnění této molekuly. Po uvolnění ATP tato podjednotka přechází z otevřeného stavu do neaktivního stavu (L).

Molekuly ADP a Pi připojit se k podjednotce, která přešla ze stavu O do stavu L.

Produkty

Elektronový transportní řetězec a fosforylace produkují ATP molekuly. Oxidace NADH produkuje asi 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) volné energie.

Celková reakce na oxidaci NADH je:

NADH + 1/2 O2 +H+ ↔ H2O + NAD+

Přenos elektronů z NADH a FADH2 to je dáno přes několik komplexů, dovolovat změnu volné energie ΔG ° být rozdělen do menších “balíčků” energie, který být spojený se syntézou ATP \ t.

Oxidace NADH molekuly vytváří syntézu tří molekul ATP. Zatímco oxidace molekuly FADH2 je spojen se syntézou dvou ATP.

Tyto koenzymy pocházejí z procesů glykolýzy a cyklu kyseliny citrónové. Pro každou molekulu degradované glukózy se připraví 36 nebo 38 molekul ATP v závislosti na umístění buněk. 36 ATP se tvoří v mozku a kosterním svalstvu, zatímco 38 ATP vzniká ve svalové tkáni.

Funkce

Všechny organismy, jednobuněčné a mnohonásobné, potřebují ve svých buňkách minimální energii k provádění procesů uvnitř nich a zase udržují vitální funkce v celém organismu..

Metabolické procesy vyžadují energii. Většina využitelné energie se získává degradací sacharidů a tuků. Uvedená energie je odvozena z procesu oxidační fosforylace.

Řízení oxidační fosforylace

Míra využití ATP v buňkách kontroluje syntézu stejného, ​​a podle pořadí v důsledku vazby oxidační fosforylace s elektronovým transportním řetězcem také reguluje rychlost elektronické dopravy obecně.

Oxidační fosforylace má přísnou kontrolu, která zajišťuje, že ATP není generován rychleji, než je spotřebován. Existují určité kroky v procesu přenosu elektronů a vázané fosforylace, které regulují rychlost výroby energie.

Koordinovaná kontrola výroby ATP

Hlavní cesty produkce energie (buněčný ATP) jsou glykolýza, cyklus kyseliny citrónové a oxidační fosforylace. Koordinovaná kontrola těchto tří procesů reguluje syntézu ATP.

Kontrola fosforylace hmotnostním akčním poměrem ATP závisí na přesném příspěvku elektronů v transportním řetězci. To zase závisí na vztahu [NADH] / [NAD+], který je zachován zvýšený působením glykolýzy a cyklu kyseliny citrónové.

Tato koordinovaná kontrola se provádí regulací kontrolních bodů glykolýzy (PFK inhibovaná citrátem) a cyklu kyseliny citrónové (pyruvátdehydrogenáza, citrátová páska, isocitrátdehydrogenáza a a-ketoglutarát dehydrogenáza).

Kontrola pomocí akceptoru

IV komplex (cytochrom c oxidasa) je enzym regulovaný jedním z jeho substrátů, což znamená, že jeho aktivita je řízena redukovaným cytochromem c (c).2+), který je zase v rovnováze s poměrem koncentrací mezi [NADH] / [NAD+] a hmotnostní poměr [ATP] / [ADP] + [Pi].

Čím vyšší je vztah [NADH] / [NAD]+] a snižte hodnotu [ATP] / [ADP] + [Pi], čím větší bude koncentrace cytochromu [c2+] a aktivita komplexu IV bude větší. To je například interpretováno, pokud porovnáme organismy s různými aktivitami odpočinku a vysokou aktivitou.

U jedince s vysokou fyzickou aktivitou je spotřeba ATP a tím i jeho hydrolýza na ADP + Pi bude velmi vysoká, což vytvoří rozdíl v hmotnostním akčním poměru, který způsobí zvýšení [c2+] a tedy zvýšení syntézy ATP. U jednotlivce v klidu dochází k opačné situaci.

Nakonec se rychlost oxidační fosforylace zvyšuje s koncentrací ADP v mitochondriích. Tato koncentrace závisí na ADP-ATP translocatorech zodpovědných za transport nukleotidů adeninu a Pi z cytosolu do mitochondriální matrice.

Separační činidla

Oxidační fosforylace je ovlivněna určitými chemickými činidly, která umožňují, aby elektronická doprava pokračovala bez výskytu fosforylace ADP, oddělení výroby a zachování energie.

Tato činidla stimulují rychlost spotřeby kyslíku mitochondrií v nepřítomnosti ADP, což také způsobuje zvýšení hydrolýzy ATP. Působí tak, že vylučují prostředník nebo porušují energetický stav elektronového transportního řetězce.

2,4-dinitrofenol, slabá kyselina, která prochází mitochondriálními membránami, je zodpovědná za rozptýlení gradientu protonů, protože se k nim váží na kyselé straně a uvolňují je na základní straně..

Tato sloučenina byla použita jako "pilulka na hubnutí", protože bylo zjištěno, že vyvolává zvýšení respirace, tedy zvýšení rychlosti metabolismu a souvisejícího snížení hmotnosti. Ukázalo se však, že jeho negativní účinek může dokonce způsobit smrt.

Rozptyl protonového gradientu produkuje teplo. Hnědé tukové tkáňové buňky používají oddělení tepla, řízené hormonally, produkovat teplo. Hibernující savci a novorozenci bez vlasů se skládají z této tkáně, která slouží jako druh tepelné deky.

Inhibitory

Sloučeniny nebo inhibiční činidla zabraňují jak spotřebě O2 (elektronický transport) jako přidružená oxidační fosforylace. Tyto látky zabraňují tvorbě ATP s využitím energie vyrobené v elektronické dopravě. Dopravní řetězec se proto zastaví, když tato spotřeba energie není k dispozici.

Antibiotikum oligomycin působí jako inhibitor fosforylace u mnoha bakterií, což zabraňuje stimulaci ADP na syntézu ATP..

Existují také ionoforová činidla, která tvoří komplexy rozpustné v liposolu s kationty jako K+ a Na+, a procházejí mitochondriální membránou s uvedenými kationty. Mitochondrie pak použijí energii vyrobenou v elektronickém transportu k pumpovým kationtům namísto syntézy ATP.

Odkazy

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Základní buněčná biologie. New York: Garland věda.
  2. Cooper, G. M., Hausman, R. E. & Wright, N. (2010). Buňka. (str. 397-402). Marbán.
  3. Devlin, T. M. (1992). Učebnice biochemie: s klinickými korelacemi. John Wiley & Sons, Inc..
  4. Garrett, R. H., & Grisham, C. M. (2008). Biochemie. Thomson Brooks / Cole.
  5. Lodish, H., Darnell, J.E., Berk, A., Kaiser, C.A., Krieger, M., Scott, M. P., & Matsudaira, P. (2008). Mollekulární biologie buněk. Macmillan.
  6. Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2006). Lehningerovy principy biochemie 4. vydání. Ed Omega. Barcelona.
  7. Voet, D., & Voet, J. G. (2006). Biochemie. Panamericana Medical.