Tahapan fosforilasi oksidatif, produk, fungsi, dan inhibitor



itu fosforilasi oksidatif adalah proses di mana molekul ATP disintesis dari ADP dan Psaya (fosfat anorganik). Mekanisme ini dilakukan oleh bakteri dan sel eukariotik. Dalam sel eukariotik, fosforilasi dilakukan dalam matriks mitokondria sel non-fotosintesis.

Produksi ATP didorong oleh transfer elektron dari koenzim NADH atau FADH2 O2. Proses ini merupakan produksi energi tertinggi dalam sel dan berasal dari degradasi karbohidrat dan lemak.

Energi yang tersimpan dalam gradien muatan dan pH, juga dikenal sebagai gaya gerak protonik, memungkinkan proses ini dilakukan. Gradien proton yang dihasilkan menyebabkan bagian luar membran memiliki muatan positif karena konsentrasi proton (H+) dan matriks mitokondria negatif.

Indeks

  • 1 Di mana fosforilasi oksidatif terjadi?
    • 1.1 Pembangkit listrik sel
  • 2 Tahapan
    • 2.1 Rantai transpor elektron
    • 2.2 Succinate reduktase CoQ
    • 2.3 Kopling atau transduksi energi
    • 2.4 Kopling chemosmotic
    • 2.5 Sintesis ATP
  • 3 Produk
  • 4 fungsi
  • 5 Kontrol fosforilasi oksidatif
    • 5.1 Kontrol terkoordinasi atas produksi ATP
    • 5.2 Kontrol oleh akseptor
    • 5.3 Agen pelepasan
    • 5.4 Penghambat
  • 6 Referensi

Di mana fosforilasi oksidatif terjadi?

Proses transpor elektron dan fosforilasi oksidatif dikaitkan dengan membran. Pada prokariota, mekanisme ini dilakukan melalui membran plasma. Dalam sel eukariotik mereka berhubungan dengan membran mitokondria.

Jumlah mitokondria yang ditemukan dalam sel bervariasi sesuai dengan jenis sel. Sebagai contoh, pada mamalia eritrosit kekurangan organel-organel ini, sementara tipe sel lainnya, seperti sel otot, dapat memiliki hingga jutaan dari mereka.

Membran mitokondria terdiri dari membran luar sederhana, membran internal yang agak lebih kompleks, dan di tengahnya terdapat ruang antarmembran, di mana banyak enzim yang bergantung ATP berada.

Membran luar mengandung protein yang disebut porin yang membentuk saluran untuk difusi sederhana molekul kecil. Membran ini bertanggung jawab untuk menjaga struktur dan bentuk mitokondria.

Membran internal memiliki kepadatan lebih tinggi dan kaya protein. Ia juga tidak tembus terhadap molekul dan ion sehingga, untuk melewatinya, mereka membutuhkan protein antarmembran yang mengangkutnya.

Di dalam matriks, lipatan membran bagian dalam memanjang, membentuk bubungan yang memungkinkannya memiliki area besar dalam volume kecil.

Pembangkit listrik sel

Mitokondria dianggap sebagai penghasil utama energi seluler. Di dalamnya terdapat enzim yang terlibat dalam proses siklus asam sitrat, oksidasi asam lemak dan enzim serta protein redoks dari transpor elektron dan fosforilasi ADP..

Gradien konsentrasi proton (gradien pH) dan gradien muatan atau potensial listrik di membran dalam mitokondria bertanggung jawab atas gaya motif proton. Permeabilitas rendah membran internal untuk ion (selain H)+) memungkinkan mitokondria memiliki gradien tegangan yang stabil.

Transpor elektronik, pemompaan proton dan perolehan ATP terjadi secara bersamaan di mitokondria, berkat kekuatan motif protonik. Gradien pH mempertahankan kondisi asam dalam intermembran dan matriks mitokondria dengan kondisi basa.

Untuk setiap dua elektron yang ditransfer ke OR2 Sekitar 10 proton dipompa melalui membran, menciptakan gradien elektrokimia. Energi yang dilepaskan dalam proses ini diproduksi secara bertahap oleh lewatnya elektron melalui rantai konveyor.

Tahapan

Energi yang dilepaskan selama reaksi reduksi oksidasi NADH dan FADH2 itu sangat tinggi (sekitar 53 kkal / mol untuk setiap pasangan elektron), sehingga untuk digunakan dalam pembuatan molekul ATP, harus diproduksi secara bertahap dengan berjalannya elektron melalui pengangkut.

Ini diatur dalam empat kompleks yang terletak di membran mitokondria bagian dalam. Kopling dari reaksi-reaksi ini untuk sintesis ATP dilakukan dalam kompleks kelima.

Rantai transpor elektron

NADH mentransfer sepasang elektron yang masuk ke kompleks I dari rantai transpor elektron. Elektron ditransfer ke flavin mononucleotide, dan kemudian ke ubiquinone (koenzim Q) melalui transporter besi-sulfur. Proses ini melepaskan sejumlah besar energi (16,6 kkal / mol).

Ubiquinone mengangkut elektron melalui membran ke kompleks III. Dalam kompleks ini elektron melewati sitokrom b dan c1 terima kasih kepada transporter besi-belerang.

Dari kompleks III, elektron berpindah ke kompleks IV (sitokrom c oksidase), ditransfer satu per satu ke dalam sitokrom c (protein tepi membran). Dalam kompleks IV elektron melewati sepasang ion tembaga (Cua2+), kemudian ke sitokrom ca, kemudian ke pasangan ion tembaga lainnya (Cub2+) dan dari sini ke sitokrom a3.

Akhirnya, elektron ditransfer ke OR2 yang merupakan akseptor terakhir dan membentuk molekul air (H2O) untuk setiap pasangan elektron yang diterima. Bagian elektron dari kompleks IV ke O2 juga menghasilkan sejumlah besar energi bebas (25,8 kkal / mol).

Succinate reduktase CoQ

Kompleks II (suksinat CoQ reduktase) menerima sepasang elektron dari siklus asam sitrat, dengan oksidasi molekul suksinat menjadi fumarat. Elektron-elektron ini ditransfer ke FAD, melewati kelompok besi-sulfur, ke ubiquinone. Dari koenzim ini mereka menuju ke kompleks III dan mengikuti rute yang telah dijelaskan sebelumnya.

Energi yang dilepaskan dalam reaksi transfer elektron ke FAD tidak cukup untuk mendorong proton melalui membran, sehingga dalam langkah rantai ini tidak ada daya motif protonik yang dihasilkan, dan akibatnya FADH menghasilkan lebih sedikit H+ bahwa NADH.

Kopling atau transduksi energi

Energi yang dihasilkan dalam proses transpor elektron yang dijelaskan sebelumnya harus dapat digunakan untuk produksi ATP, reaksi yang dikatalisis oleh enzim ATP sintase atau kompleks V. Konservasi energi ini dikenal sebagai penggandengan energi, dan mekanismenya telah sulit dikarakterisasi.

Beberapa hipotesis telah dideskripsikan untuk menggambarkan transduksi energi ini. Yang paling diterima adalah hipotesis kopel chemosmotic, dijelaskan di bawah ini.

Kopling chemosmotic

Mekanisme ini mengusulkan bahwa energi yang digunakan untuk sintesis ATP berasal dari gradien protonik dalam membran sel. Proses ini mengintervensi mitokondria, kloroplas dan bakteri dan dihubungkan dengan transpor elektron.

Kompleks I dan IV dari transportasi elektronik bertindak sebagai pompa proton. Ini mengalami perubahan konformasi yang memungkinkan mereka untuk memompa proton ke ruang intermembranal. Dalam kompleks IV untuk setiap pasangan elektron, dua proton dipompa keluar dari membran dan dua lagi tetap dalam matriks yang membentuk H2O.

Ubiquinone dalam kompleks III menerima proton dari kompleks I dan II dan melepaskannya di luar membran. Kompleks I dan III masing-masing memungkinkan lewatnya empat proton untuk setiap pasangan elektron yang diangkut.

Matriks mitokondria memiliki konsentrasi proton yang rendah dan potensial listrik negatif, sementara ruang antar-membran menyajikan kondisi terbalik. Aliran proton melalui membran ini melibatkan gradien elektrokimia yang menyimpan energi yang diperlukan (± 5 kkal / mol per proton) untuk sintesis ATP.

Sintesis ATP

Enzim ATP sintetase adalah kompleks kelima yang terlibat dalam fosforilasi oksidatif. Ini bertanggung jawab untuk mengambil keuntungan dari energi gradien elektrokimia untuk membentuk ATP.

Protein transmembran ini terdiri dari dua komponen: F0 dan F.1. Komponen F0 memungkinkan kembalinya proton ke matriks mitokondria yang berfungsi sebagai saluran dan F1 mengkatalisasi sintesis ATP melalui ADP dan Psaya, menggunakan energi dari kata pengembalian.

Proses sintesis ATP membutuhkan perubahan struktural dalam F1 dan perakitan komponen F.0 dan F.1. Translokasi proton melalui F0 menyebabkan perubahan konformasi dalam tiga subunit dari F1, memungkinkannya untuk bertindak sebagai mesin rotasi, mengarahkan pembentukan ATP.

Subunit yang bertanggung jawab atas pengikatan ADP dengan Psaya ia beralih dari status lemah (L) ke status aktif (T). Ketika ATP terbentuk, subunit kedua menuju ke keadaan terbuka (O) yang memungkinkan pelepasan molekul ini. Setelah ATP dirilis, subunit ini beralih dari status terbuka ke status tidak aktif (L).

Molekul ADP dan Psaya bergabunglah dengan subunit yang telah beralih dari status O ke status L..

Produk

Rantai transpor elektron dan fosforilasi menghasilkan molekul ATP. Oksidasi NADH menghasilkan sekitar 52,12 kkal / mol (218 kJ / mol) energi bebas.

Reaksi keseluruhan untuk oksidasi NADH adalah:

NADH + 1/2 O2 +H+ ↔ H2O + NAD+

Pemindahan elektron dari NADH dan FADH2 itu diberikan melalui beberapa kompleks, yang memungkinkan perubahan energi bebas ΔG ° dibagi menjadi "paket" energi yang lebih kecil, yang digabungkan dengan sintesis ATP.

Oksidasi molekul NADH menghasilkan sintesis tiga molekul ATP. Sedangkan oksidasi suatu molekul FADH2 digabungkan dengan sintesis dua ATP.

Koenzim ini berasal dari proses glikolisis dan siklus asam sitrat. Untuk setiap molekul glukosa terdegradasi, 36 atau 38 molekul ATP diproduksi, tergantung pada lokasi sel. 36 ATP diproduksi di otak dan otot rangka, sementara 38 ATP diproduksi di jaringan otot.

Fungsi

Semua organisme, uniseluler dan pluriseluler, membutuhkan energi minimum dalam sel mereka untuk melakukan proses di dalamnya, dan pada gilirannya mempertahankan fungsi vital dalam organisme lengkap.

Proses metabolisme membutuhkan energi untuk dilakukan. Sebagian besar energi yang dapat digunakan diperoleh dari degradasi karbohidrat dan lemak. Energi tersebut berasal dari proses fosforilasi oksidatif.

Kontrol fosforilasi oksidatif

Laju pemanfaatan ATP dalam sel mengendalikan sintesis yang sama, dan pada gilirannya, karena penggabungan fosforilasi oksidatif dengan rantai transpor elektron, ini juga mengatur laju transpor elektronik secara umum..

Fosforilasi oksidatif memiliki kontrol ketat yang memastikan ATP tidak dihasilkan lebih cepat daripada yang dikonsumsi. Ada langkah-langkah tertentu dalam proses transpor elektron dan fosforilasi berpasangan yang mengatur laju produksi energi.

Kontrol terkoordinasi atas produksi ATP

Jalur produksi energi utama (ATP seluler) adalah glikolisis, siklus asam sitrat dan fosforilasi oksidatif. Kontrol terkoordinasi dari ketiga proses ini mengatur sintesis ATP.

Kontrol fosforilasi oleh rasio aksi massa ATP tergantung pada kontribusi tepat elektron dalam rantai transpor. Ini pada gilirannya tergantung pada hubungan [NADH] / [NAD+] yang diawetkan ditinggikan oleh aksi glikolisis dan siklus asam sitrat.

Kontrol terkoordinasi ini dilakukan dengan mengatur titik kontrol glikolisis (PFK dihambat oleh sitrat) dan siklus asam sitrat (Pyruvate dehydrogenase, tape sitrat, isocitrate dehydrogenase dan α-ketoglutarate dehydrogenase).

Kontrol oleh akseptor

Kompleks IV (sitokrom c oksidase) adalah enzim yang diatur oleh salah satu substratnya, artinya aktivitasnya dikendalikan oleh berkurangnya sitokrom c (c).2+), yang pada gilirannya berada dalam kesetimbangan dengan rasio konsentrasi antara [NADH] / [NAD+] dan rasio aksi massa [ATP] / [ADP] + [P.saya].

Semakin tinggi relasi [NADH] / [NAD]+] dan turunkan [ATP] / [ADP] + [P.saya], semakin banyak konsentrasi sitokrom [c2+] dan aktivitas kompleks IV akan lebih besar. Ini ditafsirkan, misalnya, jika kita membandingkan organisme dengan aktivitas istirahat yang berbeda dan aktivitas tinggi.

Pada individu dengan aktivitas fisik yang tinggi, konsumsi ATP dan hidrolisisnya menjadi ADP + Psaya akan sangat tinggi, menghasilkan perbedaan dalam rasio aksi massa yang menyebabkan peningkatan [c2+] dan karena itu peningkatan sintesis ATP. Pada seseorang saat istirahat, situasi sebaliknya terjadi.

Pada akhirnya, laju fosforilasi oksidatif meningkat dengan konsentrasi ADP dalam mitokondria. Konsentrasi ini tergantung pada penerjemah ADP-ATP yang bertanggung jawab untuk pengangkutan nukleotida adenin dan Psaya dari sitosol ke matriks mitokondria.

Agen pelepasan

Fosforilasi oksidatif dipengaruhi oleh agen kimia tertentu, yang memungkinkan transportasi elektronik untuk melanjutkan tanpa terjadi fosforilasi ADP, memisahkan produksi dan konservasi energi.

Agen-agen ini menstimulasi tingkat konsumsi oksigen mitokondria tanpa ADP, juga menyebabkan peningkatan hidrolisis ATP. Mereka bertindak dengan menghilangkan perantara atau memecah keadaan energi dari rantai transpor elektron.

2,4-dinitrophenol, asam lemah yang melewati membran mitokondria, bertanggung jawab untuk menghilangkan gradien proton, karena mereka mengikatnya di sisi asam dan melepaskannya di sisi dasar.

Senyawa ini digunakan sebagai "pil penurun berat badan" karena ditemukan menghasilkan peningkatan respirasi, oleh karena itu, peningkatan laju metabolisme dan penurunan berat badan yang terkait. Namun, terbukti bahwa efek negatifnya bahkan dapat menyebabkan kematian.

Pembuangan gradien proton menghasilkan panas. Sel-sel jaringan adiposa coklat menggunakan decoupling, dikendalikan hormonal, untuk menghasilkan panas. Mamalia hibernasi dan bayi baru lahir yang kekurangan rambut terdiri dari jaringan ini yang berfungsi sebagai semacam selimut termal.

Inhibitor

Senyawa atau zat penghambat mencegah konsumsi O2 (Transportasi elektronik) sebagai fosforilasi oksidatif yang terkait. Agen ini mencegah pembentukan ATP dengan menggunakan energi yang dihasilkan dalam transportasi elektronik. Oleh karena itu, rantai transportasi berhenti ketika konsumsi energi ini tidak tersedia.

Oligomisin antibiotik berfungsi sebagai penghambat fosforilasi pada banyak bakteri, mencegah stimulasi ADP terhadap sintesis ATP.

Ada juga agen ionofor, yang membuat kompleks liposoluble dengan kation seperti K+ dan Na+, dan mereka melewati membran mitokondria dengan kation tersebut. Mitokondria kemudian menggunakan energi yang dihasilkan dalam transportasi elektronik untuk memompa kation alih-alih mensintesis ATP.

Referensi

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Biologi sel esensial. New York: Ilmu Garland.
  2. Cooper, G. M., Hausman, R. E. & Wright, N. (2010). Sel. (hlm. 397-402). Marbán.
  3. Devlin, T. M. (1992). Buku teks biokimia: dengan korelasi klinis. John Wiley & Sons, Inc.
  4. Garrett, R. H., & Grisham, C. M. (2008). Biokimia. Thomson Brooks / Cole.
  5. Lodish, H., Darnell, J.E., Berk, A., Kaiser, C.A., Krieger, M., Scott, M. P., & Matsudaira, P. (2008). Biologi sel molekuler. Macmillan.
  6. Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2006). Prinsip Lehninger Biokimia Edisi ke-4. Ed Omega. Barcelona.
  7. Voet, D., & Voet, J. G. (2006). Biokimia. Ed. Panamericana Medical.