Oksidatiiviset fosforylaatiovaiheet, tuotteet, toiminnot ja inhibiittorit



hapettava fosforylaatio on prosessi, jossa ATP-molekyylit syntetisoidaan ADP: stä ja P: stäminä (epäorgaaninen fosfaatti). Tämä mekanismi suoritetaan bakteereilla ja eukaryoottisoluilla. Eukaryoottisoluissa fosforylaatio suoritetaan ei-fotosynteettisten solujen mitokondriaalisessa matriisissa.

ATP: n tuotantoa ohjaa elektronien siirtäminen NADH- tai FADH-koentsyymeistä2 O2. Tämä prosessi edustaa suurinta energiantuotantoa solussa ja on peräisin hiilihydraattien ja rasvojen hajoamisesta.

Lataus- ja pH-gradientteihin tallennettu energia, joka tunnetaan myös nimellä protoninen voima, sallii tämän prosessin suorittamisen. Muodostunut protonigradientti saa kalvon ulomman osan positiivisen varauksen protonien konsentraation vuoksi (H+) ja mitokondriaalimatriisi on negatiivinen.

indeksi

  • 1 Kun esiintyy oksidatiivista fosforylaatiota?
    • 1.1 Kennovoimalaitos
  • 2 vaihetta
    • 2.1 Elektroniikkaketju
    • 2.2 Sukkinaatti CoQ-reduktaasi
    • 2.3 Energian kytkeminen tai siirtäminen
    • 2.4 Kemosmoottinen kytkentä
    • 2.5 ATP: n synteesi
  • 3 Tuotteet
  • 4 Toiminnot
  • 5 Oksidatiivisen fosforylaation hallinta
    • 5.1 ATP-tuotannon yhteensovitettu valvonta
    • 5.2 Ohjaus vastaanottimen avulla
    • 5.3 Irrotusaineet
    • 5.4 Inhibiittorit
  • 6 Viitteet

Missä esiintyy oksidatiivista fosforylaatiota?

Elektronin kuljetuksen ja oksidatiivisen fosforylaation prosessit liittyvät kalvoon. Prokaryooteissa nämä mekanismit suoritetaan plasmamembraanin läpi. Eukaryoottisoluissa ne liittyvät mitokondrioiden kalvoon.

Soluista löytyvien mitokondrioiden määrä vaihtelee solutyypin mukaan. Esimerkiksi nisäkkäillä erytrosyytteillä ei ole näitä organelleja, kun taas muissa solutyypeissä, kuten lihassoluissa, voi olla jopa miljoonia niistä.

Mitokondriaalinen kalvo koostuu yksinkertaisesta ulommasta kalvosta, hieman monimutkaisemmasta sisäisestä kalvosta ja niiden keskellä intermembranaalisesta avaruudesta, jossa on monia ATP: stä riippuvia entsyymejä.

Ulompi kalvo sisältää proteiinia, jota kutsutaan poriiniksi, joka muodostaa kanavat pienten molekyylien yksinkertaiseen diffuusioon. Tämä kalvo vastaa mitokondrioiden rakenteen ja muodon säilyttämisestä.

Sisäisellä kalvolla on suurempi tiheys ja se sisältää runsaasti proteiineja. Se on myös läpäisemätön molekyyleille ja ioneille niin, että niiden ylittämiseen tarvitaan intermembraaniproteiineja, jotka kuljettavat niitä.

Matriisissa sisäpuolisen kalvon taitokset ulottuvat, jolloin ne muodostavat harjanteita, joiden avulla sillä on suuri alue pienessä tilavuudessa.

Soluvoimalaitos

Mitokondrioita pidetään soluenergian keskeisenä tuottajana. Siinä ovat entsyymit, jotka osallistuvat sitruunahapposyklin prosesseihin, rasvahappojen ja entsyymien hapettumiseen ja elektronin kuljettamisen redoksiproteiineihin ja ADP: n fosforylaatioon.

Protonipitoisuusgradientti (pH-gradientti) ja latausten tai sähköpotentiaalin gradientti mitokondrioiden sisä- kalvossa ovat vastuussa protonimoottorivoimasta. Sisäisen kalvon alhainen läpäisevyys ioneille (muut kuin H)+) mahdollistaa mitokondrioiden stabiilin jännitteen gradientin.

Protonisen voiman ansiosta protonien sähköinen kuljetus, pumppaus ja ATP: n saaminen tapahtuvat samanaikaisesti mitokondrioissa. PH-gradientti säilyttää happo-olosuhteet intermembraanissa ja mitokondriaalimatriisissa emäksisillä olosuhteilla.

Jokaiselle kahdelle OR: lle lähetetylle elektronille2 Noin 10 protonia pumpataan kalvon läpi, jolloin syntyy sähkökemiallinen gradientti. Tässä prosessissa vapautunut energia tuotetaan asteittain kulkemalla elektronit kuljettimen ketjun läpi.

vaiheet

NADH: n ja FADH: n hapetus-pelkistysreaktioiden aikana vapautunut energia2 se on huomattavasti korkea (noin 53 kcal / mol kutakin elektroniparia kohti), joten sitä on käytettävä ATP-molekyylien valmistuksessa, ja se on tuotettava asteittain elektronien kulkiessa kuljettajien kautta.

Nämä järjestetään neljään kompleksiin, jotka sijaitsevat sisäisessä mitokondriaalisessa kalvossa. Näiden reaktioiden kytkeminen ATP: n synteesiin suoritetaan viidennessä kompleksissa.

Elektronin kuljetusketju

NADH siirtää elektronien parin, jotka tulevat elektroninsiirtoketjun kompleksiin I. Elektronit siirretään flaviini-mononukleotidille ja sitten ubikinonille (koentsyymi Q) rauta-rikki-transporterin kautta. Tämä prosessi vapauttaa suuren määrän energiaa (16,6 kcal / mol).

Ubikinoni kuljettaa elektroneja kalvon läpi monimutkaiseen III. Tässä kompleksissa elektronit käyvät läpi sytokromeja b ja c1 rauta-rikki-kuljettajan ansiosta.

Kompleksi III: sta elektronit kulkevat IV-kompleksiin (sytokromi c-oksidaasi), joka siirretään yksi kerrallaan sytokromi c: ään (membraanin perifeerinen proteiini). IV-kompleksissa elektronit kulkevat pari kupari-ioneja (Cuettä2+), sitten sytokromi cettä, sitten toiseen kupari-ionipariin (Cub2+) ja tästä sytokromi a3.

Lopuksi elektronit siirretään OR: lle2 joka on viimeisin akseptori ja muodostaa vesimolekyylin (H2O) kunkin vastaanotetun elektronin parin kohdalla. Elektronien kulku kompleksista IV O: han2 tuottaa myös suuren määrän vapaata energiaa (25,8 kcal / mol).

Sukkinaatti CoQ-reduktaasi

Kompleksi II (sukkinaatti CoQ-reduktaasi) vastaanottaa elektroniparin sitruunahapposyklistä hapettamalla sukkinaattimolekyylin fumaraatiksi. Nämä elektronit siirretään FAD: hen, joka kulkee rauta-rikki-ryhmän läpi ubikinoniin. Tästä koentsyymistä ne menevät kompleksiin III ja seuraavat edellä kuvattua reittiä.

FAD: lle elektroninsiirtoreaktiossa vapautunut energia ei riitä ajamaan protoneja membraanin läpi, joten tässä ketjun vaiheessa ei synny protonista moottoritehoa, ja näin ollen FADH tuottaa vähemmän H+ että NADH.

Energian kytkeminen tai siirtäminen

Aikaisemmin kuvatun elektroninsiirtoprosessin aikana tuotetun energian tulisi voida käyttää ATP-entsyymin ATP-syntaasin tai kompleksin V katalysoiman reaktion tuottamiseen. Tämän energian säilyttäminen tunnetaan energiakytkentänä, ja mekanismi on ollut vaikeasti luonnehtiva.

Tämän energiansiirron kuvaamiseksi on kuvattu useita hypoteeseja. Parhaiten hyväksytty on seuraavassa kuvattu kemosmootti-kytkentähypoteesi.

Kemosmootinen kytkentä

Tämä mekanismi ehdottaa, että ATP: n synteesissä käytetty energia tulee protonisesta gradientista solukalvoissa. Tämä prosessi vaikuttaa mitokondrioihin, kloroplasteihin ja bakteereihin ja liittyy elektronin kuljetukseen.

Elektronisen kuljetuksen kompleksit I ja IV toimivat protonipumpuina. Nämä käyvät läpi konformaatiomuutoksia, joiden avulla ne voivat pumpata protoneja intermembraaniseen tilaan. Jokaisessa elektroniparissa IV-kompleksissa pumpataan ulos kaksi protonia kalvosta ja vielä kaksi jää matriisiin, jotka muodostavat H: n2O.

Ubikinoni kompleksissa III hyväksyy protoneja komplekseista I ja II ja vapauttaa ne kalvon ulkopuolella. Kunkin kompleksin I ja III avulla voidaan kuljettaa neljä protonia kunkin kuljetetun elektronin parin kohdalla.

Mitokondriaalisella matriisilla on alhainen protonipitoisuus ja negatiivinen sähköpotentiaali, kun taas intermembraanitilassa on käänteiset olosuhteet. Protonien virtaus tämän kalvon läpi käsittää sähkökemiallisen gradientin, joka tallentaa tarvittavan energian (± 5 kcal / mol protonia kohti) ATP: n synteesille..

ATP: n synteesi

Entsyymi ATP-syntetetaasi on viides kompleksi, joka liittyy oksidatiiviseen fosforylaatioon. Se vastaa sähkökemiallisen gradientin energian hyödyntämisestä ATP: n muodostamiseksi.

Tämä transmembraaniproteiini koostuu kahdesta osasta: F0 ja F1. Komponentti F0 sallii protonien palauttamisen kanavana toimivaksi mitokondriaaliseksi matriisiksi ja F: ksi1 katalysoi ATP: n synteesiä ADP: n ja P: n kauttaminä, käyttämällä mainitun paluun energiaa.

ATP-synteesimenetelmä vaatii rakenteellista muutosta F: ssä1 ja F-komponenttien kokoonpano0 ja F1. Protonin translokaatio F: n kautta0 aiheuttaa konformaatiomuutoksia F: n kolmessa alayksikössä1, antaa sille mahdollisuuden toimia pyörimismoottorina ja ohjata ATP: n muodostumista.

Alayksikkö, joka vastaa ADP: n sitoutumisesta P: henminä se siirtyy heikosta tilasta (L) aktiiviseksi (T). Kun ATP muodostetaan, toinen alayksikkö menee avoimeen tilaan (O), joka sallii tämän molekyylin vapautumisen. Kun ATP on vapautettu, tämä alayksikkö siirtyy avoimesta tilasta inaktiiviseen tilaan (L).

ADP: n ja P: n molekyylitminä liittyä alayksikköön, joka on mennyt O-tilasta L-tilaan.

tuottaa

Elektronin kuljetusketju ja fosforylaatio tuottavat ATP-molekyylejä. NADH: n hapettaminen tuottaa noin 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) vapaata energiaa.

Kokonaisreaktio NADH: n hapettamiseksi on:

NADH + 1/2 O2 +H+ ↔ H2O + NAD+

Elektronien siirto NADH: sta ja FADH: sta2 se annetaan useiden kompleksien kautta, jolloin vapaan energianvaihto ΔG ° voidaan jakaa pienempiin energian paketeihin, jotka on kytketty ATP: n synteesiin..

NADH-molekyylin hapettuminen synnyttää kolmen ATP-molekyylin synteesin. FADH-molekyylin hapetuksen aikana2 on kytketty kahden ATP: n synteesiin.

Nämä koentsyymit ovat peräisin glykolyysin ja sitruunahapposyklin prosesseista. Kullekin glukoosimolekyylille, joka on hajonnut, tuotetaan 36 tai 38 ATP-molekyyliä solujen sijainnista riippuen. 36 ATP: tä tuotetaan aivoissa ja luuston lihassa, kun taas 38 ATP: tä tuotetaan lihaskudoksessa.

tehtävät

Kaikki organismit, yksisoluiset ja moniarvoiset, tarvitsevat soluissaan vähimmäisenergiaa prosessien suorittamiseksi niiden sisällä, ja puolestaan ​​ylläpitävät elintärkeitä toimintoja koko organismissa.

Metaboliset prosessit edellyttävät energiaa. Suurin osa käytettävissä olevasta energiasta saadaan hiilihydraattien ja rasvojen hajoamisesta. Mainittu energia johdetaan hapettuvasta fosforylaatioprosessista.

Oksidatiivisen fosforylaation hallinta

ATP-käyttöaste soluissa säätelee samaan synteesiin ja puolestaan ​​hapettuvan fosforylaation ja elektronin kuljetusketjun kytkemisen johdosta se myös säätää yleisesti sähköisen kuljetuksen nopeutta.

Oksidatiivisella fosforylaatiolla on tiukka valvonta, joka varmistaa, että ATP: tä ei synny nopeammin kuin kulutetaan. Elektronin kuljetusprosessissa ja kytketyssä fosforylaatiossa on tiettyjä vaiheita, jotka säätelevät energiantuotannon nopeutta.

ATP-tuotannon yhteensovitettu valvonta

Pääenergiantuotantoreitit (solu-ATP) ovat glykolyysia, sitruunahapposykliä ja oksidatiivista fosforylaatiota. Näiden kolmen prosessin koordinoitu ohjaus säätää ATP: n synteesiä.

Fosforylaation hallinta ATP: n massatoimintosuhteella riippuu elektronien täsmällisestä panoksesta kuljetusketjussa. Tämä puolestaan ​​riippuu suhteesta [NADH] / [NAD+] joka säilyy korkeana glykolyysin ja sitruunahapposyklin vaikutuksesta.

Tämä koordinoitu kontrolli suoritetaan säätelemällä glykolyysin kontrollipisteitä (sitraatti inhiboima PFK) ja sitruunahapposykliä (pyruvaattidehydrogenaasi, sitraattinauha, isositraattidehydrogenaasi ja a-ketoglutaraattidehydrogenaasi).

Ohjaus hyväksytään

IV-kompleksi (sytokromi-c-oksidaasi) on entsyymi, jota säätelee yksi sen substraateista, mikä tarkoittaa, että sen aktiivisuutta kontrolloi alentunut sytokromi c (c2+), joka puolestaan ​​on tasapainossa [NADH] / [NAD+] ja [ATP] / [ADP] + [Pminä].

Mitä suurempi suhde [NADH] / [NAD]+] ja alenna [ATP] / [ADP] + [Pminä], sitä enemmän konsentraatiota on sytokromi [c2+] ja IV-kompleksin aktiivisuus on suurempi. Tätä tulkitaan esimerkiksi, jos vertaamme organismeja, joilla on erilaisia ​​lepo- ja korkean aktiivisuuden toimintoja.

Yksilössä, jolla on suuri fyysinen aktiivisuus, ATP: n kulutus ja sen vuoksi sen hydrolyysi ADP + P: ksiminä on erittäin korkea, jolloin saadaan aikaan ero massatoimintosuhteessa, joka aiheuttaa kasvun [c2+] ja siksi ATP: n synteesin lisääntyminen. Yksilöllä, joka on levossa, tapahtuu päinvastainen tilanne.

Lopulta oksidatiivisen fosforylaation nopeus kasvaa ADP: n pitoisuuden kanssa mitokondrioissa. Tämä pitoisuus riippuu ADP-ATP-translokaattoreista, jotka vastaavat adeniini- nukleotidien ja P: n kuljetuksestaminä sytosolista mitokondriaaliseen matriisiin.

Irrotusaineet

Tiettyjä kemiallisia aineita, jotka mahdollistavat elektronisen kuljetuksen jatkumisen ilman ADP: n fosforylaatiota, energiantuotannon ja energiansäästön irrottamista, vaikuttavat oksidatiiviseen fosforylaatioon..

Nämä aineet stimuloivat mitokondrioiden hapenkulutusta ADP: n puuttuessa, mikä myös aiheuttaa ATP: n hydrolyysin lisääntymisen. Ne toimivat eliminoimalla välittäjän tai rikkomalla elektroniikkaketjun energian tilan.

2,4-dinitrofenoli, heikko happo, joka kulkee mitokondriaalisten kalvojen läpi, on vastuussa protonigradientin hajoamisesta, koska ne sitoutuvat niihin happamalla puolella ja vapauttavat ne peruspuolella.

Tätä yhdistettä käytettiin "laihtuminen pillerinä", koska sen havaittiin tuottavan hengityksen lisääntymistä, jolloin aineenvaihdunta- nopeus ja siihen liittyvä laihtuminen lisääntyivät. Kuitenkin osoitettiin, että sen negatiivinen vaikutus voi jopa aiheuttaa kuoleman.

Protonin gradientin hajoaminen tuottaa lämpöä. Ruskeat rasvakudokset käyttävät irrottamista, jota hoidetaan hormonaalisesti, lämmön tuottamiseksi. Hibernoituvat nisäkkäät ja vastasyntyneet, joilta puuttuu hiukset, koostuvat tästä kudoksesta, joka toimii eräänlaisena lämpöpeitteenä.

estäjät

Yhdisteet tai inhiboivat aineet estävät sekä O: n kulutuksen2 (sähköinen kuljetus) liittyvänä oksidatiivisena fosforylaationa. Nämä aineet estävät ATP: n muodostumisen käyttämällä sähköisessä kuljetuksessa tuotettua energiaa. Siksi kuljetusketju pysähtyy, kun tämä energiankulutus ei ole käytettävissä.

Antibioottinen oligomysiini toimii fosforylaation estäjänä monissa bakteereissa estäen ADP: n stimuloinnin ATP: n synteesiin.

On myös ionoforisia aineita, jotka tekevät rasva- liukoisia komplekseja K: n kaltaisilla kationeilla+ ja Na+, ja ne kulkevat mitokondriomembraanin läpi mainituilla kationeilla. Mitokondriot käyttävät sitten elektronisessa kuljetuksessa tuotettua energiaa pumpun kationeihin ATP: n syntetisoinnin sijaan.

viittaukset

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Oleellinen solubiologia. New York: Garland Science.
  2. Cooper, G. M., Hausman, R. E. & Wright, N. (2010). Solu. (s. 397-402). Marban.
  3. Devlin, T. M. (1992). Biokemian oppikirja: kliinisiä korrelaatioita. John Wiley & Sons, Inc.
  4. Garrett, R. H., ja Grisham, C. M. (2008). biokemia. Thomson Brooks / Cole.
  5. Lodish, H., Darnell, J. E., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Scott, M. P., & Matsudaira, P. (2008). Mollekulaarinen solubiologia. Macmillan.
  6. Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2006). Lehningerin biokemian periaatteet 4. painos. Ed Omega. Barcelona.
  7. Voet, D., & Voet, J. G. (2006). biokemia. Ed. Panamericana Medical.