Стадии окислительного фосфорилирования, продукты, функции и ингибиторы



окислительное фосфорилирование это процесс, где молекулы АТФ синтезируются из АДФ и РЯ (неорганический фосфат). Этот механизм выполняют бактерии и эукариотические клетки. В эукариотических клетках фосфорилирование осуществляется в митохондриальном матриксе нефотосинтетических клеток.

Производство АТФ обусловлено переносом электронов из коферментов NADH или FADH.2 уплотнительное2. Этот процесс представляет собой наивысшую выработку энергии в клетке и происходит из-за разложения углеводов и жиров..

Энергия, запасенная в градиенте заряда и рН, также известная как протонная движущая сила, позволяет осуществить этот процесс. Генерируемый протонный градиент вызывает положительный заряд внешней части мембраны из-за концентрации протонов (H+) и митохондриальная матрица отрицательна.

индекс

  • 1 Где происходит окислительное фосфорилирование?
    • 1.1 Сотовая силовая установка
  • 2 этапа
    • 2.1 Электронная транспортная цепь
    • 2.2 Сукцинат CoQ редуктазы
    • 2.3 Связь или преобразование энергии
    • 2.4 Хемосмотическая связь
    • 2.5 Синтез АТФ
  • 3 Продукты
  • 4 функции
  • 5 Контроль окислительного фосфорилирования
    • 5.1 Скоординированный контроль производства АТФ
    • 5.2 Контроль акцептором
    • 5.3 Разобщающие агенты
    • 5.4 Ингибиторы
  • 6 Ссылки

Где происходит окислительное фосфорилирование?

Процессы транспорта электронов и окислительного фосфорилирования связаны с мембраной. У прокариот эти механизмы осуществляются через плазматическую мембрану. В эукариотических клетках они связываются с мембраной митохондрий.

Количество митохондрий, обнаруженных в клетках, варьируется в зависимости от типа клеток. Например, у млекопитающих эритроциты не имеют этих органелл, в то время как другие типы клеток, такие как мышечные клетки, могут иметь до миллионов из них.

Митохондриальная мембрана состоит из простой наружной мембраны, несколько более сложной внутренней мембраны, а в середине из них - межмембранного пространства, где расположены многие АТФ-зависимые ферменты..

Внешняя мембрана содержит белок под названием порин, который образует каналы для простой диффузии небольших молекул. Эта мембрана отвечает за поддержание структуры и формы митохондрий..

Внутренняя мембрана имеет более высокую плотность и богата белками. Он также непроницаем для молекул и ионов, поэтому для его пересечения им необходимы межмембранные белки, которые их транспортируют..

Внутри матрицы простираются складки внутренней мембраны, образуя гребни, которые позволяют ей иметь большую площадь в небольшом объеме.

Сотовая электростанция

Митохондрии считаются центральным производителем клеточной энергии. В нем присутствуют ферменты, участвующие в процессах цикла лимонной кислоты, окисления жирных кислот и ферментов и окислительно-восстановительных белков транспорта электронов и фосфорилирования АДФ..

Градиент концентрации протонов (градиент рН) и градиент зарядов или электрического потенциала во внутренней мембране митохондрий отвечают за движущую силу протона. Низкая проницаемость внутренней мембраны для ионов (кроме Н)+) позволяет митохондриям иметь стабильный градиент напряжения.

Электронный транспорт, накачка протонов и получение АТФ происходят одновременно в митохондриях благодаря протонной движущей силе. Градиент рН поддерживает кислотные условия в межмембранной и митохондриальной матрицах с щелочными условиями.

Для каждых двух электронов, переданных в ИЛИ2 Около 10 протонов прокачиваются через мембрану, создавая электрохимический градиент. Энергия, выделяемая в этом процессе, постепенно вырабатывается при прохождении электронов по конвейерной цепи..

этапы

Энергия, выделяемая при окислительно-восстановительных реакциях NADH и FADH2 он значительно высок (около 53 ккал / моль для каждой пары электронов), поэтому для использования в производстве молекул АТФ его необходимо производить постепенно при прохождении электронов через транспортеры.

Они организованы в четыре комплекса, расположенных во внутренней митохондриальной мембране. Связь этих реакций с синтезом АТФ осуществляется в пятом комплексе.

Электронная транспортная цепь

NADH переносит пару электронов, которые входят в комплекс I цепи переноса электронов. Электроны переносятся в мононуклеотид флавина, а затем в убихинон (кофермент Q) с помощью транспортера железа-серы. Этот процесс выделяет большое количество энергии (16,6 ккал / моль).

Убихинон транспортирует электроны через мембрану к комплексу III. В этом комплексе электроны проходят через цитохромы В и С1 благодаря железно-серному транспортеру.

Из комплекса III электроны переходят в комплекс IV (цитохром с оксидаза), передаваемый один за другим в цитохром с (мембранный периферический белок). В IV комплексе электроны проходят через пару ионов меди (Cuв2+), то к цитохрому св, затем к другой паре ионов меди (Cuб2+) и от этого к цитохрому3.

Наконец, электроны передаются в ИЛИ2 который является последним акцептором и образует молекулу воды (H2О) для каждой пары полученных электронов. Переход электронов из комплекса IV в O2 также генерирует большое количество свободной энергии (25,8 ккал / моль).

Сукцинат CoQ редуктаза

Комплекс II (сукцинат CoQ-редуктаза) получает пару электронов из цикла лимонной кислоты путем окисления молекулы сукцината до фумарата. Эти электроны передаются в FAD, проходя через железо-серу группу, к убихинону. Из этого кофермента они переходят в комплекс III и следуют ранее описанному маршруту..

Энергии, высвобождаемой в реакции переноса электрона в FAD, недостаточно для протонирования протонов через мембрану, поэтому на этом этапе цепи не генерируется протонная движущая сила, и, следовательно, FADH дает меньше H+ что НАД.

Связь или преобразование энергии

Энергия, генерируемая в ранее описанном процессе переноса электронов, должна быть в состоянии использоваться для производства АТФ, реакции, катализируемой ферментом АТФ-синтазой или комплексом V. Сохранение этой энергии известно как связывание энергии, и механизм был трудно охарактеризовать.

Несколько гипотез были описаны для описания этой передачи энергии. Наиболее приемлемой является гипотеза хемосмотической связи, описанная ниже.

Хемосмотическая связь

Этот механизм предполагает, что энергия, используемая для синтеза АТФ, происходит от протонного градиента в клеточных мембранах. Этот процесс вмешивается в митохондрии, хлоропласты и бактерии и связан с переносом электронов.

Комплексы I и IV электронного транспорта действуют как протонные насосы. Они претерпевают конформационные изменения, которые позволяют им прокачивать протоны в межмембранное пространство. В комплексе IV для каждой пары электронов два протона выкачиваются из мембраны и еще два остаются в матрице, образуя H2О.

Убихинон в комплексе III принимает протоны из комплексов I и II и выпускает их за пределы мембраны. Комплексы I и III позволяют проходить по четыре протона на каждую пару переносимых электронов..

Митохондриальная матрица имеет низкую концентрацию протонов и отрицательный электрический потенциал, в то время как межмембранное пространство представляет собой обратные условия. Поток протонов через эту мембрану включает электрохимический градиент, который хранит необходимую энергию (± 5 ккал / моль на протон) для синтеза АТФ.

Синтез АТФ

Фермент АТФ-синтетаза является пятым комплексом, участвующим в окислительном фосфорилировании. Он отвечает за использование энергии электрохимического градиента для формирования АТФ.

Этот трансмембранный белок состоит из двух компонентов: F0 и F1. Компонент F0 позволяет вернуть протоны в митохондриальную матрицу, функционирующую как канал и F1 катализирует синтез АТФ через АДФ и РЯ, используя энергию указанного возврата.

Процесс синтеза АТФ требует структурного изменения в F1 и сборка компонентов F0 и F1. Транслокация протонов через F0 вызывает конформационные изменения в трех субъединицах F1, позволяя ему действовать как двигатель вращения, направляя формирование АТФ.

Субъединица, которая отвечает за связывание ADP с PЯ оно переходит из слабого состояния (L) в активное (T). Когда образуется АТФ, вторая субъединица переходит в открытое состояние (О), что позволяет высвобождать эту молекулу. После освобождения ATP эта субъединица переходит из открытого состояния в неактивное состояние (L).

Молекулы АДФ и РЯ присоединиться к подразделению, которое перешло из состояния O в состояние L.

производить

Электронная транспортная цепь и фосфорилирование производят молекулы АТФ. Окисление НАДН производит около 52,12 ккал / моль (218 кДж / моль) свободной энергии.

Общая реакция на окисление NADH:

НАДН + 1/2 О2 +H+ ↔ H2O + NAD+

Перенос электронов из NADH и FADH2 он дается через несколько комплексов, позволяя разделить изменение свободной энергии ΔG ° на более мелкие «пакеты» энергии, которые связаны с синтезом АТФ.

Окисление молекулы НАДН вызывает синтез трех молекул АТФ. В то время как окисление молекулы FADH2 связан с синтезом двух АТФ.

Эти коферменты происходят из процессов гликолиза и цикла лимонной кислоты. Для каждой молекулы разложившейся глюкозы образуется 36 или 38 молекул АТФ, в зависимости от расположения клеток. 36 АТФ образуются в мозге и скелетных мышцах, а 38 АТФ образуются в мышечной ткани..

функции

Все организмы, одноклеточные и плюрицеллюлярные, нуждаются в минимальной энергии в своих клетках для осуществления процессов внутри них и, в свою очередь, для поддержания жизненно важных функций в целостном организме..

Метаболические процессы требуют энергии для проведения. Большая часть полезной энергии получается за счет разложения углеводов и жиров. Указанная энергия получается из процесса окислительного фосфорилирования.

Контроль окислительного фосфорилирования

Скорость использования АТФ в клетках контролирует их синтез, и, в свою очередь, благодаря связыванию окислительного фосфорилирования с цепью транспорта электронов, она также регулирует скорость электронного транспорта в целом..

Окислительное фосфорилирование строго контролируется, что гарантирует, что АТФ не генерируется быстрее, чем потребляется. Существуют определенные шаги в процессе транспорта электронов и сопряженного фосфорилирования, которые регулируют скорость производства энергии..

Скоординированный контроль производства АТФ

Основными путями производства энергии (клеточный АТФ) являются гликолиз, цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование. Скоординированный контроль этих трех процессов регулирует синтез АТФ.

Управление фосфорилированием по соотношению массового действия АТФ зависит от точного вклада электронов в транспортную цепь. Это в свою очередь зависит от отношений [НАДН] / [НАД+] который сохраняется повышенным под действием гликолиза и цикла лимонной кислоты.

Этот скоординированный контроль осуществляется путем регулирования контрольных точек гликолиза (PFK ингибируется цитратом) и цикла лимонной кислоты (пируватдегидрогеназа, цитратная лента, изоцитратдегидрогеназа и α-кетоглутаратдегидрогеназа).

Управление акцептором

Комплекс IV (цитохром с оксидаза) представляет собой фермент, регулируемый одним из его субстратов, что означает, что его активность контролируется восстановленным цитохромом с (с2+), который, в свою очередь, находится в равновесии с отношением концентраций между [NADH] / [NAD+] и массовое отношение действия [ATP] / [ADP] + [PЯ].

Чем выше отношение [NADH] / [NAD]+] и опустите [ATP] / [ADP] + [PЯ], чем больше будет концентрации цитохрома [c2+] и активность комплекса IV будет выше. Это интерпретируется, например, если мы сравним организмы с различной активностью отдыха и высокой активностью.

У человека с высокой физической активностью потребление АТФ и, следовательно, его гидролиз до АДФ + РЯ будет очень высоким, вызывая разницу в соотношении массовых воздействий, что вызывает увеличение [c2+] и, следовательно, увеличение синтеза АТФ. В состоянии покоя происходит обратная ситуация.

В конце концов, скорость окислительного фосфорилирования увеличивается с концентрацией АДФ в митохондриях. Эта концентрация зависит от ADP-ATP транслокаторов, ответственных за транспорт адениновых нуклеотидов и PЯ от цитозоля до митохондриального матрикса.

Отключающие агенты

На окислительное фосфорилирование влияют определенные химические агенты, которые позволяют электронному транспорту продолжаться без фосфорилирования ADP, отделяя производство и сохранение энергии.

Эти агенты стимулируют скорость потребления кислорода митохондриями в отсутствие АДФ, также вызывая увеличение гидролиза АТФ. Они действуют, устраняя посредника или нарушая энергетическое состояние цепи переноса электронов..

2,4-динитрофенол, слабая кислота, которая проходит через митохондриальные мембраны, отвечает за рассеивание градиента протонов, поскольку они связываются с ними на кислотной стороне и высвобождают их на основной стороне..

Это соединение использовалось в качестве «таблетки для похудения», поскольку было обнаружено, что оно вызывает увеличение дыхания, следовательно, увеличение скорости метаболизма и связанной с этим потери веса. Тем не менее, было показано, что его отрицательный эффект может даже привести к смерти.

Рассеяние протонного градиента производит тепло. Клетки жировой ткани коричневого цвета используют выделение, контролируемое гормонально, для выработки тепла. Спящие млекопитающие и новорожденные, лишенные волос, состоят из этой ткани, которая служит своего рода тепловым одеялом.

ингибиторы

Соединения или ингибирующие агенты предотвращают как потребление O2 (электронный транспорт) как связанное окислительное фосфорилирование. Эти агенты предотвращают образование АТФ с помощью энергии, вырабатываемой в электронном транспорте. Таким образом, транспортная цепочка останавливается, когда это потребление энергии не доступно.

Антибиотик олигомицин действует как ингибитор фосфорилирования у многих бактерий, предотвращая стимуляцию АДФ к синтезу АТФ.

Существуют также ионофорные агенты, которые образуют жирорастворимые комплексы с такими катионами, как К+ и на+, и они проходят через митохондриальную мембрану с указанными катионами. Затем митохондрии используют энергию, вырабатываемую в электронном транспорте, для накачки катионов вместо синтеза АТФ.

ссылки

  1. Альбертс Б., Брей Д., Хопкин К., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К. и Уолтер П. (2004). Основная клеточная биология. Нью-Йорк: Наука Гирлянды.
  2. Купер Дж. М., Хаусман Р. Э. и Райт Н. (2010). Клетка. (с. 397-402). Марбан.
  3. Девлин Т. М. (1992). Учебник биохимии: с клиническими соотношениями. John Wiley & Sons, Inc.
  4. Garrett, R. H. & Grisham, C.M. (2008). биохимия. Томсон Брукс / Коул.
  5. Lodish, H., Darnell, J.E., Berk, A., Kaiser, C.A., Krieger, M., Scott, M.P., & Matsudaira, P. (2008). Молекулярно-клеточная биология. Macmillan.
  6. Нельсон Д.Л. и Кокс М.М. (2006). Lehninger Принципы биохимии 4-е издание. Эд Омега. Барселона.
  7. Voet, D. & Voet, J. G. (2006). биохимия. Ed. Panamericana Medical.