مراحل الفسفرة المؤكسدة والمنتجات والوظائف ومثبطات



ال الفسفرة المؤكسدة هي عملية يتم فيها تصنيع جزيئات ATP من ADP و Pأنا (الفوسفات غير العضوي). يتم تنفيذ هذه الآلية عن طريق البكتيريا وخلايا حقيقية النواة. في الخلايا حقيقية النواة ، يتم الفسفرة في مصفوفة الميتوكوندريا من الخلايا غير الضوئية.

يتم إنتاج ATP بواسطة نقل الإلكترونات من أنزيمات NADH أو FADH2 وO2. تمثل هذه العملية أعلى إنتاج للطاقة في الخلية وتستمد من تدهور الكربوهيدرات والدهون.

تسمح الطاقة المخزّنة في تدرجات الشحن ودرجة الحموضة ، والمعروفة أيضًا باسم القوة الدافعة البروتونية ، بتنفيذ هذه العملية. يؤدي تدرج البروتون الناتج إلى أن يكون للجزء الخارجي من الغشاء شحنة موجبة بسبب تركيز البروتونات (H+) والمصفوفة الميتوكوندريا سلبية.

مؤشر

  • 1 حيث يحدث الفسفرة المؤكسدة?
    • 1.1 محطة توليد الكهرباء
  • 2 مراحل
    • 2.1 سلسلة نقل الإلكترون
    • 2.2 سكسينات CoQ اختزال
    • 2.3 اقتران أو تحويل الطاقة
    • 2.4 اقتران الكيميائي
    • 2.5 توليف ATP
  • 3 منتجات
  • 4 وظائف
  • 5 التحكم في الفسفرة المؤكسدة
    • 5.1 السيطرة المنسقة على إنتاج ATP
    • 5.2 السيطرة من قبل متقبل
    • 5.3 عوامل فك الارتباط
    • 5.4 مثبطات
  • 6 المراجع

أين يحدث الفسفرة المؤكسدة?

ترتبط عمليات نقل الإلكترون والتفسفر المؤكسد بغشاء. في بدائيات النوى يتم تنفيذ هذه الآليات من خلال غشاء البلازما. في الخلايا حقيقية النواة ترتبط مع غشاء الميتوكوندريا.

يختلف عدد الميتوكوندريا الموجودة في الخلايا حسب نوع الخلية. على سبيل المثال ، تفتقر كريات الدم الحمراء في الثدييات إلى هذه العضيات ، في حين أن أنواع الخلايا الأخرى ، مثل خلايا العضلات ، يمكن أن تحتوي على ملايين منها.

يتكون الغشاء الميتوكوندريا من غشاء خارجي بسيط ، غشاء داخلي أكثر تعقيدًا إلى حد ما ، وفي منتصفه يوجد حيز غشائي ، حيث توجد العديد من الإنزيمات المعتمدة على ATP.

يحتوي الغشاء الخارجي على بروتين يسمى porin الذي يشكل قنوات لنشر الجزيئات الصغيرة. هذا الغشاء مسؤول عن الحفاظ على بنية الميتوكوندريا وشكلها.

الغشاء الداخلي له كثافة أعلى وغني بالبروتينات. كما أنه من غير المسموح للجزيئات والأيونات ، ومن أجل عبوره ، فإنها تحتاج إلى بروتينات غشائية تنقلها..

داخل المصفوفة ، تمتد طيات الغشاء الداخلي ، وتشكل أطرافاً تسمح لها بمساحة كبيرة في حجم صغير.

محطة توليد الطاقة الخلوية

تعتبر الميتوكوندريا المنتج الرئيسي للطاقة الخلوية. في ذلك هي الانزيمات المشاركة في عمليات دورة حامض الستريك ، أكسدة الأحماض الدهنية والإنزيمات وبروتينات الأكسدة والاختزال في نقل الإلكترون والفسفرة من ADP.

إن تدرج تركيز البروتون (التدرج الأس الهيدروجيني) وتدرج الشحنات أو الإمكانات الكهربائية في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا هي المسؤولة عن قوة دافع البروتون. النفاذية المنخفضة للغشاء الداخلي للأيونات (بخلاف H)+) يسمح للميتوكوندريا أن يكون لها تدرج جهد ثابت.

يحدث النقل الإلكتروني وضخ البروتونات والحصول على الـ ATP في وقت واحد في الميتوكوندريا ، وذلك بفضل القوة الدافعة البروتونية. يحافظ التدرج الأس الهيدروجيني على الظروف الحمضية في الغشاء البيني ومصفوفة الميتوكوندريا مع الظروف القلوية.

لكل إلكترونين يتم نقلهما إلى OR2 يتم ضخ حوالي 10 بروتونات من خلال الغشاء ، مما يخلق تدرج كهروكيميائي. يتم إنتاج الطاقة المنبعثة في هذه العملية تدريجياً من خلال مرور الإلكترونات عبر سلسلة الناقل.

مراحل

الطاقة المنبعثة خلال تفاعلات الحد من الأكسدة من NADH و FADH2 أنها مرتفعة إلى حد كبير (حوالي 53 كيلو كالوري / مول لكل زوج من الإلكترونات) ، بحيث يتم استخدامها في تصنيع جزيئات ATP ، يجب إنتاجها تدريجياً مع مرور الإلكترونات عبر ناقلات.

يتم تنظيمها في أربعة مجمعات تقع في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا. يتم تنفيذ اقتران هذه التفاعلات لتوليف ATP في المجمع الخامس.

سلسلة نقل الإلكترون

يقوم NADH بنقل زوج من الإلكترونات التي تدخل في المعقد I لسلسلة نقل الإلكترون. يتم نقل الإلكترونات إلى أحادي نيوكليوتيد الفلافين ، ثم إلى يوبيكوينون (أنزيم Q) من خلال ناقل للكبريت الحديدي. تطلق هذه العملية كمية كبيرة من الطاقة (16.6 كيلو كالوري / مول).

يوبيكوينون ينقل الإلكترونات من خلال الغشاء إلى المجمع الثالث. في هذا المجمع ، تمر الإلكترونات عبر السيتوكرومات b و c1 بفضل نقل الحديد الكبريت.

من المجمع الثالث ، تنتقل الإلكترونات إلى مركب IV (السيتوكروم ج أوكسيديز) ، وتنقل واحدة تلو الأخرى إلى السيتوكروم (بروتين الغشاء المحيطي). في المجمع IV تمر الإلكترونات عبر زوج من أيونات النحاس (Cuإلى2+) ، ثم إلى السيتوكروم جإلى, ثم إلى زوج آخر من أيونات النحاس (Cuب2+) ومن هذا إلى السيتوكروم أ3.

أخيرًا ، يتم نقل الإلكترونات إلى OR2 وهو المتقبل الأخير ويشكل جزيء الماء (H2O) لكل زوج من الإلكترونات الواردة. مرور الإلكترونات من المجمع IV إلى O2 يولد أيضًا كمية كبيرة من الطاقة المجانية (25.8 كيلو كالوري / مول).

سكسينات CoQ اختزال

يتلقى المركب II (succinate CoQ reductase) زوجًا من الإلكترونات من دورة حمض الستريك ، عن طريق أكسدة جزيء من السكسينات إلى الفومارات. يتم نقل هذه الإلكترونات إلى FAD ، مروراً بمجموعة الكبريت الحديد ، إلى يوبيكوينون. من هذا الإنزيم يذهبون إلى المجمع الثالث ويتبعون الطريق الموصوف سابقًا.

الطاقة المنبعثة من رد فعل نقل الإلكترون إلى FAD ليست كافية لدفع البروتونات عبر الغشاء ، لذلك في هذه الخطوة من السلسلة لا يتم توليد قوة دافعية بروتونية ، وبالتالي ينتج عن FADH أقل H+ أن NADH.

اقتران أو تحويل الطاقة

يجب أن تكون الطاقة المتولدة في عملية نقل الإلكترون الموصوفة سابقًا قادرة على استخدام ATP ، وهو تفاعل يحفزه سينزاز ATP أو إنزيم V. ويعرف الحفاظ على هذه الطاقة باسم اقتران الطاقة ، وكانت الآلية يصعب وصفها.

تم وصف العديد من الفرضيات لوصف انتقال الطاقة هذا. الأفضل قبولًا هو فرضية الاقتران الكيميائي الموصوف أدناه.

اقتران كيميائي

تقترح هذه الآلية أن الطاقة المستخدمة لتوليف ATP تأتي من تدرج بروتوني في أغشية الخلايا. تتدخل هذه العملية في الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء والبكتيريا وترتبط بنقل الإلكترون.

المجمعين الأول والرابع من النقل الإلكتروني بمثابة مضخات البروتون. تخضع هذه التغييرات المطابقة التي تسمح لهم بضخ البروتونات في الفضاء بين الأغشية. في المجمع IV لكل زوج من الإلكترونات يتم ضخ بروتونين من الغشاء ويظل اثنان آخران في المصفوفة التي تشكل H2O.

يوبيكوينون في المجمع الثالث يقبل البروتونات من المجمعين الأول والثاني ويطلقها خارج الغشاء. يسمح كل من المجمعين الأول والثالث بمرور أربعة بروتونات لكل زوج من الإلكترونات المنقولة.

تحتوي مصفوفة الميتوكوندريا على تركيز منخفض من البروتونات وإمكانات كهربائية سالبة ، في حين أن الفضاء بين الغشاء يعرض الظروف العكسية. يتضمن تدفق البروتونات عبر هذا الغشاء التدرج الكهروكيميائي الذي يخزن الطاقة اللازمة (k 5 كيلو كالوري / مول لكل بروتون) لتخليق ATP.

توليف اعبي التنس المحترفين

إن إنزيم ATP synthetase هو المجمع الخامس المتورط في الفسفرة المؤكسدة. إنها مسؤولة عن الاستفادة من طاقة التدرج الكهروكيميائي لتكوين ATP.

يتكون بروتين الغشاء هذا من مكونين: F0 و F1. المكون F0 يسمح بعودة البروتونات إلى مصفوفة الميتوكوندريا تعمل كقناة و F1 يحفز تخليق ATP من خلال ADP و Pأنا, باستخدام طاقة العودة المذكورة.

تتطلب عملية تركيب ATP تغييرا هيكليا في F1 وتجميع مكونات F0 و F1. نقل البروتون من خلال F0 يسبب تغييرات مطابقة في ثلاث وحدات فرعية من F1, السماح لها بالعمل كمحرك دوراني ، لتوجيه تشكيل ATP.

الوحدة الفرعية المسؤولة عن ربط ADP مع Pأنا ينتقل من حالة ضعيفة (L) إلى حالة نشطة (T). عند تكوين ATP ، تذهب وحدة فرعية ثانية إلى حالة مفتوحة (O) تسمح بإطلاق هذا الجزيء. بعد إصدار ATP ، تنتقل هذه الوحدة الفرعية من الحالة المفتوحة إلى حالة غير نشطة (L).

جزيئات ADP و Pأنا الانضمام إلى وحدة فرعية انتقلت من حالة O إلى حالة L.

إنتاج

سلسلة نقل الإلكترون والفسفرة تنتج جزيئات ATP. تنتج أكسدة NADH حوالي 52.12 كيلو كالوري / مول (218 كيلو جول / مول) من الطاقة المجانية.

التفاعل الكلي لأكسدة NADH هو:

NADH + 1/2 O2 +H+ ↔ ح2يا + NAD+

نقل الإلكترونات من NADH و FADH2 يتم تقديمه من خلال العديد من المجمعات ، مما يسمح بتقسيم التغير المجاني في الطاقة ΔG ° إلى "مجموعات" أصغر من الطاقة ، مقترنة بتوليف ATP.

أكسدة جزيء NADH يولد تخليق ثلاثة جزيئات من ATP. بينما أكسدة جزيء FADH2 يقترن تخليق اثنين ATP.

هذه الإنزيمات تأتي من عمليات تحلل السكر ودورة حمض الستريك. لكل جزيء من الجلوكوز المتدهورة ، يتم إنتاج 36 أو 38 من جزيئات ATP ، وهذا يتوقف على موقع الخلايا. يتم إنتاج 36 ATP في الدماغ والعضلات الهيكلية بينما يتم إنتاج 38 ATP في الأنسجة العضلية.

وظائف

تحتاج جميع الكائنات ، أحادية الخلية ومتعددة الخلايا ، إلى حد أدنى من الطاقة في خلاياها لتنفيذ العمليات داخلها ، وبالتالي الحفاظ على الوظائف الحيوية في الكائن الحي الكامل.

عمليات الأيض تتطلب الطاقة التي يتعين القيام بها. يتم الحصول على معظم الطاقة القابلة للاستخدام من خلال تدهور الكربوهيدرات والدهون. تستمد الطاقة المذكورة من عملية الفسفرة المؤكسدة.

السيطرة على الفسفرة المؤكسدة

يتحكم معدل استخدام ATP في الخلايا في تخليقه ، وبالتالي ، بسبب اقتران الفسفرة التأكسدية بسلسلة نقل الإلكترون ، فإنه ينظم أيضًا معدل النقل الإلكتروني عمومًا.

الفسفرة المؤكسدة لديها تحكم صارم يضمن عدم إنتاج ATP بسرعة أكبر من استهلاكه. هناك بعض الخطوات في عملية نقل الإلكترون والفسفرة المزدوجة التي تنظم معدل إنتاج الطاقة.

مراقبة منسقة لإنتاج ATP

مسارات إنتاج الطاقة الرئيسية (ATP الخلوية) هي تحلل السكر ، ودورة حمض الستريك والتفسفر التأكسدي. التحكم المنسق في هذه العمليات الثلاث ينظم تخليق الـ ATP.

تعتمد السيطرة على الفسفرة بواسطة نسبة الحركة الكلية لـ ATP على المساهمة الدقيقة للإلكترونات في سلسلة النقل. هذا بدوره يعتمد على العلاقة [NADH] / [NAD+] التي يتم الحفاظ عليها مرتفعة من خلال عمل تحلل السكر ودورة حمض الستريك.

يتم إجراء هذا التحكم المنسق من خلال تنظيم نقاط التحكم في انحلال السكر في الدم (مثبط PFK بواسطة السيترات) ودورة حامض الستريك (Pyruvate dehydrogenase ، شريط السيترات ، نازعة هيدروجينيز إيزوكيترات وإيزي هيدروجينيز ألفا كيتوجلوتارات).

السيطرة من قبل متقبل

إن مركب IV (cytochrome c oxidase) هو إنزيم ينظمه أحد ركائزه ، مما يعني أن نشاطه يتم التحكم فيه بواسطة cytochrome c (c2+) ، والتي بدورها في حالة توازن مع نسبة التركيزات بين [NADH] / [NAD+] ونسبة العمل الشامل لـ [ATP] / [ADP] + [Pأنا].

كلما زادت العلاقة [NADH] / [NAD]+] وخفض [ATP] / [ADP] + [Pأنا] ، والمزيد من التركيز سيكون هناك السيتوكروم [ج2+] ونشاط المجمع الرابع سيكون أكبر. يتم تفسير ذلك ، على سبيل المثال ، إذا قارنا الكائنات مع أنشطة مختلفة من الراحة والنشاط العالي.

في الفرد ذي النشاط البدني العالي ، استهلاك ATP ، وبالتالي تحلله بالماء إلى ADP + Pأنا ستكون مرتفعة للغاية ، مما يولد فرقًا في نسبة الحركة الجماعية التي تسبب زيادة في [c2+] وبالتالي زيادة في تركيب ATP. في الفرد في الراحة ، يحدث الوضع العكسي.

في النهاية ، يزداد معدل الفسفرة المؤكسدة مع تركيز ADP داخل الميتوكوندريا. يعتمد هذا التركيز على مترجمين ADP-ATP المسؤولين عن نقل نيوكليوتيدات الأدينين و Pأنا من السيتوسول إلى مصفوفة الميتوكوندريا.

وكلاء فك الارتباط

يتأثر الفسفرة المؤكسدة بعوامل كيميائية معينة ، والتي تتيح استمرار النقل الإلكتروني دون حدوث الفسفرة في ADP ، مما يؤدي إلى فصل إنتاج الطاقة والحفاظ عليها.

تحفز هذه العوامل معدل استهلاك الأكسجين للميتوكوندريا في غياب ADP ، مما يسبب أيضًا زيادة في التحلل المائي للـ ATP. يتصرفون عن طريق القضاء على وسيط أو كسر حالة الطاقة في سلسلة نقل الإلكترون.

2.4-دينيتروفينول ، وهو حمض ضعيف يمر عبر أغشية الميتوكوندريا ، هو المسؤول عن تبديد التدرج البروتوني ، حيث يرتبط بهم على الجانب الحمضي ويطلقونه على الجانب الأساسي.

تم استخدام هذا المركب باعتباره "حبة انقاص الوزن" لأنه وجد أنه ينتج زيادة في التنفس ، وبالتالي زيادة في معدل الأيض وفقدان الوزن المرتبط به. ومع ذلك ، فقد تبين أن تأثيره السلبي يمكن أن يسبب الموت.

تبديد التدرج البروتوني ينتج الحرارة. تستخدم خلايا الأنسجة الدهنية البنية الانفصال ، الخاضع للتحكم الهرموني ، لإنتاج الحرارة. تتألف ثدييات السبات وحديثي الولادة الذين يفتقرون إلى الشعر من هذا النسيج الذي يعمل كنوع من البطانيات الحرارية.

مثبطات

المركبات أو العوامل المثبطة تمنع كل من استهلاك O2 (النقل الإلكتروني) باعتباره الفسفرة التأكسدية المرتبطة. هذه العوامل تمنع تكوين ATP باستخدام الطاقة المنتجة في النقل الإلكتروني. لذلك ، تتوقف سلسلة النقل عندما لا يكون استهلاك الطاقة هذا متاحًا.

يعمل أوليجوميسين المضاد حيويًا كمثبط للتفسف في العديد من البكتيريا ، مما يمنع تحفيز ADP على تخليق ATP.

هناك أيضًا عوامل شاذة للأيونات ، والتي تجعل مجمعات الدهون القابلة للذوبان مع الكاتيونات مثل K+ و نا+, ويمرون عبر الغشاء الميتوكوندريا مع الكاتيونات المذكورة. ثم تستخدم الميتوكوندريا الطاقة المنتجة في النقل الإلكتروني لضخ الكاتيونات بدلاً من تصنيع ATP.

مراجع

  1. Alberts، B.، Bray، D.، Hopkin، K.، Johnson، A.، Lewis، J.، Raff، M.، Roberts، K. & Walter، P. (2004). بيولوجيا الخلية الأساسية. نيويورك: علوم الطوق.
  2. Cooper، G. M.، Hausman، R. E. & Wright، N. (2010). الخلية. (ص. 397-402). Marban.
  3. Devlin، T. M. (1992). كتاب الكيمياء الحيوية: مع الارتباطات السريرية. جون وايلي وأولاده ، وشركة.
  4. غاريت ، ر. هـ ، وغريشام ، سي. م. (2008). كيمياء حيوية. طومسون بروكس / كول.
  5. Lodish، H.، Darnell، J.E، Berk، A.، Kaiser، C.A.، Krieger، M.، Scott، M. P.، & Matsudaira، P. (2008). بيولوجيا الخلية الحويصلية. ماكميلان.
  6. نيلسون ، دي إل إل ، وكوكس ، إم إم (2006). مبادئ ليهنغر للكيمياء الحيوية الطبعة الرابعة. إد أوميغا. برشلونة.
  7. Voet، D.، & Voet، J. G. (2006). كيمياء حيوية. Ed. Panamericana Medical.