ОКИСЛЮВАЛЬНЕ ФОСФОРИЛЮВАННЯ: СТАДІЇ, ФУНКЦІЇ ТА ІНГІБІТОРИ - БІОЛОГІЯ - 2025

Окисного фосфорилювання є процес , в якому молекули синтезується АТФ з АДФ і Р _я (неорганічного фосфату). Цей механізм здійснюють бактерії та еукаріотичні клітини. В еукаріотичних клітинах фосфорилювання відбувається в мітохондріальній матриці клітин, які не фотосинтезують.

Виробництво АТФ визначається переносом електронів від коферментів NADH або FADH ₂ до O ₂ . Цей процес являє собою основне виробництво енергії в клітині і отримується від розпаду вуглеводів і жирів.

Джерело: Robot8A

Енергія, накопичена в градієнтах заряду і рН, також відома як сила двигуна протона, дозволяє цьому процесу протікати. Утворений протонний градієнт спричиняє зовнішню частину мембрани позитивний заряд через концентрацію протонів (Н ⁺ ) та мітохондріальної матриці негативним.

Де відбувається окисне фосфорилювання?

Процеси транспорту електронів та окисного фосфорилювання пов'язані з мембраною. У прокаріотів ці механізми відбуваються через плазматичну мембрану. У еукаріотичних клітинах вони асоціюються з мітохондріальною мембраною.

Кількість мітохондрій, виявлених у клітинах, змінюється залежно від типу клітини. Наприклад, у ссавців еритроцитів не вистачає цих органел, тоді як інші типи клітин, такі як м’язові клітини, можуть мати до мільйонів.

Мітохондріальна мембрана складається з простої зовнішньої мембрани, дещо складнішої внутрішньої мембрани, а між ними - міжмембранного простору, де знаходиться багато АТФ-залежних ферментів.

Зовнішня мембрана містить білок під назвою порин, який утворює канали для простої дифузії малих молекул. Ця мембрана відповідає за підтримку структури та форми мітохондрій.

Внутрішня мембрана має більш високу щільність і багата білками. Він також непроникний для молекул та іонів, тому для перетину їм потрібні міжмембранні білки для їх транспортування.

Усередині матриці розширюються складки внутрішньої мембрани, утворюючи хребти, що дозволяють їй мати невелику площу великої площі.

Електростанція для клітин

Мітохондрії вважаються виробником клітинної енергії. Він містить ферменти, що беруть участь у процесах циклу лимонної кислоти, окислення жирної кислоти, а також окислювально-відновлювальні ферменти та білки транспорту електронів та фосфорилювання АДФ.

Градієнт концентрації протона (градієнт рН) та градієнт заряду або електричний потенціал у внутрішній мембрані мітохондрій відповідають за протонну рухову силу. Низька проникність внутрішньої мембрани для іонів (крім Н ⁺ ) дозволяє мітохондріям мати стабільний градієнт напруги.

Електронний транспорт, накачування протонів та виробництво АТФ відбуваються одночасно в мітохондріях, завдяки протонній рушійній силі. Градієнт рН підтримує кислі умови в мембрані та в мітохондріальній матриці з лужними умовами.

На кожні два електрони, перенесені на O ₂ , через мембрану прокачується близько 10 протонів, створюючи електрохімічний градієнт. Енергія, що виділяється в цьому процесі, виробляється поступово при проходженні електронів через транспортний ланцюг.

Етапи

Енергія, що виділяється під час реакцій відновлення відновлення окислення NADH та FADH ₂ , значно висока (близько 53 ккал / моль на кожну пару електронів), тому для використання у виробництві молекул АТФ вона повинна вироблятися поступово з проходження електронів через транспортери.

Вони організовані в чотири комплекси, розташовані на внутрішній мітохондріальній мембрані. Зв'язування цих реакцій з синтезом АТФ здійснюється в п'ятому комплексі.

Електронний ланцюг транспорту

NADH передає пару електронів, які входять у склад I ланцюга транспорту електронів. Електрони переносяться в мононуклеотид флавіну, а потім убіхінон (коензим Q) через транспортер заліза-сірки. Цей процес вивільняє велику кількість енергії (16,6 ккал / моль).

Убіхінон транспортує електрони через мембрану до комплексу III. У цьому комплексі електрони проходять через цитохроми b і c ₁ завдяки транспортеру залізо-сірки.

Електрони переходять від комплексу III до комплексу IV (цитохром c оксидаза), переносяться один за одним у цитохром c (білок периферичної мембрани). У комплексі IV електрони проходять через пару іонів міді (Cu _a ²⁺ ), потім до цитохрому c _a , потім до іншої пари іонів міді (Cu _b ²⁺ ) і від цього до цитохрому a ₃ .

Нарешті, електрони переносяться на O _2, який є останнім акцептором і утворює молекулу води (H ₂ O) для кожної пари отриманих електронів. Проходження електронів від комплексу IV до O ₂ також генерує велику кількість вільної енергії (25,8 ккал / моль).

Сукцинатна редуктаза CoQ

Комплекс II (сукцинат CoQ редуктази) отримує пару електронів з циклу лимонної кислоти шляхом окислення молекули сукцинату до фумарату. Ці електрони переносяться в FAD, проходячи через залізо-сірчану групу, до убихінону. З цього коферменту вони переходять до комплексу III і слідують описаному раніше маршруту.

Енергії, що виділяється в реакції передачі електронів на FAD, недостатньо для протікання протонів через мембрану, тому на цьому кроці ланцюга не створюється жодна сила протонної рушії, і, отже, FADH дає менше H ⁺ ніж НАДГ.

З'єднання або переведення енергії

Енергія, що утворюється в описаному раніше способі транспортування електронів, повинна бути здатна використовуватись для отримання АТФ, реакції, каталізованої ферментом АТФ-синтази або комплексу V. Збереження цієї енергії відоме як енергетичне сполучення, а механізм був важко характеризувати.

Для опису цього перетворення енергії було описано кілька гіпотез. Найкраще прийнята гімотеза про хемосмотичну зв'язок, описана нижче.

Хемосмотична муфта

Цей механізм передбачає, що енергія, яка використовується для синтезу АТФ, надходить від протонного градієнта в мембранах клітин. Цей процес втручається в мітохондрії, хлоропласти та бактерії і пов'язаний з транспортом електронів.

Комплекси I і IV транспорту електронів виконують роль протонних насосів. Вони зазнають конформаційних змін, які дозволяють їм закачувати протони в міжмембранний простір. У комплексі IV для кожної пари електронів з мембрани викачується два протони, а ще два залишаються в матриці, утворюючи H ₂ O.

Убіхінон в комплексі III приймає протони з комплексів I і II і вивільняє їх назовні мембрани. Комплекси I і III дозволяють проходити чотири протони для кожної пари транспортуваних електронів.

Мітохондріальна матриця має низьку концентрацію протонів і негативний електричний потенціал, тоді як міжмембранний простір представляє обернені умови. Потік протонів через цю мембрану представляє електрохімічний градієнт, який накопичує необхідну енергію (± 5 ккал / моль на протон) для синтезу АТФ.

Синтез АТФ

Фермент синтетаза АТФ є п'ятим комплексом, що бере участь в окислювальному фосфорилюванні. Він відповідає за використання енергії електрохімічного градієнта для формування АТФ.

Цей трансмембранний білок складається з двох компонентів: F ₀ і F ₁ . Компонент F ₀ дозволяє повернути протони до мітохондріальної матриці, функціонуючи як канал, а F ₁ каталізує синтез АТФ через ADP і P _i , використовуючи енергію зазначеного повернення.

Процес синтезу АТФ вимагає структурної зміни F ₁ та складання компонентів F ₀ і F ₁ . Транслокація протона через F ₀ викликає конформаційні зміни у трьох субодиницях F ₁ , що дозволяє йому діяти як двигун обертання, спрямовуючи на формування АТФ.

Субодиниця, відповідальна за зв'язування АДФ з P _i, змінюється від слабкого стану (L) до активного (T). Коли утворюється АТФ, друга субодиниця переходить у відкритий стан (O), що дозволяє вивільнити цю молекулу. Після звільнення ATP ця субодиниця переходить з відкритого стану в неактивний стан (L).

Молекули ADP і P _i зв'язуються з субодиницею, яка перейшла з стану O в стан L.

продукції

Електронно-транспортний ланцюг і фосфорилювання виробляють молекули АТФ. Окислення НАДГ виробляє близько 52,12 ккал / моль (218 кДж / моль) вільної енергії.

Загальна реакція на окислення НАДГ:

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Передача електронів від NADH та FADH ₂ відбувається через різні комплекси, що дозволяє вільній зміні енергії ΔG ° розпадатися на менші енергетичні «пакети», які поєднуються з синтезом АТФ.

Окислення однієї молекули НАДГ породжує синтез трьох молекул АТФ. Тоді як окислення молекули FADH ₂ пов'язане з синтезом двох АТФ.

Ці коферменти походять із процесів циклу гліколізу та лимонної кислоти. Для кожної молекули глюкози, що деградує, вони утворюють 36 або 38 молекул АТФ, залежно від місця розташування клітин. У мозку та скелетних м’язах виробляється 36 АТФ, тоді як у м’язовій тканині виробляється 38 АТФ.

Особливості

Усі організми, одноклітинні та багатоклітинні, потребують мінімальної енергії у своїх клітинах для здійснення процесів всередині них і, в свою чергу, підтримання життєво важливих функцій у всьому організмі.

Метаболічні процеси потребують енергії. Більша частина корисної енергії отримується при розщепленні вуглеводів і жирів. Ця енергія отримується від процесу окисного фосфорилювання.

Контроль окисного фосфорилювання

Швидкість використання АТФ в клітинах контролює його синтез, і, в свою чергу, завдяки зв’язку окисного фосфорилювання з ланцюгом транспорту електронів, він також загалом регулює швидкість транспорту електронів.

Окисне фосфорилювання має суворий контроль, який забезпечує, що АТФ не утворюється швидше, ніж споживається. Існують певні кроки в процесі транспорту електронів і зв'язаного фосфорилювання, які регулюють швидкість виробництва енергії.

Узгоджений контроль виробництва АТФ

Основними шляхами виробництва енергії (клітинний АТФ) є гліколіз, цикл лимонної кислоти та окисне фосфорилювання. Узгоджений контроль цих трьох процесів регулює синтез АТФ.

Контроль фосфорилювання співвідношенням масової дії АТФ залежить від точної подачі електронів у транспортний ланцюг. Це в свою чергу залежить від співвідношення /, яке підтримується високим дією гліколізу та циклом лимонної кислоти.

Цей узгоджений контроль здійснюється шляхом регулювання точок контролю гліколізу (інгібірований цитратом ПФК) та циклу лимонної кислоти (піруватдегідрогеназа, цитратна стріпаза, ізоцитратдегідрогеназа та α-кетоглутаратдегідрогеназа).

Контроль акцептором

Комплекс IV (цитохром с оксидаза) - фермент, регульований одним із його субстратів, тобто його активність контролюється зниженим цитохромом c (c ²⁺ ), який, у свою чергу, перебуває в рівновазі з співвідношенням концентрацій між / і коефіцієнт масової дії / +.

Чим вище коефіцієнт / і нижчий показник / +, тим вища концентрація цитохрому і вище комплексна IV активність. Це трактується, наприклад, якщо ми порівнюємо організми з різними видами відпочинку та активності.

У людини з високими фізичними навантаженнями споживання АТФ і, отже, його гідроліз до АДФ + Р _i буде дуже високим, генеруючи різницю у співвідношенні масових дій, що спричиняє збільшення і, отже, збільшення синтез АТФ. У індивіда в спокої відбувається зворотна ситуація.

Зрештою, швидкість окислювального фосфорилювання зростає з концентрацією АДФ у мітохондріях. Зазначена концентрація залежить від трансляторів ADP-ATP, відповідальних за транспорт аденінових нуклеотидів та P _i від цитозолю до мітохондріальної матриці.

Роз'єднувачі

На окислювальне фосфорилювання впливають певні хімічні агенти, які дозволяють продовжувати транспортування електронів без виникнення фосфорилювання АДФ, роз’єднання виробництва та збереження енергії.

Ці засоби стимулюють швидкість споживання кисню мітохондрій за відсутності АДФ, викликаючи також збільшення гідролізу АТФ. Вони працюють, видаляючи проміжний або порушуючи енергетичний стан в ланцюзі транспорту електронів.

2,4-динітрофенол, слабка кислота, яка проходить через мітохондріальні мембрани, відповідає за розсіювання протонного градієнта, оскільки вони зв'язуються з ними на кислотній стороні і вивільняють їх з основного боку.

Ця сполука була використана як «дієтична таблетка», оскільки було встановлено, що вона збільшує дихання, тому збільшується швидкість метаболізму та пов’язана з цим втрата ваги. Однак було показано, що його негативний вплив може спричинити навіть смерть.

Розсіювання протонного градієнта виробляє тепло. Клітини коричневої жирової тканини використовують гормонально контрольоване від'єднання для отримання тепла. Зимуючі ссавці та новонароджені, яким не вистачає волосся, складаються з цієї тканини, яка служить своєрідною тепловою ковдрою.

Інгібітори

Інгібіторні сполуки або агенти перешкоджають як споживання O ₂ (транспорт електронів), так і пов'язане з ними окисне фосфорилювання. Ці агенти перешкоджають утворенню АТФ за рахунок використання енергії, виробленої в електронному транспорті. Тому транспортний ланцюг припиняється, коли зазначене споживання енергії недоступне.

Антибіотик олігоміцин функціонує як інгібітор фосфорилювання багатьох бактерій, запобігаючи стимуляцію АДФ до синтезу АТФ.

Існують також іонофорні агенти, які утворюють жиророзчинні комплекси з катіонами, такими як К ⁺ і Na ⁺ , і проходять через мітохондріальну мембрану цими катіонами. Потім мітохондрії використовують енергію, вироблену в електронному транспорті, для накачування катіонів замість синтезу АТФ.

Список літератури

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Основна клітинна біологія. Нью-Йорк: Гарленд Наука.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Клітина. (с. 397-402). Марбан.
3. Девлін, ТМ (1992). Підручник з біохімії: з клінічними кореляціями. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH, & Grisham, CM (2008). Біохімія. Томсон Брукс / Коул.
5. Лодіш, Х., Дарнелл, Дж. Е., Берк, А., Кайзер, Каліфорнія, Крігер, М., Скотт, депутат та Мацудайра, П. (2008). Молекулярна клітинна біологія. Макміллан.
6. Nelson, DL, & Cox, MM (2006). Принципи біохімії Ленінгера 4 видання. Ед Омега. Барселона.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Біохімія. Panamerican Medical Ed.