OXIDATIEVE FOSFORYLERING: STADIA, FUNCTIES EN REMMERS - BIOLOGIE - 2025

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

ATP-productie wordt aangedreven door de overdracht van elektronen van de co-enzymen NADH of FADH ₂ naar O ₂ . Dit proces vertegenwoordigt de belangrijkste energieproductie in de cel en is afgeleid van de afbraak van koolhydraten en vetten.

Bron: Robot8A

De energie die is opgeslagen in de ladings- en pH-gradiënten, ook wel bekend als de proton-aandrijfkracht, zorgt ervoor dat dit proces kan plaatsvinden. De protongradiënt 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 negatief is.

Waar vindt oxidatieve fosforylering plaats?

De processen van elektronentransport en oxidatieve fosforylering zijn geassocieerd met een membraan. Bij prokaryoten vinden deze mechanismen plaats via het plasmamembraan. In eukaryote cellen associëren ze zich met het mitochondriale membraan.

Het aantal mitochondriën dat in cellen wordt aangetroffen, varieert afhankelijk van het type cel. Bij zoogdieren hebben erytrocyten bijvoorbeeld geen organellen, terwijl andere celtypen, zoals spiercellen, er wel miljoenen kunnen hebben.

Het mitochondriale membraan bestaat uit een eenvoudig buitenmembraan, een wat complexer binnenmembraan, en daartussen de intermembraanruimte, waar zich veel ATP-afhankelijke enzymen bevinden.

Het buitenmembraan 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 binnenmembraan heeft een hogere dichtheid en is rijk aan eiwitten. Het is ook ondoordringbaar voor moleculen en ionen, dus om het te passeren hebben ze intermembraaneiwitten nodig om ze te transporteren.

Binnenin de matrix strekken vouwen van het binnenmembraan zich uit, waardoor ribbels worden gevormd waardoor het een groot gebied in een klein volume kan hebben.

Cel energiecentrale

De mitochondriën worden beschouwd als de cellulaire energieproducent. Het bevat de enzymen die betrokken zijn bij de processen van de citroenzuurcyclus, vetzuuroxidatie en de redox-enzymen en eiwitten van elektronentransport en de fosforylering van ADP.

De protonenconcentratiegradiënt (pH-gradiënt) en de ladingsgradiënt of het elektrische potentieel in het binnenmembraan van de mitochondriën zijn verantwoordelijk voor de proton-drijfkracht. De lage permeabiliteit van het binnenmembraan voor ionen (anders dan H ⁺ ) zorgt ervoor dat de mitochondria een stabiele spanningsgradiënt hebben.

Elektronisch transport, protonenpompen en ATP-productie vinden gelijktijdig plaats in de mitochondriën, dankzij de proton-aandrijfkracht. De pH-gradiënt handhaaft zure omstandigheden in het intermembraan en in de mitochondriale matrix met alkalische omstandigheden.

Voor elke twee elektronen die naar O _{2 worden} overgebracht, worden ongeveer 10 protonen door het membraan gepompt, waardoor een elektrochemische gradiënt ontstaat. De energie die daarbij vrijkomt, wordt geleidelijk geproduceerd door de doorgang van elektronen door de transportketen.

Stadia

De energie die vrijkomt tijdens de oxidatie-reductiereacties van NADH en FADH ₂ is aanzienlijk hoog (ongeveer 53 kcal / mol voor elk elektronenpaar), dus om te worden gebruikt bij de vervaardiging van ATP-moleculen, moet het geleidelijk worden geproduceerd met de doorgang van elektronen door transporteurs.

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

Elektronentransportketen

NADH draagt ​​een paar elektronen over die complex I van de elektronentransportketen binnengaan. De elektronen worden overgebracht naar het flavine-mononucleotide en vervolgens naar ubiquinon (co-enzym Q) via een ijzer-zwaveltransporteur. Bij dit proces komt een grote hoeveelheid energie vrij (16,6 kcal / mol).

Ubiquinone transporteert elektronen door het membraan naar complex III. In dit complex passeren de elektronen cytochromen b en c ₁ dankzij een ijzer-zwavel transporteur.

Elektronen gaan van complex III naar complex IV (cytochroom c oxidase), één voor één overgedragen in cytochroom c (perifere membraaneiwit). In complex IV gaan de elektronen door een paar koperionen (Cu _a ²⁺ ), vervolgens naar cytochroom c _a , dan naar een ander paar koperionen (Cu _b ²⁺ ) en van daaruit naar cytochroom a ₃ .

Ten slotte worden de elektronen overgebracht naar O _2, wat de laatste acceptor is en een watermolecuul (H ₂ O) vormt voor elk ontvangen elektronenpaar. De passage van elektronen van complex IV naar O ₂ genereert ook een grote hoeveelheid vrije energie (25,8 kcal / mol).

Succinaat CoQ-reductase

Complex II (succinaat CoQ-reductase) ontvangt een paar elektronen uit de citroenzuurcyclus, door de oxidatie van een succinaatmolecuul tot fumaraat. Deze elektronen worden overgebracht naar de FAD, via een ijzer-zwavelgroep, naar 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 voldoende om de protonen door het membraan te drijven, dus er wordt geen proton-aandrijfkracht gegenereerd in deze stap van de ketting, en bijgevolg levert de FADH minder H ^{+ op.} dan NADH.

Koppeling of transductie van energie

De energie die wordt gegenereerd in het eerder beschreven elektronentransportproces moet 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.

Er zijn verschillende hypothesen beschreven om deze energietransductie te beschrijven. De best geaccepteerde hypothese is de chemosmotische koppelingshypothese, die hieronder wordt beschreven.

Chemosmotische koppeling

Dit mechanisme stelt voor dat de energie die wordt gebruikt voor ATP-synthese afkomstig is van een protongradiënt in celmembranen. Dit proces grijpt in in de mitochondriën, chloroplasten en bacteriën en is gekoppeld aan het transport van elektronen.

Complexen I en IV van elektronentransport fungeren als protonenpompen. Deze ondergaan conformationele veranderingen waardoor ze protonen in de intermembrane ruimte kunnen pompen. In complex IV, voor elk paar elektronen, twee protonen gepompt uit het membraan en de twee blijven in de matrix vormende H ₂ O.

Ubiquinon in complex III accepteert protonen van complexen I en II en geeft ze af aan de buitenkant van het membraan. Complexen I en III laten elk de doorgang van vier protonen toe voor elk paar getransporteerde elektronen.

De mitochondriale matrix heeft een lage concentratie protonen en een negatief elektrisch potentieel, terwijl de intermembraanruimte de omgekeerde omstandigheden vertoont. De stroom protonen door dit membraan vertegenwoordigt de elektrochemische gradiënt die de nodige energie opslaat (± 5 kcal / mol per proton) voor de synthese van ATP.

ATP-synthese

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: F ₀ en F ₁ . De F ₀ component kan de terugkeer van protonen met het mitochondriale matrix, functioneren als een zender en F ₁ katalyseert de synthese van ATP tot ADP en P _i , met de energie van de retourleiding.

Het ATP-syntheseproces vereist een structurele verandering in F ₁ en de assemblage van componenten F ₀ en F ₁ . Proton-translocatie door F ₀ veroorzaakt conformatieveranderingen in drie subeenheden van F ₁ , waardoor het kan werken als een rotatiemotor en de vorming van ATP leidt .

De subeenheid verantwoordelijk is voor de binding van ADP P _i verandert van een zwakke staat (L) een actieve gedeelte (T). Wanneer ATP wordt gevormd, gaat een tweede subeenheid in een open toestand (O) die de afgifte van dit molecuul mogelijk maakt. Nadat ATP is vrijgegeven, gaat deze subeenheid van de open toestand naar een inactieve toestand (L).

De ADP en P _i moleculen binden aan een subeenheid die door een O toestand naar een L staat is verstreken.

producten

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

De algemene reactie voor de oxidatie van NADH is:

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

De overdracht van elektronen van NADH en FADH ₂ vindt plaats via verschillende complexen, waardoor de vrije energieverandering ΔG ° kan opsplitsen in kleinere energie "pakketten", die zijn gekoppeld aan ATP-synthese.

De oxidatie van één molecuul NADH genereert de synthese van drie moleculen ATP. Terwijl de oxidatie van een molecuul FADH ₂ is gekoppeld aan de synthese van twee ATP.

Deze co-enzymen zijn afkomstig van de glycolyse- en citroenzuurcyclusprocessen. Voor elk molecuul afgebroken glucose produceren ze uiteindelijk 36 of 38 moleculen ATP, afhankelijk van de locatie van de cellen. In de hersenen en skeletspier wordt 36 ATP geproduceerd, terwijl in spierweefsel 38 ATP wordt geproduceerd.

Kenmerken

Alle organismen, eencellig en meercellig, hebben minimale energie in hun cellen nodig om de processen in hen uit te voeren en op hun beurt vitale functies in het hele organisme te behouden.

Metabole processen hebben energie nodig om plaats te vinden. De meeste bruikbare energie wordt verkregen uit de afbraak van koolhydraten en vetten. Deze energie is afkomstig van het oxidatieve fosforyleringsproces.

Controle van oxidatieve fosforylering

De bezettingsgraad van ATP in cellen regelt de synthese ervan, en op zijn beurt, als gevolg van de koppeling van oxidatieve fosforylering met de elektronentransportketen, reguleert het in het algemeen ook de snelheid van elektronentransport.

Oxidatieve fosforylering heeft een strikte controle die ervoor zorgt dat ATP niet sneller wordt gegenereerd dan wordt verbruikt. 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 routes voor energieproductie (cellulaire ATP) zijn glycolyse, de citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering. De gecoördineerde controle van deze drie processen reguleert de synthese van ATP.

De controle van fosforylering door de massa-actieverhouding van ATP hangt af van de precieze toevoer van elektronen in de transportketen. Dit hangt op zijn beurt af van de verhouding /, die hoog wordt gehouden door de werking van glycolyse en de citroenzuurcyclus.

Deze gecoördineerde controle wordt uitgevoerd door de glycolysecontrolepunten (citraat-geremde PFK) en de citroenzuurcyclus (pyruvaatdehydrogenase, citraat tapease, isocitraat dehydrogenase en α-ketoglutaraat dehydrogenase) te reguleren.

Controle door acceptor

Complex IV (cytochroom c oxidase) is een enzym dat wordt gereguleerd door een van zijn substraten, dat wil zeggen dat zijn activiteit wordt gecontroleerd door gereduceerd cytochroom c (c ²⁺ ), dat op zijn beurt in evenwicht is met de concentratieverhouding tussen / en de massa-actieverhouding van / +.

Hoe hoger de / ratio en hoe lager de / +, hoe hoger de concentratie cytochroom en hoe hoger de complexe IV-activiteit. Dit wordt bijvoorbeeld geïnterpreteerd als we organismen vergelijken met verschillende rust- en hoogactieve activiteiten.

Bij een persoon met een hoge fysieke activiteit zal het verbruik van ATP en dus de hydrolyse ervan tot ADP + P _i erg hoog zijn, wat een verschil in de massa-actieverhouding genereert die een toename en dus een toename van de synthese van ATP. Bij een persoon in rust doet zich de omgekeerde situatie voor.

Uiteindelijk neemt de snelheid van oxidatieve fosforylering toe met de concentratie van ADP in de mitochondriën. Genoemde concentratie afhankelijk ADP-ATP translocators voor het transport van adenine nucleotiden en P _i van de cytosol met het mitochondriale matrix.

Ontkoppelingsmiddelen

Oxidatieve fosforylering wordt beïnvloed door bepaalde chemische agentia, waardoor het elektronentransport kan doorgaan zonder de fosforylering van ADP, waardoor energieproductie en -behoud worden ontkoppeld.

Deze middelen stimuleren het zuurstofverbruik van de mitochondriën in afwezigheid van ADP, waardoor ook de ATP-hydrolyse toeneemt. Ze werken door het verwijderen van een tussenliggende of het breken van een energietoestand in de elektronentransportketen.

2,4-dinitrofenol, een zwak zuur dat door mitochondriale membranen gaat, is verantwoordelijk voor het dissiperen van de protongradiënt, omdat ze zich eraan binden aan de zure kant en ze afgeven aan de basische kant.

Deze verbinding werd gebruikt als een "dieetpil" omdat bleek dat het een toename van de ademhaling veroorzaakte, dus een toename van de stofwisseling en het bijbehorende gewichtsverlies. Er werd echter aangetoond dat het negatieve effect zelfs de dood kan veroorzaken.

De dissipatie van de protongradiënt produceert warmte. Cellen in bruin vetweefsel gebruiken hormonaal gecontroleerde ontkoppeling om warmte te produceren. Hibernerende zoogdieren en pasgeborenen zonder haar bestaan ​​uit dit weefsel dat dient als een soort thermische deken.

Remmers

De remmende verbindingen of middelen te voorkomen beide O ₂ consumptie (elektronentransport) en bijbehorende oxidatieve fosforylering. Deze middelen voorkomen de vorming van ATP door het gebruik van energie die wordt geproduceerd bij elektronisch transport. Daarom stopt de transportketen wanneer dat energieverbruik niet beschikbaar is.

Het antibioticum oligomycine functioneert als een fosforyleringsremmer in veel bacteriën, waardoor de stimulatie van ADP tot ATP-synthese wordt voorkomen.

Er zijn ook ionofoormiddelen, die in vet oplosbare complexen vormen met kationen zoals K ⁺ en Na ⁺ , en met deze kationen door het mitochondriale membraan gaan. De mitochondriën gebruiken vervolgens de energie die wordt geproduceerd bij elektronisch transport om kationen te pompen 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, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). De cel. (blz. 397-402). Marban.
3. Devlin, TM (1992). Textbook of biochemistry: with clinical correlations. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH en Grisham, CM (2008). Biochemie. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP en Matsudaira, P. (2008). Molleculaire celbiologie. Macmillan.
6. Nelson, DL en Cox, MM (2006). Lehninger Principles of Biochemistry 4e editie. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochemie. Panamerican Medical Ed.