FOSFORILASI OKSIDATIF: TAHAP, FUNGSI DAN PERENCAT - BIOLOGI - 2024

The oksidatif pemfosforilan adalah satu proses di mana molekul disintesis ATP dari ADP dan P _i (fosfat bukan organik). Mekanisme ini dilakukan oleh bakteria dan sel eukariotik. Dalam sel eukariotik, fosforilasi berlaku dalam matriks mitokondria sel bukan fotosintetik.

Penghasilan ATP didorong oleh pemindahan elektron dari koenzim NADH atau FADH ₂ ke O ₂ . Proses ini mewakili penghasilan tenaga utama dalam sel dan berasal dari pemecahan karbohidrat dan lemak.

Sumber: Robot8A

Tenaga yang tersimpan dalam gradien cas dan pH, juga dikenal sebagai kekuatan motif proton, memungkinkan proses ini berlaku. Kecerunan proton yang dihasilkan menyebabkan bahagian luar membran mempunyai cas positif kerana kepekatan proton (H ⁺ ) dan matriks mitokondria menjadi negatif.

Di mana fosforilasi oksidatif berlaku?

Proses pengangkutan elektron dan fosforilasi oksidatif dikaitkan dengan membran. Dalam prokariota, mekanisme ini berlaku melalui membran plasma. Dalam sel eukariotik mereka mengaitkan dengan membran mitokondria.

Bilangan mitokondria yang terdapat dalam sel berbeza bergantung pada jenis sel. Sebagai contoh, pada mamalia, eritrosit kekurangan organel ini, sementara jenis sel lain, seperti sel otot, boleh memiliki berjuta-juta daripadanya.

Membran mitokondria terdiri daripada membran luar yang sederhana, membran dalaman yang agak lebih kompleks, dan di antara mereka ruang intermembran, di mana terdapat banyak enzim yang bergantung pada ATP.

Membran luar mengandungi protein yang disebut porin yang membentuk saluran untuk penyebaran molekul kecil yang sederhana. Membran ini bertanggungjawab untuk menjaga struktur dan bentuk mitokondria.

Membran dalaman mempunyai ketumpatan yang lebih tinggi dan kaya dengan protein. Ia juga tidak kedap untuk molekul dan ion, untuk menyeberanginya, mereka memerlukan protein antimembran untuk mengangkutnya.

Di dalam matriks, lipatan membran dalam memanjang, membentuk rabung yang membolehkannya mempunyai kawasan yang besar dalam jumlah kecil.

Loji kuasa sel

Mitokondria dianggap sebagai pengeluar tenaga selular. Ia mengandungi enzim yang terlibat dalam proses kitaran asid sitrik, pengoksidaan asid lemak, dan enzim redoks dan protein yang terlibat dalam pengangkutan elektron dan fosforilasi ADP.

Kecerunan kepekatan proton (kecerunan pH) dan kecerunan cas atau potensi elektrik pada membran dalaman mitokondria bertanggungjawab terhadap daya motif proton. Kebolehtelapan rendah membran dalaman untuk ion (selain H ⁺ ) membolehkan mitokondria mempunyai kecerunan voltan yang stabil.

Pengangkutan elektronik, pemompaan proton, dan pengeluaran ATP berlaku serentak di mitokondria, berkat kekuatan motif proton. Kecerunan pH mengekalkan keadaan berasid di intermembran dan di matriks mitokondria dengan keadaan alkali.

Untuk setiap dua elektron yang dipindahkan ke O ₂ kira-kira 10 proton dipam melalui membran, mewujudkan kecerunan elektrokimia. Tenaga yang dilepaskan dalam proses ini dihasilkan secara beransur-ansur oleh aliran elektron melalui rantai pengangkutan.

Tahap

Tenaga yang dikeluarkan semasa tindak balas pengurangan oksidasi NADH dan FADH ₂ sangat tinggi (sekitar 53 kcal / mol untuk setiap pasangan elektron), jadi untuk digunakan dalam pembuatan molekul ATP, ia mesti dihasilkan secara beransur-ansur dengan laluan elektron melalui pengangkut.

Ini disusun menjadi empat kompleks yang terletak di membran mitokondria dalaman. Gandingan reaksi ini terhadap sintesis ATP dilakukan di kompleks kelima.

Rangkaian pengangkutan elektron

NADH memindahkan sepasang elektron yang memasuki kompleks I rantai pengangkutan elektron. Elektron dipindahkan ke mononukleotida flavin, dan kemudian ke ubiquinone (koenzim Q) melalui pengangkut besi-sulfur. Proses ini membebaskan sejumlah besar tenaga (16.6 kcal / mol).

Ubiquinone mengangkut elektron melintasi membran ke kompleks III. Di kompleks ini, elektron melalui sitokrom b dan c ₁ berkat pengangkut besi-sulfur.

Elektron melepasi dari kompleks III ke kompleks IV (sitokrom c oksidase), dipindahkan satu persatu dalam sitokrom c (protein membran periferal). Di kompleks IV elektron melewati sepasang ion tembaga (Cu _a ²⁺ ), kemudian ke sitokrom c _a , kemudian ke pasangan ion tembaga yang lain (Cu _b ²⁺ ) dan dari ini ke sitokrom a ₃ .

Akhirnya, elektron dipindahkan ke O ₂ yang merupakan akseptor terakhir dan membentuk molekul air (H ₂ O) untuk setiap pasangan elektron yang diterima. Laluan elektron dari kompleks IV ke O ₂ juga menghasilkan sejumlah besar tenaga bebas (25.8 kcal / mol).

Reduktase Succinate CoQ

Kompleks II (suksinat CoQ reduktase) menerima sepasang elektron dari kitaran asid sitrik, dengan pengoksidaan molekul suksinat menjadi fumarat. Elektron ini dipindahkan ke FAD, melewati kumpulan besi-sulfur, ke ubiquinone. Dari koenzim ini mereka pergi ke kompleks III dan mengikuti jalan yang telah dijelaskan sebelumnya.

Tenaga yang dilepaskan dalam reaksi pemindahan elektron ke FAD tidak cukup untuk menggerakkan proton melalui membran, jadi tidak ada daya motif proton yang dihasilkan dalam langkah rantai ini, dan akibatnya FADH menghasilkan lebih sedikit H ⁺ daripada NADH.

Gandingan atau transduksi tenaga

Tenaga yang dihasilkan dalam proses pengangkutan elektron yang dijelaskan sebelumnya mesti dapat digunakan untuk penghasilan ATP, reaksi yang dikatalisis oleh enzim ATP synthase atau kompleks V. Pemuliharaan tenaga ini dikenali sebagai gandingan tenaga, dan mekanisme telah sukar untuk dicirikan.

Beberapa hipotesis telah dijelaskan untuk menggambarkan transduksi tenaga ini. Yang paling diterima adalah hipotesis gandingan chemosmotic, yang dijelaskan di bawah.

Gandingan chemosmotic

Mekanisme ini menunjukkan bahawa tenaga yang digunakan untuk sintesis ATP berasal dari kecerunan proton pada membran sel. Proses ini campur tangan dalam mitokondria, kloroplas dan bakteria dan dihubungkan dengan pengangkutan elektron.

Kompleks I dan IV pengangkutan elektron bertindak sebagai pam proton. Ini mengalami perubahan konformasi yang memungkinkan mereka mengepam proton ke ruang antarmembran. Di kompleks IV, untuk setiap pasangan elektron, dua proton dipam keluar dari membran dan dua lagi kekal di matriks, membentuk H ₂ O.

Ubiquinone dalam kompleks III menerima proton dari kompleks I dan II dan melepaskannya ke bahagian luar membran. Kompleks I dan III masing-masing membenarkan laluan empat proton untuk setiap pasangan elektron yang diangkut.

Matriks mitokondria mempunyai kepekatan proton yang rendah dan potensi elektrik negatif, sementara ruang antarmembran menunjukkan keadaan terbalik. Aliran proton melalui membran ini mewakili kecerunan elektrokimia yang menyimpan tenaga yang diperlukan (± 5 kcal / mol per proton) untuk sintesis ATP.

Sintesis ATP

Enzim ATP synthetase adalah kompleks kelima yang terlibat dalam fosforilasi oksidatif. Ia bertanggungjawab untuk memanfaatkan tenaga kecerunan elektrokimia untuk membentuk ATP.

Protein transmembran ini terdiri daripada dua komponen: F ₀ dan F ₁ . Komponen F ₀ membolehkan pengembalian proton ke matriks mitokondria, berfungsi sebagai saluran dan F ₁ memangkinkan sintesis ATP melalui ADP dan P _i , menggunakan tenaga pulangan tersebut.

Proses sintesis ATP memerlukan perubahan struktur pada F ₁ dan pemasangan komponen F ₀ dan F ₁ . Translokasi proton melalui F ₀ menyebabkan perubahan konformasi dalam tiga subunit F ₁ , memungkinkannya bertindak sebagai motor putaran, mengarahkan pembentukan ATP.

Subunit yang bertanggungjawab untuk mengikat ADP dengan P _i berubah dari keadaan lemah (L) menjadi keadaan aktif (T). Apabila ATP terbentuk, subunit kedua masuk ke keadaan terbuka (O) yang memungkinkan pembebasan molekul ini. Selepas ATP dilepaskan, subunit ini beralih dari keadaan terbuka ke keadaan tidak aktif (L).

Molekul ADP dan P _i mengikat subunit yang telah berlalu dari keadaan O ke keadaan L.

produk

Rantai pengangkutan elektron dan fosforilasi menghasilkan molekul ATP. Pengoksidaan NADH menghasilkan kira-kira 52.12 kcal / mol (218 kJ / mol) tenaga bebas.

Reaksi keseluruhan untuk pengoksidaan NADH adalah:

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Pemindahan elektron dari NADH dan FADH ₂ berlaku melalui pelbagai kompleks, yang membolehkan perubahan tenaga bebas ΔG ° dipecah menjadi "paket" tenaga yang lebih kecil, yang digabungkan dengan sintesis ATP.

Pengoksidaan satu molekul NADH menghasilkan sintesis tiga molekul ATP. Manakala pengoksidaan molekul FADH ₂ digabungkan dengan sintesis dua ATP.

Koenzim ini berasal dari proses kitaran glikolisis dan asid sitrik. Untuk setiap molekul glukosa yang terdegradasi mereka akhirnya menghasilkan 36 atau 38 molekul ATP, bergantung pada lokasi sel. Di otak dan otot rangka 36 ATP dihasilkan manakala di tisu otot 38 ATP dihasilkan.

ciri-ciri

Semua organisma, uniseluler dan multiselular, memerlukan tenaga minimum dalam sel mereka untuk menjalankan proses di dalamnya, dan seterusnya mengekalkan fungsi penting di seluruh organisma.

Proses metabolik memerlukan tenaga untuk berlaku. Sebilangan besar tenaga yang boleh digunakan diperoleh daripada pemecahan karbohidrat dan lemak. Tenaga ini diperoleh daripada proses fosforilasi oksidatif.

Kawalan fosforilasi oksidatif

Kadar penggunaan ATP dalam sel mengawal sintesisnya, dan pada gilirannya, kerana penggabungan fosforilasi oksidatif dengan rantai pengangkutan elektron, juga pada umumnya mengatur kadar pengangkutan elektron.

Fosforilasi oksidatif mempunyai kawalan ketat yang memastikan bahawa ATP tidak dihasilkan lebih cepat daripada yang dimakan. Terdapat langkah-langkah tertentu dalam proses pengangkutan elektron dan fosforilasi gandingan yang mengatur kadar pengeluaran tenaga.

Pengawalan pengeluaran ATP yang diselaraskan

Laluan utama pengeluaran tenaga (ATP selular) adalah glikolisis, kitaran asid sitrik, dan fosforilasi oksidatif. Pengawalan yang terkoordinasi dari ketiga proses ini mengatur sintesis ATP.

Pengawalan fosforilasi oleh nisbah tindakan massa ATP bergantung pada bekalan elektron yang tepat dalam rantai pengangkutan. Ini seterusnya bergantung pada / ratio, yang dijaga tinggi oleh tindakan glikolisis dan kitaran asid sitrik.

Pengendalian terkoordinasi ini dilakukan dengan mengatur pusat pemeriksaan glikolisis (sitrat dihambat PFK) dan kitaran asid sitrik (piruvat dehidrogenase, sitrat tapease, isocitrate dehydrogenase dan α-ketoglutarate dehydrogenase).

Kawalan oleh akseptor

Kompleks IV (sitokrom c oksidase) adalah enzim yang diatur oleh salah satu substratnya, iaitu aktivitinya dikendalikan oleh penurunan sitokrom c (c ²⁺ ), yang pada gilirannya berada dalam keseimbangan dengan nisbah kepekatan antara / dan nisbah tindakan massa / +.

Semakin tinggi nisbah / dan semakin rendah / +, semakin tinggi kepekatan sitokrom dan semakin tinggi aktiviti IV kompleks. Ini ditafsirkan, sebagai contoh, jika kita membandingkan organisma dengan aktiviti rehat dan aktiviti tinggi yang berbeza.

Pada individu yang mempunyai aktiviti fizikal yang tinggi, penggunaan ATP dan oleh itu hidrolisisnya menjadi ADP + P _i akan sangat tinggi, menghasilkan perbezaan dalam nisbah tindakan massa yang menyebabkan peningkatan dan oleh itu peningkatan dalam sintesis ATP. Pada individu yang sedang berehat, keadaan sebaliknya berlaku.

Pada akhirnya, kadar fosforilasi oksidatif meningkat dengan kepekatan ADP dalam mitokondria. Kepekatan tersebut bergantung pada penerjemah ADP-ATP yang bertanggungjawab untuk pengangkutan nukleotida adenin dan P _i dari sitosol ke matriks mitokondria.

Ejen tidak berpasangan

Fosforilasi oksidatif dipengaruhi oleh agen kimia tertentu, yang membolehkan pengangkutan elektron berterusan tanpa fosforilasi ADP berlaku, memisahkan pengeluaran dan pemuliharaan tenaga.

Ejen ini merangsang kadar penggunaan oksigen mitokondria tanpa ADP, juga menyebabkan peningkatan hidrolisis ATP. Mereka berfungsi dengan menghilangkan perantaraan atau memecahkan keadaan tenaga dalam rantai pengangkutan elektron.

2,4-dinitrophenol, asid lemah yang melewati membran mitokondria, bertanggungjawab untuk menghilangkan kecerunan proton, kerana mereka mengikatnya pada sisi berasid dan melepaskannya di sisi asas.

Sebatian ini digunakan sebagai "pil diet" kerana didapati menghasilkan peningkatan pernafasan, oleh itu peningkatan kadar metabolisme dan penurunan berat badan yang berkaitan. Namun, itu menunjukkan bahawa kesan negatifnya bahkan boleh menyebabkan kematian.

Pembuangan kecerunan proton menghasilkan haba. Sel dalam tisu adiposa coklat menggunakan kopling yang dikawal secara hormon untuk menghasilkan haba. Mamalia dan bayi yang baru lahir yang kekurangan rambut terdiri daripada tisu ini yang berfungsi sebagai sejenis selimut termal.

Perencat

Sebatian atau ejen yg melarang menghalang kedua-dua O ₂ penggunaan (pengangkutan elektron) dan dikaitkan pemfosforilan oksidatif. Ejen-ejen ini menghalang pembentukan ATP melalui penggunaan tenaga yang dihasilkan dalam pengangkutan elektronik. Oleh itu, rantai pengangkutan berhenti apabila penggunaan tenaga tersebut tidak tersedia.

Oligomisin antibiotik berfungsi sebagai penghambat fosforilasi pada banyak bakteria, mencegah rangsangan sintesis ADP ke ATP.

Terdapat juga agen ionofor, yang membentuk kompleks larut lemak dengan kation seperti K ⁺ dan Na ⁺ , dan melalui membran mitokondria dengan kation ini. Mitokondria kemudian menggunakan tenaga yang dihasilkan dalam pengangkutan elektronik untuk mengepam kation dan bukannya mensintesis ATP.

Rujukan

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Biologi sel penting. New York: Sains Garland.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Sel. (hlm. 397-402) Marban.
3. Devlin, TM (1992). Buku teks biokimia: dengan korelasi klinikal. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH, & Grisham, CM (2008). Biokimia. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). Biologi sel molekular. Macmillan.
6. Nelson, DL, & Cox, MM (2006). Lehninger Principles of Biochemistry edisi ke-4. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biokimia. Panamerican Medical Ed.