Oxidativa fosforyleringssteg, produkter, funktioner och hämmare



den oxidativ fosforylering är en process där ATP-molekyler syntetiseras från ADP och Pjag (oorganiskt fosfat). Denna mekanism utförs av bakterier och eukaryota celler. I eukaryota celler utförs fosforylering i den mitokondriska matrisen av icke-fotosyntetiska celler.

Produktionen av ATP drivs av överföringen av elektroner från NADH- eller FADH-koenzymer2 O2. Denna process representerar den högsta energiproduktionen i cellen och härrör från nedbrytningen av kolhydrater och fetter.

Den energi som lagras i laddnings- och pH-gradienterna, även känd som protonmotivkraft, möjliggör denna process att utföras. Protongradienten som genereras medför att membrans yttre del har en positiv laddning på grund av koncentrationen av protoner (H+) och mitokondriematrisen är negativ.

index

  • 1 Där oxidativ fosforylering sker?
    • 1.1 Cellkraftverk
  • 2 etapper
    • 2.1 Elektrontransportkedja
    • 2.2 Succinat CoQ-reduktas
    • 2.3 Koppling eller transduktion av energi
    • 2.4 Kemosmotisk koppling
    • 2,5 Syntes av ATP
  • 3 produkter
  • 4 funktioner
  • 5 Kontroll av oxidativ fosforylering
    • 5.1 Samordnad kontroll av ATP-produktion
    • 5.2 Kontroll av godkännare
    • 5.3 Uncoupling agenter
    • 5,4 inhibitorer
  • 6 referenser

Var sker oxidativ fosforylering?

Processerna av elektrontransport och oxidativ fosforylering är associerade med ett membran. I prokaryoter utförs dessa mekanismer genom plasmamembranet. I eukaryota celler associerar de med mitokondriernas membran.

Antalet mitokondrier som finns i celler varierar beroende på typen av cell. Till exempel saknar erytrocyter hos däggdjur dessa organeller, medan andra celltyper, såsom muskelceller, kan ha upp till miljontals av dem.

Det mitokondriska membranet består av ett enkelt yttre membran, ett något mer komplext inre membran, och i mitten av dem är det intermembranalutrymme där många ATP-beroende enzymer är belägna.

Det yttre membranet innehåller ett protein som kallas porin som bildar kanalerna för enkel diffusion av små molekyler. Detta membran är ansvarigt för att upprätthålla mitochondriernas struktur och form.

Det inre membranet har en högre densitet och är rik på proteiner. Det är också ogenomsläppligt för molekyler och joner, för att korsa det, behöver de intermembrana proteiner som transporterar dem.

Inuti matrisen sträcker sig det inre membrans veck, vilket bildar åsar som gör det möjligt att ha ett stort område i en liten volym.

Cellkraftverk

Mitokondrier anses vara den centrala producenten av cellulär energi. I det är enzymerna som är involverade i processerna av citronsyracykeln, oxidation av fettsyror och enzymer och redoxproteiner av elektrontransport och fosforylering av ADP.

Protonkoncentrationsgradienten (pH-gradient) och lutningsgradienten eller elpotentialen i mitokondriernas inre membran är ansvariga för protonmotivkraften. Den låga permeabiliteten hos det inre membranet för joner (annat än H)+) tillåter mitokondrier att ha en stabil spänningsgradient.

Elektronisk transport, pumpning av protoner och erhållande av ATP förekommer samtidigt i mitokondrier tack vare protonmotivkraft. PH-gradienten upprätthåller sura betingelser i intermembranen och den mitokondriella matrisen med alkaliska betingelser.

För vartannat elektron överförs till OR2 Omkring 10 protoner pumpas genom membranet, vilket skapar en elektrokemisk gradient. Den energi som frigörs i denna process produceras gradvis genom passage av elektroner genom transportkedjan.

stadier

Den energi som släpptes under oxidations-reduktionsreaktionerna av NADH och FADH2 Det är väsentligt högt (omkring 53 kcal / mol för varje par elektroner), så att de kan användas vid tillverkning av ATP-molekyler, måste det framställas gradvis med passage av elektroner genom transportörer.

Dessa är organiserade i fyra komplex som ligger i det inre mitokondriella membranet. Kopplingen av dessa reaktioner till syntesen av ATP utförs i ett femte komplex.

Elektrontransportkedja

NADH överför ett par elektroner som går in i komplexa I av elektrontransportkedjan. Elektronerna överförs till flavinmononukleotiden, och därefter till ubiquinonen (koenzym Q) genom en järn-svaveltransportör. Denna process frigör en stor mängd energi (16,6 kcal / mol).

Ubiquinon transporterar elektroner genom membranet till komplexet III. I detta komplex går elektronerna genom cytokromerna b och c1 tack vare en järn-svavel transportör.

Från komplex III passerar elektronerna till IV-komplexet (cytokrom c oxidas), överfört en efter en till cytokrom c (membran perifer protein). I IV-komplexet passerar elektronerna genom ett par kopparjoner (Cutill2+), sedan till cytokrom ctill, sedan till ett annat par kopparjoner (Cub2+) och från detta till cytokrom a3.

Slutligen överförs elektronerna till OR2 vilken är den sista acceptorn och bildar en vattenmolekyl (H2O) för varje par elektroner mottagna. Passagen av elektroner från komplex IV till O2 genererar också en stor mängd fri energi (25,8 kcal / mol).

Succinat CoQ-reduktas

Komplex II (succinat-CoQ-reduktas) mottar ett par elektroner från citronsyracykeln, genom oxidation av en molekyl succinat till fumarat. Dessa elektroner överförs till FAD, som passerar genom en järn-svavelgrupp, till ubiquinonen. Från detta koenzym går de till komplex III och följer den tidigare beskrivna rutten.

Den energi som frigörs i elektronöverföringsreaktionen till FAD är inte tillräcklig för att driva protonen genom membranet, så i detta steg i kedjan genereras ingen protonisk drivkraft och följaktligen ger FADH mindre H+ att NADH.

Koppling eller transduktion av energi

Den energi som genereras i den tidigare beskrivna elektrontransportprocessen bör kunna användas för produktion av ATP, en reaktion katalyserad av enzymet ATP-syntas eller komplex V. Behållandet av denna energi kallas energikoppling och mekanismen har varit svår att karakterisera.

Flera hypoteser har beskrivits för att beskriva denna energitransduktion. Den bästa accepterade är den kemosmotiska kopplingshypotesen, som beskrivs nedan.

Kemosmotisk koppling

Denna mekanism föreslår att den energi som används för syntesen av ATP kommer från en protonisk gradient i cellmembran. Denna process ingriper i mitokondrier, kloroplaster och bakterier och är kopplad till elektrontransport.

Komplex I och IV för elektronisk transport fungerar som protonpumpar. Dessa genomgår konformationella förändringar som gör det möjligt för dem att pumpa protonen i intermembranalutrymmet. I IV-komplexet för varje par elektroner pumpas två protoner ut ur membranet och två kvarstår i matrisen som bildar H2O.

Ubiquinon i komplex III accepterar protoner från komplexen I och II och frigör dem utanför membranet. Komplexen I och III tillåter varje passage av fyra protoner för varje par av elektroner som transporteras.

Den mitokondriska matrisen har en låg koncentration av protoner och negativ elektrisk potential, medan intermembranutrymmet presenterar de inversa förhållandena. Flödet av protoner genom detta membran innefattar den elektrokemiska gradienten som lagrar den nödvändiga energin (± 5 kcal / mol per proton) för syntesen av ATP.

Syntes av ATP

Enzymet ATP-syntetas är det femte komplexet som är involverat i oxidativ fosforylering. Det är ansvarigt för att utnyttja energin hos den elektrokemiska gradienten för att bilda ATP.

Detta transmembranprotein består av två komponenter: F0 och F1. Komponenten F0 låter protonernas återkomst till mitokondriellmatrisen fungera som en kanal och F1 katalyserar syntesen av ATP genom ADP och Pjag, använder energin av nämnda retur.

ATP-syntesprocessen kräver en strukturell förändring i F1 och sammansättningen av F-komponenterna0 och F1. Proton-translokationen genom F0 orsakar konformationsförändringar i tre underenheter av F1, så att den kan fungera som en rotationsmotor som styr bildandet av ATP.

Den subenhet som är ansvarig för bindningen av ADP med Pjag det går från en svag stat (L) till en aktiv (T). När ATP bildas, går en andra subenhet till ett öppet tillstånd (O) som tillåter frisättningen av denna molekyl. Efter att ATP släppts går denna subenhet från öppet tillstånd till ett inaktivt tillstånd (L).

Molekylerna av ADP och Pjag gå med i en underenhet som har gått från ett O-tillstånd till L-staten.

producera

Elektrontransportkedjan och fosforyleringen ger ATP-molekyler. Oxidation av NADH producerar cirka 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) fri energi.

Den totala reaktionen för oxidationen av NADH är:

NADH + 1/2 O2 +H+ ↔ H2O + NAD+

Överföringen av elektroner från NADH och FADH2 den ges genom flera komplex, vilket medger att den fria energiförändringen ΔG ° delas in i mindre "paket" av energi, vilka är kopplade till syntesen av ATP.

Oxidationen av en NADH-molekyl alstrar syntesen av tre molekyler av ATP. Medan oxidationen av en FADH-molekyl2 är kopplad till syntesen av två ATP.

Dessa koenzymer kommer från processerna av glykolys och citronsyracykeln. För varje molekyl av glukosnedbrytning produceras 36 eller 38 molekyler av ATP, beroende på cellernas placering. 36 ATP produceras i hjärnan och skelettmuskeln medan 38 ATP produceras i muskelvävnad.

funktioner

Alla organismer, unicellular och pluricellular, behöver en minimal energi i sina celler för att genomföra processerna inom dem, och i sin tur upprätthålla vitala funktioner i hela organismen.

Metaboliska processer kräver energi att utföra. Mest av användbar energi erhålls genom nedbrytning av kolhydrater och fetter. Den nämnda energin härrör från den oxidativa fosforyleringsprocessen.

Kontroll av oxidativ fosforylering

Användningsgraden av ATP i cellerna, som styr syntesen av densamma, och i sin tur, på grund av kopplingen av oxidativ fosforylering med elektrontransportkedjan, också generellt reglerar hastigheten för elektrontransport.

Oxidativ fosforylering har en strikt kontroll som säkerställer att ATP inte genereras snabbare än det konsumeras. Det finns vissa steg i processen med elektrontransport och kopplad fosforylering som reglerar energiproduktionshastigheten.

Samordnad kontroll av ATP-produktion

De viktigaste energiproduktionsvägarna (cellulär ATP) är glykolys, citronsyracykeln och oxidativ fosforylering. Den samordnade kontrollen av dessa tre processer reglerar syntesen av ATP.

Kontrollen av fosforylering genom massaktivitetsförhållandet för ATP beror på det exakta bidraget av elektroner i transportkedjan. Detta beror i sin tur på förhållandet [NADH] / [NAD+] som bevaras förhöjd genom verkan av glykolys och citronsyracykeln.

Denna samordnad styrning utförs genom reglering av kontrollpunkter i glykolysen (PFK inhiberas av citrat) och citronsyracykeln (pyruvatdehydrogenas, CINTASA citrat, isocitratdehydrogenas och α-ketoglutarat-dehydrogenas).

Kontroll av acceptor

IV-komplexet (cytokrom c oxidas) är ett enzym som regleras av ett av dess substrat, vilket innebär att dess aktivitet styrs av reducerad cytokrom c (c2+), som i sin tur är i jämvikt med förhållandet mellan koncentrationer mellan [NADH] / [NAD+] och massaktivitetsförhållandet för [ATP] / [ADP] + [Pjag].

Ju högre förhållandet [NADH] / [NAD]+] och sänk [ATP] / [ADP] + [Pjag], desto mer koncentration kommer det att finnas cytokrom [c2+] och aktiviteten hos IV-komplexet blir större. Detta tolkas, till exempel, om vi jämför organismer med olika aktiviteter av vila och hög aktivitet.

Vid en individ med hög fysisk aktivitet är konsumtionen av ATP och därmed dess hydrolys till ADP + Pjag kommer att vara mycket hög, vilket ger en skillnad i massaktivitetsförhållandet som orsakar en ökning av [c2+] och därmed en ökning i syntesen av ATP. I en individ i vila uppstår omvänd situation.

I slutet ökar frekvensen av oxidativ fosforylering med koncentrationen av ADP inom mitokondrier. Denna koncentration beror på ADP-ATP-translokatorer som är ansvariga för transporten av adeninukleotider och Pjag från cytosolen till mitokondriellmatrisen.

Uncoupling agenter

Oxidativ fosforylering påverkas av vissa kemiska ämnen, vilket tillåter elektronisk transport att fortsätta utan fosforylering av ADP som uppstår, avkoppling av produktion och bevarande av energi.

Dessa medel stimulerar syrekonsumtionshastigheten hos mitokondrier i frånvaro av ADP, vilket också orsakar en ökning av hydrolysen av ATP. De verkar genom att eliminera en mellanhand eller bryta energitillståndet hos elektrontransportkedjan.

2,4-dinitrofenol, en svag syra som passerar genom mitokondriemembranen, är ansvarig för att avleda protonen lutning, sedan gå med dem i den sura sidan och släpptes på grundläggande sida.

Denna förening användes som ett "viktminskningspiller" eftersom det befanns ge en ökning av andning, därför en ökning av metabolisk hastighet och associerad viktminskning. Det visade sig emellertid att dess negativa effekt skulle kunna orsaka dödsfallet.

Dissipation av protongradienten ger upphov till värme. Bruna fettvävnadsceller använder frikoppling, kontrollerad hormonellt, för att producera värme. Hibernating däggdjur och nyfödda som saknar hår består av denna vävnad som fungerar som en slags termisk filt.

inhibitorer

Föreningarna eller hämmande ämnen förhindrar både konsumtionen av O2 (elektronisk transport) som den associerade oxidativa fosforyleringen. Dessa medel förhindrar bildandet av ATP genom att använda den energi som produceras i elektronisk transport. Därför stannar transportkedjan när denna energiförbrukning inte är tillgänglig.

Antibiotikoligomycinet fungerar som en inhibitor av fosforylering i många bakterier, förhindrande av stimulering av ADP till syntesen av ATP.

Det finns också jonoformedel, som gör liposoluble komplex med katjoner som K+ och Na+, och de passerar genom mitokondriska membranet med nämnda katjoner. Mitokondrier använder sedan energin som produceras i elektronisk transport till pumpkatjoner istället för att syntetisera ATP.

referenser

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Väsentlig cellbiologi. New York: Garland Science.
  2. Cooper, G. M., Hausman, R.E. & Wright, N. (2010). Cellen. (sid 397-402). Marban.
  3. Devlin, T. M. (1992). Textbok för biokemi: med kliniska korrelationer. John Wiley & Sons, Inc.
  4. Garrett, R. H., & Grisham, C. M. (2008). biokemi. Thomson Brooks / Cole.
  5. Lodish, H., Darnell, J. E., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Scott, M. P., & Matsudaira, P. (2008). Mollecular cellbiologi. Macmillan.
  6. Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2006). Lehninger-principerna för biokemi 4: e upplagan. Ed Omega. Barcelona.
  7. Voet, D., & Voet, J.G. (2006). biokemi. Ed. Panamericana Medical.