OXIDATÍV FOSZFORILÁCIÓ: SZAKASZOK, FUNKCIÓK ÉS INHIBITOROK - BIOLÓGIA - 2026

Az oxidatív foszforilezés egy olyan folyamat, amikor a molekulákat ATP-ből szintetizálják ADP-ből és P _i-ből (szervetlen foszfát). Ezt a mechanizmust baktériumok és eukarióta sejtek végzik. Az eukarióta sejtekben a foszforiláció a nem fotoszintetikus sejtek mitokondriális mátrixában zajlik.

Az ATP-termelést az NADH vagy FADH ₂ koenzimektől az elektronok átadása az O ₂ -re vezette. Ez a folyamat képviseli a sejt legnagyobb energiatermelését, és a szénhidrátok és a zsírok lebontásából származik.

Forrás: Robot8A

A töltés- és a pH-gradiensben tárolt energia, proton mozgatóerőként is ismert, lehetővé teszi ennek a folyamatnak a végrehajtását. A keletkező protongradiens miatt a membrán külső részén pozitív töltés van, mivel a protonok (H ⁺) koncentrációja és a mitokondriális mátrix negatív.

Hol történik az oxidatív foszforiláció?

Az elektronszállítás és az oxidatív foszforiláció folyamata egy membránnal kapcsolódik. A prokariótákban ezek a mechanizmusok a plazmamembránon keresztül zajlanak. Az eukarióta sejtekben asszociálódnak a mitokondriális membránnal.

A sejtekben található mitokondriumok száma a sejt típusától függ. Például emlősökben az eritrocitákban hiányoznak ezek az organellák, míg más sejttípusok, mint például izomsejtek, akár millió milliót is tartalmazhatnak.

A mitokondriális membrán egy egyszerű külső membránból, egy kissé összetettebb belső membránból, és közöttük a membránközi térből áll, ahol sok ATP-függő enzim található.

A külső membrán porin nevű fehérjét tartalmaz, amely a kis molekulák egyszerű diffúziójához csatornákat képez. Ez a membrán felelős a mitokondriumok szerkezetének és alakjának fenntartásáért.

A belső membrán sűrűsége nagyobb és fehérjékben gazdag. Átjárhatatlan a molekulák és az ionok számára is, így ahhoz, hogy áthaladjanak, membránközi fehérjékre van szükségük a szállításukhoz.

A mátrixon belül a belső membrán redői meghosszabbodnak, és olyan gerinceket képeznek, amelyek lehetővé teszik annak nagy területét kis térfogatban.

Cellaerőmű

A mitokondriumokat sejtes energiatermelőnek tekintik. Tartalmazza a citromsav-ciklus folyamatában, a zsírsav-oxidációban részt vevő enzimeket, valamint az elektronszállítás és az ADP foszforilációjának redox enzimeit és fehérjéit.

A protonkoncentráció-gradiens (pH-gradiens) és a töltési gradiens vagy az elektromos potenciál a mitokondriumok belső membránjában felelnek a proton mozgatóerőért. A belső membrán alacsony áteresztőképessége az ionok számára (a H ^{+ kivételével}) lehetővé teszi a mitokondriumok számára stabil feszültséggradienst.

Az elektronikus szállítás, a protonszivattyúzás és az ATP-termelés egyidejűleg zajlik a mitokondriumokban, a proton mozgatóerejének köszönhetően. A pH-gradiens fenntartja a savas körülményeket az intermembránban és a mitokondriális mátrixban lúgos körülmények között.

Minden két elektront át O ₂ és körülbelül 10 protonok szivattyúzzuk a membránon keresztül, ami egy elektrokémiai gradiense. Az ebben a folyamatban felszabaduló energiát fokozatosan állítják elő az elektronok áthaladása révén a szállítási láncon.

Szakasz

A NADH és a FADH ₂ oxidációs-redukciós reakciói során felszabaduló energia jelentősen magas (körülbelül 53 kcal / mol minden elektronpárra), tehát az ATP-molekulák előállításához felhasználva azt fokozatosan kell előállítani az elektronok áthaladása a transzporterekön keresztül.

Ezeket négy komplexre osztják, amelyek a belső mitokondriális membránon helyezkednek el. Ezen reakciók összekapcsolását az ATP szintézisével egy ötödik komplexben hajtjuk végre.

Elektronszállító lánc

A NADH egy elektronpárt továbbít, amely belép az elektronszállító lánc I. komplexébe. Az elektronokat egy vas-kén transzporteren keresztül a flavin mononukleotidba, majd az ubiquinonba (Q koenzim) továbbítjuk. Ez a folyamat nagy mennyiségű energiát bocsát ki (16,6 kcal / mol).

Az ubikinon az elektronokat a membránon keresztül továbbítja a III komplexhez. Ebben a komplexben az elektronok a vas-kén transzporternek köszönhetően átjutnak a b és c ₁ citokrómokon.

Az elektronok átjutnak a III komplexből a IV komplexbe (citokróm c oxidáz), egyenként átjutnak a citokróm c-be (perifériás membránfehérje). A komplex IV az elektronok haladnak át egy pár réz ionok (Cu _a ²⁺), majd a citokróm c _egy, majd egy másik pár réz ionok (Cu _b ²⁺) és ebből a citokróm egy ₃.

Végül, az elektronok átkerülnek O ₂, amely az utolsó akceptor és képez egy vízmolekula (H ₂ O) minden egyes pár elektronok kapott. A áthaladását elektronok a komplex IV O ₂ is generál nagy mennyiségű szabad energia (25,8 kcal / mol).

Szukcinát CoQ reduktáz

A II. Komplex (szukcinát CoQ-reduktáz) egy elektronpárt vesz a citromsav-ciklusból egy szukcinátmolekula fumaráttal történő oxidációjával. Ezeket az elektronokat a vas-kén csoporton áthaladó FAD-be továbbítják az ubikinonhoz. Ebből a koenzimből a III. Komplexbe jutnak, és az előzőekben ismertetett módon haladnak.

A FAD-hez történő elektronátviteli reakció során felszabaduló energia nem elegendő a protonok membránon történő átvezetéséhez, tehát a lánc ezen lépésében nem alakul ki protonhajtó erő, és ennek következtében a FADH kevesebb H ^{+ -ot eredményez} mint a NADH.

Energia kapcsolása vagy transzdukciója

A korábban ismertetett elektronszállítás során előállított energiának képesnek kell lennie az ATP előállítására, amely reakciót az ATP szintáz enzim vagy a V komplex katalizálja. Az említett energia megőrzését energiacsatlakozásnak nevezzük, és a mechanizmus megtörtént. nehéz jellemezni.

Számos hipotézist írtak le ezen energiaátvitel leírására. A legelőnyösebben az alábbiakban ismertetett kemoszmotikus összekapcsolódási hipotézist alkalmazzák.

Kemoszmotikus kapcsolás

Ez a mechanizmus azt sugallja, hogy az ATP szintéziséhez felhasznált energia a sejtmembránok protongradienséből származik. Ez a folyamat beavatkozik a mitokondriumokba, a kloroplasztokba és a baktériumokba, és kapcsolódik az elektronok szállításához.

Az elektronszállítás I és IV komplexei protonszivattyúként működnek. Ezek konformációs változásokon mennek keresztül, amelyek lehetővé teszik a protonok szivattyúzását a membránközi térbe. A komplex IV, minden egyes pár elektronok, két proton kipumpál a membrán és a két további marad a mátrixban, képző H ₂ O.

A III komplexben levő ubikinon protoneket vesz fel az I. és II. Komplexből, és ezeket szabadítja fel a membrán külső oldalára. Az I. és a III. Komplex mindegyike lehetővé teszi négy proton áthaladását mindegyik szállított elektron-pár számára.

A mitokondriális mátrix alacsony protonkoncentrációval és negatív elektromos potenciállal rendelkezik, míg a membránközi tér fordított körülményeket mutat. A protonok ezen a membránon keresztüli áramlása az elektrokémiai gradienst reprezentálja, amely tárolja az ATP szintéziséhez szükséges energiát (± 5 kcal / mol protononként).

ATP szintézis

Az ATP-szintetáz enzim az ötödik komplex, amely részt vesz az oxidatív foszforilációban. Feladata az elektrokémiai gradiens energiájának kiaknázása az ATP kialakításához.

Ez a transzmembrán fehérje két komponensből áll: F ₀ és F ₁. A F ₀ komponens lehetővé teszi a visszatérés a protonok a mitokondriális mátrixban, működik, mint egy csatorna és az F ₁ katalizálja az ATP szintézis révén ADP és P _i, energia felhasználásával az említett visszatérés.

Az ATP szintézis folyamata az F ₁ szerkezeti változását, valamint az F ₀ és F ₁ komponensek összeszerelését igényli. Az proton transzlokáció az F _0- on keresztül az F ₁ három alegységében konformációs változásokat okoz, lehetővé téve, hogy forgásmozgatóként működjön, és irányítja az ATP képződését.

Az ADP és P _i kötődéséért felelős alegység gyenge állapotból (L) aktív (T) állapotba változik. Amikor ATP képződik, egy második alegység nyitott állapotba kerül (O), amely lehetővé teszi ennek a molekulanak a felszabadulását. Az ATP kiadása után ez az alegység a nyitott állapotból inaktív állapotba (L) kerül.

A ADP és P _i molekulák kötődnek egy alegység, amely átment egy O állapotból egy L állapotba.

Termékek

Az elektronszállító lánc és a foszforiláció ATP molekulákat eredményez. A NADH oxidációja körülbelül 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) szabad energiát eredményez.

A NADH oxidációjának általános reakciója:

NADH + 1/2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Az elektronok átvitele a NADH-ból és a FADH _2-ből különféle komplexeken keresztül történik, lehetővé téve a szabad energiaváltozás ΔG ° -on, hogy kisebb energia „csomagokra” bontódjon, amelyek kapcsolódnak az ATP szintézishez.

Egy NADH molekula oxidációja három ATP molekula szintézisét eredményezi. Habár az oxidációt egy molekula FADH ₂ kapcsolunk a szintézisét két ATP.

Ezek a koenzimek a glikolízis és a citromsav ciklus folyamatából származnak. Minden lebontott glükózmolekulánál a sejtek elhelyezkedésétől függően 36 vagy 38 ATP molekulát termelnek. Az agyban és a csontvázizomban 36 ATP, míg az izomszövetben 38 ATP keletkezik.

Jellemzők

Minden organizmusnak, az egy- és a többsejtűnek minimális energiára van szüksége a sejtjeiben, hogy elvégezze a folyamatokat a benne, és ezáltal fenntartsa az életfontosságú funkciókat az egész szervezetben.

A metabolikus folyamatok energiát igényelnek. A felhasználható energia nagy részét a szénhidrátok és zsírok lebontása útján nyerik. Ez az energia az oxidatív foszforilációs folyamatból származik.

Az oxidatív foszforiláció szabályozása

A sejtekben az ATP felhasználási sebessége szabályozza a szintézist, és viszont az oxidatív foszforilációnak az elektronszállító lánccal való összekapcsolódása miatt általában az elektronszállítás sebességét is szabályozza.

Az oxidatív foszforiláció szigorúan szabályozza, amely biztosítja, hogy az ATP-t nem gyorsabban hozzák létre, mint amennyit elfogyasztanak. Az elektronszállítás és a kapcsolt foszforiláció folyamatában vannak bizonyos lépések, amelyek szabályozzák az energiatermelés sebességét.

Az ATP-termelés összehangolt ellenőrzése

Az energiatermelés (celluláris ATP) fő útjai a glikolízis, a citromsav-ciklus és az oxidatív foszforiláció. E három folyamat összehangolt vezérlése szabályozza az ATP szintézisét.

A foszforiláció ellenőrzése az ATP tömeg-aktivitási arányával az elektronok pontos szállításától függ a szállítási láncban. Ez viszont az aránytól függ, amelyet magas szinten tartanak a glikolízis és a citromsav-ciklus hatása.

Ezt a koordinált ellenőrzést a glikolízis ellenőrző pontok (citrát-gátolt PFK) és a citromsav-ciklus (piruvát dehidrogenáz, citrát-tapeáz, izocitrát dehidrogenáz és α-ketoglutarát dehidrogenáz) szabályozásával hajtják végre.

Az elfogadó általi ellenőrzés

A IV komplex (citokróm c-oxidáz) az egyik szubsztrátja által szabályozott enzim, azaz aktivitását redukált citokróm c (c ²⁺) vezérli, amely viszont egyensúlyban van a / és a tömegarány aránya +.

Minél nagyobb a / arány és annál alacsonyabb a / +, annál nagyobb a citokróm koncentrációja és annál nagyobb a komplex IV aktivitás. Ezt akkor kell értelmezni, ha például összehasonlítjuk az organizmusokat különböző pihenő és nagy aktivitású tevékenységekkel.

Abban az egyedi nagy fizikai aktivitás, a ATP-fogyasztást és ezáltal a hidrolízis ADP + P _i nagyon magas lesz, így egy különbség a tömeghatás arányt, amely növekedést okoz, és ezért növeli a az ATP szintézise. Pihenő egyénnél fordított helyzet fordul elő.

Végül az oxidatív foszforiláció sebessége növekszik az ADP koncentrációjával a mitokondriumokon belül. Az említett koncentráció az ADP-ATP transzlokatoroktól függ, amelyek felelősek az adenin nukleotidok és a P _i citoszolból a mitokondriális mátrixba juttatásáért.

Lekapcsolók

Az oxidatív foszforilációt bizonyos kémiai ágensek befolyásolják, amelyek lehetővé teszik az elektronszállítás folytatódását az ADP foszforilációja nélkül, lekapcsolva az energiatermelést és -megtartást.

Ezek a szerek stimulálják a mitokondriumok oxigénfogyasztási sebességét ADP hiányában, és szintén növelik az ATP hidrolízisét. Úgy működnek, hogy eltávolítanak egy közbenső részt vagy megszakítják az energiaállapotot az elektronszállító láncban.

A 2,4-dinitrofenol, egy gyenge sav, amely áthalad a mitokondriális membránokon, felelős a protongradiens eloszlásáért, mivel a savas oldalon kapcsolódnak hozzájuk, és bázikus oldalon felszabadítják őket.

Ezt a vegyületet "diéta pirulaként" használták, mivel azt találták, hogy fokozza a légzést, ezért növeli az anyagcserét és a kapcsolódó súlycsökkenést. Kimutatták azonban, hogy negatív hatása akár halált is okozhat.

A protongradiens eloszlása ​​hőt termel. A barna zsírszövet sejtjei hormonálisan szabályozott leválasztást használnak hő előállítására. Hibernáló emlősök és újszülöttek, akiknek nincs hajja, ebből a szövetből állnak, amely egyfajta hőtakaróként szolgál.

inhibitorok

A gátló vegyületek vagy szerek megakadályozzák mind az O ₂ felhasználást (elektronszállítás), mind a kapcsolódó oxidatív foszforilációt. Ezek a szerek megakadályozzák az ATP képződését az elektronikus szállítás során előállított energia felhasználásával. Ezért a szállítási lánc leáll, ha az említett energiafogyasztás nem áll rendelkezésre.

Az oligomicin antibiotikum sok baktériumban foszforiláció-gátlóként funkcionál, megakadályozva az ADP stimulálását az ATP szintézisre.

Vannak olyan ionofór ágensek is, amelyek kationokkal, például K ⁺ és Na ⁺, zsírban oldódó komplexeket képeznek, és ezekkel a kationokkal átjutnak a mitokondriális membránon. A mitokondriumok ezután az elektronszállításban előállított energiát kationok pumpálására használják az ATP szintetizálása helyett.

Irodalom

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. és Walter, P. (2004). Alapvető sejtbiológia. New York: Garland Science.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). A sejt. (397-402. oldal). Marban.
3. Devlin, TM (1992). Biokémia tankönyv: klinikai összefüggésekkel. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH és Grisham, CM (2008). Biokémia. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, és Matsudaira, P. (2008). Molekuláris sejtbiológia. Macmillan.
6. Nelson, DL, & Cox, MM (2006). Lehninger Biokémia alapelvei 4. kiadás. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D. és Voet, JG (2006). Biokémia. Panamerican Medical Ed.