FOSFORILAREA OXIDATIVĂ: ETAPE, FUNCȚII ȘI INHIBITORI - BIOLOGIE - 2025

Fosforilarea oxidativă este un proces în care moleculele sunt sintetizate ATP din ADP și P _i (fosfat anorganic). Acest mecanism este realizat de bacterii și celule eucariote. În celulele eucariote, fosforilarea are loc în matricea mitocondrială a celulelor care nu sunt fotosintetice.

Producția de ATP este condus de transferul electronilor din coenzimi NADH sau FADH ₂ la O ₂ . Acest proces reprezintă producția majoră de energie din celulă și este derivat din descompunerea carbohidraților și grăsimilor.

Sursa: Robot8A

Energia stocată în gradienții de încărcare și pH, cunoscută și sub denumirea de forța motivă a protonului, permite acest proces. Gradientul de protoni care este generat face ca partea exterioară a membranei să aibă o încărcare pozitivă datorită concentrației de protoni (H ⁺ ) și matricea mitocondrială să fie negativă.

Unde are loc fosforilarea oxidativă?

Procesele de transport de electroni și fosforilarea oxidativă sunt asociate cu o membrană. În procariote, aceste mecanisme au loc prin membrana plasmatică. În celulele eucariote se asociază cu membrana mitocondrială.

Numărul mitocondriilor găsite în celule variază în funcție de tipul de celulă. De exemplu, la mamifere, eritrocitele nu au aceste organule, în timp ce alte tipuri de celule, cum ar fi celulele musculare, pot avea până la milioane.

Membrana mitocondrială este formată dintr-o simplă membrană exterioară, o membrană interioară oarecum mai complexă, iar între ele spațiul intermembran, unde sunt localizate multe enzime dependente de ATP.

Membrana exterioară conține o proteină numită porină care formează canalele pentru difuzarea simplă a moleculelor mici. Această membrană este responsabilă de menținerea structurii și formei mitocondriilor.

Membrana interioară are o densitate mai mare și este bogată în proteine. De asemenea, este impermeabil pentru molecule și ioni, pentru a-l traversa, au nevoie de proteine ​​intermembrane pentru a le transporta.

În interiorul matricei, pliurile membranei interioare se extind formând creste care îi permit să aibă o suprafață mare într-un volum mic.

Centrala electrica

Mitocondriile sunt considerate producătorul de energie celulară. Conține enzimele implicate în procesele ciclului acidului citric, oxidarea acidului gras și enzimele și proteinele redox ale transportului electronilor și fosforilarea ADP.

Gradientul concentrației de protoni (gradient de pH) și gradientul de încărcare sau potențialul electric din membrana internă a mitocondriilor sunt responsabili pentru forța motorului proton. Permeabilitatea scăzută a membranei interne pentru ioni (alta decât H ⁺ ) permite mitocondriilor să aibă un gradient de tensiune stabil.

Transportul electronic, pomparea de protoni și producția de ATP au loc simultan în mitocondrii, datorită forței motrice a protonului. Gradientul de pH menține condiții acide în intermembrană și în matricea mitocondrială cu condiții alcaline.

Pentru fiecare doi electroni transferați în O _2, aproximativ 10 protoni sunt pompați prin membrană, creând un gradient electrochimic. Energia eliberată în acest proces este produsă treptat prin trecerea electronilor prin lanțul de transport.

etape

Energia eliberată în timpul reacțiilor de oxidare-reducere a NADH și FADH ₂ este considerabil ridicată (în jur de 53 kcal / mol pentru fiecare pereche de electroni), deci pentru a fi utilizată la fabricarea moleculelor de ATP, ea trebuie produsă treptat cu trecerea electronilor prin transportoare.

Acestea sunt organizate în patru complexe situate pe membrana mitocondrială internă. Cuplarea acestor reacții la sinteza ATP se realizează într-un al cincilea complex.

Lanț de transport de electroni

NADH transferă o pereche de electroni care intră în complexul I al lanțului de transport de electroni. Electronii sunt transferați în mononucleotida flavină, apoi în ubichinonă (coenzima Q) printr-un transportor de fier-sulf. Acest proces eliberează o cantitate mare de energie (16,6 kcal / mol).

Ubiquinona transportă electroni de-a lungul membranei către complexul III. În acest complex electronii trec prin citocromele b și c _1, datorită unui transportor de fier-sulf.

Electronii trec de la complexul III la complexul IV (citocrom c oxidază), transferați unul câte unul în citocromul c (proteina membrană periferică). În complexul IV electronii trec printr-o pereche de ioni de cupru (Cu _a ²⁺ ), apoi la citocromul c _a , apoi la o altă pereche de ioni de cupru (Cu _b ²⁺ ) și de aici la citocromul ₃ .

In final, electronii sunt transferate la O ₂ care este ultimul acceptor și formează o moleculă de apă (H ₂ O) pentru fiecare pereche de electroni primite. Trecerea electronilor de la IV la complexul O ₂ generează , de asemenea , o mare cantitate de energie liberă (25,8 kcal / mol).

Succinează CoQ reductază

Complexul II (succinat CoQ reductază) primește o pereche de electroni din ciclul acidului citric, prin oxidarea unei molecule de succinat la fumarat. Acești electroni sunt transferați în FAD, trecând printr-o grupă fier-sulf, în ubiquinona. Din această coenzimă trec la complexul III și urmează traseul descris anterior.

Energia eliberată în reacția de transfer de electroni la FAD nu este suficientă pentru a conduce protonii prin membrană, astfel încât în ​​această etapă a lanțului nu se generează o forță motivă a protonului și, prin urmare, FADH produce mai puțin H ⁺ decât NADH.

Cuplarea sau transducția de energie

Energia generată în procesul de transport de electroni descris anterior trebuie să poată fi utilizată pentru producerea de ATP, o reacție catalizată de enzima ATP sintază sau complexul V. Conservarea acestei energii este cunoscută sub numele de cuplare energetică, iar mecanismul a fost dificil de caracterizat.

Mai multe ipoteze au fost descrise pentru a descrie această transducție de energie. Cea mai acceptată este ipoteza de cuplare chimiozotică, descrisă mai jos.

Cuplaj chimosmotic

Acest mecanism propune ca energia utilizată pentru sinteza ATP să provină dintr-un gradient de protoni în membranele celulare. Acest proces intervine în mitocondrii, cloroplaste și bacterii și este legat de transportul electronilor.

Complexele I și IV ale transportului electronilor acționează ca niște pompe de protoni. Acestea suferă modificări conformaționale care le permit să pompeze protoni în spațiul intermembran. În complexul IV, pentru fiecare pereche de electroni, doi protoni sunt pompați din membrană și alți doi rămân în matrice, formând H ₂ O.

Ubiquinona din complexul III acceptă protonii din complexele I și II și îi eliberează în exteriorul membranei. Complexele I și III permit trecerea a patru protoni pentru fiecare pereche de electroni transportați.

Matricea mitocondrială are o concentrație scăzută de protoni și un potențial electric negativ, în timp ce spațiul intermembran prezintă condițiile inverse. Fluxul de protoni prin această membrană reprezintă gradientul electrochimic care stochează energia necesară (± 5 kcal / mol per proton) pentru sinteza ATP.

Sinteza ATP

Enzima ATP sintaza este al cincilea complex implicat în fosforilarea oxidativă. Este responsabil pentru exploatarea energiei gradientului electrochimic pentru a forma ATP.

Această proteină transmembranară este format din două componente: F ₀ și F ₁ . Componenta F ₀ permite întoarcerea protonilor la matricea mitocondrială, funcționând ca un canal, iar F ₁ catalizează sinteza ATP prin ADP și P _i , utilizând energia menționată.

Procesul de sinteză ATP necesită o modificare structurală în F ₁ și asamblarea componentelor F ₀ și F ₁ . Traducerea protonilor prin F ₀ provoacă modificări conformaționale în trei subunități ale F ₁ , ceea ce îi permite să acționeze ca un motor de rotație, direcționând formarea ATP.

Subunitatea responsabilă pentru legarea ADP cu P _{i se} schimbă de la o stare slabă (L) la una activă (T). Când se formează ATP, o a doua subunitate intră într-o stare deschisă (O) care permite eliberarea acestei molecule. După eliberarea ATP, această subunitate trece de la starea deschisă la starea inactivă (L).

Moleculele ADP și P _i se leagă la o subunitate care a trecut de la o stare O la o stare L.

produse

Lanțul de transport de electroni și fosforilarea produc molecule de ATP. Oxidarea NADH produce aproximativ 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) de energie liberă.

Reacția generală pentru oxidarea NADH este:

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Transferul electronilor de la NADH și FADH ₂ are loc prin diferite complexe, permițând schimbarea de energie liberă ΔG ° în descompunere în „pachete” de energie mai mici, care sunt cuplate cu sinteza ATP.

Oxidarea unei molecule de NADH generează sinteza a trei molecule de ATP. În timp ce oxidarea unei molecule de FADH ₂ este cuplată la sinteza a două ATP.

Aceste coenzime provin din procesele glicolizei și ale ciclului acidului citric. Pentru fiecare moleculă de glucoză degradată ajung să producă 36 sau 38 de molecule de ATP, în funcție de locația celulelor. În creier și mușchi scheletici se produc 36 de ATP în timp ce în țesutul muscular se produc 38 ATP.

Caracteristici

Toate organismele, unicelulare și multicelulare, au nevoie de energie minimă în celulele lor pentru a desfășura procesele din interiorul acestora și, la rândul lor, mențin funcții vitale în întregul organism.

Procesele metabolice necesită energie. Cea mai mare parte a energiei utilizabile este obținută din descompunerea carbohidraților și a grăsimilor. Această energie este derivată din procesul de fosforilare oxidativă.

Controlul fosforilării oxidative

Rata de utilizare a ATP în celule controlează sinteza acesteia și, la rândul său, datorită cuplării fosforilării oxidative cu lanțul de transport al electronilor, de asemenea, reglează în general rata de transport a electronilor.

Fosforilarea oxidativă are un control strict care asigură că ATP nu este generat mai rapid decât este consumat. Există anumite etape în procesul de transport de electroni și fosforilare cuplată care reglează rata producției de energie.

Control coordonat al producției de ATP

Principalele căi ale producției de energie (ATP celular) sunt glicoliza, ciclul acidului citric și fosforilarea oxidativă. Controlul coordonat al acestor trei procese reglementează sinteza ATP.

Controlul fosforilării prin raportul de acțiune în masă al ATP depinde de furnizarea precisă de electroni în lanțul de transport. La rândul său, acest lucru depinde de raportul /, care este menținut ridicat de acțiunea glicolizei și a ciclului acid citric.

Acest control coordonat se realizează prin reglarea punctelor de control ale glicolizei (PFK inhibat de citrat) și a ciclului acidului citric (piruvat dehidrogenază, citrat tapeza, izocitrat dehidrogenază și α-ketoglutarat dehidrogenază).

Controlul acceptantului

Complexul IV (citocrom c oxidaza) este o enzimă reglată de unul dintre substraturile sale, adică activitatea sa este controlată de citocromul c redus (c ²⁺ ), care la rândul său este în echilibru cu raportul de concentrație între / și raportul de acțiune în masă de / +.

Cu cât este mai mare raportul / și cu cât este mai mic / +, cu atât concentrația citocromului este mai mare și cu atât activitatea IV complexă este mai mare. Acest lucru este interpretat, de exemplu, dacă comparăm organismele cu diferite activități de odihnă și de înaltă activitate.

La un individ cu activitate fizică ridicată, consumul de ATP și, prin urmare, hidroliza acestuia la ADP + P _i va fi foarte mare, generând o diferență în raportul de acțiune în masă care determină o creștere a și, prin urmare, o creștere a sinteza ATP. La un individ în repaus, apare situația inversă.

În cele din urmă, rata de fosforilare oxidativă crește odată cu concentrația de ADP din mitocondrie. Concentrația respectivă depinde de translocatorii ADP-ATP responsabili de transportul nucleotidelor de adenină și P _i de la citosol la matricea mitocondrială.

Agenții de decuplare

Fosforilarea oxidativă este influențată de anumiți agenți chimici, care permit transportul electronilor să continue fără fosforilarea ADP, decuplarea producției și conservării energiei.

Acești agenți stimulează consumul de oxigen al mitocondriilor în absența ADP, determinând și o creștere a hidrolizei ATP. Ele lucrează prin eliminarea unui intermediar sau ruperea unei stări energetice în lanțul de transport al electronilor.

2,4-dinitrofenolul, un acid slab care trece prin membranele mitocondriale, este responsabil de disiparea gradientului de protoni, deoarece se leagă de ele pe partea acidă și le eliberează pe partea de bază.

Acest compus a fost utilizat ca „pastilă de dietă”, deoarece s-a constatat că produce o creștere a respirației, deci o creștere a ratei metabolice și pierderea în greutate asociată. Cu toate acestea, s-a demonstrat că efectul său negativ poate chiar provoca moartea.

Disiparea gradientului de protoni produce căldură. Celulele din țesutul adipos brun folosesc decuplarea controlată hormonal pentru a produce căldură. Mamiferele hibernante și nou-născuții care nu au păr constă din acest țesut care servește ca un fel de pătură termică.

inhibitori

Compușii sau agenți de inhibare a preveni atât O ₂ consum (transport de electroni) și fosforilării oxidative asociate. Acești agenți împiedică formarea ATP prin utilizarea energiei produse în transportul electronic. Prin urmare, lanțul de transport se oprește atunci când nu este disponibil consumul de energie.

Antibioticul oligomicină funcționează ca un inhibitor al fosforilării în multe bacterii, prevenind stimularea ADP la sinteza ATP.

Există, de asemenea, agenți ionofori, care formează complexe solubile în grăsimi cu cationi precum K ⁺ și Na ⁺ și trec prin membrana mitocondrială cu acești cationi. Mitocondriile folosesc apoi energia produsă în transportul electronic pentru a pompa cationi în loc să sintetizeze ATP.

Referințe

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. și Walter, P. (2004). Biologia celulară esențială. New York: Știința Garlandului.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Celula. (pp. 397-402). Marban.
3. Devlin, TM (1992). Manual de biochimie: cu corelații clinice. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH și Grisham, CM (2008). Biochimie. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). Biologia celulelor molleculare. Macmillan.
6. Nelson, DL, & Cox, MM (2006). Principii de biochimie Lehninger ediția a IV-a. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochimie. Editura Medicală Panamericană.