Окислительного фосфорилирования это процесс, включающий поток электронов через цепь переноса электронов ряд белков и электронных носителей в митохондриальной мембране. Этот поток электронов позволяет цепи переноса электронов перекачивать протоны на одну сторону митохондриальной мембраны. Когда протоны накапливаются, они создают протонную движущую силу, тип электрохимического давления. Это давление восстанавливается с помощью специализированных белковых комплексов, которые улавливают энергию протонов, когда они перетекают на другую сторону мембраны. Затем энергия используется для соединения фосфатная группа к молекула аденозиндифосфат (АДФ), создавая аденозинтрифосфат (АТФ). Это завершает процесс окислительного фосфорилирования.
Стадии окислительного фосфорилирования
Перед Электронной Транспортной Цепью
Чтобы цепь переноса электронов могла перекачивать протоны на одну сторону внутренней мембраны митохондрий, она должна сначала иметь источник этих электронов и протонов. Существует несколько клеточных процессов, которые приводят к окислению («сжиганию») различных клеточных источников пищи. Эти процессы включают гликолиз, цикл лимонной кислоты, метаболизм бета-окисления жирных кислот и окисление аминокислоты,
Все эти процессы включают перенос электронов и протонов в коферменты. Наиболее распространенными коферментами являются никотинамид-адениндинуклеотид (NAD) и флавин-адениндинуклеотид (FAD). NAD может быть уменьшен с помощью электронов и протона, чтобы стать NADH, в то время как FAD может взять два протона и четыре электрона, чтобы стать FADH2. Эти коферменты могут связываться с белками цепи переноса электронов и переносить свои электроны и протоны. Это становится первым этапом в цепи переноса электронов.
Внутри транспортной цепи электронов
Цепочка переноса электронов состоит из четырех белковых комплексов, называемых просто комплексом I, комплексом II, комплексом III и комплексом IV. Каждый комплекс предназначен для получения электронов от коэнзим или один из других комплексов в цепи. Действия, которые выполняет каждый комплекс, можно увидеть на рисунке ниже.
Комплекс I отвечает за освобождение НАДН от его водорода и электронов. Энергия, получаемая от электронов, позволяет комплексу I прокачивать атом водорода через внутреннюю митохондриальную мембрану, которая концентрирует водороды в межмембранном пространстве. Затем электроны передаются коферменту Q (CoQ). CoQ может принимать водороды и электроны и может быть уменьшен до CoQH2. Кофермент переводит электроны в комплекс III.
Между тем, комплекс II также получает электроны и протоны. Они происходят из FADH2, из цикла лимонной кислоты. Комплекс II освобождает FADH2 от своих электронов и передает их в CoQ. Коэнзим передает их в комплекс III, который теперь получает электроны и их энергию от двух источников. Это позволяет комплексу III прокачивать большое количество водорода через мембрану. Цитохром c (Cyt c) позволяет электронам переходить в комплекс IV, последний комплекс в цепи переноса электронов. Этот комплекс передает электроны молекулам кислорода, где они связываются с атомами водорода с образованием воды. С последним битом энергии другой протон проходит через мембрану.
Синтез АТФ
В этот момент цепь переноса электронов накопила большое количество ионов водорода в межмембранном пространстве. Он делал это с энергией, которую он получал, пропуская электроны через серию реакций высвобождения энергии. Последним этапом окислительного фосфорилирования является производство АТФ или процесс фосфорилирования.
Этот процесс происходит в комплексе под названием АТФ-синтаза, Этот большой комплекс использует протонную движущую силу для присоединения фосфатных групп к молекулам АДФ. Поскольку в межмембранном пространстве собрано так много протонов, они хотят продвинуться на другую сторону. АТФ-синтаза использует эту энергию, чтобы претерпеть конформационные изменения. При этом он объединяет ATD и фосфатную группу и уменьшает энергию, необходимую для связывания. АТФ может затем перейти к реакциям топлива на всем протяжении клетка когда он экспортируется из митохондрии,
Электронная транспортная цепь в окислительном фосфорилировании
Окислительное фосфорилирование является частью большей системы, клеточное дыхание, 4 шага клеточного дыхания можно увидеть на рисунке ниже. Первый шаг происходит за пределами митохондрий. Это включает в себя расщепление глюкозы, липидов или аминокислот. Этот шаг обозначен здесь только «Гликолиз». Помните, что есть и другие способы создания пируват и является посредником Цикл Кребса (цикл лимонной кислоты).
Остальные шаги происходят в митохондриях. Желтые линии на изображении представляют генерацию восстановленных коферментов или молекул, несущих электроны. В то время как некоторое количество АТФ генерируется во время гликолиза и цикла лимонной кислоты, большинство генерируется посредством окислительного фосфорилирования. Цепочка переноса электронов обозначена красной лестницей, обозначающей последовательное выделение энергии электронами. Оранжевые стрелки представляют АТФ-синтазу, которая создает АТФ через протонную движущую силу.
Окислительное фосфорилирование в клеточном дыхании
Поэтому электрон-транспортная цепь является частью окислительного фосфорилирования, которое само по себе является последней стадией клеточного дыхания. Действительно интересная вещь об этих процессах заключается в том, что они сохраняются на протяжении всей эволюции. Цепь переноса электронов может наблюдаться у большинства основных организмов. Любые эукариоты (клетка с органеллами), имеет митохондрии и поэтому использует тот же самый метод для производства АТФ. Даже растения, которых часто считают отличными от животных, используют один и тот же процесс окислительного фосфорилирования.
Интересно, что процесс фотофосфорилирования очень похож на окислительное фосфорилирование. Этот процесс используется в фотосинтез, Однако вместо того, чтобы использовать кислород для создания воды, он использует воду для создания кислорода. По сути, в противоположность окислительному фосфорилированию, фотосинтез использует собственную транспортную цепочку электронов для переноса энергии солнечного света в связи молекул сахара. растение затем могут использовать эти молекулы для питания других клеток в своем теле. Как и животное, оно расщепляет глюкозу на пируват, и пируват попадает в митохондрии и в конечном итоге подвергается окислительному фосфорилированию, приводимому в действие цепью транспорта электронов.
викторина
1. Что из следующего является верным утверждением?A. Окислительное фосфорилирование и цепь переноса электронов не связаныB. Окислительное фосфорилирование приводит в движение цепь переноса электроновC. Окислительное фосфорилирование зависит от цепи переноса электронов
Ответ на вопрос № 1
С верно. Процесс присоединения фосфатных групп к АДФ-синтазе АТФ представляет собой процесс фосфорилирования. Энергия, используемая для этого процесса, исходит от окисления различных веществ, и электроны, полученные от этого. Эти электроны генерируют протонный градиент, который управляет АТФ-синтазой.
2. Что случилось бы с клеткой, если бы не было цепи переноса электронов?A. Клетка не будет иметь энергииB. Клетка развалитсяC. Клетка будет иметь меньше энергии
Ответ на вопрос № 2
С верно. В то время как окислительное фосфорилирование действительно обеспечивает огромный запас энергии, клетки могут использовать другие пути для получения энергии. Помните, что цепь переноса электронов нуждается в кислороде. Без кислорода он перестанет работать. Это когда клетки вынуждены прибегать к менее эффективным методам производства энергии, таким как ферментация,
3. Как ученый в своей лаборатории, вы извлекаете митохондрии из вашей собственной клетки и из клеток вашего любимого домашнего растения. Вы кладете каждую митохондрию в маленькое блюдо, окруженное пируватом. Вы измеряете, сколько АТФ делает каждая митохондрия. Что вы ожидаете?A. Митохондрии животных будут производить больше АТФB. Растение митохондрий будет производить больше АТФC. Они будут производить примерно одинаковое количество АТФ
Ответ на вопрос № 3
С верно. Считается, что все митохондрии произошли от одного и того же бактериального предка миллиарды лет назад. Таким образом, у растений и животных они действуют практически одинаково. Основное различие между растениями и животными может заключаться в количестве митохондрий на клетку. Животное может упаковать свои мускул клетки с митохондриями, чтобы обеспечить энергию для сокращений, где растительная клетка может потребоваться лишь горстка митохондрий в каждой клетке, чтобы обеспечить их энергетические потребности.
Ссылки
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C.A., Krieger, M., Scott, M.P., Bretscher, A.,. , , Мацудайра, П. (2008). Молекулярно-клеточная биология (6-е изд.). Нью-Йорк: W.H. Фримен и Компания.
- Нельсон Д.Л. и Кокс М.М. (2008). Принципы биохимия, Нью-Йорк: W.H. Фримен и Компания.
- Widmaier, E.P., Raff, H. & Strang, K.T. (2008). Человек Вандера физиология : Механизмы функции тела (11-е изд.). Бостон: Высшее образование МакГроу-Хилл.