QUÁ TRÌNH PHOSPHORYL HÓA OXY HÓA: CÁC GIAI ĐOẠN, CHỨC NĂNG VÀ CHẤT ỨC CHẾ - SINH HỌC - 2026

Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa là một quá trình mà các phân tử được tổng hợp ATP từ ADP và P _i (photphat vô cơ). Cơ chế này do vi khuẩn và tế bào nhân thực thực hiện. Ở tế bào nhân thực, quá trình phosphoryl hóa diễn ra trong chất nền ty thể của các tế bào không quang hợp.

Sản xuất ATP được thúc đẩy bởi việc chuyển các điện tử từ các coenzyme NADH hoặc FADH ₂ đến O ₂ . Quá trình này đại diện cho việc sản xuất năng lượng chính trong tế bào và bắt nguồn từ sự phân hủy carbohydrate và chất béo.

Nguồn: Robot8A

Năng lượng được lưu trữ trong điện tích và độ dốc pH, còn được gọi là động lực proton, cho phép quá trình này diễn ra. Gradient proton được tạo ra làm cho phần bên ngoài của màng mang điện tích dương do nồng độ của proton (H ⁺ ) và chất nền ty thể mang điện tích âm.

Quá trình phosphoryl hoá oxy hoá xảy ra ở đâu?

Các quá trình vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa oxy hóa được liên kết với một màng. Ở sinh vật nhân sơ, các cơ chế này diễn ra qua màng sinh chất. Trong tế bào nhân thực chúng liên kết với màng ti thể.

Số lượng ti thể được tìm thấy trong tế bào thay đổi tùy thuộc vào loại tế bào. Ví dụ, ở động vật có vú, hồng cầu thiếu các bào quan này, trong khi các loại tế bào khác, chẳng hạn như tế bào cơ, có thể có tới hàng triệu bào quan.

Màng ty thể bao gồm một màng ngoài đơn giản, một màng trong phức tạp hơn, và ở giữa chúng là không gian liên màng, nơi có nhiều enzym phụ thuộc ATP.

Màng ngoài chứa một protein gọi là porin tạo thành các kênh cho sự khuếch tán đơn giản của các phân tử nhỏ. Lớp màng này có nhiệm vụ duy trì cấu trúc và hình dạng của ti thể.

Màng trong có mật độ cao hơn và giàu protein. Nó cũng không thấm nước đối với các phân tử và ion, do đó, để vượt qua nó, chúng cần các protein liên màng để vận chuyển chúng.

Bên trong ma trận, các nếp gấp của màng trong kéo dài, tạo thành các đường gờ cho phép nó có diện tích lớn trong một thể tích nhỏ.

Nhà máy điện di động

Ti thể được coi là nơi sản xuất năng lượng của tế bào. Nó chứa các enzym tham gia vào các quá trình của chu trình axit xitric, quá trình oxy hóa axit béo, các enzym oxy hóa khử và protein liên quan đến vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa ADP.

Gradient nồng độ proton (pH gradient) và gradien điện tích hoặc điện thế trong màng trong của ti thể chịu trách nhiệm cho động lực của proton. Tính thấm thấp của màng trong đối với các ion (khác với H ⁺ ) cho phép ty thể có một gradien điện thế ổn định.

Vận chuyển điện tử, bơm proton và sản xuất ATP xảy ra đồng thời trong ty thể, nhờ vào động lực của proton. Độ dốc pH duy trì các điều kiện axit trong nội màng và trong chất nền ty thể với điều kiện kiềm.

Cứ hai điện tử chuyển đến O _{2 thì có} khoảng 10 proton được bơm qua màng, tạo ra một gradien điện hóa. Năng lượng được giải phóng trong quá trình này được tạo ra dần dần do sự di chuyển của các electron qua chuỗi vận chuyển.

Các giai đoạn

Năng lượng được giải phóng trong các phản ứng oxy hóa-khử của NADH và FADH ₂ cao đáng kể (khoảng 53 kcal / mol cho mỗi cặp electron), do đó, để được sử dụng trong sản xuất phân tử ATP, nó phải được sản xuất dần dần với sự di chuyển của các electron qua các chất vận chuyển.

Chúng được tổ chức thành bốn phức hợp nằm trên màng trong ty thể. Sự kết hợp của các phản ứng này để tổng hợp ATP được thực hiện trong một phức hợp thứ năm.

Chuỗi vận chuyển electron

NADH chuyển một cặp electron đi vào phức hợp I của chuỗi vận chuyển electron. Các điện tử được chuyển đến flavin mononucleotide, và sau đó đến ubiquinone (coenzyme Q) thông qua chất vận chuyển sắt-lưu huỳnh. Quá trình này giải phóng một lượng lớn năng lượng (16,6 kcal / mol).

Ubiquinone vận chuyển điện tử qua màng đến phức hợp III. Trong phức hợp này, các điện tử đi qua các cytochromes b và c ₁ nhờ chất vận chuyển sắt-lưu huỳnh.

Các điện tử đi từ phức hợp III đến phức hợp IV (cytochrome c oxidase), chuyển từng cái một trong cytochrome c (protein màng ngoại vi). Trong phức chất IV, các điện tử đi qua một cặp ion đồng (Cu _a ²⁺ ), sau đó đến cytochrome c _a , sau đó đến một cặp ion đồng khác (Cu _b ²⁺ ) và từ cytochrome a ₃ .

Cuối cùng, các điện tử được chuyển đến O ₂ là chất nhận cuối cùng và tạo thành phân tử nước (H ₂ O) cho mỗi cặp điện tử nhận. Sự di chuyển của các electron từ phức chất IV sang O ₂ cũng tạo ra một lượng lớn năng lượng tự do (25,8 kcal / mol).

Succinate CoQ reductase

Phức hợp II (succinate CoQ reductase) nhận một cặp điện tử từ chu trình axit citric, bằng cách oxy hóa phân tử succinate thành fumarate. Các điện tử này được chuyển đến FAD, đi qua một nhóm sắt-lưu huỳnh, thành ubiquinone. Từ coenzym này chúng đi đến phức hợp III và theo lộ trình đã mô tả trước đó.

Năng lượng được giải phóng trong phản ứng chuyển điện tử đến FAD không đủ để đẩy các proton qua màng, do đó không có động lực proton nào được tạo ra trong bước này của chuỗi, và do đó FADH tạo ra ít H ^{+ hơn} hơn NADH.

Ghép nối hoặc truyền năng lượng

Năng lượng được tạo ra trong quá trình vận chuyển điện tử được mô tả trước đây phải có thể được sử dụng để sản xuất ATP, một phản ứng được xúc tác bởi enzym ATP synthase hoặc phức V. khó đặc tả.

Một số giả thuyết đã được đưa ra để mô tả sự truyền năng lượng này. Được chấp nhận tốt nhất là giả thuyết ghép cặp hóa học, được mô tả dưới đây.

Khớp nối hóa học

Cơ chế này đề xuất rằng năng lượng được sử dụng để tổng hợp ATP đến từ một gradient proton trong màng tế bào. Quá trình này can thiệp vào ti thể, lục lạp và vi khuẩn và được liên kết với việc vận chuyển các điện tử.

Phức hợp I và IV vận chuyển điện tử đóng vai trò như máy bơm proton. Chúng trải qua những thay đổi về cấu trúc cho phép chúng bơm proton vào không gian giữa màng. Trong phức hợp IV đối với mỗi cặp electron, hai proton được bơm ra khỏi màng và hai proton nữa vẫn ở trong chất nền, tạo thành H ₂ O.

Ubiquinone trong phức hợp III tiếp nhận proton từ phức hợp I và II và giải phóng chúng ra bên ngoài màng. Mỗi phức chất I và III cho phép bốn proton cho mỗi cặp electron được vận chuyển.

Chất nền của ty thể có nồng độ proton thấp và điện thế âm, trong khi không gian nội màng thể hiện các điều kiện nghịch đảo. Dòng proton qua màng này đại diện cho gradient điện hóa tích trữ năng lượng cần thiết (± 5 kcal / mol mỗi proton) để tổng hợp ATP.

Tổng hợp ATP

Enzyme ATP synthetase là phức hợp thứ năm tham gia vào quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Nó chịu trách nhiệm khai thác năng lượng của gradient điện hóa để tạo thành ATP.

Protein xuyên màng này bao gồm hai thành phần: F ₀ và F ₁ . Thành phần F ₀ cho phép các proton trở lại chất nền ty thể, hoạt động như một kênh và F ₁ xúc tác quá trình tổng hợp ATP thông qua ADP và P _i , sử dụng năng lượng của phản ứng này.

Quá trình tổng hợp ATP đòi hỏi sự thay đổi cấu trúc trong F ₁ và sự lắp ráp các thành phần F ₀ và F ₁ . Sự chuyển vị proton qua F ₀ gây ra những thay đổi cấu trúc trong ba tiểu đơn vị của F ₁ , cho phép nó hoạt động như một động cơ quay, chỉ đạo sự hình thành ATP.

Đơn vị con chịu trách nhiệm liên kết ADP với P _i chuyển từ trạng thái yếu (L) sang trạng thái hoạt động (T). Khi ATP được hình thành, một tiểu đơn vị thứ hai chuyển sang trạng thái mở (O) cho phép giải phóng phân tử này. Sau khi ATP được giải phóng, tiểu đơn vị này sẽ chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái không hoạt động (L).

Các phân tử ADP và P _i liên kết với một tiểu đơn vị đã chuyển từ trạng thái O sang trạng thái L.

các sản phẩm

Chuỗi vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa tạo ra các phân tử ATP. Quá trình oxy hóa NADH tạo ra năng lượng tự do khoảng 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol).

Phản ứng tổng thể cho quá trình oxi hóa NADH là:

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Sự chuyển electron từ NADH và FADH ₂ xảy ra thông qua các phức hợp khác nhau, cho phép sự thay đổi năng lượng tự do ΔG ° để phá vỡ thành các "gói" năng lượng nhỏ hơn, được kết hợp với quá trình tổng hợp ATP.

Quá trình oxy hóa một phân tử NADH tạo ra sự tổng hợp ba phân tử ATP. Trong khi quá trình oxy hóa một phân tử FADH ₂ được kết hợp với quá trình tổng hợp hai ATP.

Các coenzyme này đến từ quá trình đường phân và chu trình axit xitric. Đối với mỗi phân tử glucose bị phân hủy, chúng sẽ tạo ra 36 hoặc 38 phân tử ATP, tùy thuộc vào vị trí của các tế bào. Trong não và cơ xương 36 ATP được sản xuất trong khi ở mô cơ được sản xuất 38 ATP.

Đặc trưng

Tất cả các sinh vật, đơn bào và đa bào, cần năng lượng tối thiểu trong tế bào của chúng để thực hiện các quá trình bên trong chúng, và lần lượt duy trì các chức năng quan trọng trong toàn bộ sinh vật.

Quá trình trao đổi chất cần năng lượng để diễn ra. Hầu hết năng lượng có thể sử dụng được thu được từ quá trình phân hủy carbohydrate và chất béo. Năng lượng này có được từ quá trình phosphoryl hóa oxy hóa.

Kiểm soát quá trình phosphoryl hóa oxy hóa

Tỷ lệ sử dụng ATP trong tế bào kiểm soát sự tổng hợp của nó, và do sự kết hợp của quá trình phosphoryl hóa oxy hóa với chuỗi vận chuyển điện tử, nó cũng thường điều chỉnh tốc độ vận chuyển điện tử.

Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa có sự kiểm soát chặt chẽ đảm bảo rằng ATP không được tạo ra nhanh hơn mức tiêu thụ. Có một số bước nhất định trong quá trình vận chuyển điện tử và quá trình phosphoryl hóa kết hợp điều chỉnh tốc độ sản xuất năng lượng.

Kiểm soát phối hợp sản xuất ATP

Các con đường sản xuất năng lượng chính (ATP của tế bào) là đường phân, chu trình axit xitric và quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Sự kiểm soát phối hợp của ba quá trình này quy định sự tổng hợp ATP.

Việc kiểm soát quá trình phosphoryl hóa theo tỷ lệ hoạt động khối lượng của ATP phụ thuộc vào việc cung cấp chính xác các electron trong chuỗi vận chuyển. Điều này lại phụ thuộc vào tỷ lệ /, tỷ lệ này được giữ ở mức cao do tác động của quá trình đường phân và chu trình axit xitric.

Sự kiểm soát phối hợp này được thực hiện bằng cách điều chỉnh các điểm kiểm soát đường phân (citrate ức chế PFK) và chu trình axit citric (pyruvate dehydrogenase, citrate tapease, isocitrate dehydrogenase và α-ketoglutarate dehydrogenase).

Kiểm soát bởi người chấp nhận

Phức hợp IV (cytochrome c oxidase) là một enzym được điều chỉnh bởi một trong các chất nền của nó, nghĩa là, hoạt động của nó được kiểm soát bởi cytochrom c khử (c ²⁺ ), đến lượt nó cân bằng với tỷ lệ nồng độ giữa / và tỷ lệ hành động khối lượng / +.

Tỷ lệ / càng cao và / + càng thấp, nồng độ cytochrome càng cao và hoạt tính IV phức càng cao. Điều này được giải thích, chẳng hạn, nếu chúng ta so sánh các sinh vật có các hoạt động nghỉ ngơi và hoạt động cao khác nhau.

Ở một cá nhân có hoạt động thể chất cao, việc tiêu thụ ATP và do đó sự thủy phân của nó thành ADP + P _i sẽ rất cao, tạo ra sự khác biệt về tỷ lệ hoạt động khối lượng gây ra sự gia tăng và do đó làm tăng tổng hợp ATP. Ở một cá nhân đang nghỉ ngơi, tình huống ngược lại xảy ra.

Cuối cùng, tốc độ phosphoryl hóa oxy hóa tăng lên cùng với nồng độ của ADP trong ty thể. Nồng độ cho biết phụ thuộc vào các chất chuyển vị ADP-ATP chịu trách nhiệm vận chuyển các nucleotide adenin và P _i từ tế bào đến chất nền ty thể.

Các tác nhân tách rời

Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa bị ảnh hưởng bởi một số tác nhân hóa học, cho phép tiếp tục vận chuyển điện tử mà không xảy ra quá trình phosphoryl hóa ADP, sản xuất và bảo tồn năng lượng tách rời.

Các tác nhân này kích thích tốc độ tiêu thụ oxy của ty thể trong trường hợp không có ADP, cũng làm tăng quá trình thủy phân ATP. Chúng hoạt động bằng cách loại bỏ chất trung gian hoặc phá vỡ trạng thái năng lượng trong chuỗi vận chuyển điện tử.

2,4-dinitrophenol, một axit yếu đi qua màng ty thể, chịu trách nhiệm làm tiêu tan gradien proton, khi chúng liên kết với chúng ở phía axit và giải phóng chúng ở phía cơ bản.

Hợp chất này được sử dụng như một "viên thuốc ăn kiêng" vì nó được tìm thấy để tạo ra sự gia tăng hô hấp, do đó tăng tỷ lệ trao đổi chất và giảm cân liên quan. Tuy nhiên, nó đã được chỉ ra rằng tác động tiêu cực của nó thậm chí có thể gây ra tử vong.

Sự phân tán của gradient proton tạo ra nhiệt. Các tế bào trong mô mỡ nâu sử dụng sự tách rời được kiểm soát bằng nội tiết tố để tạo ra nhiệt. Động vật có vú đang ngủ đông và trẻ sơ sinh thiếu lông bao gồm mô này đóng vai trò như một loại chăn giữ nhiệt.

Chất ức chế

Các hợp chất hoặc tác nhân ức chế ngăn cản cả tiêu thụ O ₂ (vận chuyển điện tử) và quá trình phosphoryl hóa oxy hóa liên quan. Các tác nhân này ngăn cản sự hình thành ATP thông qua việc sử dụng năng lượng sinh ra trong quá trình vận chuyển điện tử. Do đó, chuỗi vận tải dừng lại khi cho biết mức tiêu thụ năng lượng không khả dụng.

Thuốc kháng sinh oligomycin có chức năng như một chất ức chế phosphoryl hóa ở nhiều vi khuẩn, ngăn chặn sự kích thích tổng hợp ATP của ADP.

Ngoài ra còn có các chất ionophore, tạo phức chất tan trong chất béo với các cation như K ⁺ và Na ⁺ , và đi qua màng ti thể với các cation này. Sau đó, ti thể sử dụng năng lượng được tạo ra trong quá trình vận chuyển điện tử để bơm các cation thay vì tổng hợp ATP.

Người giới thiệu

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Sinh học tế bào cần thiết. New York: Khoa học Garland.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Tế bào. (trang 397-402). Marban.
3. Devlin, TM (1992). Giáo trình hóa sinh: có tương quan lâm sàng. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH, & Grisham, CM (2008). Hóa sinh. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). Sinh học tế bào phân tử. Macmillan.
6. Nelson, DL & Cox, MM (2006). Lehninger Principles of Biochemistry tái bản lần thứ 4. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Hóa sinh. Panamerican Medical Ed.