الفسفرة المؤكسدة: المراحل والمنتجات والوظائف ومثبطات

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

يتم إنتاج ATP بواسطة نقل الإلكترونات من أنزيمات NADH أو FADH 2 إلى O 2 . تمثل هذه العملية أعلى إنتاج للطاقة في الخلية وهي مشتقة 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 +) وتكون مصفوفة الميتوكوندريا سالبة.

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 ، بينما يمكن أن تحتوي أنواع الخلايا الأخرى ، مثل خلايا العضلات ، على ملايين منها.

يتكون غشاء 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 القنوات الخاصة بالانتشار البسيط للجزيئات الصغيرة. هذا الغشاء مسؤول عن الحفاظ على هيكل وشكل الميتوكوندريا.

الغشاء الداخلي له كثافة أعلى وغني بالبروتينات. كما أنه من غير المنضب بالنسبة للجزيئات والأيونات ، لذا ، فعبر عبورها ، فإنها تحتاج إلى بروتينات غشائية لنقلها.

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. تسمح النفاذية المنخفضة للغشاء الداخلي للأيونات (بخلاف H +) للميتوكوندريا بتدرج ثابت للجهد.

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.

مقابل كل إلكترونين يتم نقلهما إلى O2 ، يتم ضخ حوالي 10 بروتونات عبر الغشاء ، مما يؤدي إلى 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 في NADH و FADH 2 مرتفعة إلى حد كبير (حوالي 53 كيلو كالوري / مول لكل زوج من الإلكترونات) ، بحيث يتم استخدامها في تصنيع جزيئات ATP ، يجب إنتاجها تدريجياً باستخدام مرور الإلكترونات عبر الناقلات.

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

سلسلة نقل الإلكترون

ينقل NADH زوجًا 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 عبر الغشاء إلى المجمع الثالث. في هذا المجمع ، تمر الإلكترونات عبر السيتوكروم b و c 1 بفضل ناقل الكبريت الحديدي.

من المجمع الثالث ، تنتقل الإلكترونات إلى مركب IV (السيتوكروم ج أوكسيديز) ، وتنقل واحدة تلو الأخرى إلى السيتوكروم (بروتين الغشاء المحيطي). في المجمع الرابع ، تمر الإلكترونات عبر زوج من أيونات النحاس (Cu إلى 2+) ، ثم إلى السيتوكروم c a ، ثم إلى زوج آخر من أيونات النحاس (Cu b 2+) ومن هذا إلى السيتوكروم 3 .

أخيرًا ، يتم نقل الإلكترونات إلى O 2 وهو آخر متلقي وتشكيل جزيء ماء (H 2 O) لكل زوج من الإلكترونات المستلمة. كما يولد مرور الإلكترونات من المجمع IV إلى O2 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 في رد فعل نقل الإلكترون إلى FAD ليست كافية لدفع البروتونات عبر الغشاء ، لذلك في هذه الخطوة من السلسلة ، لا يتم إنشاء قوة دافعة للبروتون ، وبالتالي ينتج عن FADH أقل H + من و 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 ، وقد تم استخدام الآلية. يصعب وصفها.

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

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 H 2 O.

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 التأكسدية. إنها مسؤولة عن الاستفادة من طاقة التدرج الكهروكيميائي لتكوين ATP.

يتكون بروتين الغشاء هذا من مكونين: F 0 و F 1 . يسمح المكون F 0 بعودة البروتونات إلى مصفوفة الميتوكوندريا التي تعمل كقناة ويحفز F 1 تخليق ATP من خلال ADP و P i ، باستخدام طاقة العودة المذكورة.

تتطلب عملية توليف ATP تغييرًا هيكليًا في F 1 وتجميع مكونات F 0 و F 1 . يؤدي نقل البروتونات إلى F 0 إلى حدوث تغييرات توافقية في ثلاث وحدات فرعية من F 1 ، مما يتيح لها أن تعمل كمحرك دوار ، وتوجيه تشكيل ATP.

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

ترتبط جزيئات ADP و P i بوحدة فرعية انتقلت من حالة O إلى الحالة 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 O 2 + H + ↔ H 2 O + NAD +

يحدث نقل الإلكترونات من NADH و FADH 2 من خلال العديد من المجمعات ، مما يسمح بتقسيم تغيير الطاقة الحرة toG ° إلى "مجموعات" أصغر من الطاقة ، مقترنة بتوليف ATP.

أكسدة جزيء NADH يولد تخليق ثلاثة جزيئات من ATP. بينما يقترن أكسدة جزيء FADH 2 بتوليف اثنين من 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 للحفاظ على الوظائف الحيوية في الكائن الحي بأكمله.

عمليات الأيض تتطلب الطاقة التي يتعين القيام بها. يتم الحصول على معظم الطاقة القابلة للاستخدام عن طريق 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 عمومًا معدل النقل الإلكتروني.

يحتوي الفسفرة التأكسدية على تحكم صارم يضمن عدم إنتاج ATP بسرعة أكبر من استهلاكه. هناك خطوات معينة 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 لهذه العمليات الثلاث ينظم تخليق ATP.

يعتمد التحكم في الفسفرة بواسطة نسبة الحركة الكلية للـ ATP على المساهمة الدقيقة للإلكترونات في سلسلة النقل. هذا ، بدوره ، يعتمد على نسبة [NADH] / [NAD +] ، والتي يتم الحفاظ عليها عالية من خلال عمل انحلال 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 ، وشريط السترات ، وإيزوسيترات نازعة هيدروجينيز ألفا كيتوغلوتارات).

السيطرة من قبل متقبل

إن المركب IV (cytochrome c oxidase) هو إنزيم ينظمه أحد ركائزه ، أي أن نشاطه يتم التحكم فيه من خلال cytochrome c (c2 +) ، والذي بدوره يكون في حالة توازن مع نسبة التركيزات بين [NADH ] / [NAD +] ونسبة الفعل الشامل لـ [ATP] / [ADP] + [P i ].

كلما زادت نسبة [NADH] / [NAD +] وكلما انخفضت [ATP] / [ADP] + [P i ] ، زاد التركيز على السيتوكروم [c2 +] وكلما زاد نشاط المجمع IV. يتم تفسير ذلك ، على سبيل المثال ، إذا قارنا الكائنات مع أنشطة مختلفة من الراحة والنشاط العالي.

في الفرد ذي النشاط البدني المرتفع ، سيكون استهلاك ATP وبالتالي تحلله المائي إلى ADP + P i مرتفعًا جدًا ، 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 التركيز المذكور على مترجمين ADP-ATP المسؤولين عن نقل الأدينين والنيوكليوتيدات I 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 التي تفتقر إلى الشعر من هذا النسيج الذي يعمل كنوع من البطانيات الحرارية.

مثبطات

المركبات أو العوامل المثبطة تمنع كل من استهلاك O 2 (النقل الإلكتروني) ومادة الفسفرة التأكسدية المرتبطة بها. 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 للتفسفر في العديد من البكتيريا ، مما يمنع تحفيز ADP على تخليق الـ ATP.

هناك أيضًا عوامل شاذة للأيونات ، والتي تشكل مجمعات قابلة للذوبان في الدهون مع الكاتيونات مثل K + و Na + ، وتمر عبر الغشاء الميتوكوندريا مع الكاتيونات المذكورة. ثم تستخدم الميتوكوندريا الطاقة المنتجة في النقل الإلكتروني لضخ الكاتيونات بدلاً من تركيب ATP.