OKSIDATIF FOSFORILASYON: AŞAMALAR, IŞLEVLER VE INHIBITÖRLER - BIYOLOJI - 2025

Oksidatif fosforilasyon molekülleri ADP ve P ATP sentezlenir bir prosestir _ı (inorganik fosfat). Bu mekanizma, bakteri ve ökaryotik hücreler tarafından gerçekleştirilir. Ökaryotik hücrelerde fosforilasyon, fotosentetik olmayan hücrelerin mitokondriyal matrisinde gerçekleşir.

ATP üretimi, elektronların NADH veya FADH ₂ koenzimlerinden O _2'ye aktarılmasıyla sağlanır . Bu süreç, hücredeki ana enerji üretimini temsil eder ve karbonhidratların ve yağların parçalanmasından kaynaklanır.

Kaynak: Robot8A

Proton hareket kuvveti olarak da bilinen yük ve pH gradyanlarında depolanan enerji, bu işlemin gerçekleşmesini sağlar. Oluşan proton gradyanı, zarın dış kısmının, proton konsantrasyonunun (H ⁺ ) ve mitokondriyal matrisin negatif olmasından dolayı pozitif bir yüke sahip olmasına neden olur .

Oksidatif fosforilasyon nerede meydana gelir?

Elektron taşınması ve oksidatif fosforilasyon süreçleri bir zar ile ilişkilidir. Prokaryotlarda bu mekanizmalar plazma zarı yoluyla gerçekleşir. Ökaryotik hücrelerde mitokondriyal membran ile birleşirler.

Hücrelerde bulunan mitokondri sayısı, hücre tipine bağlı olarak değişir. Örneğin, memelilerde eritrositler bu organellerden yoksundur, oysa kas hücreleri gibi diğer hücre türlerinde milyonlarca hücre bulunabilir.

Mitokondriyal membran, basit bir dış membrandan, biraz daha karmaşık bir iç membrandan ve aralarında birçok ATP'ye bağımlı enzimin bulunduğu intermembran boşluktan oluşur.

Dış zar, küçük moleküllerin basit difüzyonu için kanalları oluşturan porin adı verilen bir protein içerir. Bu zar, mitokondrinin yapısını ve şeklini korumaktan sorumludur.

İç zar daha yüksek bir yoğunluğa sahiptir ve protein bakımından zengindir. Moleküller ve iyonlar için de geçirimsizdir, bu yüzden onu geçmek için onları taşımak için zarlar arası proteinlere ihtiyaçları vardır.

Matrisin içinde, iç zarın kıvrımları uzayarak, küçük bir hacimde geniş bir alana sahip olmasına izin veren çıkıntılar oluşturur.

Hücre enerji santrali

Mitokondri, hücresel enerji üreticisi olarak kabul edilir. Sitrik asit döngüsü, yağ asidi oksidasyonu ve redoks enzimleri ve elektron taşınması ve ADP'nin fosforilasyonu süreçlerinde yer alan enzimleri içerir.

Proton konsantrasyon gradyanı (pH gradyanı) ve mitokondrinin iç zarındaki yük gradyanı veya elektrik potansiyeli, proton güdü kuvvetinden sorumludur. İç zarın iyonlar için düşük geçirgenliği (H ^{+ dışında} ), mitokondrinin sabit bir voltaj gradyanına sahip olmasını sağlar.

Elektronik taşıma, proton pompalama ve ATP üretimi, proton güdü kuvveti sayesinde mitokondride aynı anda gerçekleşir. PH gradyanı, alkali koşullarla intermembran ve mitokondriyal matristeki asidik koşulları korur.

O _2'ye aktarılan her iki elektron için yaklaşık 10 proton zardan pompalanır ve bir elektrokimyasal gradyan oluşturulur. Bu süreçte açığa çıkan enerji, elektronların taşıma zincirinden geçmesiyle kademeli olarak üretilir.

Aşamaları

NADH ve FADH _2'nin oksidasyon-indirgeme reaksiyonları sırasında açığa çıkan enerji oldukça yüksektir (her bir elektron çifti için yaklaşık 53 kcal / mol), bu nedenle ATP moleküllerinin üretiminde kullanılmak için kademeli olarak üretilmelidir. elektronların taşıyıcılardan geçişi.

Bunlar, iç mitokondriyal membranda bulunan dört kompleks halinde düzenlenmiştir. Bu reaksiyonların ATP sentezine bağlanması, beşinci bir komplekste gerçekleştirilir.

Elektron taşıma zinciri

NADH, elektron taşıma zincirinin kompleks I'e giren bir çift elektronu aktarır. Elektronlar flavin mononükleotide ve ardından bir demir-kükürt taşıyıcı aracılığıyla ubikinona (koenzim Q) aktarılır. Bu işlem büyük miktarda enerji (16.6 kcal / mol) açığa çıkarır.

Ubiquinone, elektronları zar boyunca kompleks III'e taşır. Bu komplekste elektronlar , bir demir-kükürt taşıyıcı sayesinde sitokrom b ve c _1'den geçer .

Elektronlar kompleks III'ten kompleks IV'e (sitokrom c oksidaz) geçer ve tek tek sitokrom c (periferik membran proteini) içinde transfer edilir. Karmaşık IV elektronlar bakır iyonu, bir çift (Cu geçen _bir ^{2 +} sitokrom c), sonra _bir daha sonra bakır iyonlarının başka bir çift (Cu için _b ^{+ 2} , bir sitokrom için) ve bundan ₃ .

Son olarak, elektronlar son alıcı olan O _2'ye aktarılır ve alınan her elektron çifti için bir su molekülü (H ₂ O) oluşturur. Elektronların kompleks IV'ten O _2'ye geçişi de büyük miktarda serbest enerji (25,8 kcal / mol) üretir.

Süksinat CoQ redüktaz

Kompleks II (süksinat CoQ redüktaz), bir süksinat molekülünün fumarata oksidasyonu ile sitrik asit döngüsünden bir çift elektron alır. Bu elektronlar, bir demir-kükürt grubundan geçerek FAD'ye ubikinona aktarılır. Bu koenzimden kompleks III'e giderler ve daha önce açıklanan yolu izlerler.

FAD'ye elektron transfer reaksiyonunda salınan enerji, protonları membrandan geçirmek için yeterli değildir, bu nedenle zincirin bu aşamasında hiçbir proton güdü kuvveti üretilmez ve sonuç olarak FADH, daha az H ⁺ verir. NADH'den daha.

Enerjinin birleşmesi veya iletimi

Daha önce tarif edilen elektron taşıma işleminde üretilen enerji, ATP sentaz enzimi veya kompleks V tarafından katalize edilen bir reaksiyon olan ATP'nin üretimi için kullanılabilmelidir. Bu enerjinin korunması, enerji birleşmesi olarak bilinir ve mekanizma karakterize etmek zor.

Bu enerji transdüksiyonunu tanımlamak için birkaç hipotez tanımlanmıştır. En iyi kabul edilen, aşağıda açıklanan kemosmotik eşleşme hipotezidir.

Kemosmotik eşleşme

Bu mekanizma, ATP sentezi için kullanılan enerjinin hücre zarlarındaki bir proton gradyanından geldiğini önermektedir. Bu süreç mitokondriye, kloroplastlara ve bakterilere müdahale eder ve elektronların taşınmasıyla bağlantılıdır.

Elektron taşıma kompleksleri I ve IV, proton pompaları olarak işlev görür. Bunlar, protonları zarlar arası boşluğa pompalamalarına izin veren konformasyonel değişikliklere uğrar. Karmaşık IV'de, elektron çifti için, iki proton zar üzerinden tahliye edilir ve iki H oluşturan matris içinde kalır ₂ O.

Kompleks III'teki Ubiquinone, kompleks I ve II'den protonları kabul eder ve onları zarın dışına salar. Kompleks I ve III'ün her biri, taşınan her elektron çifti için dört protonun geçişine izin verir.

Mitokondriyal matris, düşük bir proton konsantrasyonuna ve negatif bir elektrik potansiyeline sahipken, zarlar arası boşluk ters koşulları sunar. Bu membrandan proton akışı, ATP'nin sentezi için gerekli enerjiyi (proton başına ± 5 kcal / mol) depolayan elektrokimyasal gradyanı temsil eder.

ATP sentezi

ATP sentetaz enzimi, oksidatif fosforilasyonda yer alan beşinci komplekstir. ATP'yi oluşturmak için elektrokimyasal gradyanın enerjisini kullanmaktan sorumludur.

Bu transmembran protein iki bileşenden oluşur: F ₀ ve F ₁ . F ₀ bileşen bir kanal olarak işlev mitokondriyal matrikse proton dönüş sağlar ve F ₁ ADP ve P yoluyla ATP'nin sentezini katalize _ı sözü geçen geri dönüş enerjisini kullanarak,.

ATP sentez süreci, F _1'de yapısal bir değişiklik ve F ₀ ve F ₁ bileşenlerinin montajını gerektirir . F ₀ aracılığıyla proton translokasyonu , F _1'in üç alt biriminde konformasyonel değişikliklere neden olur ve ATP oluşumunu yönlendiren bir dönme motoru olarak hareket etmesine izin verir.

ADP'nin P _i ile bağlanmasından sorumlu alt birim, zayıf durumdan (L) aktif duruma (T) değişir. ATP oluştuğunda, ikinci bir alt birim, bu molekülün salınmasına izin veren bir açık duruma (O) geçer. ATP serbest bırakıldıktan sonra, bu alt birim açık durumdan aktif olmayan duruma (L) geçer.

ADP ve P, _I molekülleri , bir L durumuna bir O durumundan geçen bir a alt birimine bağlanır.

Ürün:% s

Elektron taşıma zinciri ve fosforilasyon ATP molekülleri üretir. NADH'nin oksidasyonu yaklaşık 52.12 kcal / mol (218 kJ / mol) serbest enerji üretir.

NADH'nin oksidasyonu için genel reaksiyon şudur:

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

NADH ve FADH _2'den elektronların transferi çeşitli kompleksler aracılığıyla gerçekleşir ve serbest enerji değişiminin ΔG °, ATP sentezine bağlı daha küçük enerji “paketlerine” bölünmesine izin verir.

Bir NADH molekülünün oksidasyonu, üç ATP molekülünün sentezini oluşturur. Bir FADH ₂ molekülünün oksidasyonu , iki ATP'nin sentezine bağlanırken.

Bu koenzimler glikoliz ve sitrik asit döngüsü süreçlerinden gelir. Bozulmuş her bir glikoz molekülü için, hücrelerin konumuna bağlı olarak 36 veya 38 ATP molekülü üretirler. Beyinde ve iskelet kasında 36 ATP üretilirken kas dokusunda 38 ATP üretilir.

Özellikleri

Tek hücreli ve çok hücreli tüm organizmalar, içlerindeki işlemleri gerçekleştirmek için hücrelerinde minimum enerjiye ihtiyaç duyar ve sonuçta tüm organizmada hayati işlevleri sürdürür.

Metabolik süreçlerin gerçekleşmesi için enerji gerekir. Kullanılabilir enerjinin çoğu karbonhidratların ve yağların parçalanmasından elde edilir. Bu enerji, oksidatif fosforilasyon sürecinden elde edilir.

Oksidatif fosforilasyonun kontrolü

Hücrelerdeki ATP kullanım oranı, sentezini kontrol eder ve karşılığında, oksidatif fosforilasyonun elektron taşıma zinciri ile birleşmesi nedeniyle, genellikle elektron taşıma hızını da düzenler.

Oksidatif fosforilasyon, ATP'nin tüketildiğinden daha hızlı üretilmemesini sağlayan katı bir kontrole sahiptir. Enerji üretim oranını düzenleyen elektron taşıma ve birleşik fosforilasyon sürecinde belirli adımlar vardır.

ATP üretiminin koordineli kontrolü

Enerji üretiminin (hücresel ATP) ana yolları glikoliz, sitrik asit döngüsü ve oksidatif fosforilasyondur. Bu üç işlemin koordineli kontrolü, ATP'nin sentezini düzenler.

ATP'nin kütle eylem oranıyla fosforilasyonun kontrolü, taşıma zincirindeki elektronların kesin beslenmesine bağlıdır. Bu da glikoliz ve sitrik asit döngüsünün etkisiyle yüksek tutulan / oranına bağlıdır.

Bu koordineli kontrol, glikoliz kontrol noktalarının (sitrat ile inhibe edilmiş PFK) ve sitrik asit döngüsünün (piruvat dehidrojenaz, sitrat bantaz, izositrat dehidrojenaz ve a-ketoglutarat dehidrojenaz) düzenlenmesiyle gerçekleştirilir.

Alıcı tarafından kontrol

Kompleks IV (sitokrom c oksidaz), substratlarından biri tarafından düzenlenen bir enzimdir, yani aktivitesi, azaltılmış sitokrom c (c ²⁺ ) tarafından kontrol edilir ve bu, sırayla arasındaki konsantrasyon oranı ile dengede bulunur. / ve / + 'nın kütle eylem oranı.

/ Oranı ne kadar yüksek ve / + ne kadar düşükse, sitokrom konsantrasyonu o kadar yüksek ve kompleks IV aktivitesi o kadar yüksek olur. Bu, örneğin, farklı dinlenme ve yüksek aktivite aktivitelerine sahip organizmaları karşılaştırırsak yorumlanır.

Fiziksel aktivitesi yüksek bir bireyde, ATP tüketimi ve dolayısıyla ADP + P _i'ye hidrolizi çok yüksek olacaktır ve kütle eylem oranında bir artışa ve dolayısıyla artışa neden olan bir fark yaratacaktır. ATP'nin sentezi. Dinlenme halindeki bir bireyde, ters durum ortaya çıkar.

Sonuçta, oksidatif fosforilasyon oranı, mitokondri içindeki ADP konsantrasyonu ile artar. Bu konsantrasyon, adenin nükleotid taşınması ve P sorumlu ADP-ATP translocators bağlıdır _i mitokondriyal matrise sitosolden.

Ayırma ajanları

Oksidatif fosforilasyon, elektron taşınmasının ADP'nin fosforilasyonu olmadan devam etmesine, enerji üretiminin ayrılmasına ve korunmasına izin veren bazı kimyasal maddelerden etkilenir.

Bu ajanlar ADP yokluğunda mitokondrinin oksijen tüketim oranını uyararak ATP hidrolizinde bir artışa neden olur. Elektron taşıma zincirinde bir ara maddeyi kaldırarak veya bir enerji durumunu kırarak çalışırlar.

Mitokondriyal zarlardan geçen zayıf bir asit olan 2,4-dinitrofenol, proton gradyanını asidik tarafta bağlayarak ve onları temel tarafta serbest bırakarak dağıtmaktan sorumludur.

Bu bileşik, solunumda bir artış, dolayısıyla metabolik hızda ve buna bağlı kilo kaybında bir artış sağladığı bulunduğu için bir "diyet hapı" olarak kullanıldı. Ancak olumsuz etkisinin ölüme bile neden olabileceği gösterildi.

Proton gradyanının yayılması ısı üretir. Kahverengi yağ dokusundaki hücreler, ısı üretmek için hormon kontrollü ayırma kullanır. Kış uykusuna yatan memeliler ve tüyleri olmayan yeni doğanlar, bir tür termal battaniye görevi gören bu dokudan oluşur.

İnhibitörleri

Önleyici bileşikler veya maddeler O olmasını önler ₂ tüketimi (elektron nakil) ve ilişkili oksidatif fosforilasyon. Bu ajanlar, elektronik taşımada üretilen enerjinin kullanılmasıyla ATP oluşumunu engeller. Bu nedenle söz konusu enerji tüketimi olmadığında taşıma zinciri durur.

Antibiyotik oligomisin, birçok bakteride bir fosforilasyon inhibitörü olarak işlev görür ve ADP'nin ATP sentezine uyarılmasını önler.

K ⁺ ve Na ⁺ gibi katyonlarla yağda çözünebilen kompleksler oluşturan ve bu katyonlarla mitokondriyal membrandan geçen iyonofor ajanlar da vardır . Mitokondri daha sonra elektron taşınmasında üretilen enerjiyi ATP'yi sentezlemek yerine katyonları pompalamak için kullanır.

Referanslar

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Temel hücre biyolojisi. New York: Garland Bilimi.
2. Cooper, GM, Hausman, RE ve Wright, N. (2010). Hücre. (sayfa 397-402). Marban.
3. Devlin, TM (1992). Biyokimya Ders Kitabı: klinik korelasyonlarla. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH ve Grisham, CM (2008). Biyokimya. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP ve Matsudaira, P. (2008). Moleküler hücre biyolojisi. Macmillan.
6. Nelson, DL ve Cox, MM (2006). Lehninger Principles of Biochemistry 4. baskı. Ed Omega. Barselona.
7. Voet, D. ve Voet, JG (2006). Biyokimya. Panamerican Medical Ed.