Oxidatieve fosforyleringsstadia, producten, functies en remmers

de oxidatieve fosforylering is een proces waarbij ATP-moleculen worden gesynthetiseerd uit ADP en P_ik (anorganisch fosfaat). Dit mechanisme wordt uitgevoerd door bacteriën en eukaryote cellen. In eukaryote cellen wordt fosforylering uitgevoerd in de mitochondriale matrix van niet-fotosynthetische cellen.

De productie van ATP wordt aangedreven door de overdracht van elektronen van NADH of FADH co-enzymen₂ de O₂. Dit proces vertegenwoordigt de hoogste energieproductie in de cel en is afgeleid van de afbraak van koolhydraten en vetten.

De energie opgeslagen in de ladings- en pH-gradiënten, ook bekend als protonische aandrijfkracht, maakt het mogelijk dit proces uit te voeren. De proton-gradiënt die wordt gegenereerd, zorgt ervoor dat het buitenste deel van het membraan een positieve lading heeft vanwege de concentratie van protonen (H.⁺) en de mitochondriale matrix is ​​negatief.

index

• 1 Waar oxidatieve fosforylatie optreedt?
  • 1.1 Mobiele centrale
• 2 fasen
  • 2.1 Electron-transportketen
  • 2.2 Succulaat CoQ-reductase
  • 2.3 Koppeling of transductie van energie
  • 2.4 Chemosmotische koppeling
  • 2.5 Synthese van ATP
• 3 producten
• 4 functies
• 5 Beheersing van oxidatieve fosforylatie
  • 5.1 Gecoördineerde controle van ATP-productie
  • 5.2 Controle door acceptor
  • 5.3 Ontkoppelingsmiddelen
  • 5.4 Remmers
• 6 Referenties

Waar vindt oxidatieve fosforylatie plaats?

De processen van elektronentransport en oxidatieve fosforylering zijn geassocieerd met een membraan. In prokaryoten worden deze mechanismen uitgevoerd via het plasmamembraan. In eukaryote cellen associëren ze zich met het membraan van de mitochondriën.

Het aantal mitochondriën in cellen varieert afhankelijk van het type cel. In zoogdieren missen erytrocyten bijvoorbeeld deze organellen, terwijl andere celtypen, zoals spiercellen, tot miljoenen van hen kunnen bevatten.

Het mitochondriale membraan bestaat uit een eenvoudig buitenmembraan, een iets complexer inwendig membraan en in het midden daarvan de intermembranale ruimte, waar veel ATP-afhankelijke enzymen zich bevinden.

Het buitenste membraan bevat een eiwit genaamd porine dat de kanalen vormt voor de eenvoudige diffusie van kleine moleculen. Dit membraan is verantwoordelijk voor het behoud van de structuur en vorm van de mitochondriën.

Het interne membraan heeft een hogere dichtheid en is rijk aan eiwitten. Het is ook ondoorlaatbaar voor moleculen en ionen, dus om het te doorkruisen, hebben ze intermembraan eiwitten nodig die ze transporteren.

Binnen de matrix strekken plooien van het binnenmembraan zich uit en vormen richels die het mogelijk maken om een ​​groot oppervlak in een klein volume te hebben.

Cell power plant

De mitochondriën worden beschouwd als de centrale producent van cellulaire energie. Daarin zijn de enzymen betrokken bij de processen van de citroenzuurcyclus, oxidatie van vetzuren en enzymen en redox-eiwitten van elektronentransport en fosforylatie van ADP.

De protonconcentratiegradiënt (pH-gradiënt) en de gradiënt van ladingen of elektrische potentiaal in het binnenmembraan van de mitochondriën zijn verantwoordelijk voor de protonen-drijvende kracht. De lage permeabiliteit van het interne membraan voor ionen (anders dan H)⁺) zorgt ervoor dat de mitochondria een stabiele spanningsgradiënt hebben.

Het elektronische transport, pompen van protonen en het verkrijgen van ATP komen gelijktijdig voor in de mitochondria, dankzij de protonische drijvende kracht. De pH-gradiënt handhaaft zuurcondities in het intermembraan en de mitochondriale matrix met alkalische omstandigheden.

Voor elke twee elektronen die worden overgebracht naar de OK₂ Ongeveer 10 protonen worden door het membraan gepompt, waardoor een elektrochemische gradiënt ontstaat. De energie die vrijkomt bij dit proces wordt geleidelijk geproduceerd door de passage van elektronen door de transportketting.

stadia

De energie die vrijkomt tijdens de oxidatie-reductiereacties van NADH en FADH₂ het is aanzienlijk hoog (ongeveer 53 kcal / mol voor elk paar elektronen), dus om te worden gebruikt bij de vervaardiging van ATP-moleculen, moet het geleidelijk worden geproduceerd met de passage van elektronen door transporters.

Deze zijn georganiseerd in vier complexen in het binnenste mitochondriale membraan. De koppeling van deze reacties aan de synthese van ATP wordt uitgevoerd in een vijfde complex.

Electron transportketen

NADH brengt een elektronenpaar in het complex I van de elektronen transportketen. Elektronen worden overgebracht naar flavine mononucleotide en vervolgens ubichinon (coenzym Q) via een transporteur ijzerzwavel. Dit proces geeft een grote hoeveelheid energie vrij (16,6 kcal / mol).

Ubiquinone transporteert elektronen door het membraan naar complex III. In dit complex gaan de elektronen door de cytochromen b en c₁ dankzij een ijzer-zwaveltransporter.

Complex III door elektronen complex IV (cytochroom-c-oxidase), één voor één overgebracht in cytochroom c (perifeer membraaneiwit). In het IV-complex passeren de elektronen een paar koperionen (Cu_naar²⁺), vervolgens naar cytochroom c_naar, vervolgens naar een ander paar koperionen (Cu_b²⁺) en van dit naar cytochroom a₃.

Uiteindelijk worden de elektronen overgedragen naar de OK₂ welke de laatste acceptor is en een watermolecuul vormt (H.₂O) voor elk paar ontvangen elektronen. De doorgang van elektronen van complexe IV naar O₂ genereert ook een grote hoeveelheid vrije energie (25,8 kcal / mol).

Succulaat CoQ-reductase

Complex II (succinaat CoQ-reductase) ontvangt een paar elektronen uit de citroenzuurcyclus, door de oxidatie van een molecuul van succinaat tot fumaraat. Deze elektronen worden overgebracht naar de FAD, door een ijzer-zwavelgroep, naar het ubiquinon. Van dit co-enzym gaan ze naar complex III en volgen de eerder beschreven route.

De energie die vrijkomt bij de elektronenoverdrachtsreactie op de FAD is niet genoeg om de protonen door het membraan te drijven, dus in deze stap van de keten wordt geen protonische aandrijfkracht gegenereerd en bijgevolg levert de FADH minder H op⁺ dat de NADH.

Koppeling of transductie van energie

De energie die wordt gegenereerd in het eerder beschreven elektronentransportproces zou moeten kunnen worden gebruikt voor de productie van ATP, een reactie die wordt gekatalyseerd door het enzym ATP-synthase of complex V. Het behoud van deze energie staat bekend als energiekoppeling, en het mechanisme is moeilijk te karakteriseren.

Verschillende hypotheses zijn beschreven om deze energietransductie te beschrijven. De best geaccepteerde is de chemokosmische koppelingshypothese, die hieronder wordt beschreven.

Chemosmotische koppeling

Dit mechanisme stelt voor dat de energie die wordt gebruikt voor de synthese van ATP afkomstig is van een protonische gradiënt in celmembranen. Dit proces komt tussen in mitochondriën, chloroplasten en bacteriën en is gekoppeld aan elektronentransport.

Complexen I en IV van elektronisch transport fungeren als protonpompen. Deze ondergaan conformationele veranderingen waardoor ze de protonen in de intermembranale ruimte kunnen pompen. In het IV-complex voor elk paar elektronen worden twee protonen uit het membraan gepompt en er blijven er nog twee in de matrix die H vormen₂O.

Ubiquinon in complex III accepteert protonen van complexen I en II en maakt deze buiten het membraan vrij. Complexen I en III staan ​​elk de passage toe van vier protonen voor elk paar getransporteerde elektronen.

De mitochondriale matrix lage protonconcentratie en negatieve elektrische potentiaal, terwijl de intermembrane ruimte presenteert omgekeerde omstandigheden. De stroom van protonen door dit membraan omvat de elektrochemische gradiënt die de noodzakelijke energie (± 5 kcal / mol per proton) voor de synthese van ATP opslaat.

Synthese van ATP

Het enzym ATP-synthetase is het vijfde complex dat betrokken is bij oxidatieve fosforylering. Het is verantwoordelijk voor het benutten van de energie van de elektrochemische gradiënt om ATP te vormen.

Dit transmembraaneiwit bestaat uit twee componenten: F₀ en F₁. Het onderdeel F₀ staat de terugkeer toe van de protonen naar de mitochondriale matrix die functioneert als een kanaal en de F₁ katalyseert de synthese van ATP via ADP en P_ik, de energie van die terugkeer gebruiken.

Het ATP-syntheseproces vereist een structurele verandering in F₁ en de montage van de F-componenten₀ en F₁. De proton-translocatie door F₀ veroorzaakt conformationele veranderingen in drie subeenheden van de F₁, waardoor het als een rotatiemotor kan werken en de vorming van de ATP regisseert.

De subeenheid die verantwoordelijk is voor de binding van ADP met P_ik het gaat van een zwakke toestand (L) naar een actieve (T). Wanneer ATP wordt gevormd, gaat een tweede subeenheid naar een open toestand (O) die de afgifte van dit molecuul mogelijk maakt. Nadat de ATP is vrijgegeven, gaat deze subeenheid van de open status naar een inactieve status (L).

De moleculen van ADP en P_ik toetreden tot een subeenheid die van een O-status naar de L-status is gegaan.

produceren

De elektronentransportketen en fosforylering produceren ATP-moleculen. Oxidatie van NADH produceert ongeveer 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) vrije energie.

De algemene reactie voor de oxidatie van NADH is:

NADH + 1/2 O₂ +H⁺ ↔ H₂O + NAD⁺

De overdracht van elektronen van NADH en FADH₂ het wordt door verschillende complexen gegeven, waardoor de vrije energiewijziging AG ° kan worden verdeeld in kleinere "pakketten" van energie, die gekoppeld zijn aan de synthese van de ATP.

De oxidatie van een NADH-molecuul genereert de synthese van drie ATP-moleculen. Terwijl de oxidatie van een FADH-molecuul₂ is gekoppeld aan de synthese van twee ATP.

Deze co-enzymen komen uit de processen van glycolyse en de citroenzuurcyclus. Voor elk molecuul glucose dat wordt afgebroken, worden 36 of 38 moleculen ATP geproduceerd, afhankelijk van de locatie van de cellen. 36 ATP worden geproduceerd in de hersenen en skeletspieren, terwijl 38 ATP worden geproduceerd in spierweefsel.

functies

Alle organismen, eencellige en meercellige, moet een minimale energie in hun cellen om de processen binnen deze uit te voeren, en op zijn beurt te behouden vitale functies in het hele organisme.

Metabolische processen vereisen dat energie wordt uitgevoerd. Het grootste deel van de bruikbare energie wordt verkregen door de afbraak van koolhydraten en vetten. Deze energie is afgeleid van het oxidatieve fosforylatieproces.

Beheersing van oxidatieve fosforylatie

De benuttingsgraad van ATP in de cellen regelen de bereiding daarvan, en op zijn beurt, door de koppeling van oxidatieve fosforylering met electronentransportketting regelt ook het algemeen de snelheid van elektronentransport.

Oxidatieve fosforylatie heeft een strikte controle die ervoor zorgt dat ATP niet sneller wordt gegenereerd dan dat het wordt geconsumeerd. Er zijn bepaalde stappen in het proces van elektronentransport en gekoppelde fosforylering die de snelheid van energieproductie regelen.

Gecoördineerde controle van ATP-productie

De belangrijkste energieproductiepaden (cellulair ATP) zijn glycolyse, de citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylatie. De gecoördineerde controle van deze drie processen reguleert de synthese van ATP.

De controle van fosforylatie door de massa-actieverhouding van ATP hangt af van de precieze bijdrage van elektronen in de transportketen. Dit hangt op zijn beurt weer af van de relatie [NADH] / [NAD⁺] die bewaard blijft door de werking van glycolyse en de citroenzuurcyclus.

Deze gecoördineerde controle wordt uitgevoerd door regeling van de controlepunten in glycolyse (PFK geremd door citraat) en citroenzuurcyclus (Pyruvaat dehydrogenase, citraat CINTASA, isocitraatdehydrogenase en α-ketoglutaraat dehydrogenase).

Controle door acceptant

Het IV-complex (cytochroom c-oxidase) is een enzym dat door een van zijn substraten wordt gereguleerd, wat betekent dat de activiteit ervan wordt gereguleerd door verminderd cytochroom c (c²⁺), die op zijn beurt in evenwicht is met de verhouding van concentraties tussen [NADH] / [NAD⁺] en de massa-actieverhouding van [ATP] / [ADP] + [Blz_ik].

Hoe hoger de relatie [NADH] / [NAD]⁺] en verlaag de [ATP] / [ADP] + [Blz_ik], hoe meer concentratie er zal zijn van cytochroom [c²⁺] en de activiteit van het IV-complex zal groter zijn. Dit wordt bijvoorbeeld geïnterpreteerd als we organismen vergelijken met verschillende activiteiten van rust en hoge activiteit.

Bij een persoon met een hoge fysieke activiteit, de consumptie van ATP en dus de hydrolyse ervan tot ADP + P_ik zal zeer hoog zijn, waardoor een verschil in de massabewerkingsverhouding wordt gegenereerd die een toename van [c²⁺] en dus een toename in de synthese van ATP. In een persoon in rust, gebeurt de omgekeerde situatie.

Uiteindelijk neemt de snelheid van oxidatieve fosforylering toe met de concentratie van ADP in de mitochondriën. Deze concentratie is afhankelijk van ADP-ATP-translocators die verantwoordelijk zijn voor het transport van adenine-nucleotiden en P_ik van het cytosol naar de mitochondriale matrix.

Ontkoppelingsmiddelen

Oxidatieve fosforylering wordt beïnvloed door bepaalde chemicaliën, die elektronentransport mogelijk blijven zonder ADP fosforylering optreedt, ontkoppeling behoud productie van energie.

Deze middelen stimuleren de zuurstofconsumptie van de mitochondriën in afwezigheid van ADP, waardoor ook de hydrolyse van ATP wordt verhoogd. Ze handelen door een tussenpersoon te elimineren of een energietoestand van de elektronentransportketen te doorbreken.

2,4-dinitrofenol, een zwak zuur dat door de mitochondriale membranen passeert, is verantwoordelijk voor het afvoeren van de protongradiënt, dan treden ze in het zure kant en vrij eenvoudig kant.

Deze verbinding werd als "thin pill" zoals bleek een verhoging van de ademhaling, derhalve een toename van de stofwisseling en bijbehorende gewichtsverlies veroorzaken. Er werd echter aangetoond dat het negatieve effect zelfs de dood zou kunnen veroorzaken.

Dissipatie van de proton-gradiënt produceert warmte. Bruine vetweefselcellen gebruiken ontkoppeling, hormonaal geregeld, om warmte te produceren. Winterslaapzoogdieren en pasgeborenen zonder haar bestaan ​​uit dit weefsel dat als een soort thermische deken dient.

remmers

De verbindingen of remmende middelen voorkomen zowel het verbruik van O₂ (elektronisch transport) als de bijbehorende oxidatieve fosforylatie. Deze middelen voorkomen de vorming van ATP door de energie te gebruiken die wordt geproduceerd in elektronisch transport. Daarom stopt de transportketen wanneer dit energieverbruik niet beschikbaar is.

Het antibioticum oligomycine werkt als een remmer van fosforylatie in veel bacteriën, waardoor de stimulatie van ADP tot de synthese van ATP wordt voorkomen.

Er zijn ook ionofore middelen, die liposoluble complexen maken met kationen zoals K⁺ en Na⁺, en ze gaan door het mitochondriale membraan met deze kationen. De mitochondriën gebruiken vervolgens de energie die wordt geproduceerd in elektronisch transport om kationen te verpompen in plaats van ATP te synthetiseren.

referenties

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Essentiële celbiologie. New York: Garland Science.
2. Cooper, G. M., Hausman, R. E. & Wright, N. (2010). De cel. (blz. 397-402). Marban.
3. Devlin, T. M. (1992). Leerboek biochemie: met klinische correlaties. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, R. H., & Grisham, C. M. (2008). biochemie. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, J.E., Berk, A., Kaiser, C.A., Krieger, M., Scott, M. P., & Matsudaira, P. (2008). Molleculaire celbiologie. Macmillan.
6. Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2006). Lehninger Principles of Biochemistry 4e editie. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D., & Voet, J.G. (2006). biochemie. Ed. Panamericana Medical.