In biologie moleculara , fosforilarea oxidativă este procesul care permite fosforilarea de ADP la ATP datorită energia eliberată prin oxidarea de electroni donori prin lanțul respirator . Acest proces este comun pentru aproape toate organismele aerobe , în ciuda faptului că se hrănesc cu o mare varietate de substanțe nutritive diferite, care sunt oxidate printr- o mare varietate de căi metabolice . Acesta permite celulelor sa se regenereze lor coenzime reduse prin catabolice reacții , cum ar fi ciclul Krebs și β-oxidarea a acizilor grași , și permite energia eliberată prin respirația celulară să fie recuperată sub formă de ATP . Eficiența sa energetică este semnificativ mai bună decât cea a glicolizei sau a fermentației anaerobe .
În timpul procesului de fosforilare oxidativă, electronii sunt transferați din molecule reducătoare în oxidanți de -a lungul unui lanț de transport de electroni efectuând o cascadă de reacții redox succesive care eliberează treptat energia electronilor cu potențial ridicat din transferul agenților reducători oxidați. Această energie este utilizată de pompele de protoni pentru a genera un gradient electrochimic pe o membrană biologică : membrana plasmatică în procariote , membrana mitocondrială internă în eucariote . Cei Protonii se acumulează pe o parte a membranei, și refluxul lor la cealaltă parte pentru a echilibra gradientului de concentrație conduce la un rotor molecular în sintaza ATP , care furnizează energia necesară pentru conversia ADP la ATP.
Fosforilarea oxidativă este o funcție vitală a metabolismului . Cu toate acestea, generează derivați reactivi ai oxigenului, cum ar fi anionul superoxid O 2 • -sau peroxid de hidrogen H 2 O 2care la rândul lor produc radicali liberi dăunători.
Fosforilarea oxidativă implică reacții care eliberează energie pentru a efectua reacții care consumă energie: se spune că aceste două grupuri de reacții sunt cuplate. Aceasta înseamnă că una nu se poate întâmpla fără cealaltă. Circulația electronilor printr-un lanț de transport al electronilor - al lanțului respirator sau al fotosintezei - este un proces exergonic , adică eliberează energie; biosinteza de ATP de către ATP sintetaza , între timp, este o endergonic de reacție , adică, are nevoie de o sursă de energie pentru a produce.
Atât lanțul de transport al electronilor, cât și biosinteza ATP au loc într-o membrană biologică , energia eliberată de primul fiind transmisă celui de-al doilea printr-un flux de protoni prin această membrană. Această cuplare se numește chemiosmoză . Principiul este similar cu cel al unui circuit electric cu un curent de protoni care trece prin membrană de la fața sa încărcată negativ la fața sa încărcată pozitiv sub efectul pompării enzimelor furnizate de energia eliberată de lanțul de transport al 'electronilor. Acumularea de protoni pe partea încărcată pozitiv a membranei creează un gradient electrochimic peste această membrană. Acest gradient electrochimic corespunde forței de antrenare a protonilor de fosforilare oxidativă; este format atât dintr-o diferență de concentrație de protoni între cele două fețe ale membranei ( gradient de concentrație cunoscut în ion H + sau Δ pH ), cât și o diferență de potențial de putere între aceste fețe.
Sintazele ATP completează circuitul permițând protonilor să se deplaseze de-a lungul gradientului electrochimic și, prin urmare, să traverseze membrana din partea încărcată pozitiv în partea încărcată negativ. Această forță motrice proton activează anumite subunități ale sintetazei ATP , care funcționează ca un rotor care permite fosforilarea de ADP în ATP .
Cele două componente ale forței motrice protonice sunt echivalente termodinamic : în mitocondrii , cea mai mare parte a energiei provine din diferența de potențial electric de-a lungul membranei, în timp ce cloroplastele funcționează esențial din diferența de pH. Necesitând în același timp un potențial de membrană scăzut pentru cinetică. a biosintezei ATP. În fusobacterium P. modestum (en) de exemplu, acesta din urmă activează rotația subunităților a și c ale rotorului F O al ATP sintazei.
Cantitatea de energie eliberată prin fosforilarea oxidativă este comparativ mult mai mare decât cea eliberată prin fermentarea anaerobă . O moleculă de glucoză poate produce doar două molecule de ATP prin glicoliză , dar de la 30 la 36 de molecule de ATP prin oxidare completă, prin lanțul respirator , a coenzimelor reduse rezultate din ciclul Krebs în timp ce fiecare ciclu de β-oxidare a unui acid gras eliberează 14 molecule de ATP. Aceste valori sunt totuși teoretice: în practică, există pierderi datorate disipării gradientului electrochimic prin difuzia pasivă a protonilor prin membrană, ceea ce scade randamentul efectiv al fosforilării oxidative.
Un număr mare de procese biochimice produc coenzime reduse , în principal NADH : este cazul cu glicoliza , ciclul Krebs și β-oxidarea . Această coenzimă transportă doi electroni cu potențial mare de transfer, adică electroni capabili să elibereze o cantitate semnificativă de energie prin oxidare . Cu toate acestea, această energie nu este eliberată dintr-o dată, ci într-o serie de pași de fiecare dată implicând cantități mici de energie pe măsură ce electronii trec de la o coenzimă la alta, potențialul standard crescând în timp, pe măsură ce electronii se mișcă prin lanț. Această serie de enzime , formate din complexele I până la IV , constituie lanțul respirator . Se găsește în membrana mitocondrială internă . Succinat este de asemenea oxidat de lanțul de transport de electroni între dar în această cale metabolică într - un mod diferit.
În eucariote , enzimele din lanțul respirator folosesc energia eliberată de oxidarea NADH pentru a pompa protoni prin membrana mitocondrială internă. Protonii se acumulează astfel în spațiul intermembranar mitocondrial și generează un gradient electrochimic de-a lungul membranei. Energia stocată în acest potențial este apoi utilizată de către sintaza ATP pentru fosforilarea ADP la ATP . Fosforilarea oxidativă este cel mai bine înțeleasă în mitocondriile eucariotelor. Mitocondriile sunt prezente în aproape toate eucariotele, cu excepția protozoarelor anaerobe, cum ar fi Trichomonas vaginalis, care reduc protonii la hidrogen într-un organit numit hidrogenozom .
Complex | Enzima respiratorie | Cuplu Redox | Potențial standard |
---|---|---|---|
Eu | NADH dehidrogenaza | NAD + / NADH | −0,32 V |
II | Succinat dehidrogenază | FMN sau FAD / FMNH 2sau FADH 2 | −0,20 V |
III | Citocrom c reductaza | Coenzima Q 10 ox/ Q 10 H 2 | 0,06 V |
Citocrom b ox/ Citocrom b roșu | 0,12 V | ||
IV | Citocrom c oxidază | Citocrom c ox/ Citocrom c roșu | 0,22 V |
Citocrom un bou/ Citocromul un roșu | 0,29 V | ||
O 2/ HO - | 0,82 V | ||
Condiții: pH = 7 |
Spre deosebire de eucariote , ale căror lanțuri respiratorii sunt foarte asemănătoare, procariotele - bacterii și arhee - posedă o mare varietate de enzime de transfer de electroni, care folosesc, de asemenea, o varietate la fel de largă de substraturi . În schimb, transportul de electroni al procariotelor are în comun cu cel al eucariotelor că folosește energia eliberată în timpul oxidării substraturilor pentru a pompa ionii printr-o membrană și pentru a produce un gradient electrochimic peste membrană. La bacterii, fosforilarea oxidativă a Escherichia coli este cel mai bine înțeleasă, în timp ce cea a archaea rămâne slab înțeleasă.
Principala diferență între fosforilarea oxidativă a procariotelor și cea a eucariotelor este că bacteriile și arheele folosesc diverse substanțe ca donatori și acceptori de electroni. Acest lucru permite procariotelor să crească într-o mare varietate de condiții de mediu. La Escherichia coli , de exemplu, fosforilarea oxidativă poate fi rezultatul unui număr mare de cupluri redox , a căror listă este prezentată în tabelul de mai jos. Potențialul standard , al unui produs chimic este o măsură a energiei eliberată atunci când substanța este oxidat sau redus, agenți de reducere care au un potențial negativ în timp ce oxidanții au un potențial pozitiv.
Enzima respiratorie | Cuplu Redox | Potențial standard |
---|---|---|
Formatul dehidrogenază | HOCOO - / HCOO - | −0,43 V |
Hidrogenaza | H + / H 2 | −0,42 V |
NADH dehidrogenaza | NAD + / NADH | −0,32 V |
Glicerol-3-fosfat dehidrogenază | DHAP / Gly-3-P | −0,19 V |
Piruvat oxidaza | Acetat + CO 2/ Piruvat | ? |
Lactat dehidrogenază | Piruvat / Lactat | −0,19 V |
D- Aminoacid dehidrogenaza | α-Ketoacid + NH 3/ Aminoacid D | ? |
Glucoza dehidrogenaza | Gluconat / Glucoză | −0,14 V |
Succinat dehidrogenază Fumarat reductază (direcție inversă) |
Fumarat / Succinat | 0,03 V |
Trimetilamină N -oxid reductază | TMAO / TMA | 0,13 V |
DMSO reductază | (CH 3 ) 2 S = O/ (CH 3 ) 2 S | 0,16 V |
Nitrit reductaza | NU 2 -/ NH 3 | 0,36 V |
Nitrat reductază | NU 3 -/ NU 2 - | 0,42 V |
Ubiquinol oxidaza | O 2/ H 2 O | 0,82 V |
Sintaza ATP , uneori numit complex V , este enzima care inchide fosforilării oxidative. Este prezent în toate viețuitoarele și funcționează în același mod, indiferent dacă este în eucariote sau în procariote . Acesta utilizează energia potențială stocată sub formă de gradient de concentrație de protoni printr - o membrană pentru acționarea fosforilarea de ADP la ATP . Numărul estimat de protoni necesari pentru fiecare moleculă de ATP sintetizată variază de la sursă la sursă între trei și patru, unele experimente sugerând că celulele sunt susceptibile de a varia acest raport pentru a se adapta variațiilor condițiilor de mediu în care operează.
ADP + fosfat + 4 H + intermembrana 4 H + matrice + H 2 O+ ATP .Această reacție de fosforilare este un echilibru care poate fi deplasat prin variația forței de antrenare a protonilor. În absența acestuia din urmă, reacția se desfășoară de la dreapta la stânga și constă în hidrolizarea ATP pentru a pompa protoni din matricea mitocondrială prin membrana mitocondrială internă . Cu toate acestea, atunci când forța de antrenare a protonilor este suficientă, reacția este forțată invers, de la stânga la dreapta și permite protonilor să traverseze membrana către matricea mitocondrială în timp ce activează ATP sintaza pentru a converti ADP în ATP. De fapt, V-ATPaza , sau ATPaza vacuolară, catalizează hidroliza ATP pentru a acidifica compartimentele celulare prin injectarea de protoni în ele.
ATP sintaza este un complex proteic mare, în formă de ciupercă. La mamifere , acest complex conține 16 subunități pentru o masă totală de aproximativ 600 kDa . Regiunea inclusă în membrană se numește F O - „O” se referă la oligomicină ; nu este numărul 0 - și conține un inel de subunități c , precum și canalul de protoni. Tulpina și capul sferoidal formează regiunea F 1 și sunt locul producției de ATP. Capul sferoidal de la capătul regiunii F 1 este alcătuit din șase proteine de două tipuri diferite - trei subunități α și trei subunități β - în timp ce tulpina constă dintr-o singură proteină, subunitatea γ, care se extinde parțial în cap. Subunitățile α și β se leagă de nucleotide, dar numai subunitățile β catalizează biosinteza ATP.
Când protonii traversează membrana împrumutând canalul regiunii F O , aceștia acționează un rotor molecular sub efectul forței motrice a protonului. Rotația rotorului este probabil cauzată de modificări ale stării de ionizare a reziduurilor de aminoacizi din inelul c al subunităților , provocând interacțiuni electrostatice punând inelul în mișcare. Rotația acestui inel este transmisă tijei γ către interiorul capului α 3 β 3. Pe de altă parte, acesta din urmă rămâne fix în raport cu diafragma datorită brațului său lateral și funcționează ca un stator . Energia chimică necesară pentru fosforilarea de ADP în ATP , prin urmare , provine din energia mecanică rezultată din forța proton-motrice și transmise prin rotirea subunității γ la grupa a 3 β 3 complex. ; în acesta din urmă, au loc schimbări conformaționale ciclice în timpul cărora ADP este convertit în ATP.
Acest mod de biosinteza a ATP, cunoscut la sfârșitul XX - lea secol ca „schimbare de conexiuni mecanism“ ( legare modificări mecanism în limba engleză) implică ciclic trei stări distincte ale modului activ site - ul a subunității β. În starea O ( deschisă ), ADP și fosfatul intră pe site-ul activ, care are apoi o afinitate destul de scăzută pentru aceste substraturi . Proteina se închide apoi în jurul lor și le captează formând legături libere cu aceste molecule: aceasta este starea L ( liberă ). În cele din urmă, site - ul activ se închide chiar mai mult și trece la T ( strans stat), cu afinitate mare pentru aceste substraturi și activitatea enzimatică ridicată, care catalizează condensarea ADP și fosfat pentru a forma ATP și apă. Site-ul activ revine apoi la starea O și eliberează ATP-ul format, în timp ce așteaptă să intre noi molecule de ADP și fosfat.
La unele bacterii, energia necesară pentru fosforilarea ADP în ATP nu provine dintr-un flux transmembranar de protoni, ci dintr-un flux transmembranar de ioni Na + sodiu . Archaea cum ar fi Methanococcus conține de asemenea sintază A 1 A 0, o formă de ATP sintază care conține proteine suplimentare a căror secvență peptidică prezintă doar o asemănare slabă cu cea a subunităților ATP sintază ale eucariotelor și bacteriilor. Este posibil ca la unele specii să fie forma A 1 A 0 sau o ATP sintază specializată pentru ioni de sodiu, dar nu este sigur că acest lucru este întotdeauna cazul.
Oxigen molecular O 2este un oxidant puternic, făcându-l un excelent acceptor final de electroni. Cu toate acestea, reducerea oxigenului implică intermediari potențial periculoși. Chiar dacă transferul de patru protoni și patru electroni la o O 2 moleculeproduce o moleculă de apă H 2 O, care este inofensiv și chiar benefic pentru toate formele de viață cunoscute, transferul unuia sau a doi electroni produce ionul superoxid O 2• - și ionul peroxid O 22– , care sunt foarte reactive și, prin urmare, periculoase pentru majoritatea ființelor vii. Aceste forme reactive de oxigen , precum și derivații lor, cum ar fi radicalul hidroxil HO • , sunt foarte dăunătoare celulelor, deoarece oxidează proteinele și provoacă mutații genetice prin modificarea ADN-ului . Acumularea unor astfel de degradări în celule ar putea contribui la apariția bolilor și ar fi una dintre cauzele senescenței ( îmbătrânirii ).
Mai multe medicamente și toxine cunoscute sunt inhibitori ai fosforilării oxidative. Deși fiecare dintre toxine inhibă o singură enzimă din lanțul respirator , inhibarea oricărei etape din acest lanț blochează întregul proces. De exemplu, când ATP sintaza este inhibată de oligomicină , protonii nu mai pot recâștiga matricea mitocondrială prin membrana interioară. Pompele de protoni devin astfel incapabile să expulzeze protonii din matrice pe măsură ce electronii curg prin lanțul respirator, deoarece gradientul de concentrație a protonilor devine prea mare pe membrană. NADH nu este oxidat la NAD + și ciclul Krebs continuă să apeleze la funcția de lipsa unei concentrații suficiente de NAD + .
Ţintă | Compus | utilizare | Mod de acțiune asupra fosforilării oxidative |
---|---|---|---|
Complexul I | Rotenonă | Pesticide | Blochează transferul de electroni de la complexul I la coenzima Q 10prin blocarea situsului de legare a ubiquinonei . |
Complexul II |
malonat Oxaloacetatul |
Otravuri | Ei sunt inhibitori competitivi ai dehidrogenazei succinat ( complex II ). |
Complexul III | Antimicina A | Piscicid | Se leagă de situl Q i al coenzimei Q-citocrom c reductază , care blochează oxidarea ubiquinolului . |
Complexul IV |
CN - CO N 3- H 2 S |
Otravuri | Inhibați lanțul respirator prin legarea mai puternică decât oxigenul O 2la centrul Fe - Cu al citocromului c- oxidazei , care previne reducerea oxigenului. |
Complexul V | Oligomicină | Antibiotic | Inhiba sintaza ATP prin blocarea fluxului de protoni prin F O regiune . |
Membrană internă |
Carbonilcianură m- clorofenilhidrazonă 2,4-Dinitrofenol |
Otravuri , scădere în greutate | Aceștia sunt ionofori care rup gradientul de concentrație lăsând protonii să difuzeze liber pe membrana mitocondrială internă . |
Cu toate acestea, nu toți inhibitorii de fosforilare oxidativă sunt toxine . În țesutul adipos maro , proteinele de decuplare reglează difuzia protonilor prin membrana mitocondrială internă , care are ca efect decuplarea lanțului respirator de producția de ATP . Această respirație decuplată are ca efect producerea căldurii în loc de ATP, care joacă un rol vital în termoreglare, în special la animalele hibernante , deși aceste proteine pot avea și o funcție mai generală a răspunsului la stres celular .