OXIDAČNÍ FOSFORYLACE: STADIA, FUNKCE A INHIBITORY - BIOLOGIE - 2025

Oxidativní fosforylace je proces, kdy jsou molekuly syntetizovány ATP z ADP a P _i (anorganický fosfát). Tento mechanismus je prováděn bakteriemi a eukaryotickými buňkami. V eukaryotických buňkách dochází k fosforylaci v mitochondriální matrici ne fotosyntetických buněk.

Produkce ATP je poháněn převodem elektronů od koenzymy NADH nebo FADH ₂ na O ₂. Tento proces představuje hlavní produkci energie v buňce a je odvozen z rozkladu uhlohydrátů a tuků.

Zdroj: Robot8A

Energie uložená v náboji a gradienty pH, také známé jako protonová hybná síla, umožňuje tento proces probíhat. Generovaný gradient protonů způsobuje, že vnější část membrány má kladný náboj v důsledku koncentrace protonů (H ⁺) a mitochondriální matrice, která je negativní.

Kde dochází k oxidativní fosforylaci?

Procesy přenosu elektronů a oxidační fosforylace jsou spojeny s membránou. U prokaryot se tyto mechanismy odehrávají plazmatickou membránou. V eukaryotických buňkách se sdružují s mitochondriální membránou.

Počet mitochondrií nalezených v buňkách se liší v závislosti na typu buňky. Například u savců erytrocyty tyto organely postrádají, zatímco jiné typy buněk, například svalové buňky, jich mohou mít až miliony.

Mitochondriální membrána je tvořena jednoduchou vnější membránou, poněkud složitější vnitřní membránou a mezi nimi intermembránovým prostorem, kde se nachází mnoho enzymů závislých na ATP.

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

Vnitřní membrána má vyšší hustotu a je bohatá na proteiny. Je také nepropustné pro molekuly a ionty, takže aby jej mohly procházet, potřebují intermembránové proteiny, aby je transportovaly.

Uvnitř matrice se prodlužují záhyby vnitřní membrány a vytvářejí hřebeny, které jí umožňují mít velkou plochu v malém objemu.

Buněčná elektrárna

Mitochondrie je považována za výrobce buněčné energie. Obsahuje enzymy zapojené do procesů cyklu kyseliny citronové, oxidace mastných kyselin a redoxní enzymy a proteiny podílející se na transportu elektronů a fosforylaci ADP.

Protonový koncentrační gradient (pH gradient) a nábojový gradient nebo elektrický potenciál ve vnitřní membráně mitochondrie jsou zodpovědné za protonovou hybnou sílu. Nízká propustnost vnitřní membrány pro ionty (jiné než H ⁺) umožňuje mitochondriím stabilní gradient napětí.

Elektronická doprava, čerpání protonů a produkce ATP probíhají současně v mitochondriích díky protonové hybné síle. PH gradient udržuje kyselé podmínky v intermembráně a v mitochondriální matrici za alkalických podmínek.

Pro každé dva elektrony převedených na O ₂ asi 10 protony jsou čerpány přes membránu, čímž elektrochemický gradient. Energie uvolněná v tomto procesu je produkována postupně průchodem elektronů transportním řetězcem.

Fáze

Energie uvolněná během oxidačně-redukčních reakcí NADH a FADH ₂ je značně vysoká (přibližně 53 kcal / mol pro každý pár elektronů), takže pro použití při výrobě molekul ATP musí být vyráběna postupně s průchod elektronů přes transportéry.

Jsou uspořádány do čtyř komplexů umístěných na vnitřní mitochondriální membráně. Spojení těchto reakcí se syntézou ATP se provádí v pátém komplexu.

Elektronový dopravní řetězec

NADH přenáší pár elektronů, které vstupují do komplexu I řetězce přenosu elektronů. Elektrony jsou přeneseny na flavinový mononukleotid a poté na ubiquinon (koenzym Q) pomocí transportéru železo-síra. Tento proces uvolňuje velké množství energie (16,6 kcal / mol).

Ubiquinon přenáší elektrony přes membránu do komplexu III. V tomto komplexu elektrony procházejí cytochromy b a c ₁ díky transportéru železo-síra.

Elektrony přecházejí z komplexu III do komplexu IV (cytochrom c oxidáza), přenášené jeden po druhém v cytochromu c (protein periferní membrány). V komplexu IV elektrony procházejí dvojicí iontů mědi (Cu ²⁺), pak na cytochrom c, poté na další dvojici iontů mědi (Cu _b ²⁺) a z toho se cytochromu a ₃.

Nakonec, elektrony jsou přeneseny na O _2, který je posledním akceptor a tvoří molekulu vody (H ₂ O) pro každý pár elektronů přijatých. Průchod elektronů z komplexu IV do O ₂ také vytváří velké množství volné energie (25,8 kcal / mol).

Sukcinát CoQ reduktáza

Komplex II (sukcinátová CoQ reduktáza) přijímá dvojici elektronů z cyklu kyseliny citronové oxidací sukcinátové molekuly na fumarát. Tyto elektrony jsou přeneseny do FAD, procházející skupinou železo-síra, na ubiquinon. Z tohoto koenzymu jdou do komplexu III a postupují výše popsanou cestou.

Energie uvolněná při reakci přenosu elektronů na FAD nestačí k pohonu protonů přes membránu, takže v tomto kroku řetězce nevzniká žádná hnací síla protonu, a proto FADH poskytuje méně H ⁺ než NADH.

Spojování nebo převod energie

Energie generovaná výše popsaným procesem přenosu elektronů musí být schopna být použita pro výrobu ATP, reakce katalyzovaná enzymem ATP syntáza nebo komplex V. Zachování uvedené energie je známé jako energetická vazba a mechanismus byl obtížné charakterizovat.

Bylo popsáno několik hypotéz pro popis tohoto přenosu energie. Nejlépe přijímaná je hypotéza chemosmotické vazby, popsaná níže.

Chemosmotická vazba

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

Komplexy I a IV přenosu elektronů fungují jako protonová čerpadla. Tyto procházejí konformačními změnami, které jim umožňují pumpovat protony do intermembránového prostoru. V komplexu IV, pro každou dvojici elektronů, dva protony jsou čerpány z membrány a další dva zůstávají v matrici, tvořící H ₂ O.

Ubiquinon v komplexu III přijímá protony z komplexů I a II a uvolňuje je na vnější stranu membrány. Komplexy I a III každý umožňují průchod čtyř protonů pro každou dvojici transportovaných elektronů.

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

Syntéza ATP

Enzym ATP syntetáza je pátý komplex, který se podílí na oxidační fosforylaci. Je zodpovědný za využití energie elektrochemického gradientu k vytvoření ATP.

Tento transmembránový protein se skládá ze dvou složek: F ₀ a F ₁. F ₀ složka umožňuje návrat protonů do mitochondriální matrix, fungující jako kanál a F ₁ katalyzuje syntézu ATP prostřednictvím ADP a P _i, využitím energie uvedeného návratu.

ATP syntézy vyžaduje strukturální změny v F ₁ a montáž součástek F ₀ a F ₁. Protonová translokace přes F ₀ způsobuje konformační změny ve třech podjednotkách F ₁, což jí umožňuje působit jako motor rotace, který řídí tvorbu ATP.

Podjednotka odpovědná za vazbu ADP s P _{i se} mění ze slabého stavu (L) na aktivní (T). Když se vytvoří ATP, druhá podjednotka přejde do otevřeného stavu (O), který umožňuje uvolnění této molekuly. Po uvolnění ATP přejde tato podjednotka z otevřeného do neaktivního stavu (L).

Molekuly ADP a P _{i se} vážou k podjednotce, která přešla ze stavu O do stavu L.

produkty

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

Celková reakce na oxidaci NADH je:

NADH + 1 2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Přenos elektronů z NADH a FADH ₂ probíhá prostřednictvím různých komplexů, což umožňuje, aby se změna volné energie ΔG ° rozpadla na menší energetické „pakety“, které jsou spojeny s syntézou ATP.

Oxidace jedné molekuly NADH generuje syntézu tří molekul ATP. Zatímco oxidace molekuly FADH ₂ je připojen k syntéze dvou ATP.

Tyto koenzymy pocházejí z procesů glykolýzy a kyseliny citronové. Pro každou degradovanou molekulu glukózy nakonec produkují 36 nebo 38 molekul ATP, v závislosti na umístění buněk. V mozku a kosterním svalu je produkováno 36 ATP, zatímco ve svalové tkáni je produkováno 38 ATP.

Funkce

Všechny organismy, jednobuněčné a mnohobuněčné, potřebují ve svých buňkách minimální energii k provádění procesů v nich a udržování životně důležitých funkcí v celém organismu.

Metabolické procesy vyžadují energii. Většina využitelné energie se získává rozpadem uhlohydrátů a tuků. Tato energie je odvozena z procesu oxidační fosforylace.

Řízení oxidační fosforylace

Rychlost využití ATP v buňkách řídí jeho syntézu a v důsledku vazby oxidační fosforylace s řetězcem přenosu elektronů také obecně reguluje rychlost přenosu elektronů.

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

Koordinovaná kontrola výroby ATP

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

Řízení fosforylace poměrem hmotnostního účinku ATP závisí na přesném přísunu elektronů v transportním řetězci. To zase závisí na poměru /, který je udržován na vysoké úrovni působením glykolýzy a cyklu kyseliny citronové.

Tato koordinovaná kontrola se provádí regulací kontrolních bodů glykolýzy (citrátem inhibovaná PFK) a cyklu kyseliny citronové (pyruvátdehydrogenáza, citrát tapasa, isocitrate dehydrogenáza a a-ketoglutarát dehydrogenáza).

Kontrola akceptorem

Komplex IV (cytochrom c oxidáza) je enzym regulovaný jedním ze svých substrátů, tj. Jeho aktivita je řízena redukovaným cytochromem c (c ²⁺), který je zase v rovnováze s poměrem koncentrací mezi / a poměr hmotnostní akce / +.

Čím vyšší je poměr / a čím nižší / +, tím vyšší je koncentrace cytochromu a vyšší aktivita komplexu IV. To se interpretuje například, když porovnáme organismy s různými klidovými a vysoce aktivními činnostmi.

U jedince s vysokou fyzickou aktivitou bude spotřeba ATP a tím i její hydrolýza na ADP + P _i velmi vysoká, což způsobí rozdíl v poměru účinku hmoty, který způsobí zvýšení a tedy zvýšení syntéza ATP. U jedince v klidu dochází k obrácené situaci.

Nakonec se rychlost oxidační fosforylace zvyšuje s koncentrací ADP v mitochondriích. Uvedená koncentrace je závislá na ADP-ATP translokátory odpovědných za přepravu adeninových nukleotidů a P _i z cytosolu do mitochondriální matrix.

Oddělovací prostředky

Oxidační fosforylace je ovlivněna určitými chemickými činidly, která umožňují pokračování transportu elektronů bez fosforylace ADP, odpojení výroby a zachování energie.

Tato činidla stimulují rychlost spotřeby kyslíku mitochondrií v nepřítomnosti ADP, což také způsobuje zvýšení hydrolýzy ATP. Fungují tak, že odstraní meziprodukt nebo zlomí energetický stav v řetězci přenosu elektronů.

2,4-dinitrofenol, slabá kyselina, která prochází mitochondriálními membránami, je zodpovědný za rozptylování protonového gradientu, protože se na ně váží na kyselé straně a uvolňuje je na základní straně.

Tato sloučenina byla použita jako "dietní pilulka", protože bylo zjištěno, že způsobuje zvýšení dýchání, tedy zvýšení metabolické rychlosti a související úbytek hmotnosti. Ukázalo se však, že její negativní účinek může dokonce způsobit smrt.

Rozptyl protonového gradientu vytváří teplo. Buňky v hnědé tukové tkáni používají hormonálně řízené rozpojení k produkci tepla. Hibernace savců a novorozenců, kteří nemají vlasy, se skládá z této tkáně, která slouží jako druh tepelné přikrývky.

Inhibitory

Inhibiční sloučeniny nebo činidla se předešlo O ₂ spotřeba (transportu elektronů) a spojené oxidativní fosforylace. Tito agenti zabraňují tvorbě ATP pomocí energie vyrobené v elektronické dopravě. Transportní řetězec se proto zastaví, když uvedená spotřeba energie není k dispozici.

Antibiotický oligomycin funguje jako inhibitor fosforylace v mnoha bakteriích a brání stimulaci syntézy ADP na syntézu ATP.

Existují také ionoforová činidla, která vytvářejí v tucích rozpustné komplexy s kationty, jako jsou K ⁺ a Na ⁺, a procházejí mitochondriální membránou s těmito kationty. Mitochondrie pak využije energii produkovanou v elektronickém transportu k čerpání kationtů namísto syntézy ATP.

Reference

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Základní buněčná biologie. New York: Garland Science.
2. Cooper, GM, Hausman, RE a Wright, N. (2010). Buňka. (str. 397-402). Marban.
3. Devlin, TM (1992). Učebnice biochemie: s klinickými korelacemi. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH, a Grisham, CM (2008). Biochemie. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). Biologie molekulárních buněk. Macmillan.
6. Nelson, DL, & Cox, MM (2006). Lehninger Principles of Biochemistry 4. vydání. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochemie. Panamerican Medical Ed.