- Wo findet oxidative Phosphorylierung statt?
- Zellkraftwerk
- Stufen
- Elektronentransportkette
- Succinate CoQ-Reduktase
- Kopplung oder Übertragung von Energie
- Chemosmotische Kopplung
- ATP-Synthese
- Produkte
- Eigenschaften
- Kontrolle der oxidativen Phosphorylierung
- Koordinierte Kontrolle der ATP-Produktion
- Kontrolle durch Akzeptor
- Entkopplungsmittel
- Inhibitoren
- Verweise
Die oxidative Phosphorylierung ist ein Prozess, bei dem Moleküle aus ADP und P i (anorganisches Phosphat) ATP synthetisieren . Dieser Mechanismus wird von Bakterien und eukaryotischen Zellen ausgeführt. In eukaryotischen Zellen findet die Phosphorylierung in der mitochondrialen Matrix nicht-photosynthetischer Zellen statt.
Die ATP-Produktion wird durch den Elektronentransfer von den Coenzymen NADH oder FADH 2 zu O 2 angetrieben . Dieser Prozess stellt die Hauptenergieproduktion in der Zelle dar und wird aus dem Abbau von Kohlenhydraten und Fetten abgeleitet.
Quelle: Robot8A
Die in den Ladungs- und pH-Gradienten gespeicherte Energie, auch als Protonenantriebskraft bekannt, ermöglicht diesen Prozess. Der erzeugte Protonengradient bewirkt, dass der äußere Teil der Membran aufgrund der Konzentration der Protonen (H + ) und der negativen Mitochondrienmatrix eine positive Ladung aufweist .
Wo findet oxidative Phosphorylierung statt?
Die Prozesse des Elektronentransports und der oxidativen Phosphorylierung sind mit einer Membran verbunden. Bei Prokaryoten finden diese Mechanismen über die Plasmamembran statt. In eukaryotischen Zellen assoziieren sie mit der Mitochondrienmembran.
Die Anzahl der in Zellen gefundenen Mitochondrien variiert je nach Zelltyp. Beispielsweise fehlen Erythrozyten bei Säugetieren diese Organellen, während andere Zelltypen wie Muskelzellen bis zu Millionen davon aufweisen können.
Die Mitochondrienmembran besteht aus einer einfachen Außenmembran, einer etwas komplexeren Innenmembran und dazwischen dem Intermembranraum, in dem sich viele ATP-abhängige Enzyme befinden.
Die äußere Membran enthält ein Protein namens Porin, das die Kanäle für die einfache Diffusion kleiner Moleküle bildet. Diese Membran ist für die Aufrechterhaltung der Struktur und Form der Mitochondrien verantwortlich.
Die innere Membran hat eine höhere Dichte und ist reich an Proteinen. Es ist auch für Moleküle und Ionen undurchlässig. Um sie zu durchqueren, benötigen sie Intermembranproteine, um sie zu transportieren.
Innerhalb der Matrix erstrecken sich Falten der inneren Membran und bilden Rippen, die es ihr ermöglichen, eine große Fläche in einem kleinen Volumen zu haben.
Zellkraftwerk
Die Mitochondrien gelten als zellulärer Energieerzeuger. Es enthält die Enzyme, die an den Prozessen des Zitronensäurezyklus, der Fettsäureoxidation sowie der Redoxenzyme und -proteine des Elektronentransports und der Phosphorylierung von ADP beteiligt sind.
Der Protonenkonzentrationsgradient (pH-Gradient) und der Ladungsgradient oder das elektrische Potential in der inneren Membran der Mitochondrien sind für die Protonenmotivkraft verantwortlich. Die geringe Permeabilität der inneren Membran für Ionen (außer H + ) ermöglicht es den Mitochondrien, einen stabilen Spannungsgradienten zu haben.
Dank der Protonenmotivkraft finden in den Mitochondrien gleichzeitig elektronischer Transport, Protonenpumpen und ATP-Produktion statt. Der pH-Gradient hält saure Bedingungen in der Intermembran und in der mitochondrialen Matrix unter alkalischen Bedingungen aufrecht.
Für jeweils zwei auf O 2 übertragene Elektronen werden etwa 10 Protonen durch die Membran gepumpt, wodurch ein elektrochemischer Gradient erzeugt wird. Die dabei freigesetzte Energie wird allmählich durch den Durchgang von Elektronen durch die Transportkette erzeugt.
Stufen
Die Energie, die während der Oxidations-Reduktions-Reaktionen von NADH und FADH 2 freigesetzt wird, ist beträchtlich hoch (etwa 53 kcal / mol für jedes Elektronenpaar). Um bei der Herstellung von ATP-Molekülen verwendet zu werden, muss sie schrittweise mit erzeugt werden der Durchgang von Elektronen durch Transporter.
Diese sind in vier Komplexe unterteilt, die sich auf der inneren Mitochondrienmembran befinden. Die Kopplung dieser Reaktionen an die ATP-Synthese erfolgt in einem fünften Komplex.
Elektronentransportkette
NADH überträgt ein Elektronenpaar, das in den Komplex I der Elektronentransportkette eintritt. Die Elektronen werden über einen Eisen-Schwefel-Transporter auf das Flavin-Mononukleotid und dann auf Ubichinon (Coenzym Q) übertragen. Dieser Prozess setzt eine große Energiemenge frei (16,6 kcal / mol).
Ubichinon transportiert Elektronen über die Membran zum Komplex III. In diesem Komplex passieren die Elektronen dank eines Eisen-Schwefel-Transporters die Cytochrome b und c 1 .
Elektronen wandern von Komplex III zu Komplex IV (Cytochrom-C-Oxidase) und werden einzeln in Cytochrom-C (peripheres Membranprotein) übertragen. In Komplex IV gelangen die Elektronen durch ein Paar Kupferionen (Cu a 2+ ), dann zu Cytochrom c a , dann zu einem anderen Paar Kupferionen (Cu b 2+ ) und von dort zu Cytochrom a 3 .
Schließlich werden die Elektronen auf O 2 übertragen, das der letzte Akzeptor ist und für jedes empfangene Elektronenpaar ein Wassermolekül (H 2 O) bildet . Der Durchgang von Elektronen vom Komplex IV zu O 2 erzeugt ebenfalls eine große Menge an freier Energie (25,8 kcal / mol).
Succinate CoQ-Reduktase
Komplex II (Succinat-CoQ-Reduktase) erhält ein Elektronenpaar aus dem Zitronensäurezyklus durch Oxidation eines Succinatmoleküls zu Fumarat. Diese Elektronen werden über eine Eisen-Schwefel-Gruppe auf das FAD übertragen und auf Ubichinon übertragen. Von diesem Coenzym gehen sie zum Komplex III und folgen dem zuvor beschriebenen Weg.
Die Energie, die bei der Elektronentransferreaktion auf das FAD freigesetzt wird, reicht nicht aus, um die Protonen durch die Membran zu treiben, so dass in diesem Schritt der Kette keine Protonenantriebskraft erzeugt wird und folglich das FADH weniger H + ergibt als NADH.
Kopplung oder Übertragung von Energie
Die Energie, die bei dem zuvor beschriebenen Elektronentransportprozess erzeugt wird, muss zur Herstellung von ATP verwendet werden können, einer Reaktion, die durch das Enzym ATP-Synthase oder -Komplex V katalysiert wird. Die Erhaltung dieser Energie ist als Energiekopplung bekannt, und der Mechanismus war schwer zu charakterisieren.
Es wurden mehrere Hypothesen beschrieben, um diese Energieübertragung zu beschreiben. Am besten akzeptiert wird die unten beschriebene chemosmotische Kopplungshypothese.
Chemosmotische Kopplung
Dieser Mechanismus legt nahe, dass die für die ATP-Synthese verwendete Energie von einem Protonengradienten in Zellmembranen stammt. Dieser Prozess greift in die Mitochondrien, Chloroplasten und Bakterien ein und ist mit dem Transport von Elektronen verbunden.
Die Komplexe I und IV des Elektronentransports wirken als Protonenpumpen. Diese unterliegen Konformationsänderungen, die es ihnen ermöglichen, Protonen in den Zwischenmembranraum zu pumpen. In Komplex IV werden für jedes Elektronenpaar zwei Protonen aus der Membran gepumpt und zwei weitere verbleiben in der Matrix und bilden H 2 O.
Ubichinon in Komplex III nimmt Protonen aus den Komplexen I und II auf und setzt sie an die Außenseite der Membran frei. Die Komplexe I und III ermöglichen jeweils den Durchgang von vier Protonen für jedes Paar transportierter Elektronen.
Die mitochondriale Matrix hat eine geringe Protonenkonzentration und ein negatives elektrisches Potential, während der Intermembranraum die inversen Bedingungen darstellt. Der Protonenfluss durch diese Membran stellt den elektrochemischen Gradienten dar, der die für die ATP-Synthese erforderliche Energie (± 5 kcal / mol pro Proton) speichert.
ATP-Synthese
Das Enzym ATP-Synthetase ist der fünfte Komplex, der an der oxidativen Phosphorylierung beteiligt ist. Es ist dafür verantwortlich, die Energie des elektrochemischen Gradienten zur Bildung von ATP zu nutzen.
Dieses Transmembranprotein besteht aus zwei Komponenten: F 0 und F 1 . Die F 0 -Komponente ermöglicht die Rückführung von Protonen in die mitochondriale Matrix, die als Kanal fungiert, und F 1 katalysiert die ATP-Synthese durch ADP und P i unter Verwendung der Energie dieser Rückführung.
Der ATP-Synthesevorgang erfordert eine strukturelle Änderung von F 1 und den Zusammenbau der Komponenten F 0 und F 1 . Die Protonentranslokation durch F 0 verursacht Konformationsänderungen in drei Untereinheiten von F 1 , wodurch es als Rotationsmotor fungiert und die Bildung von ATP steuert.
Die für die Bindung von ADP an P i verantwortliche Untereinheit wechselt von einem schwachen Zustand (L) zu einem aktiven Zustand (T). Wenn ATP gebildet wird, geht eine zweite Untereinheit in einen offenen Zustand (O) über, der die Freisetzung dieses Moleküls ermöglicht. Nach der Freigabe von ATP wechselt diese Untereinheit vom offenen Zustand in einen inaktiven Zustand (L).
Die ADP- und P i -Moleküle binden an eine Untereinheit, die von einem O-Zustand in einen L-Zustand übergegangen ist.
Produkte
Die Elektronentransportkette und die Phosphorylierung produzieren ATP-Moleküle. Die Oxidation von NADH erzeugt etwa 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) freie Energie.
Die Gesamtreaktion für die Oxidation von NADH ist:
NADH + 1⁄2 O 2 + H + ↔ H 2 O + NAD +
Der Elektronentransfer von NADH und FADH 2 erfolgt durch verschiedene Komplexe, wodurch die Änderung der freien Energie ΔG ° in kleinere Energie- "Pakete" zerfallen kann, die an die ATP-Synthese gekoppelt sind.
Die Oxidation eines NADH-Moleküls erzeugt die Synthese von drei ATP-Molekülen. Während die Oxidation eines Moleküls von FADH 2 an die Synthese von zwei ATP gekoppelt ist.
Diese Coenzyme stammen aus dem Glykolyse- und Zitronensäurezyklus. Für jedes abgebaute Glucosemolekül produzieren sie je nach Standort der Zellen 36 oder 38 ATP-Moleküle. Im Gehirn und Skelettmuskel werden 36 ATP produziert, während im Muskelgewebe 38 ATP produziert werden.
Eigenschaften
Alle Organismen, einzellig und mehrzellig, benötigen nur minimale Energie in ihren Zellen, um die Prozesse in ihnen auszuführen, und behalten wiederum lebenswichtige Funktionen im gesamten Organismus bei.
Stoffwechselprozesse erfordern Energie. Der größte Teil der nutzbaren Energie wird aus dem Abbau von Kohlenhydraten und Fetten gewonnen. Diese Energie stammt aus dem oxidativen Phosphorylierungsprozess.
Kontrolle der oxidativen Phosphorylierung
Die ATP-Verwertungsrate in Zellen steuert ihre Synthese und reguliert aufgrund der Kopplung der oxidativen Phosphorylierung mit der Elektronentransportkette im Allgemeinen auch die Elektronentransportrate.
Die oxidative Phosphorylierung unterliegt einer strengen Kontrolle, die sicherstellt, dass ATP nicht schneller erzeugt als verbraucht wird. Es gibt bestimmte Schritte im Prozess des Elektronentransports und der gekoppelten Phosphorylierung, die die Geschwindigkeit der Energieerzeugung regulieren.
Koordinierte Kontrolle der ATP-Produktion
Die Hauptwege der Energieerzeugung (zelluläres ATP) sind Glykolyse, Zitronensäurezyklus und oxidative Phosphorylierung. Die koordinierte Steuerung dieser drei Prozesse reguliert die ATP-Synthese.
Die Kontrolle der Phosphorylierung durch das Massenwirkungsverhältnis von ATP hängt von der genauen Zufuhr von Elektronen in der Transportkette ab. Dies hängt wiederum vom / -Verhältnis ab, das durch die Wirkung der Glykolyse und den Zitronensäurezyklus hoch gehalten wird.
Diese koordinierte Kontrolle wird durchgeführt, indem die Glykolysekontrollpunkte (Citrat-inhibiertes PFK) und der Zitronensäurezyklus (Pyruvatdehydrogenase, Citrattapease, Isocitratdehydrogenase und α-Ketoglutaratdehydrogenase) reguliert werden.
Kontrolle durch Akzeptor
Der Komplex IV (Cytochrom-C-Oxidase) ist ein Enzym, das durch eines seiner Substrate reguliert wird, dh seine Aktivität wird durch reduziertes Cytochrom-C (c 2+ ) gesteuert , das wiederum im Gleichgewicht mit dem Konzentrationsverhältnis zwischen ist / und das Massenwirkungsverhältnis von / +.
Je höher das / -Verhältnis und je niedriger das / + ist, desto höher ist die Cytochromkonzentration und desto höher ist die Komplex-IV-Aktivität. Dies wird zum Beispiel interpretiert, wenn wir Organismen mit verschiedenen Ruhe- und Aktivitätsaktivitäten vergleichen.
Bei einer Person mit hoher körperlicher Aktivität ist der Verbrauch von ATP und damit seine Hydrolyse zu ADP + P i sehr hoch, was zu einem Unterschied im Massenwirkungsverhältnis führt, der eine Zunahme und damit eine Zunahme der ATP bewirkt Synthese von ATP. Bei einer ruhenden Person tritt die umgekehrte Situation auf.
Letztendlich steigt die Geschwindigkeit der oxidativen Phosphorylierung mit der Konzentration von ADP in den Mitochondrien. Diese Konzentration hängt von ADP-ATP-Translokatoren ab, die für den Transport von Adeninnukleotiden und P i vom Cytosol zur mitochondrialen Matrix verantwortlich sind.
Entkopplungsmittel
Die oxidative Phosphorylierung wird durch bestimmte chemische Mittel beeinflusst, die es ermöglichen, den Elektronentransport ohne die Phosphorylierung von ADP fortzusetzen, wodurch die Energieerzeugung und -erhaltung entkoppelt wird.
Diese Mittel stimulieren den Sauerstoffverbrauch der Mitochondrien in Abwesenheit von ADP und verursachen auch einen Anstieg der ATP-Hydrolyse. Sie arbeiten, indem sie ein Zwischenprodukt entfernen oder einen Energiezustand in der Elektronentransportkette aufbrechen.
2,4-Dinitrophenol, eine schwache Säure, die durch Mitochondrienmembranen gelangt, ist für die Auflösung des Protonengradienten verantwortlich, da sie auf der sauren Seite an sie binden und auf der basischen Seite freisetzen.
Diese Verbindung wurde als "Diätpille" verwendet, da festgestellt wurde, dass sie eine Erhöhung der Atmung, daher eine Erhöhung der Stoffwechselrate und einen damit verbundenen Gewichtsverlust bewirkt. Es wurde jedoch gezeigt, dass seine negative Wirkung sogar zum Tod führen kann.
Die Ableitung des Protonengradienten erzeugt Wärme. Zellen in braunem Fettgewebe verwenden eine hormonell kontrollierte Entkopplung, um Wärme zu erzeugen. Säugetiere und Neugeborene im Winterschlaf, denen Haare fehlen, bestehen aus diesem Gewebe, das als eine Art Wärmedecke dient.
Inhibitoren
Die inhibitorischen Verbindungen oder Mittel verhindern sowohl den O 2 -Verbrauch (Elektronentransport) als auch die damit verbundene oxidative Phosphorylierung. Diese Mittel verhindern die Bildung von ATP durch die Verwendung von Energie, die beim elektronischen Transport erzeugt wird. Daher stoppt die Transportkette, wenn der Energieverbrauch nicht verfügbar ist.
Das Antibiotikum Oligomycin wirkt in vielen Bakterien als Phosphorylierungsinhibitor und verhindert die Stimulierung der ADP-ATP-Synthese.
Es gibt auch Ionophormittel, die mit Kationen wie K + und Na + fettlösliche Komplexe bilden und mit diesen Kationen durch die Mitochondrienmembran gelangen. Die Mitochondrien nutzen dann die beim elektronischen Transport erzeugte Energie, um Kationen zu pumpen, anstatt ATP zu synthetisieren.
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