OKSIDATIVNA FOSFORILACIJA je sinteza ATP iz adenozin difosfata in anorganskega fosfata, ki se izvaja v živih celicah zahvaljujoč energiji, ki se sprosti med oksidacijo organskih snovi v procesu celičnega dihanja.
SUBSTRATNA FOSFORILACIJA je sinteza ATP, ki ni povezana s transportnim sistemom elektronov, pri kateri se ostanek fosforne kisline (H2PO3) prenese na ADP iz visokoenergijske (fosforilirane) spojine. Za številne anaerobe (izvajajo fermentacijo) je to edini način pridobivanja energije.
V procesu biološke oksidacije približno 50 % energije rezervirajo tkivne celice v visokoenergijskih spojinah, predvsem ATP. Sinteza ATP iz ADP in fosforne kisline, ki se pojavi z uporabo energije, ki se sprosti med oksidacijo snovi v živih celicah in je povezana s prenosom elektronov vzdolž dihalne verige, se imenuje oksidativna fosforilacija.
Oksidativna fosforilacija lahko poteka na ravni substrata (substratna fosforilacija), vendar predvsem na različnih stopnjah dihalne verige. Substratna fosforilacija, kot je navedeno zgoraj, poteka z neposrednim prenosom aktivne fosfatne molekule iz substratov, ki vsebujejo visokoenergijsko vez, na ADP s tvorbo ATP (glejte Presnova ogljikovih hidratov in lipidov). Na primer, vmesni produkt razgradnje glukoze in triacilglicerolov, 2-fosfoenolpirovinska kislina, preda svoj aktivni fosfat ADP s tvorbo ATP po reakciji. Vendar fosforilacija substrata proizvede majhno količino molekul ATP. Njihova glavna količina se sintetizira med procesom fosforilacije, ki je povezan s celičnim dihanjem. Ugotovljeno je bilo, da se elektroni na vsaki stopnji prenosa z enega nosilca na drugega premaknejo z enega energijskega nivoja na drugega (nižjega), pri čemer se sprosti določena količina energije. Obstajajo pa tri faze, ko je sproščena energija dovolj za sintezo ATP
Na podlagi termodinamičnih podatkov se domneva, da obstajajo trije deli (točke) dihalne verige, ki jih spremlja sinteza ATP. Poskusi s specifičnimi zaviralci nekaterih encimov dihalne verige so potrdili te podatke. Tako ro-tenon (insekticid - strupena snov rastlinskega izvora, ki jo Indijanci uporabljajo kot strup) blokira prenos elektronov v območju od NADH2 do KOO. V tem primeru vse komponente dihalne verige preidejo v oksidirano stanje, tj. hitrost transporta elektronov se zmanjša. Amytal (natrijevi barbiturati) preprečuje obnovo COO. Antibiotik antimicin A
blokira prenos elektronov iz citokroma b, citokroma Cj, cianidi, natrijev azid in vodikov sulfid pa se vežejo na citokrom oksi-GASO in preprečijo prenos elektronov iz CCO na molekularni kisik.
Iz zgornjega diagrama (slika 57) sledi, da se prva molekula ATP sintetizira med prenosom elektronov in protonov v odseku "nikotinamidni koencim - flavoprotein - KoQ", druga - med prenosom elektronov iz citokroma b citokroma c1 in tretji - v odseku prenosa elektronov od citokrom oksidaze do molekularnega kisika. Ko se torej v dihalni verigi preneseta dva atoma vodika, nastanejo tri molekule ATP.
Torej, v dihalni verigi obstajajo tri regije, v katerih prenos elektronov spremlja znatno zmanjšanje proste energije. To so področja, kjer se sproščena energija skladišči, torej porabi za sintezo ATP.
Glavni postulati Mitchellove teorije so naslednji:
1. 1) notranja membrana mitohondrijev je neprepustna za ione in majhne molekule (z izjemo molekul vode);
2. 2) dihalna veriga deluje kot "črpalka", ki prenaša protone iz matriksa v medmembranski prostor - premik 2 elektronov iz substrata v kisik vodi do prenosa 8-10 H + (protoni se prenašajo skozi komplekse I, III in IV) čez membrano;
3. 3) delo dihalne verige ustvarja elektrokemični gradient protonov (??H +), saj se ne morejo prosto vrniti skozi notranjo mitohondrijsko membrano v matriks in se bodo kopičili v srednjemembransko-zgodnjem prostoru; ??H + je vmesna oblika shranjevanja energije iz oksidacije substratov;
4. 4) energijo protonskega gradienta porabi H + -ATP sintaza (V kompleks) za sintezo ATP, ko se protoni vrnejo v matriks skozi eno od njegovih podenot;
5. 5) obstajajo spojine, ki so ločilci oksidativne fosforilacije, ki motijo elektrokemijski gradient protonov in zmanjšujejo učinkovitost H + ATP sintaze.
Po tej teoriji lahko transmembranski ionski potenciali služijo kot vir energije za sintezo ATP, transport snovi in druge od energije odvisne procese v celici. Zlasti ATP se sintetizira zaradi kinetične energije protona, ki prehaja skozi ATP sintetazo (specifičen tunelski protein, ki prodre skozi membrano).
Proton ATP sintaza je oligomerni protein, vgrajen v notranjo membrano mitohondrija in po strukturi spominja na gobo. Vsebuje dve podenoti:
Fo – protonski kanal (in – iz "oligomicina"); samo po tem kanalu se lahko protoni vračajo v matriks;
F1 je encim, ki uporablja energijo, ki se sprosti med transportom protonov skozi Fo, da sintetizira ATP iz ADP in Fn.
P. Mitchell je v svoji teoriji teoretično dal funkcijo sklopitve oksidacije in fosforilacije na H + ATPazo. To dejstvo je bilo eksperimentalno dokazano v delih Johna Walkerja in Paula Boyerja, ki sta leta 1997 prejela Nobelovo nagrado za kemijo za "Razjasnitev encimskega mehanizma, na katerem temelji sinteza adenozin fosfata."
Danes je znano, da med transportom protonov skozi podenoto Fo pride do potrditvenih sprememb v aktivnem centru podenote F1, ki vodijo do njegove aktivacije in s tem do sinteze ATP in njegovega sproščanja. Sintetizirane molekule ATP se transportirajo v citosol s pomočjo translokaze.
Za sintezo molekule ATP, njeno sproščanje in transport v citosol je potrebna energija 4 protonov (40% te energije gre za sintezo ATP, 60% se sprosti kot toplota).
Število molekul anorganskega fosfata, ki se pretvorijo v vezano obliko (to je v ATP) glede na en atom kisika, se imenuje koeficient oksidativne fosforilacije in je označen kot P / O (fosforilacijsko razmerje).
Koeficient P/O je številčno enak številu molekul ATP, sintetiziranih kot posledica transporta 2? na atom kisika. Zato se za substrate oksidirajo pod delovanjem NAD-odvisnih dehidrogenaz P / O = 3 (na primer za piruvat, β-ketoglutarat, izocitrat, malat). Za substrate, ki jih oksidirajo FAD-odvisne dehidrogenaze, je ta koeficient 2 (na primer za sukcinat, acil-CoA, gliceril-3-fosfat).
Po tej teoriji prenos elektronov vzdolž dihalne verige spremlja prenos protonov iz matriksa skozi notranjo membrano v vodno okolje medmembranskega prostora.
Predpostavlja se, da komponente dihalne verige, asimetrično nameščene v membrani, tvorijo tri zanke, ki prenašajo protone skozi membrano, torej služijo kot protonska črpalka. Z vsakim parom elektronov, ki se prenesejo iz substrata v kisik, te tri zanke prenesejo šest protonov iz mitohondrijskega matriksa (po novih podatkih najmanj 9). Tako se energija, ki se sprosti med prenosom elektronov, porabi za črpanje ionov H + proti koncentracijskemu gradientu. Zaradi prenosa ionov H + iz matriksa postane notranja stran notranje mitohondrijske membrane elektronegativna, zunanja stran pa elektropozitivna, kar pomeni, da nastane koncentracijski gradient vodikovih ionov: manj v matrici in več v zunanji. vodna faza. Na skupni elektrokemijski protonski potencial vpliva ??H +. Sestavljen je iz 2 komponent: ??Н = ?рН in ?V.
Notranja membrana mitohondrijev je neprepustna za H + ione, pa tudi za OH, K +, Na +, CI- ione, vendar membranski protein Fo ATP-aza tvori kanal, skozi katerega se H + ioni vračajo v matriks po koncentracijskem gradientu, prosto energijo, ki se sprosti v tem primeru, uporabi F1 komponenta ATPaze za sintezo ATP iz ADP in Fn.
Fosforilacija ADP v mitohondrijih;
Aerobna oksidacija hranil za proizvodnjo ogljikovega dioksida in vode.
Pri manj intenzivni vadbi - z zmerno mišično aktivnostjo - ko je v mišične celice dovedena zadostna količina kisika, se ATP tvori predvsem z oksidativna fosforilacija – aerobna oksidacija ogljikovih hidratov in maščob s tvorbo ogljikovega dioksida, vode in ATP. V prvih 5-10 minutah je glavni vir za to glikogen. V naslednjih ~30 minutah prevladujejo viri energije, ki jih dovaja kri, pri čemer glukoza in maščobne kisline sodelujejo v približno enaki meri. V kasnejših fazah krčenja prevladuje izraba maščobnih kislin, poraba glukoze pa je manjša. Proces poteka v mitohondrijih – energijskih postajah celic – na dolgi poti, vključno s Krebsovim ciklom (TCA cikel – cikel trikarboksilne kisline) in transportno verigo elektronov (kjer dejansko pride do oksidacije), ki je podrobno opisan v učbenikih biokemije.
Vsa hranila, ki se lahko pretvorijo v acetil-CoA, se presnavljajo s Krebsovim ciklom in oksidativno fosforilacijo.
Oksidativna fosforilacija vključuje pretvorbo piruvata v acetil-CoA in njegovo morebitno popolno oksidacijo v ogljikov dioksid in vodo. Ta transformacija se zgodi v Krebsovem ciklu in v verigi prenosa elektronov (ETC). Reakcije splošne katabolne poti potekajo v mitohondrijskem matriksu in reducirani koencimi prenašajo vodik neposredno na komponente CPE, ki se nahajajo v notranji mitohondrijski membrani.
Slika 18. Shema proizvodnje energije v mišični celici.
Načini, kako mišična celica pridobiva energijo, so med seboj povezani in se lahko križajo. Najprej si oglejmo ta proces na primeru uporabe najbolj univerzalnega vira energije - glukoze ( Slika 18).
V citoplazmi se molekule glukoze s procesom glikolize pretvorijo v piruvat. Vzporedno s tem se sintetizira ATP. Glikoliza ne zahteva prisotnosti kisika. Nastali piruvat pa lahko celica naprej uporabi za proizvodnjo energije, v tem primeru pa bo mogoče sintetizirati veliko več ATP kot pri glikolizi. Ta proces, imenovan oksidativna fosforilacija, poteka v mitohondrijih in zanj celica že potrebuje kisik. Piruvat vstopi v mitohondrije, kjer vstopi v Krebsov cikel. Glavni produkt tega cikla je NADH (NADAN) (izgovarja se "nad-pepel"). NADH vstopi v proces oksidativne fosforilacije, ki se pojavi v notranji membrani mitohondrijev. Posledično se sintetizira ATP in v veliko večjih količinah kot med glikolizo
Slika 19. Katabolizem osnovnih hranil. 1-3 - prebava; 4-8 - specifične poti katabolizma; 9-10 - končna (splošna pot) katabolizma; 11 - CPE; 12 - oksidativna fosforilacija.
Katere snovi se uporabljajo v različnih presnovnih poteh?
Za glikolizo se lahko uporabljajo le ogljikovi hidrati. Skoraj vse lahko prebavljive ogljikove hidrate je mogoče pretvoriti v glukozo ali shraniti v obliki glikogena. Glikogen in glukoza se presnavljata s procesom glikogenolize in glikolize. Vsa hranila, ki jih je mogoče pretvoriti v acetil-CoA (slika 19), se presnavljajo s Krebsovim ciklom in oksidativno fosforilacijo. Zlasti maščobe se razgradijo v glicerol, ki se nato pretvori v piruvat in maščobne kisline. Maščobne kisline se oksidirajo v mitohondrijih s procesom p-oksidacije v acetil-CoA. Beljakovine se razgradijo na aminokisline, ki se po deaminaciji (odstranitvi NH3) pretvorijo v piruvat ali acetil-CoA in vstopijo v Krebsov cikel. Nobena od reakcij Krebsovega cikla in β-oksidacije ne uporablja kisika, če pa CPE ni vklopljen, pride do pomanjkanja akceptorjev elektronov (NAD, FADH), kar povzroči upočasnitev in nato popolno zaustavitev presnove. .
Pretvorba piruvata v acetil-CoA poteka s sodelovanjem niza encimov, strukturno združenih v kompleksu piruvat dehidrogenaze (PDC). Acetilni ostanek - acetil-Co A se v ciklu citronske kisline nadalje oksidira v CO 2 in H 2 O. V teh oksidacijskih reakcijah sodelujeta NAD- in FAD-odvisni dehidrogenazi, ki dovajata elektrone in protone v CPE, preko katerega se prenese v O2.
Tako vsako revolucijo cikla citronske kisline spremlja sinteza 11 molekul ATP z oksidativno fosforilacijo. Ena molekula ATP nastane s fosforilacijo substrata.
riž. 20. Učinkovitost in gospodarnost glavnih načinov oskrbe z energijo
Znano je, da se med aerobno oksidacijo iz ene molekule mlečne kisline ponovno sintetizira 4–6 drugih molekul mlečne kisline v ogljikove hidrate, pri čemer oksidacijo ogljikovih hidratov v pogojih polnega kisika spremlja bistveno večje sproščanje energije za ponovno sintezo glukoze kot med anaerobnim procesom. V tem pogledu lahko glukoza v aerobnih pogojih tvori 19-krat več ATP v primerjavi z anaerobnimi pogoji. Posledično je aerobna pot oskrbe z energijo bolj učinkovita in ekonomična ( Slika 20).
Primerjajmo tri poti za ponovno sintezo ATP.
| Primerjava: | tri poti resinteze | ATP. | |
| KREATIN FOSFAT | GLIKOLIZA | OKSIDATIVNA FOSFORILACIJA | |
| Lokalizacija | Kontraktilni del mišice | citoplazma | Mitohondrije |
| Substrat | KF | Glukoza/glikogen | Piruvat (ali acetil koencim A [CoA]) |
| Izdelek | Kreatin + Pi| | Piruvat ali laktat | Ogljikov dioksid in voda |
| Število stopenj | 11 + prenos elektronov | ||
| Izhod ATP, molekule | |||
| Uporaba kisika | št | št | ja |
| Hitrost | hitro | hitro | počasi |
| Vrsta | Anaerobna | Anaerobna | Aerobna |
Slika 21. Zaporedje aktivacije različnih poti sinteze ATP na začetku lahke telesne aktivnosti
Kot je prikazano v Slika 21 v prvih sekundah skoraj vso energijo zagotavlja adenozin trifosfat (ATP); Naslednji vir je kreatin fosfat (CP). Anaerobni proces, glikoliza, doseže svoj maksimum po približno 45 s, medtem ko zaradi oksidativnih reakcij mišica ne more prejeti glavnine energije prej kot po 2 min.
Tudi z enostavno delo ( Slika 21) proizvodnja energije poteka po anaerobni poti v kratkem prehodnem obdobju po začetku dela; nadaljnja presnova v celoti poteka zaradi aerobna reakcije ( riž. 21) z uporabo glukoze, pa tudi maščobnih kislin in glicerola kot substratov. V nasprotju s tem med huda delo, pridobivanje energije je delno zagotovljeno anaerobni procesi. Poleg teh "ozkih grl" v procesih oskrbe z energijo in tistih, ki začasno nastanejo takoj po začetku dela (slika 21), se pri ekstremnih obremenitvah oblikujejo "ozka grla", povezana z aktivnostjo encimov na različnih stopnjah presnove.
riž. 22. Poraba kisika pri lahkem dinamičnem delu s konstantno intenzivnostjo
Poti resinteze ATP in njihov prispevek k energetski oskrbi mišične aktivnosti bodo odvisni od intenzivnosti, trajanja obremenitev in sposobnosti sistemov, da energijske procese v mišicah oskrbijo s kisikom.
Kot je prikazano na sl. 22, sposobnost našega telesa, da ustrezno zadovolji potrebe mišic po kisiku, še zdaleč ni popolna. Ko začnete izvajati vajo, transportni sistem kisika (dihanje in cirkulacija) aktivnim mišicam ne dovaja takoj potrebne količine. Po začetku dela je potrebno nekaj časa, da se poveča intenzivnost aerobnih energijskih procesov v mišici. Šele po nekaj minutah je dosežena stabilna raven porabe kisika, pri kateri aerobni procesi polno delujejo, vendar se potreba telesa po kisiku močno poveča ravno v trenutku, ko se vadba začne. V tem obdobju se primanjkljaj energije nadomesti z lahko dostopnimi anaerobne zaloge energije(ATP in kreatin fosfat). Količina visokoenergijskih fosfatov je majhna v primerjavi z glikogenskimi rezervami, vendar so nepogrešljivi tako v določenem obdobju kot za zagotavljanje energije ob kratkotrajnih preobremenitvah med delom.
Absorpcija kisika in posledično proizvodnja ATP se povečujeta, dokler ni doseženo ravnovesno stanje, v katerem proizvodnja ATP ustreza njegovi porabi med mišično aktivnostjo. Konstantna raven porabe kisika (tvorba ATP) se vzdržuje, dokler se intenzivnost dela ne spremeni. Obstaja zamik med začetkom dela in povečanjem porabe kisika na neko konstantno raven, imenovano pomanjkanje ali pomanjkanje kisika. Pomanjkanje kisika- časovno obdobje med začetkom mišičnega dela in povečanjem porabe kisika na zadostno raven.
Na sl. Slika 22 prikazuje porabo kisika pred, med in po lahkem, enakomernem delu. Prikazuje pomanjkanje kisika in presežek porabe kisika po telesni aktivnosti.
Kaj je pomanjkanje kisika?
Časovno obdobje med začetkom telesne dejavnosti in povečanjem absorpcije kisika na zadostno raven; to je trajanje izenačitve razlike med absorpcijo kisika v prvih minutah dela in potrebo po kisiku za sintezo zadostne količine ATP. Potreba po ATP se takoj poveča, vendar traja nekaj časa, da se doseže zahtevana raven absorpcije kisika; kar ima za posledico pomanjkanje kisika. Obstajajo različni pogledi na mehanizme zagotavljanja ATP v tem obdobju. Možno je, da se ATP sintetizira med anaerobnim metabolizmom ali prihaja iz celičnih zalog, morda pa je merjenje količine ATP preprosto zakasnjeno v primerjavi z njegovo vsebnostjo. Med treningom se pomanjkanje kisika zmanjša, kar kaže na možnost hitrejše povezave sistemov, ki zagotavljajo hitro dostavo kisika med telesno aktivnostjo.
Pomanjkanje kisika(pomanjkanje kisika) –
razlika med potrebo po kisiku in oskrbo s kisikom.
časovno obdobje med začetkom telesne dejavnosti in povečanjem absorpcije kisika na zadostno raven.
trajanje izenačitve razlike med absorpcijo kisika v prvih minutah dela in potrebo po kisiku za sintezo zadostne količine ATP.
Mitohondriji absorbirajo do 80-90% vsega kisika, ki ga porabi celica. Vse komponente intramitohondrijske oksidacije so v določenem zaporedju vgrajene v notranjo membrano mitohondrijev in tvorijo dihalne verige ali transportne verige elektronov (ETC). Imenujejo se dihalne verige zaradi dejstva, da se zelo pogosto intramitohondrijska oksidacija imenuje intersticijsko dihanje. Lokacija komponent transportne verige elektronov v notranji mitohondrijski membrani je določena z vrednostjo njihovega redoks potenciala.
Na začetku CPE so snovi z negativnim redoks potencialom. Te snovi lažje oddajo elektrone. Za vsako naslednjo komponento se poveča oksidacijsko-redukcijski potencial. Snovi z večjim pozitivnim potencialom lažje sprejmejo elektrone. Tako se zaradi potencialne razlike v tokokrogu pojavi spontano, spontano gibanje elektronov od začetka verige do njenega konca. V mitohondrijih je običajno razlikovati med kratkimi in dolgimi dihalnimi verigami.
Dolga dihalna veriga
Dolga dihalna veriga vključuje oksidacijo, ki se začne v mitohondrijskem matriksu s sodelovanjem NAD (NADP) dehidrogenaz. V dolgi verigi se oksidirajo izocitrična kislina, jabolčna kislina, maščobne kisline in mlečna kislina.
V matriksu pride do dehidrogenacije substratov s prenosom elektronov in protonov na koencim NAD (NADP).
NAD-odvisna dehidrogenaza deluje kot zbiralec elektronov in protonov iz oksidirajočih snovi. Nastala reducirana oblika NAD se nato vključi v dolgo dihalno verigo, v kateri se NADH 2 oksidira s sodelovanjem flavoproteinov po naslednji shemi:
Nato se elektroni iz reducirane oblike flavoproteinov prenesejo s sodelovanjem proteinov, ki vsebujejo železo in žveplo (kompleksi Fe-S), na naslednjo komponento: CoQ po shemi:
H+ iz matrike
FMNN 2 (FeS) + KoQ FMN+ KoQH 2
H+ v medmembranski prostor
CoQH 2 oksidira sistem citokromov, na katerega se iz CoQ prenesejo le elektroni, protoni pa se sprostijo v medmembranski prostor:
Pod delovanjem citokrom oksidaze se 4 elektroni prenesejo na molekulo kisika, da nastane reducirana oblika kisika 2O 2-, ki nato reagira s 4H + in tvori H 2 O.
Na splošno je dolga dihalna veriga videti takole:
NADH 2 FP (FeS) KoQ cB (FeS) cC 1 cC cA, A 3 O2
Kratka dihalna veriga
V kratki dihalni verigi se oksidirajo substrati, za katere je primarni sprejemnik elektronov flavoprotein (stopnja oksidacije substrata NAD-DH ni). Snovi, ki se oksidirajo v kratki verigi, so jantarna kislina, aktivne oblike maščobnih kislin in glicerofosfat.
Prva stopnja oksidacije:
Nato se FADN 2 s sodelovanjem flavoproteinov* (FeS*) oksidira s CoQ:
Dolge in kratke dihalne verige vključujejo strukturne in funkcionalne fragmente, imenovane oksidativni (dihalni) kompleksi. V dolgi verigi so 3 glavni kompleksi (I, III, IV), v kratki verigi pa 2 (III, IV).
Kompleks I - NADH - dehidrogenazni kompleks se nahaja med NADH 2 in CoQ ter vključuje FP in FeS - proteina
Kompleks III - CoQH 2 -dehidrogenaza ali (citokrom C - reduktazni kompleks) se nahaja med CoQ in cC in vključuje cB, FeS - proteine, cC 1
Kompleks IV - kompleks citokrom oksidaze - oksidira cC in vključuje cA, A 3
II dodatni sukcinat dehidrogenazni kompleks vključuje FP* in FeS*,
Vsak dihalni kompleks lahko določene snovi – inhibitorji izključijo iz delovanja dihalne verige.
Prvi kompleksni inhibitorji - amytal, barbiturati, rotenon
Drugi kompleksni inhibitor - malonat
Tretji kompleksni zaviralec - antimicin A
Inhibitorji četrtega kompleksa - H 2 S, cianidi, CO
Izmenjava energije
Intramitohondrijska oksidacija je tesno povezana z energijsko presnovo. Izmenjava energije- uravnoteženo dogajanje reakcij nastajanja in reakcij porabe energije.
Reakcije, pri katerih se sprosti energija, imenujemo eksorganski reakcije in tiste, ki se pojavijo z absorpcijo energije - endorganski. Glavni eksorgonični proces v telesu je transport elektronov po dihalni verigi. Redoks potencial začetnih komponent NAD oksidiran/NAD reduciran je -0,32 V. Redoks potencial končnih komponent dihalne verige je +0,82 V.
Zaradi potencialne razlike v CPE se premikajo elektroni z visoko energijo. Proces transporta elektronov sprošča energijo. Energija, ki jo lahko uporabimo za opravljanje nekega dela, je prosta energija. Energija, sproščena v dihalni verigi, se izračuna po formuli:
DF = -23*n*De,
kjer je n število prenesenih elektronov na atom O2 (2e),
De - razlika v redoks potencialu med začetkom in koncem CPE.
De = 0,82 - (-0,32) = 1,14 v DF = -23*2*1,14 = -52 kcal/mol
Sproščeno energijo lahko telo porabi za različne vrste dela:
- mehansko delo – krčenje mišic
- · kemijsko delo – za sintezo novih snovi
- osmotsko delo – transport ionov proti koncentracijskemu gradientu
- električno delo - nastanek potencialov v živčnem sistemu
Vsi organizmi so glede na vrsto energije, ki jo uporabljajo za opravljanje dela, razdeljeni na dve vrsti: fototrofi- lahko uporablja energijo sončne svetlobe, kemotrofi- zna izrabljati energijo samo kemičnih vezi posebnih visokoenergijskih snovi.
Makroergične snovi - snovi, pri katerih se pri hidrolizi vezi sprosti energija več kot 5 kcal/mol. Sem spadajo fosfoenolpiruvat, kreatin fosfat, 1,3-difosfoglicerat, acili maščobnih kislin, ATP (GTP, CTP, UTP). Med naštetimi makroergi zavzema osrednje mesto ATP. ATP je baterija in vir kemične energije. Molekula ATP vsebuje energijo od 7,3 kcal/mol (pri standardnih pogojih) do 12 kcal/mol (pri fizioloških pogojih). ATP vsebuje ostanke adenina, riboze in 3 H3PO4. ATP se sintetizira iz ADP in fosforne kisline s porabo energije. Nasprotno, razpad ATP je eksergonski proces. Glavni vir energije za sintezo ATP je prenos elektronov po dihalni verigi. Adicijo H 3 PO 4 imenujemo fosforilacija.
Oksidativna fosforilacija
Proces sinteze ATP iz ADP in H 3 PO 4, zaradi energije transporta elektronov po CPE, imenujemo oksidativna fosforilacija. Procesi oksidacije v dihalni verigi in sinteza ATP so tesno povezani (skupljeni). Pri tem je vodilni proces transport elektronov, fosforilacija pa spremljajoči proces. Odseki dihalne verige, kjer pride do sinteze ATP, se imenujejo sklopitvena mesta. V dolgi verigi so trije (1, 3, 4 - oksidativni kompleksi), v kratki dihalni verigi pa dva (3, 4 kompleksi). Če se snov oksidira v dolgi dihalni verigi, se sintetizirajo največ tri molekule ATP. Učinkovitost sklopitve oksidativne fosforilacije je izražena s fosforilacijskim razmerjem (P/O). Prikazuje, koliko molekul H 3 PO 4 se doda ADP, ko se dva elektrona preneseta na en atom kisika, torej koliko molekul ATP se sintetizira, ko se dva elektrona preneseta na en atom kisika. Za dolgo verigo je koeficient P/O 3, za kratko verigo pa 2.
Mehanizem oksidativne fosforilacije.
Prvič v tridesetih letih je dejstvo sinteze ATP v procesu oksidacije razkril domači biokemik V.A. Engelhardt. Glavna hipoteza za razlago mehanizma oksidativne fosforilacije je bila kemoosmotska teorija P. Mitchella. Po njej med transportom elektronov po dihalni verigi nastane protonski potencial, ki akumulira energijo, ki se sprosti pri prenosu elektronov. Nato se protonski potencial uporabi za sintezo ATP. Pojav protonskega potenciala je povezan z neprepustnostjo notranje mitohondrijske membrane za protone. Zaradi transporta elektronov po dihalni verigi se H+ hkrati potisne iz matriksa v medmembranski prostor. Menijo, da 6 - 10 H + vstopi v matriko. Zaradi tega pride do zakisanosti v medmembranskem prostoru, pojavi se pH razlika (DrH), hkrati pa se naelektri notranja mitohondrijska membrana in nastane membranski potencial. Kombinacija membranskega potenciala in DmH tvori protonski potencial -DmH +.
Pri pretvorbi protonskega potenciala v energijo ATP sodeluje encim ATP sintetaza, vgrajen v notranjo membrano mitohondrijev. To je oligomerni encim, ki vključuje dve funkcionalni regiji. Eden od njih tvori hidrofilni protonski kanal v notranji membrani, skozi katerega se H + iz medmembranskega prostora vzdolž koncentracijskega gradienta vrača v matriks z ogromno hitrostjo in energijo. Druga regija - fosforilirajoča - je usmerjena proti matriksu. Tok H + povzroči konformacijske preureditve v fosforilirajočem delu encima, ki jih spremlja sinteza ATP iz ADP in H 3 PO 4 .
Regulacija oksidativne fosforilacije
Regulacijo procesov oksidacije in fosforilacije izvaja nadzor dihanja- sprememba hitrosti oksidacije v dihalni verigi, ko se spremeni razmerje koncentracij ATP in ADP. Ko se koncentracija ATP poveča, se hitrost prenosa elektronov vzdolž dihalne verige upočasni, in obratno, ko se koncentracija ADP poveča, se hitrost prenosa elektronov poveča.
Nadzor dihanja usklajuje procese nastajanja in porabe energije v telesu. V fizioloških pogojih so procesi oksidacije in procesi sinteze ATP tesno povezani. Stopnja konjugacije poveča hormon insulin, vitamini E, K.
Hkrati je v fizioloških in patoloških pogojih možen pojav odklopa oksidacije in fosforilacije.
Neenotnost- delno ali popolno prenehanje sinteze ATP ob ohranjanju transporta elektronov skozi dihalno verigo. Delno odklop spodbujajo visoke koncentracije ščitničnih hormonov, bilirubina, prostih maščobnih kislin in dinitrofenola.
Mehanizem delovanja ločilnikov je, da kot snovi, topne v maščobi, zagotavljajo transport H + skozi notranjo membrano mitohondrijev iz medmembranskega prostora v matriks, mimo protonske ATPaze. To zmanjša protonski potencial in s tem sintezo ATP.
V fizioloških pogojih ima delna ločitev pomembno termoregulacijsko vlogo. Običajno se prosta energija, ki znaša 52 kcal/mol, porazdeli takole: 60 % se porabi za opravljanje dela, 40 % za ogrevanje telesa. S povečanjem prenosa toplote iz telesa pri nizkih zunanjih temperaturah pride do delne ločitve oksidacije in fosforilacije in posledično se zmanjša delež proste energije, porabljene za delo, hkrati pa se poveča energija, porabljena za vzdrževanje telesne temperature. .
Tako je v kemotrofnih organizmih glavna baterija in glavni vir energije ATP. ATP se sintetizira iz ADP in se razgradi v ADP, zato se cikel ADP-ATP nenehno izvaja v tkivih. Poti sinteze ATP:
- 1. transport elektronov po dihalni verigi
- 2. fosforilacija substrata - oksidacijo nekaterih substratov nujno spremlja sinteza ATP
- 3. sinteza ATP iz drugih makroergov (zaradi kreatin fosfata)
- 4. Sinteza ATP iz dveh molekul ADP
ATP je energetska »menjalna valuta« celice.
Značilnosti energetske presnove pri otrocih
Določa jih velika poraba energije v otroštvu. Pri otrocih je stopnja oksidativnih procesov v prvem letu trikrat večja kot pri odraslih, v poznejši starosti pa še dvakrat večja. To se kaže v večji potrebi po kisiku, kalorični vrednosti prehrane, hitrosti presnove ATP in aktivnosti encimov energetske presnove. Hkrati imajo otroci nepopolno regulacijo energetske presnove. Med procesi pridobivanja energije in prenosa toplote lahko nastanejo nesorazmerja. V otroštvu je organ termogeneze ali nastajanja toplote rjavo maščobno tkivo, v katerem pride do nefosforilirajoče oksidacije (energija oksidacije substrata se ne uporablja za delo, ampak za tvorbo toplote).
Kršitev energetskega metabolizma.
Zmanjšana presnova energije - hipoergična stanja se lahko pojavijo s pomanjkanjem kisika, hranil, poškodbami mitohondrijev, odklopom oksidativne fosforilacije pod vplivom toksinov in mikroorganizmov. Za zdravljenje hipoergičnih stanj se uporabljajo citokromi, CoQ in vitamini. V zadnjem času so bile preučene in identificirane značilnosti hipoergičnih stanj, ki jih imenujemo mitohondrijske bolezni. Povezane so z mutacijami DNK, tako mitohondrijskih kot jedrskih.
Ne morejo uporabiti nobenega drugega substrata za prehrano razen ogljikovih hidratov.
Predkompleksni ogljikovi hidrati se razgradijo na enostavne, kar vodi do tvorbe glukoze. Glukoza je univerzalni substrat v procesu celičnega dihanja. Oksidacijo glukoze delimo na 3 stopnje:
- oksidativna dekarboksilacija in Krebsov cikel;
V tem primeru je glikoliza skupna faza za aerobno in anaerobno dihanje.
Delovanje ATP sintaze
Proces oksidativne fosforilacije izvaja peti kompleks mitohondrijske dihalne verige - protonska ATP sintaza, ki jo sestavlja 9 podenot 5 vrst:
- 3 podenote (γ,δ,ε) prispevajo k celovitosti ATP sintaze
- Podenota β je osnovna funkcionalna enota. Ima 3 konformacije:
- L-konformacija - veže ADP in fosfat (vstopajo v mitohondrije iz citoplazme s posebnimi nosilci)
- T-konformacija – fosfat se veže na ADP in nastane ATP
- O-konformacija – ATP se odcepi od β-podenote in prenese v α-podenoto.
- Da podenota spremeni svojo konformacijo, je potreben vodikov proton, ker se konformacija spremeni 3-krat, so potrebni 3 vodikovi protoni. Protoni se črpajo iz medmembranskega prostora mitohondrijev pod vplivom elektrokemičnega potenciala.
- Podenota α prenaša ATP do membranskega prenašalca, ki sprosti ATP v citoplazmo. V zameno pa isti transporter prenaša ADP iz citoplazme. Notranja membrana mitohondrijev vsebuje tudi transporter fosfata iz citoplazme v mitohondrije, vendar je za njegovo delovanje potreben vodikov proton. Takšni prenašalci se imenujejo translokaze.
Skupna proizvodnja
Za sintezo 1 molekule ATP so potrebni 3 protoni.
Inhibitorji oksidativne fosforilacije
Inhibitorji blokirajo kompleks V:
- Oligomicin - blokira protonske kanale ATP sintaze.
- Atraktilozid, ciklofilin - blokirajo translokaze.
Ločevalci oksidativne fosforilacije
Odklopniki- lipofilne snovi, ki lahko sprejmejo protone in jih prenesejo skozi notranjo membrano mitohondrijev, mimo kompleksa V (njegovega protonskega kanala). Odklopniki:
- Naravno- produkti lipidne peroksidacije, dolgoverižne maščobne kisline; velike količine ščitničnih hormonov.
- Umetno- dinitrofenol, eter, derivati vitamina K, anestetiki.
Fundacija Wikimedia.
- 2010.
- joruba (jezik)
Novosibirsk Air
Poglejte, kaj je "" v drugih slovarjih: oksidativno fosforilacijo - glej oksidativno fosforilacijo. oksidativne fermentacije - glej oksidativne fermentacije. (Vir: "Mikrobiologija: slovar izrazov", Firsov N.N., M: Drofa, 2006) ...
Mikrobiološki slovar OKSIDATIVNA FOSFORILACIJA - v biokemiji tvorba adenozin trifosforne kisline (ATP) iz adenozin difosforne in fosforne kisline zaradi energije, ki se sprosti pri oksidaciji organskih snovi v živih celicah. Glej tudi Fosforilacija...
Mikrobiološki slovar Veliki enciklopedični slovar - sinteza molekul adenozin trifosforja (ATP) iz molekul adenozin difosforja (ADP) in fosforja, ki poteka v živih celicah zaradi energije oksidacije organskih molekul. snovi. Energijo, akumulirano v ATP, nato celica porabi za... ...
Poglejte, kaj je "" v drugih slovarjih: Biološki enciklopedični slovar - - Teme biotehnologije EN oksidativna fosforilacija ...
Poglejte, kaj je "" v drugih slovarjih: Priročnik za tehnične prevajalce - (biokemično), tvorba adenozin trifosforne kisline (ATP) iz adenozin difosforne in fosforne kisline zaradi energije, ki se sprosti pri oksidaciji organskih snovi v živih celicah. Glej tudi Fosforilacija. * * * OKSIDATIVNO… …
Poglejte, kaj je "" v drugih slovarjih: Enciklopedični slovar - oksidativna fosforilacija. Fosforilacija glavnega nosilca bioenergije (ADP v ATP), skupaj z oksidacijo nizkomolekularnih spojin s kisikom v dihalni verigi; pretvorba ADP v ATP lahko... ...
Mikrobiološki slovar Molekularna biologija in genetika. Razlagalni slovar. - sinteza ATP iz adenozin difosfata in inorg. fosfata, ki nastane v živih celicah zaradi energije, ki se sprosti pri oksidaciji org. v procesu celičnega dihanja. Na splošno je O. f. in njegovo mesto v menjavi lahko predstavimo z diagramom: AN 2... ...
Kemijska enciklopedija Oksidativna fosforilacija - sinteza molekul adenozin trifosforne kisline (ATP) iz adenozin difosforne (ADP) in fosforne kisline, ki se izvaja v živih celicah zaradi energije oksidacije molekul organskih snovi (substratov). Kot rezultat, O. f. v celicah.....
Mikrobiološki slovar- (biokemično), tvorba adenozin trifosforne kisline (ATP) iz adenozin difosforne in fosforne kisline zaradi energije, ki se sprosti pri oksidaciji organskih snovi. v živih celicah. Glej tudi fosforilacijo... Naravoslovje. Enciklopedični slovar
Mikrobiološki slovar- Tvorba ATP zaradi energije prenosa elektronov iz substratov (na primer vmesnih produktov Krebsovega cikla) na kisik... Slovar botaničnih izrazov
knjige
- Lehningerjeve Osnove biokemije. Študijski vodnik. V 3 zvezkih. Volume 2: Bioenergetics and Metabolism, Cox Michael, Nelson David, Izobraževalna publikacija, ki so jo napisali ameriški znanstveniki, ki so priznani kot nadarjeni učitelji na univerzitetni ravni, sodobni koncepti biokemije v... Kategorija: Razno Založnik: Binom. Laboratorij znanja, Proizvajalec:
Ima vodilno vlogo pri nastajanju energije. Kot posledica oksidacije ogljikovih hidratov, maščob in beljakovin nastanejo redukcijski ekvivalenti (elektroni in vodikovi atomi), ki se prenašajo po dihalni verigi. Energija, ki se pri tem sprosti, se pretvori v energijo elektrokemičnega gradienta za protone na notranji mitohondrijski membrani, ta pa se porabi za sintezo ATP. Ta proces se imenuje oksidativna fosforilacija.
Trioze, ki nastanejo kot posledica glikolize, in predvsem piruvična kislina, sodelujejo pri nadaljnji oksidaciji, ki se pojavlja v mitohondrijih.
Pri tem se porabi energija cepitve vseh kemičnih vezi, kar vodi do sproščanja CO2, porabe kisika in sinteze velikih količin ATP. Ti procesi so povezani z oksidativnim ciklom trikarboksilnih kislin in respiratorno transportno verigo elektronov, kjer pride do fosforilacije ADP in sinteze celičnega "goriva" - molekul ATP. V ciklu trikarboksilne kisline se med oksidacijo sproščeni elektroni prenesejo na akceptorske molekule koencimov (NAD - nikotinamid adenin dinukleotid), ki jih vključijo naprej v transportno verigo elektronov (ETC - elektron transportna veriga). Ti dogodki znotraj mitohondrijev se zgodijo v njihovem matriksu. Preostale reakcije, povezane z nadaljnjim prenosom elektronov in sintezo ATP, so povezane z notranjo mitohondrijsko membrano, z mitohondrijskimi kristami. Elektroni, ki se sprostijo med procesom oksidacije v ciklu trikarboksilne kisline, sprejeti na koencime, se nato prenesejo v dihalno verigo (prenosna veriga elektronov), kjer se povežejo z molekularnim kisikom in tvorijo molekule vode. Dihalna veriga je niz proteinskih kompleksov, vgrajenih v notranjo mitohondrijsko membrano in je glavni sistem za pretvorbo energije v mitohondrijih. Tu pride do zaporedne oksidacije in redukcije elementov dihalne verige, kar povzroči sproščanje energije v majhnih delih. Zaradi te energije nastane ATP na treh mestih v verigi iz ADP in fosfata. Zato pravijo, da je oksidacija (prenos elektronov) povezana s fosforilacijo (ADP + Phn = ATP), torej pride do procesa oksidativne fosforilacije.
Med prenosom elektronov v mitohondrijski membrani vsak kompleks dihalne verige usmerja prosto energijo oksidacije na gibanje protonov (pozitivnih nabojev) skozi membrano, iz matriksa v medmembranski prostor, kar vodi do nastanka potencialna razlika čez membrano: v medmembranskem prostoru prevladujejo pozitivni naboji, v medmembranskem prostoru mitohondrijskega matriksa pa negativni. Ko je dosežena določena potencialna razlika (220 mV), začne proteinski kompleks ATP sintetaze prenašati protone nazaj v matriks, pri tem pa pretvarja eno obliko energije v drugo: iz ADP in anorganskega fosfata tvori ATP. Tako se oksidativni procesi povezujejo s sintetičnimi - s fosforilacijo ADP. Medtem ko pride do oksidacije substratov, medtem ko se protoni črpajo skozi notranjo mitohondrijsko membrano, pride do povezane sinteze ATP, to je oksidativne fosforilacije (