HAPETTAVA FOSFORYLAATIO: VAIHEET, TOIMINNOT JA ESTÄJÄT - BIOLOGIA - 2026

Oksidatiivinen fosforylaatio on prosessi, jossa molekyylit syntetisoidaan ATP ADP: n ja P- _i (epäorgaaninen fosfaatti). Tätä mekanismia suorittavat bakteerit ja eukaryoottisolut. Eukaryoottisoluissa fosforylaatio tapahtuu ei-fotosynteettisten solujen mitokondriaalimatriisissa.

ATP-tuotanto ajetaan siirtämällä elektroneja koentsyymejä NADH tai FADH ₂ O ₂. Tämä prosessi edustaa merkittävää energiantuotantoa solussa ja on johdettu hiilihydraattien ja rasvojen hajoamisesta.

Lähde: Robot8A

Lataus- ja pH-gradienteihin varastoitu energia, joka tunnetaan myös nimellä protonin käyttövoima, mahdollistaa tämän prosessin tapahtuvan. Muodostunut protonigradientti aiheuttaa kalvon ulkoosalla positiivisen varauksen protonien (H ⁺) pitoisuuksien ja mitokondriaalimatriisin ollessa negatiivinen.

Missä tapahtuu oksidatiivinen fosforylaatio?

Elektronikuljetus- ja oksidatiivisen fosforylaatioprosessit liittyvät kalvoon. Prokaryooteissa nämä mekanismit tapahtuvat plasmakalvon läpi. Eukaryoottisoluissa ne yhdistyvät mitokondriaaliseen kalvoon.

Soluissa löydettyjen mitokondrioiden lukumäärä vaihtelee solutyypistä riippuen. Esimerkiksi nisäkkäissä punasoluista puuttuu nämä organelit, kun taas muissa solutyypeissä, kuten lihassoluissa, niitä voi olla jopa miljoonia.

Mitokondriaalinen membraani koostuu yksinkertaisesta ulkokalvosta, jonkin verran monimutkaisemmasta sisäkalvosta ja niiden välisestä membraanitilasta, jossa sijaitsee monia ATP-riippuvaisia ​​entsyymejä.

Ulompi kalvo sisältää poriinin nimisen proteiinin, joka muodostaa kanavat pienten molekyylien yksinkertaiseen diffuusioon. Tämä kalvo on vastuussa mitokondrioiden rakenteen ja muodon ylläpidosta.

Sisäkalvolla on suurempi tiheys ja siinä on runsaasti proteiineja. Se on myös molekyylien ja ionien läpäisemätön, joten niiden ylittämiseksi tarvitaan membraanien välisiä proteiineja niiden kuljettamiseksi.

Matriisin sisällä sisemmän membraanin taitokset ulottuvat muodostaen harjanteita, joiden avulla sillä voi olla suuri alue pienessä tilavuudessa.

Kennovoimalaitos

Mitokondrioita pidetään solun energian tuottajana. Se sisältää entsyymejä, jotka osallistuvat sitruunahapposyklin, rasvahappojen hapettumisen prosesseihin, ja redox-entsyymit ja proteiinit, jotka osallistuvat elektronien kuljetukseen ja ADP: n fosforylaatioon.

Protonipitoisuusgradientti (pH-gradientti) ja varausgradientti tai sähköpotentiaali mitokondrioiden sisäkalvossa ovat vastuussa protonin liikkuvasta voimasta. Sisäkalvon alhainen läpäisykyky ionien (muut kuin H ⁺) ansiosta mitokondrioilla on vakaa jännitegradientti.

Elektroninen kuljetus, protonipumppu ja ATP-tuotanto tapahtuvat samanaikaisesti mitokondrioissa protonin käyttövoiman ansiosta. PH-gradientti ylläpitää happamia olosuhteita membraaninvälisessä ja mitokondriaalimatriisissa alkalisissa olosuhteissa.

Jokaista kaksi elektronia siirretään O ₂ noin 10 protonia pumpataan kalvon läpi, luo sähkökemiallinen gradientti. Tässä prosessissa vapautuva energia tuotetaan asteittain kuljettamalla elektroneja kuljetusketjun läpi.

Tasot

NADH: n ja FADH _2: n hapetus-pelkistysreaktioiden aikana vapautuva energia on huomattavasti korkea (noin 53 kcal / mol kutakin elektroniparia kohti), joten sitä on tuotettava ATP-molekyylien valmistuksessa vähitellen elektronien kulku kuljettajien läpi.

Ne on jaettu neljään kompleksiin, jotka sijaitsevat sisäisellä mitokondriaalisella kalvolla. Näiden reaktioiden kytkentä ATP: n synteesiin suoritetaan viidennessä kompleksissa.

Elektronien kuljetusketju

NADH siirtää parin elektronia, jotka tulevat elektronin kuljetusketjun kompleksiin I. Elektronit siirretään flavin-mononukleotidiin ja sitten ubikinoniin (koentsyymi Q) rauta-rikkiinkuljettimen kautta. Tämä prosessi vapauttaa suuren määrän energiaa (16,6 kcal / mol).

Ubikinoni kuljettaa elektroneja kalvon läpi kompleksiin III. Tämän monimutkaisen elektronien syötön sytokromi b ja c ₁ sen ansiosta, että rauta-rikki transporter.

Elektronit siirtyvät kompleksista III kompleksiin IV (sytokromi c -oksidaasi), siirretään yksi kerrallaan sytokromi c: ään (perifeerinen membraaniproteiini). Monimutkainen IV elektronit kulkevat parin kupari-ionien (Cu ²⁺), sitten sytokromi c:, sitten toinen pari kupari-ionien (Cu _b ²⁺), ja tästä sytokromi ₃.

Lopuksi, elektronit siirtyvät O ₂, joka on viimeinen akseptori ja muodostaa vesi-molekyylin (H ₂ O) kunkin parin elektroneja vastaan. Kulkua elektronien monimutkainen IV O ₂ tuottaa myös paljon vapaata energiaa (25,8 kcal / mol).

Sukkinaatti CoQ-reduktaasi

Kompleksi II (sukkinaatti-CoQ-reduktaasi) vastaanottaa parin elektronia sitruunahapposyklistä hapettamalla sukkinaattimolekyylin fumaraatiksi. Nämä elektronit siirretään FAD: ään, kulkemalla rauta-rikkiryhmän läpi, ubikinoniin. Tästä koentsyymistä he menevät kompleksiin III ja seuraavat aikaisemmin kuvattua reittiä.

FAD: n elektroninsiirtoreaktiossa vapautuva energia ei riitä protonien kuljettamiseen kalvon läpi, joten protonin käyttövoimaa ei muodostu tässä ketjun vaiheessa, ja näin ollen FADH tuottaa vähemmän H ⁺ kuin NADH.

Energian kytkentä tai transduktio

Aikaisemmin kuvatussa elektroninkuljetusprosessissa tuotettua energiaa on voitava käyttää ATP: n, ATP-syntaasi-entsyymin tai kompleksin V katalysoiman reaktion tuottamiseen. Tämän energian säilyminen tunnetaan energian kytkentänä, ja mekanismi on ollut vaikea luonnehtia.

Tämän energiansiirron kuvaamiseksi on kuvattu useita hypoteeseja. Parhaiten hyväksytty on alla kuvattu kemosmoottinen kytkentähypoteesi.

Kemosmoottinen kytkentä

Tämä mekanismi ehdottaa, että ATP-synteesiin käytetty energia tulee protonigradientista solumembraaneissa. Tämä prosessi puuttuu mitokondrioihin, kloroplasteihin ja bakteereihin ja liittyy elektronien kuljettamiseen.

Elektronin kuljetuskompleksit I ja IV toimivat protonipumppuina. Näissä tapahtuu konformaatiomuutoksia, joiden avulla ne voivat pumppaa protoneja membraanien väliseen tilaan. Monimutkaisissa IV kunkin elektronipari, kaksi protonia pumpataan ulos kalvon ja kaksi edelleen matriisin, joka muodostaa H ₂: lla

Kompleksissa III oleva ubikinoni hyväksyy protoneja komplekseista I ja II ja vapauttaa ne kalvon ulkopuolelle. Kompleksit I ja III sallivat kunkin kuljetetun elektroniparin kulkemisen neljän protonin läpi.

Mitokondriaalimatriisissa on pieni protonipitoisuus ja negatiivinen sähköpotentiaali, kun taas membraanien välinen tila edustaa käänteisiä olosuhteita. Protonien virtaus tämän kalvon läpi edustaa sähkökemiallista gradienttia, joka varastoi tarvittavan energian (± 5 kcal / mol protonia kohti) ATP: n synteesille.

ATP-synteesi

ATP-entsyymi-syntetaasi on viides kompleksi, joka osallistuu oksidatiiviseen fosforylaatioon. Se vastaa sähkökemiallisen gradientin energian valjastamisesta ATP: n muodostamiseksi.

Tämä transmembraaniproteiini koostuu kahdesta osasta: F ₀ ja F ₁. F ₀ komponentti mahdollistaa paluun protonien mitokondriomatriksiin, joka toimii kanavan ja F ₁ katalysoi ATP: n synteesiin kautta ADP: n ja P- _i, energiaa käyttäen mainitun palautusjousen.

ATP synteesi prosessi edellyttää rakennemuutos F ₁ ja niiden osien F ₀ ja F ₁. Protonin-F ₀ aiheuttaa konformationaalisia muutoksia kolmen alayksikön F ₁, jotta se voi toimia moottorin pyörimisen, ohjata muodostumista ATP.

Alayksikkö, joka vastaa ADP: n sitoutumisesta P _{i: hen,} muuttuu heikosta tilasta (L) aktiiviseen (T). Kun ATP muodostuu, toinen alayksikkö menee avoimeen tilaan (O), joka sallii tämän molekyylin vapautumisen. ATP: n vapautumisen jälkeen tämä alayksikkö siirtyy avoimesta tilasta passiiviseen tilaan (L).

ADP: n ja P _i molekyylit sitoutuvat alayksikköön, joka on kulunut O tilasta L tilaan.

Tuotteet

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

NADH: n hapetuksen kokonaisreaktio on:

NADH + 1/2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Elektronien siirto NADH: sta ja FADH _{2: sta} tapahtuu erilaisten kompleksien kautta, jolloin vapaa energianmuutos ΔG ° hajoaa pienemmiksi energiapaketeiksi, jotka kytketään ATP-synteesiin.

Yhden NADH-molekyylin hapettuminen tuottaa kolmen ATP-molekyylin synteesin. Kun taas hapetus molekyylin FADH ₂ on kytketty synteesi kaksi ATP: tä.

Nämä koentsyymit ovat peräisin glykolyysi- ja sitruunahapposykliprosesseista. Jokaisesta hajotetusta glukoosimolekyylistä ne lopulta tuottavat 36 tai 38 ATP-molekyyliä, solujen sijainnista riippuen. Aivoissa ja luustolihaksissa tuotetaan 36 ATP: tä, kun taas lihaskudoksessa 38 ATP: tä.

ominaisuudet

Kaikki organismit, yksisoluiset ja monisoluiset, tarvitsevat minimaalisen energian soluissaan prosessien toteuttamiseksi niissä ja puolestaan ​​ylläpitää elintoimintojaan koko organismissa.

Metaboliset prosessit vaativat energian tapahtua. Suurin osa käytettävästä energiasta saadaan hiilihydraattien ja rasvojen hajoamisesta. Tämä energia saadaan oksidatiivisesta fosforylaatioprosessista.

Hapettavan fosforylaation hallinta

ATP: n käyttöaste soluissa säätelee sen synteesiä, ja puolestaan, koska oksidatiivinen fosforyloituminen kytkeytyy elektronin kuljetusketjuun, se myös säätelee yleensä elektronien kuljetusnopeutta.

Oksidatiivisella fosforylaatiolla on tiukka valvonta, joka varmistaa, että ATP ei muodostu nopeammin kuin se kulutetaan. Elektronien kuljetusprosessissa ja kytketyssä fosforylaatiossa on tiettyjä vaiheita, jotka säätelevät energiantuotannon nopeutta.

ATP-tuotannon koordinoitu valvonta

Energian tuotannon pääreitit (solun ATP) ovat glykolyysi, sitruunahapposykli ja oksidatiivinen fosforylaatio. Näiden kolmen prosessin koordinoitu ohjaus säätelee ATP: n synteesiä.

Fosforylaation hallinta ATP: n massa-aktiivisuussuhteella riippuu elektronien täsmällisestä syötöstä kuljetusketjussa. Tämä puolestaan ​​riippuu suhteesta / suhteesta, jota pitävät korkeana glykolyysi ja sitruunahapposykli.

Tämä koordinoitu valvonta suoritetaan säätelemällä glykolyysi-kontrollipisteitä (sitraatti-estetty PFK) ja sitruunahapposykliä (pyruvaattidehydrogenaasi, sitraatteinaasi, isositraattidehydrogenaasi ja a-ketoglutaraattidehydrogenaasi).

Hyväksyntä hyväksyjä

Kompleksi IV (sytokromi c -oksidaasi) on entsyymi, jota säätelee yksi sen substraateista, ts. Sen aktiivisuutta säätelee pelkistetty sytokromi c (c ²⁺), joka puolestaan ​​on tasapainossa pitoisuussuhteen välillä / ja massa-suhde / +.

Mitä korkeampi / suhde ja pienempi / +, sitä korkeampi on sytokromin konsentraatio ja sitä korkeampi kompleksi IV -aktiivisuus. Tätä tulkitaan esimerkiksi jos verrataan organismeja erilaisiin lepo- ja korkea-aktiivisiin aktiviteetteihin.

Yksilöllä on korkea fyysinen aktiivisuus, kulutus ATP: n ja näin ollen sen hydrolyysi ADP + P _i on erittäin suuri, muodostetaan massan ero toiminta suhde, joka aiheuttaa lisääntymistä ja sen vuoksi kasvuun ATP: n synteesi. Levossa olevalla yksilöllä tapahtuu päinvastainen tilanne.

Viime kädessä hapettavan fosforylaation nopeus kasvaa ADP: n pitoisuuden myötä mitokondrioissa. Mainittu pitoisuus riippuu ADP-ATP translocators vastuussa kuljetuksesta adeniininukleotidien ja P _i sytosolista mitokondriomatriksiin.

Kytkentäaineet

Tiettyihin kemiallisiin aineisiin vaikuttavat oksidatiiviseen fosforylaatioon, jotka antavat elektronien kulkeutumisen jatkua ilman, että ADP-fosforylaatio tapahtuu, irrottaen energian tuotannon ja säästön.

Nämä aineet stimuloivat mitokondrioiden hapenkulutusnopeutta ADP: n puuttuessa aiheuttaen myös ATP-hydrolyysin lisääntymisen. Ne toimivat poistamalla välituotteen tai hajottamalla energiatilan elektroninkuljetusketjussa.

2,4-dinitrofenoli, heikko happo, joka kulkee mitokondriaalikalvojen läpi, on vastuussa protonigradientin haihduttamisesta, koska ne sitoutuvat niihin happamalla puolella ja vapauttavat ne emäksisellä puolella.

Tätä yhdistettä käytettiin "laihdutuslääkkeinä", koska sen havaittiin tuottavan lisääntynyttä hengitystä, siksi lisääntynyttä aineenvaihduntaa ja siihen liittyvää painonpudotusta. On kuitenkin osoitettu, että sen kielteinen vaikutus voi jopa johtaa kuolemaan.

Protonigradientin häviäminen tuottaa lämpöä. Ruskean rasvakudoksen solut käyttävät hormonaalisesti kontrolloitua irrottamista lämmön tuottamiseksi. Hibernantuneet nisäkkäät ja vastasyntyneet, joilla ei ole hiuksia, koostuvat tästä kudoksesta, joka toimii eräänlaisena lämpöhuovana.

estäjät

Inhibitoriset yhdisteet tai aineet, estää sekä O ₂ kulutus (elektronien kuljetusta) ja niihin liittyvät oksidatiivinen fosforylaatio. Nämä aineet estävät ATP: n muodostumista käyttämällä sähköisessä kuljetuksessa tuotettua energiaa. Siksi kuljetusketju pysähtyy, kun mainittua energiankulutusta ei ole saatavana.

Antibiootti oligomysiini toimii fosforylaation estäjänä monissa bakteereissa, estäen ADP: n stimulaatiota ATP-synteesiin.

On myös ionoforiaineita, jotka muodostavat rasvaliukoisia komplekseja kationien, kuten K ⁺ ja Na ⁺, kanssa ja kulkevat mitokondriaalikalvon läpi näiden kationien kanssa. Mitokondrit käyttävät sitten elektronisessa kuljetuksessa tuotettua energiaa kationien pumppaamiseen ATP: n syntetisoinnin sijaan.

Viitteet

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. ja Walter, P. (2004). Oleellinen solubiologia. New York: Garland Science.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Solu. (s. 397 - 402). Marban.
3. Devlin, TM (1992). Biokemian oppikirja: kliinisillä korrelaatioilla. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH, & Grisham, CM (2008). Biokemia. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, ja Matsudaira, P. (2008). Molekyylisolubiologia. Macmillan.
6. Nelson, DL, & Cox, MM (2006). Lehninger Biokemian periaatteet 4. painos. Ed Omega. Barcelonassa.
7. Voet, D., ja Voet, JG (2006). Biokemia. Panamerican Medical Ed.