ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ: ЭТАПЫ, ФУНКЦИИ И ИНГИБИТОРЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

Окислительного фосфорилирования представляет собой процесс , в котором молекулы синтезируется АТФ из АДФ и Р _я (неорганического фосфата). Этот механизм осуществляется бактериями и эукариотическими клетками. В эукариотических клетках фосфорилирование происходит в митохондриальном матриксе нефотосинтезирующих клеток.

Производство АТФ происходит за счет переноса электронов от коферментов НАДН или ФАДН ₂ на О ₂ . Этот процесс представляет собой основное производство энергии в клетке и происходит за счет расщепления углеводов и жиров.

Источник: Robot8A

Энергия, запасенная в градиентах заряда и pH, также известная как движущая сила протона, позволяет этому процессу происходить. Генерируемый протонный градиент заставляет внешнюю часть мембраны иметь положительный заряд из-за концентрации протонов (H ⁺ ), а матрица митохондрий становится отрицательной.

Где происходит окислительное фосфорилирование?

Процессы переноса электронов и окислительного фосфорилирования связаны с мембраной. У прокариот эти механизмы происходят через плазматическую мембрану. В эукариотических клетках они связаны с митохондриальной мембраной.

Количество митохондрий, обнаруженных в клетках, варьируется в зависимости от типа клетки. Например, у млекопитающих в эритроцитах отсутствуют эти органеллы, в то время как другие типы клеток, такие как мышечные клетки, могут иметь их до миллионов.

Митохондриальная мембрана состоит из простой внешней мембраны, несколько более сложной внутренней мембраны, а между ними - межмембранного пространства, в котором расположены многие АТФ-зависимые ферменты.

Наружная мембрана содержит белок, называемый порином, 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, чтобы пересечь его, им нужны межмембранные белки, чтобы транспортировать их.

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

Клеточная электростанция

Митохондрии считаются производителем клеточной энергии. Он содержит ферменты, участвующие в процессах цикла лимонной кислоты, окисления жирных кислот, а также окислительно-восстановительные ферменты и белки переноса электронов и фосфорилирования АДФ.

Градиент концентрации протонов (градиент pH) и градиент заряда или электрический потенциал во внутренней мембране митохондрий ответственны за движущую силу протона. Низкая проницаемость внутренней мембраны для ионов (кроме H ⁺ ) позволяет митохондриям иметь стабильный градиент напряжения.

Электронный транспорт, протонная накачка и производство АТФ происходят одновременно в митохондриях благодаря движущей силе протонов. Градиент pH поддерживает кислые условия в межмембранном пространстве и в митохондриальном матриксе с щелочными условиями.

На каждые два электрона, перенесенные в O ₂ , через мембрану прокачивается около 10 протонов, создавая электрохимический градиент. Энергия, выделяемая в этом процессе, постепенно создается прохождением электронов по транспортной цепи.

Этапы

Энергия, выделяемая в ходе окислительно-восстановительных реакций НАДН и ФАДН ₂ , значительно высока (около 53 ккал / моль для каждой пары электронов), поэтому для использования в производстве молекул АТФ ее необходимо постепенно производить с прохождение электронов через транспортеры.

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

Электронная транспортная цепь

НАДН переносит пару электронов, которые входят в комплекс I транспортной цепи электронов. Электроны передаются флавинмононуклеотиду, а затем убихинону (кофермент Q) через транспортер железо-сера. Этот процесс выделяет большое количество энергии (16,6 ккал / моль).

Убихинон переносит электроны через мембрану в комплекс III. В этом комплексе электроны проходят через цитохромы b и c ₁ благодаря транспортеру железо-сера.

Электроны переходят от комплекса III к комплексу IV (цитохром с оксидаза), один за другим переносятся в цитохром с (белок периферической мембраны). В комплексе IV электроны проходят через пару ионов меди (Cu _a ²⁺ ), затем к цитохрому c _a , затем к другой паре ионов меди (Cu _b ²⁺ ) и от этого к цитохрому a ₃ .

Наконец, электроны передаются O _2, который является последним акцептором и образует молекулу воды (H ₂ O) для каждой пары полученных электронов. Переход электронов от комплекса IV к O ₂ 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 FAD, проходя через группу железо-сера, в убихинон. От этого кофермента они переходят в комплекс III и следуют ранее описанному маршруту.

Энергии, высвобождаемой в реакции переноса электрона в FAD, недостаточно для прогона протонов через мембрану, поэтому на этом этапе цепи не генерируется движущая сила протонов, и, следовательно, FADH дает меньше H ^+. чем НАДН.

Связь или преобразование энергии

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

Было описано несколько гипотез для описания этого преобразования энергии. Лучше всего принята гипотеза хемосмотической связи, описанная ниже.

Хемосмотическая связь

Этот механизм предполагает, что энергия, используемая для синтеза АТФ, поступает из протонного градиента в клеточных мембранах. Этот процесс затрагивает 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 перекачивать протоны в межмембранное пространство. В комплексе IV для каждой пары электронов два протона откачиваются из мембраны, а еще два остаются в матрице, образуя H ₂ O.

Убихинон в комплексе III принимает протоны из комплексов I и II и высвобождает их за пределы мембраны. Комплексы I и III позволяют проходить четырем протонам для каждой пары транспортируемых электронов.

Митохондриальный матрикс имеет низкую концентрацию протонов и отрицательный электрический потенциал, тогда как межмембранное пространство представляет собой обратные условия. Поток протонов через эту мембрану представляет собой электрохимический градиент, который сохраняет необходимую энергию (± 5 ккал / моль на протон) для синтеза АТФ.

Синтез АТФ

Фермент АТФ-синтетаза - пятый комплекс, участвующий в окислительном фосфорилировании. Он отвечает за использование энергии электрохимического градиента для образования АТФ.

Этот трансмембранный белок состоит из двух компонентов: F ₀ и F ₁ . Компонент F ₀ обеспечивает возврат протонов в митохондриальный матрикс, функционируя как канал, а F ₁ катализирует синтез АТФ через АДФ и P _i , используя энергию указанного возврата.

Процесс синтеза АТФ требует структурного изменения F ₁ и сборки компонентов F ₀ и F ₁ . Транслокация протона через F ₀ вызывает конформационные изменения в трех субъединицах F ₁ , что позволяет ему действовать как двигатель вращения, направляя образование АТФ.

Субъединица, отвечающая за связывание ADP с P _i, переходит из слабого состояния (L) в активное (T). Когда образуется АТФ, вторая субъединица переходит в открытое состояние (О), что позволяет этой молекуле высвобождаться. После высвобождения АТФ эта субъединица переходит из открытого состояния в неактивное состояние (L).

Молекулы ADP и P _i связываются с субъединицей, которая перешла из состояния O в состояние L.

товары

Цепь переноса электронов и фосфорилирование производят молекулы АТФ. Окисление НАДН дает около 52,12 ккал / моль (218 кДж / моль) свободной энергии.

Общая реакция окисления НАДН:

НАДН + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + НАД ⁺

Перенос электронов от НАДН и ФАДН ₂ происходит через различные комплексы, позволяя изменению свободной энергии ΔG ° распадаться на более мелкие энергетические «пакеты», которые связаны с синтезом АТФ.

Окисление одной молекулы НАДН приводит к синтезу трех молекул АТФ. В то время как окисление молекулы FADH ₂ сопряжено с синтезом двух АТФ.

Эти коферменты происходят из процессов гликолиза и цикла лимонной кислоты. На каждую расщепленную молекулу глюкозы они в конечном итоге производят 36 или 38 молекул АТФ, в зависимости от расположения клеток. В головном мозге и скелетных мышцах вырабатывается 36 АТФ, а в мышечной ткани - 38 АТФ.

Характеристики

Все организмы, как одноклеточные, так и многоклеточные, нуждаются в минимальном количестве энергии в своих клетках для выполнения процессов внутри них и, в свою очередь, для поддержания жизненно важных функций всего организма.

Для метаболических процессов требуется энергия. Большая часть полезной энергии получается за счет расщепления углеводов и жиров. Эта энергия получается из процесса окислительного фосфорилирования.

Контроль окислительного фосфорилирования

Скорость использования АТФ в клетках контролирует его синтез и, в свою очередь, из-за взаимодействия окислительного фосфорилирования с цепью переноса электронов также обычно регулирует скорость транспорта электронов.

Окислительное фосфорилирование находится под строгим контролем, который гарантирует, что АТФ не вырабатывается быстрее, чем он потребляется. В процессе переноса электронов и сопряженного фосфорилирования есть определенные этапы, которые регулируют скорость производства энергии.

Скоординированный контроль производства АТФ

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

Контроль фосфорилирования соотношением масс АТФ зависит от точного поступления электронов в транспортную цепь. Это, в свою очередь, зависит от отношения /, которое поддерживается высоким действием гликолиза и цикла лимонной кислоты.

Этот скоординированный контроль осуществляется путем регулирования контрольных точек гликолиза (ПФК, ингибируемого цитратом) и цикла лимонной кислоты (пируватдегидрогеназа, цитраттапаза, изоцитратдегидрогеназа и α-кетоглутаратдегидрогеназа).

Контроль акцептором

Комплекс IV (цитохром с оксидаза) представляет собой фермент, регулируемый одним из его субстратов, то есть его активность контролируется восстановленным цитохромом с (с ²⁺ ), который, в свою очередь, находится в равновесии с соотношением концентраций между / и отношение масс / +.

Чем выше отношение / и ниже / +, тем выше концентрация цитохрома и выше активность комплекса IV. Это интерпретируется, например, если мы сравниваем организмы с разными видами активности в состоянии покоя и высокой активности.

У человека с высокой физической активностью потребление АТФ и, следовательно, его гидролиз до АДФ + P _i будет очень высоким, вызывая разницу в соотношении массового действия, которая вызывает увеличение и, следовательно, увеличение синтез АТФ. У человека в состоянии покоя происходит обратная ситуация.

В конечном итоге скорость окислительного фосфорилирования увеличивается с увеличением концентрации АДФ в митохондриях. Эта концентрация зависит от транслокаторов АДФ-АТФ, ответственных за транспорт адениновых нуклеотидов и P _i из цитозоля в митохондриальный матрикс.

Разобщающие агенты

Окислительное фосфорилирование находится под влиянием определенных химических агентов, которые позволяют переносу электронов продолжаться без фосфорилирования АДФ, разъединяя производство и сохранение энергии.

Эти агенты стимулируют скорость потребления кислорода митохондриями в отсутствие АДФ, также вызывая усиление гидролиза АТФ. Они работают, удаляя промежуточное звено или нарушая энергетическое состояние в цепи переноса электронов.

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

Это соединение использовалось в качестве «таблетки для похудения», поскольку было обнаружено, что оно вызывает учащение дыхания, следовательно, увеличение скорости метаболизма и связанную с этим потерю веса. Однако было показано, что его негативный эффект мог даже привести к смерти.

Рассеяние протонного градиента производит тепло. Клетки в коричневой жировой ткани используют гормонально контролируемое разобщение для производства тепла. Спящие млекопитающие и новорожденные без шерсти состоят из этой ткани, которая служит своего рода тепловым одеялом.

Ингибиторы

Ингибирующие соединения или агенты предотвращают как потребление О ₂ (перенос электронов), так и связанное с ним окислительное фосфорилирование. Эти агенты предотвращают образование АТФ за счет использования энергии, производимой в электронном транспорте. Следовательно, транспортная цепочка останавливается, когда указанное потребление энергии недоступно.

Антибиотик олигомицин действует как ингибитор фосфорилирования у многих бактерий, предотвращая стимуляцию синтеза АТФ от АДФ.

Существуют также ионофорные агенты, которые образуют жирорастворимые комплексы с катионами, такими как K ⁺ и Na ⁺ , и проходят через митохондриальную мембрану с этими катионами. Затем митохондрии используют энергию, производимую в электронном транспорте, для перекачки катионов вместо синтеза АТФ.

Ссылки

1. Альбертс Б., Брей Д., Хопкин К., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К. и Уолтер П. (2004). Существенная клеточная биология. Нью-Йорк: Наука о гирляндах.
2. Купер, Г.М., Хаусман, Р.Е. и Райт, Н. (2010). Клетка. (стр. 397-402). Марбан.
3. Девлин, TM (1992). Учебник биохимии: с клиническими соотношениями. John Wiley & Sons, Inc.
4. Гаррет, Р. Х. и Гришем, К. М. (2008). Биохимия. Томсон Брукс / Коул.
5. Лодиш, Х., Дарнелл, Дж. Э., Берк, А., Кайзер, Калифорния, Кригер, М., Скотт, М. П., и Мацудаира, П. (2008). Молекулярно-клеточная биология. Macmillan.
6. Нельсон Д.Л. и Кокс М.М. (2006). Принципы биохимии Ленингера, 4-е издание. Эд Омега. Барселона.
7. Воет, Д. и Воет, Дж. Г. (2006). Биохимия. Panamerican Medical Ed.