Tahap fosforilasi oksidatif, produk, fungsi dan inhibitor



The fosforilasi oksidatif adalah proses di mana molekul ATP disintesis dari ADP dan Pi (fosfat bukan organik). Mekanisme ini dilakukan oleh bakteria dan sel eukariotik. Dalam sel eukariotik, fosforilasi dijalankan dalam matriks mitokondria sel bukan fotosintesis.

Pengeluaran ATP dipacu oleh pemindahan elektron dari NADH atau FADH coenzymes2 O2. Proses ini mewakili pengeluaran tenaga tertinggi dalam sel dan diperoleh daripada kemerosotan karbohidrat dan lemak.

Tenaga yang tersimpan dalam tuduhan dan pH gradien, juga dikenali sebagai daya motif proton, membolehkan proses ini dijalankan. Kecerunan proton yang dihasilkan menyebabkan bahagian luar membran mempunyai caj positif kerana kepekatan proton (H+) dan matriks mitokondria adalah negatif.

Indeks

  • 1 Di mana fosforilasi oksidatif berlaku?
    • 1.1 Loji kuasa sel
  • 2 Peringkat
    • 2.1 Rantaian pengangkutan elektron
    • 2.2 Succinate reductase CoQ
    • 2.3 Gandingan atau transduksi tenaga
    • 2.4 gandingan Chemosmotic
    • 2.5 Sintesis ATP
  • 3 Produk
  • 4 Fungsi
  • 5 Kawalan fosforilasi oksidatif
    • 5.1 Kawalan penyelarasan pengeluaran ATP
    • 5.2 Kawalan oleh penerima
    • 5.3 Ela-ejen yang tidak mencabar
    • 5.4 Perencat
  • 6 Rujukan

Di mana fosforilasi oksidatif berlaku?

Proses pengangkutan elektron dan fosforilasi oksidatif dikaitkan dengan membran. Dalam prokariot mekanisme ini dijalankan melalui membran plasma. Dalam sel eukariotik mereka mengaitkan dengan membran mitokondria.

Bilangan mitokondria yang terdapat dalam sel berbeza mengikut jenis sel. Sebagai contoh, dalam erythrocyte mamalia kekurangan organel ini, manakala jenis sel lain, seperti sel-sel otot, boleh mempunyai berjuta-juta.

Membran mitokondria terdiri daripada membran luar mudah, membran dalaman yang agak kompleks, dan di tengah-tengahnya ruang intermembranal, di mana banyak enzim yang bergantung kepada ATP terletak.

Membran luar mengandungi protein yang dipanggil porin yang membentuk saluran untuk penyebaran mudah molekul kecil. Membran ini bertanggungjawab untuk mengekalkan struktur dan bentuk mitokondria.

Membran dalaman mempunyai kepadatan yang lebih tinggi dan kaya dengan protein. Ia juga tidak dapat ditembusi oleh molekul dan ion, untuk menyeberanginya, mereka memerlukan protein intermembran yang mengangkutnya.

Di dalam matriks, lipatan membran dalaman meluas, membentuk rabung yang membolehkannya mempunyai kawasan besar dalam jumlah kecil.

Loji kuasa sel

Mitokondria dianggap sebagai pengeluar utama tenaga selular. Di dalamnya adalah enzim yang terlibat dalam proses kitaran asid sitrik, pengoksidaan asid lemak dan enzim dan protein redoks pengangkutan elektron dan fosforilasi ADP.

Kecerunan kepekatan proton (gred pH) dan kecerunan caj atau potensi elektrik dalam membran dalaman mitokondria bertanggungjawab terhadap daya motif proton. Kebolehtelapan rendah membran dalaman untuk ion (selain H)+) membolehkan mitokondria mempunyai kecerunan voltan yang stabil.

Pengangkutan elektronik, pam proton dan pengambilan ATP berlaku serentak di mitokondria, berkat daya motif proton. Kecerunan pH mengekalkan keadaan asid dalam intermembran dan matriks mitokondria dengan keadaan alkali.

Untuk setiap dua elektron dipindahkan ke ATAU2 Kira-kira 10 proton dipam melalui membran, mencipta kecerunan elektrokimia. Tenaga yang dikeluarkan dalam proses ini dihasilkan secara berperingkat oleh laluan elektron melalui rantai penghantar.

Tahap

Tenaga yang dikeluarkan semasa tindak balas pengurangan pengoksidaan NADH dan FADH2 ia sangat tinggi (sekitar 53 kcal / mol bagi setiap sepasang elektron), jadi untuk digunakan dalam pembuatan molekul ATP, ia mesti dihasilkan secara beransur-ansur dengan laluan elektron melalui pengangkut.

Ini disusun menjadi empat kompleks yang terletak di dalam membran mitokondria dalaman. Gandingan reaksi ini terhadap sintesis ATP dilakukan dalam kompleks kelima.

Rantaian pengangkutan elektron

NADH memindahkan sepasang elektron yang memasuki kompleks I rantai pengangkutan elektron. Elektron dipindahkan ke flavin mononucleotide, dan kemudian ke ubiquinone (coenzyme Q) melalui pengangkut besi-sulfur. Proses ini mengeluarkan sejumlah besar tenaga (16.6 kcal / mol).

Ubiquinone mengangkut elektron melalui membran ke kompleks III. Dalam kompleks ini, elektron melalui cytochromes b dan c1 terima kasih kepada pengangkut besi-sulfur.

Dari kompleks III, elektron melepasi kompleks IV (cytochrome c oxidase), dipindahkan satu demi satu ke dalam cytochrome c (protein perifer membran). Dalam kompleks IV elektron melepasi sepasang ion tembaga (Cua2+), kemudian ke cytochrome ca, kemudian ke pasangan lain ion tembaga (Cub2+) dan dari sini ke cytochrome a3.

Akhirnya, elektron dipindahkan ke OR2 yang merupakan penerima terakhir dan membentuk molekul air (H2O) untuk setiap pasangan elektron yang diterima. Petikan elektron dari kompleks IV ke O2 juga menjana sejumlah besar tenaga bebas (25.8 kcal / mol).

Succinate CoQ reductase

Kompleks II (succinate CoQ reductase) menerima sepasang elektron dari kitaran asid sitrik, dengan pengoksidaan molekul succinate untuk fumarate. Elektron ini dipindahkan ke FAD, melalui kumpulan besi-sulfur, ke ubiquinone. Dari koenzim ini, mereka pergi ke kompleks III dan mengikut laluan yang telah dijelaskan sebelumnya.

Tenaga yang dikeluarkan dalam tindak balas pemindahan elektron ke FAD tidak cukup untuk memacu proton melalui membran, jadi dalam langkah rantai ini tiada daya motif proton dihasilkan, dan akibatnya FADH menghasilkan kurang H+ bahawa NADH.

Gandingan atau transduksi tenaga

Tenaga yang dijana dalam proses pengangkutan elektron yang terdahulu dijelaskan dapat digunakan untuk menghasilkan ATP, reaksi yang dipangkin oleh enzim ATP synthase atau kompleks V. Pemeliharaan tenaga ini dikenali sebagai gandingan tenaga, dan mekanisme itu telah sukar untuk dicirikan.

Beberapa hipotesis telah diterangkan untuk menggambarkan transduksi tenaga ini. Yang terbaik diterima ialah hipotesis gandingan chemosmotic, diterangkan di bawah.

Gandingan Chemosmotic

Mekanisme ini mencadangkan bahawa tenaga yang digunakan untuk sintesis ATP berasal dari kecerunan proton dalam membran sel. Proses ini campur tangan dalam mitokondria, kloroplas dan bakteria dan dikaitkan dengan pengangkutan elektron.

Kompleks I dan IV pengangkutan elektronik bertindak sebagai pam proton. Ini mengalami perubahan konformasi yang membolehkan mereka memompa proton ke ruang intermembranal. Dalam kompleks IV untuk setiap pasangan elektron dua proton dipam keluar dari membran dan dua lagi kekal dalam matriks membentuk H2O.

Ubiquinone dalam kompleks III menerima proton daripada kompleks I dan II dan mengeluarkannya di luar membran. Kompleks I dan III masing-masing membolehkan laluan empat proton bagi setiap pasangan elektron yang diangkut.

Matriks mitokondria mempunyai kepekatan rendah proton dan potensi elektrik negatif manakala ruang intermembrane membentangkan keadaan songsang. Aliran proton melalui membran ini melibatkan kecerunan elektrokimia yang menyimpan tenaga yang diperlukan (± 5kcal / mol per proton) untuk sintesis ATP.

Sintesis ATP

Enzim ATP synthetase adalah kompleks kelima yang terlibat dalam fosforilasi oksidatif. Ia bertanggungjawab untuk memanfaatkan tenaga kecerunan elektrokimia untuk membentuk ATP.

Protein transmembran ini terdiri daripada dua komponen: F0 dan F1. Komponen F0 membolehkan kembalinya proton ke matriks mitokondria berfungsi sebagai saluran dan F1 mempercepat sintesis ATP melalui ADP dan Pi, menggunakan tenaga pulangan yang disebut.

Proses sintesis ATP memerlukan perubahan struktur dalam F1 dan pemasangan komponen F0 dan F1. Translocation proton melalui F0 menyebabkan perubahan konformasi dalam tiga subunit F1, membolehkan ia bertindak sebagai enjin putaran, mengarahkan pembentukan ATP.

Subunit yang bertanggungjawab mengikat ADP dengan Pi ia pergi dari keadaan lemah (L) ke satu aktif (T). Apabila ATP dibentuk, subunit kedua pergi ke keadaan terbuka (O) yang membolehkan pembebasan molekul ini. Selepas ATP dibebaskan, subunit ini pergi dari keadaan terbuka ke keadaan tidak aktif (L).

Molekul-molekul ADP dan Pi menyertai subunit yang telah pergi dari keadaan O ke keadaan L.

Produk

Rantai pengangkutan elektron dan fosforilasi menghasilkan molekul ATP. Pengoksidaan NADH menghasilkan kira-kira 52.12 kcal / mol (218 kJ / mol) tenaga bebas.

Reaksi keseluruhan untuk pengoksidaan NADH ialah:

NADH + 1/2 O2 +H+ ↔ H2O + NAD+

Pemindahan elektron dari NADH dan FADH2 ia diberikan melalui beberapa kompleks, yang membolehkan perubahan tenaga bebas ΔG ° dibahagikan kepada "bungkusan" tenaga yang lebih kecil, yang digabungkan ke sintesis ATP.

Pengoksidaan molekul NADH menghasilkan sintesis tiga molekul ATP. Walaupun pengoksidaan molekul FADH2 digabungkan dengan sintesis dua ATP.

Koenzim ini berasal dari proses glikolisis dan kitaran asid sitrik. Bagi setiap molekul glukosa terdegradasi, 36 atau 38 molekul ATP dihasilkan, bergantung kepada lokasi sel. 36 ATP dihasilkan di otak dan otot rangka sementara 38 ATP dihasilkan dalam tisu otot.

Fungsi

Semua organisma, uniselular dan pluriselular, memerlukan tenaga minimum dalam sel mereka untuk menjalankan proses di dalamnya, dan seterusnya mengekalkan fungsi penting dalam organisma lengkap.

Proses metabolik memerlukan tenaga untuk dijalankan. Kebanyakan tenaga yang boleh digunakan diperolehi oleh penurunan karbohidrat dan lemak. Kata tenaga berasal dari proses fosforilasi oksidatif.

Kawalan fosforilasi oksidatif

Kadar pemanfaatan ATP dalam sel mengendalikan sintesis yang sama, dan pada gilirannya, disebabkan oleh gandingan fosforilasi oksidatif dengan rantai pengangkutan elektron, ia juga mengawal kadar pengangkutan elektronik secara umum.

Fosforilasi oksidatif mempunyai kawalan yang ketat yang memastikan ATP tidak dijana dengan lebih cepat daripada yang digunakan. Terdapat langkah-langkah tertentu dalam proses pengangkutan elektron dan phosphorylation ditambah yang mengawal kadar pengeluaran tenaga.

Kawalan penyelarasan pengeluaran ATP

Laluan pengeluaran tenaga utama (ATP selular) adalah glikolisis, kitaran asid sitrik dan fosforilasi oksidatif. Kawalan diselaraskan ketiga proses ini mengawal sintesis ATP.

Kawalan fosforilasi oleh nisbah tindakan massa ATP bergantung kepada sumbangan elektron yang tepat dalam rantaian pengangkutan. Ini pula bergantung pada hubungan [NADH] / [NAD+] yang dipelihara oleh tindakan glikolisis dan kitaran asid sitrik.

Ini kawalan diselaraskan dilakukan dengan mengawal titik kawalan dalam glikolisis (PFK dihuni oleh citrate) dan kitaran asid sitrik (Pyruvate dehidrogenase, CINTASA sitrat, dehidrogenase isocitrate dan α-ketoglutarate dehydrogenase).

Kawalan oleh penerima

Kompleks IV (cytochrome c oxidase) adalah enzim yang dikawal selia oleh salah satu substratnya, yang bermaksud bahawa aktivitinya dikendalikan oleh cytochrome c (c2+), yang seterusnya adalah dalam keseimbangan dengan nisbah kepekatan antara [NADH] / [NAD+] dan nisbah tindakan massa [ATP] / [ADP] + [Pi].

Semakin tinggi hubungan [NADH] / [NAD]+] dan menurunkan [ATP] / [ADP] + [Pi], kepekatan lebih banyak akan ada sitokrom [c2+] dan aktiviti kompleks IV akan lebih besar. Ini ditafsirkan, sebagai contoh, jika kita membandingkan organisma dengan aktiviti rehat dan aktiviti yang berlainan.

Dalam individu yang mempunyai aktiviti fizikal yang tinggi, penggunaan ATP dan oleh itu hidrolisisnya kepada ADP + Pi akan menjadi sangat tinggi, menghasilkan perbezaan dalam nisbah tindakan massa yang menyebabkan peningkatan dalam [c2+] dan oleh itu peningkatan dalam sintesis ATP. Dalam individu berehat, situasi terbalik berlaku.

Akhirnya, kadar fosforilasi oksidatif meningkat dengan kepekatan ADP dalam mitokondria. Kepekatan ini bergantung pada translocator ADP-ATP yang bertanggungjawab untuk pengangkutan nukleotida adenina dan Pi dari sitosol ke matriks mitokondria.

Ejen yang tidak mencabar

Fosforilasi oksidatif dipengaruhi oleh agen kimia tertentu, yang membolehkan pengangkutan elektronik diteruskan tanpa fosforilasi ADP yang berlaku, menanggalkan pengeluaran dan pemuliharaan tenaga.

Ejen-ejen ini merangsang kadar penggunaan oksigen mitokondria dalam ketiadaan ADP, juga menyebabkan peningkatan hidrolisis ATP. Mereka bertindak dengan menghapuskan perantara atau memecahkan keadaan tenaga rantai pengangkutan elektron.

2,4-dinitrophenol, asid lemah yang melalui membran mitokondria, bertanggungjawab untuk melesapkan kecerunan proton, kemudian menyertai mereka di sebelah berasid dan dikeluarkan pada sebelah asas.

Kompaun ini digunakan sebagai "pil penurunan berat badan" kerana didapati menghasilkan peningkatan pernafasan, oleh itu peningkatan kadar metabolisme dan penurunan berat badan yang berkaitan. Walau bagaimanapun, ia menunjukkan bahawa kesan negatifnya boleh menyebabkan kematian.

Pengasingan kecerunan proton menghasilkan haba. Sel tisu coklat adiposa menggunakan decoupling, dikendalikan secara hormon, untuk menghasilkan haba. Hibernating mamalia dan bayi yang baru lahir kekurangan rambut terdiri daripada tisu ini yang berfungsi sebagai sejenis selimut haba.

Inhibitor

Senyawa atau agen penghalang menghalang penggunaan O2 (pengangkutan elektronik) sebagai fosforilasi oksidatif yang berkaitan. Agen ini menghalang pembentukan ATP dengan menggunakan tenaga yang dihasilkan dalam pengangkutan elektronik. Oleh itu, rantai pengangkutan berhenti apabila penggunaan tenaga ini tidak tersedia.

Antibiotik oligomisin berfungsi sebagai perencat fosforilasi dalam banyak bakteria, mencegah rangsangan ADP ke sintesis ATP.

Terdapat juga agen ionophore, yang membuat kompleks liposoluble dengan kation seperti K+ dan Na+, dan mereka melalui membran mitokondria dengan kation tersebut. Mitokondria kemudian menggunakan tenaga yang dihasilkan dalam pengangkutan elektronik untuk mengepam kation dan bukannya mensintesis ATP.

Rujukan

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Biologi sel penting. New York: Sains Garland.
  2. Cooper, G. M., Hausman, R. E. & Wright, N. (2010). Sel. (ms 397-402). Marbán.
  3. Devlin, T. M. (1992). Buku teks biokimia: dengan korelasi klinikal. John Wiley & Sons, Inc.
  4. Garrett, R. H., & Grisham, C. M. (2008). Biokimia. Thomson Brooks / Cole.
  5. Lodish, H., Darnell, J.E., Berk, A., Kaiser, C.A., Krieger, M., Scott, M. P., & Matsudaira, P. (2008). Biologi sel Mollecular. Macmillan.
  6. Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2006). Prinsip Biokimia Lehninger Edisi ke-4. Ed Omega. Barcelona.
  7. Voet, D., & Voet, J. G. (2006). Biokimia. Ed. Panamericana Medical.