- On passa la fosforilació oxidativa?
- Central energètica de la cèl·lula
- etapes
- Cadena de transport d'electrons
- Succinat CoQ reductasa
- Acoblament o transducció d'energia
- acoblament quimiosmótico
- Síntesi d'ATP
- productes
- funcions
- Control de la fosforilació oxidativa
- Control coordinat de la producció d'ATP
- Control per acceptor
- agents desacoplantes
- inhibidors
- referències
La fosforilació oxidativa és un procés on es sintetitzen molècules d'ATP a partir d'ADP i P i (fosfat inorgànic). Aquest mecanisme és realitzat per bacteris i cèl·lules eucariotes. En les cèl·lules eucariotes, la fosforilació es porta a terme a la matriu mitocondrial de cèl·lules no fotosintètics.
La producció d'ATP està dirigida per la transferència d'electrons des de les coenzims NADH o FADH 2 a l'O 2. Aquest procés representa la major producció d'energia a la cèl·lula i es deriva de la degradació d'hidrats de carboni i els greixos.
Font: Robot8A
L'energia emmagatzemada en els gradients de càrrega i pH, també coneguda com a força motriu protònica, permet que es dugui a terme aquest procés. El gradient de protons que es genera, fa que la part externa de la membrana tingui una càrrega positiva per la concentració de protons (H +) i la matriu mitocondrial sigui negativa.
On passa la fosforilació oxidativa?
Els processos de transport d'electrons i fosforilació oxidativa estan associats a una membrana. En els procariotes aquests mecanismes es duen a terme a través de la membrana plasmàtica. En cèl·lules eucariotes s'associen a la membrana del mitocondri.
El nombre de mitocòndries que es troben en les cèl·lules varia segons el tipus de cèl·lula. Per exemple, en mamífers els eritròcits no tenen aquestes organel·les, mentre que altres tipus cel·lulars, com les cèl·lules musculars, poden tenir fins a milions d'elles.
La membrana mitocondrial consta d'una membrana externa simple, una membrana interna una mica més complexa, i enmig d'elles l'espai intermembranal, on es localitzen molts enzims dependents d'ATP.
La membrana externa conté una proteïna anomenada porina que forma els canals per a la difusió simple de molècules petites. Aquesta membrana s'encarrega de mantenir l'estructura i forma del mitocondri.
La membrana interna posseeix major densitat i és rica en proteïnes. A més és impermeable per molècules i ions pel que, per travessar, necessiten de proteïnes intermembranales que les transportin.
Dins de la matriu, s'estenen plecs de la membrana interna, formant crestes que li permeten tenir gran àrea en un volum petit.
Central energètica de la cèl·lula
El mitocondri es considera com la central productora d'energia cel·lular. S'hi troben els enzims que intervenen en els processos de el cicle de l'àcid cítric, oxidació d'àcids grassos i els enzims i proteïnes redox de l'transport d'electrons i la fosforilació de l'ADP.
El gradient de concentració dels protons (gradient de pH) i el gradient de càrregues o potencial elèctric en la membrana interna del mitocondri, són els causants de la força motriu protònica. La poca permeabilitat de la membrana interna per ions (diferents a l'H +) permet a la mitocòndria tenir un gradient estable de voltatge.
El transport electrònic, bombament de protons i l'obtenció d'ATP ocorren de forma simultània a la mitocòndria, gràcies a la força motriu protònica. El gradient de pH manté condicions àcides en la intermembrana ia la matriu mitocondrial amb condicions alcalines.
Per cada dos electrons transferits a l'O 2 uns 10 protons són bombats per la membrana, creant un gradient electroquímic. L'energia despresa en aquest procés es produeix de forma gradual mitjançant el pas dels electrons a través de la cadena transportadora.
etapes
L'energia alliberada durant les reaccions d'òxid-reducció de l'NADH i FADH 2 és considerablement alta (al voltant de 53 kcal / mol per cada parell d'electrons), de manera que per a ser usada en la fabricació de molècules d'ATP, s'ha de produir gradualment amb el pas dels electrons a través de transportadors.
Aquests s'organitzen en quatre complexos ubicats a la membrana mitocondrial interna. L'acoblament d'aquestes reaccions a la síntesi de l'ATP es porta a terme en un cinquè complex.
Cadena de transport d'electrons
El NADH transfereix un parell d'electrons que entren al complex I de la cadena transportadora d'electrons. Els electrons són transferits a l'mononucleòtid de flavina, i després a la ubiquinona (coenzim Q) a través d'un transportador ferro-sofre. Aquest procés allibera una quantiosa quantitat d'energia (16,6 kcal / mol).
La ubiquinona transporta als electrons a través de la membrana fins al complex III. En aquest complex els electrons passen pels citocroms bic 1 gràcies a un transportador ferro-sofre.
De el complex III passen els electrons a el complex IV (citocrom c oxidasa), traslladats un per un al citocrom c (proteïna perifèrica de membrana). En el complex IV els electrons passen per un parell d'ions de coure (Cu a 2+), seguidament a l'citocrom c a, després a un altre parell d'ions de coure (Cu b 2+) i d'est a citocrom a 3.
Finalment, els electrons es transfereixen a l'O 2 que és l'últim acceptor i forma una molècula d'aigua (H 2 O) per cada parell d'electrons rebuts. El pas dels electrons des del complex IV a l'O 2 genera també gran quantitat d'energia lliure (25,8 kcal / mol).
Succinat CoQ reductasa
El complex II (succinat CoQ reductasa) rep un parell d'electrons de el cicle de l'àcid cítric, per l'oxidació d'una molècula de succinat a fumarat. Aquests electrons es transfereixen a el FAD, passant després per un grup ferro-sofre, fins a la ubiquinona. Des d'aquesta coenzim passen a el complex III i segueixen la ruta descrita prèviament.
L'energia alliberada en la reacció de traspàs d'electrons fins al FAD no és suficient per impulsar els protons a través de la membrana, de manera que en aquest pas de la cadena no es genera força motriu protònica, i conseqüentment el FADH rendeix menys H + que el NADH.
Acoblament o transducció d'energia
L'energia generada en el procés de transport d'electrons descrit prèviament, ha de poder usar-se per a la producció d'ATP, reacció catalitzada per l'enzim ATP sintasa o complex V. La conservació d'aquesta energia es coneix com acoblament d'energia, i el mecanisme ha estat difícil de caracteritzar.
S'han descrit diverses hipòtesis per descriure aquesta transducció energètica. La millor acceptada és la hipòtesi d'acoblament quimiosmòtic, descrita a continuació.
acoblament quimiosmótico
Aquest mecanisme proposa que l'energia utilitzada per a la síntesi d'ATP prové d'un gradient protònic en membranes cel·lulars. Aquest procés intervé en les mitocòndries, cloroplasts i bacteris i està vinculat a l'transport d'electrons.
Els complexos I i IV de l'transport electrònic actuen com a bombes protòniques. Aquests pateixen canvis conformacionals que els permet bombar els protons cap a l'espai intermembranal. En el complex IV per cada parell d'electrons es bomben a l'exterior de la membrana dos protons i dos més queden en la matriu formant H 2 O.
La ubiquinona en el complex III accepta protons dels complexos I i II i els allibera a l'exterior de la membrana. Els complexos I i III permeten cadascun el pas de quatre protons per cada parell d'electrons transportats.
La matriu mitocondrial té baixa concentració de protons i potencial elèctric negatiu mentre que l'espai intermembranal presenta les condicions inverses. El flux de protons a través d'aquesta membrana suposa el gradient electroquímic que emmagatzema l'energia necessària (± 5 kcal / mol per protó) per a la síntesi d'ATP.
Síntesi d'ATP
L'enzim ATP sintetasa és el cinquè complex involucrat en la fosforilació oxidativa. S'encarrega d'aprofitar l'energia de el gradient electroquímic per formar ATP.
Aquesta proteïna transmembranal consta de dos components: F 0 i F 1. El component F 0 permet el retorn dels protons cap a la matriu mitocondrial funcionant com a canal i el F 1 catalitza la síntesi de l'ATP mitjançant ADP i P i, utilitzant l'energia d'aquest retorn.
El procés de síntesi d'ATP requereix un canvi estructural en F 1 i l'acoblament dels components F 0 i F 1. La translocació de protons a través de F 0 causa canvis conformacionals en tres subunitats de la F 1, permetent que aquest actuï com un motor de rotació, dirigint la formació de l'ATP.
La subunitat que s'encarrega de la unió d'ADP amb P i passa d'un estat feble (L) a un actiu (T). A l'formar-se el ATP, una segona subunitat passa a un estat obert (O) que permet l'alliberament d'aquesta molècula. Després de ser alliberat l'ATP, aquesta subunitat passa de l'estat obert a un estat inactiu (L).
Les molècules d'ADP i P i s'uneixen a una subunitat que ha passat d'un estat O a l'estat L.
productes
La cadena transportadora d'electrons i la fosforilació produeixen molècules d'ATP. L'oxidació de NADH produeix al voltant de 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) d'energia lliure.
La reacció global per a l'oxidació de NADH és:
NADH + 1/2 O 2 + H + ↔ H 2 O + NAD +
La transferència dels electrons des NADH i FADH 2 es dóna a través de diversos complexos, permetent que el canvi d'energia lliure AG ° es divideixi en "paquets" d'energia més petits, que s'acoblen a la síntesi de l'ATP.
L'oxidació d'una molècula de NADH genera la síntesi de tres molècules d'ATP. Mentre que l'oxidació d'una molècula d'FADH 2 s'acobla a la síntesi de dos ATP.
Aquestes coenzims provenen dels processos de glicolisis i cicle de l'àcid cítric. Per cada molècula de glucosa degradada s'acaben produint 36 o 38 molècules d'ATP, depenent de la ubicació de les cèl·lules. En el cervell i múscul esquelètic es produeixen 36 ATP mentre que en teixit muscular es produeixen 38 ATP.
funcions
Tots els organismes, unicel·lulars i pluricel·lulars, necessiten una energia mínima en les seves cèl·lules per dur a terme els processos dins d'aquestes, i al seu torn mantenir les funcions vitals en l'organisme complet.
Els processos metabòlics requereixen energia per dur-se a terme. La major part de l'energia utilitzable s'obté per la degradació d'hidrats de carboni i greixos. Aquesta energia es deriva de l'procés de fosforilació oxidativa.
Control de la fosforilació oxidativa
La taxa d'utilització d'ATP en les cèl·lules, controla la síntesi de la mateixa, i al seu torn, a causa de l'acoblament de la fosforilació oxidativa amb la cadena transportadora d'electrons, també regula generalment la taxa de transport electrònic.
La fosforilació oxidativa posseeix un control estricte que assegura que no es generi ATP més ràpidament del que és consumit. Hi ha certs passos en el procés de transport d'electrons i la fosforilació acoblada que regulen el ritme de producció d'energia.
Control coordinat de la producció d'ATP
Les principals vies de producció d'energia (ATP cel·lular) són la glucòlisi, el cicle de l'àcid cítric i la fosforilació oxidativa. El control coordinat d'aquests tres processos regula la síntesi d'ATP.
El control de la fosforilació per la relació d'acció de masses de l'ATP depèn de l'aportació precís d'electrons en la cadena transportadora. Això al seu torn depèn de la relació / que es conserva elevada per l'acció de la glucòlisi i el cicle de l'àcid cítric.
Aquest control coordinat es porta a terme mitjançant la regulació dels punts de control de la glicòlisi (PFK inhibida per citrat) i el cicle de l'àcid cítric (Piruvat deshidrogenasa, citrat cintasa, isocitrat deshidrogenasa i α-cetoglutarato deshidrogenasa).
Control per acceptor
El complex IV (citocrom c oxidasa) és un enzim regulada per un dels seus substrats, és a dir que la seva activitat està controlada pel citocrom c reduït (c 2+), que al seu torn està en equilibri amb la relació de les concentracions entre / i la relació d'acció de masses de / +.
Com més alta és la relació / i més baixa la / +, més concentració hi haurà de citocrom i major serà l'activitat de l'complex IV. Això s'interpreta, per exemple, si comparem organismes amb activitats diferents de repòs i activitat elevada.
En un individu amb activitat física elevada, el consum d'ATP i per tant la seva hidròlisi a ADP + P i serà molt elevada, generant una diferència en la relació d'acció de masses que ocasiona un augment en i per tant un increment en la síntesi d'ATP. En un individu en repòs ocorre la situació inversa.
A la fin, la velocitat de la fosforilació oxidativa s'incrementa amb la concentració d'ADP dins del mitocondri. Aquesta concentració depèn de translocadores ADP-ATP encarregats de l'transport de nucleòtids d'adenina i P i de l'citosol a la matriu mitocondrial.
agents desacoplantes
La fosforilació oxidativa és influïda per certs agents químics, que permeten que continuï el transport electrònic sense que ocorri la fosforilació de l'ADP, desacoblant la producció i conservació d'energia.
Aquests agents estimulen la velocitat de consum d'oxigen del mitocondri en absència d'ADP, provocant a més un increment en la hidròlisi d'ATP. Actuen eliminant un intermediari o trencant un estat d'energia de la cadena transportadora d'electrons.
El 2,4-dinitrofenol, un àcid feble que passa a través de les membranes mitocondrials, s'encarrega de dissipar el gradient de protons, doncs s'uneixen a ells en el costat acídic i els allibera a la banda bàsic.
Aquest compost va ser usat com "píndola d'aprimar" ja que es va trobar que produïa un augment en la respiració, per tant, un increment en la taxa metabòlica i una pèrdua de pes associada. No obstant això, es va demostrar que el seu efecte negatiu podia fins i tot causar la mort.
La dissipació de el gradient protònic produeix calor. Les cèl·lules de el teixit adipós marró usen el desacoblament, controlat hormonalment, per a produir calor. Els mamífers que hivernen i els nadons que no tenen pèl consten d'aquest teixit que els serveix com una mena de manta tèrmica.
inhibidors
Els compostos o agents inhibidors impedeixen tant el consum d'O 2 (transport electrònic) com la fosforilació oxidativa associada. Aquests agents eviten la formació d'ATP mitjançant l'ús de l'energia produïda en el transport electrònic. Per tant, la cadena de transport es deté el no disposar aquest consum d'energia.
L'antibiòtic oligomicina funciona com un inhibidor de la fosforilació en molts bacteris, impedint l'estimulació de l'ADP a la síntesi d'ATP.
Existeixen també els agents ionòfors, que conformen complexos liposolubles amb cations com K + i Na +, i passen a través de la membrana mitocondrial amb aquests cations. El mitocondri llavors, dóna feina li energia produïda en el transport electrònic per bombar cations en lloc de sintetitzar ATP.
referències
- Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Essential cell biology. New York: Garland Science.
- Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). La cèl·lula. (Pp. 397-402). Marbán.
- Devlin, TM (1992). Textbook of biochemistry: with clinical correlations. John Wiley & Sons, Inc.
- Garrett, RH, & Grisham, CM (2008). Bioquímica. Thomson Brooks / Cole.
- Lodish et, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). Mollecular cell biology. Macmillan.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2006). Lehninger Principis de Bioquímica 4a edició. Ed Omega. Barcelona.
- Voet, D., & Voet, JG (2006). Bioquímica. Ed. Mèdica Panamericana.