זרחן חמצוני: שלבים, פונקציות ומעכבים - ביולוגיה - 2025

זרחון חמצוני הוא תהליך שבו מולקולות מסונתזים ATP מ ADP ו- P _i (פוספט אנאורגני). מנגנון זה מתבצע על ידי חיידקים ותאים אוקריוטיים. בתאים אוקריוטיים, זרחן מתרחש במטריקס המיטוכונדריאלי של תאים שאינם פוטוסינתטיים.

ייצור ATP מונע על ידי העברת אלקטרונים מהקואנזימים NADH או FADH ₂ ל- O ₂ . תהליך זה מייצג את ייצור האנרגיה העיקרי בתא ומקורו בפירוק פחמימות ושומנים.

מקור: Robot8A

האנרגיה המאוחסנת במעברי המטען וה- pH, הידועה גם ככוח המניע של הפרוטון, מאפשרת תהליך זה להתרחש. שיפוע הפרוטון שנוצר גורם לחלק החיצוני של הממברנה להיות מטען חיובי בגלל ריכוז הפרוטונים (H ⁺ ) והמטריצה ​​המיטוכונדרית להיות שלילית.

היכן מתרחש זרחן חמצוני?

תהליכי הובלת האלקטרונים וזרחן חמצוני קשורים לקרום. בפרוקריוטים, מנגנונים אלה מתרחשים דרך קרום הפלזמה. בתאים אוקריוטיים הם מקשרים עם הממברנה המיטוכונדרית.

מספר המיטוכונדריה שנמצא בתאים משתנה בהתאם לסוג התא. לדוגמה, אצל יונקים, אריתרוציטים חסרים את האברונים הללו, בעוד שלסוגי תאים אחרים, כמו תאי שריר, יכולים להיות עד מיליון מהם.

הממברנה המיטוכונדרית מורכבת מממברנה חיצונית פשוטה, ממברנה פנימית מעט מורכבת יותר, וביניהם החלל הבין ממברני, בו נמצאים אנזימים רבים התלויים ב- ATP.

הממברנה החיצונית מכילה חלבון הנקרא פורן המהווה את התעלות לפיזור הפשוט של מולקולות קטנות. קרום זה אחראי לשמירה על מבנה וצורת המיטוכונדריה.

לקרום הפנימי צפיפות גבוהה יותר והוא עשיר בחלבונים. זה גם בלתי חדיר למולקולות ויונים ולכן, כדי לחצות אותו, הם זקוקים לחלבונים בין-ממברניים בכדי להעביר אותם.

בתוך המטריצה ​​נמתחים קפלי הממברנה הפנימית ויוצרים רכסים המאפשרים לו שטח גדול בנפח קטן.

תחנת כוח סלולרית

המיטוכונדריה נחשבת ליצרנית האנרגיה הסלולרית. הוא מכיל את האנזימים המעורבים בתהליכים של מחזור חומצות לימון, חמצון חומצות שומן, ואת אנזימי החלבונים והחלבונים המעורבים בהובלת אלקטרונים ובזרחן של ADP.

שיפוע ריכוז הפרוטון (שיפוע pH) ומדרגת המטען או הפוטנציאל החשמלי בקרום הפנימי של המיטוכונדריה אחראים לכוח המניע של הפרוטון. החדירות הנמוכה של הממברנה הפנימית עבור יונים (מלבד H ⁺ ) מאפשרת למיטוכונדריה לעבור שיפוע מתח יציב.

הובלה אלקטרונית, שאיבת פרוטון וייצור ATP מתרחשים במקביל במיטוכונדריה, בזכות כוח המניע של הפרוטון. שיפוע ה- pH שומר על תנאים חומציים בתוך הממברנה ובמטריצה ​​המיטוכונדריה עם תנאים אלקליין.

על כל שני אלקטרונים המועברים ל- O ₂ נשאבים כעשרה פרוטונים דרך הממברנה, ויוצרים שיפוע אלקטרוכימי. האנרגיה המשתחררת בתהליך זה מופקת בהדרגה על ידי מעבר אלקטרונים דרך שרשרת ההובלה.

שלבים

האנרגיה המשתחררת בתגובות להפחתת החמצון של NADH ו- FADH ₂ גבוהה באופן משמעותי (סביב 53 קק"ל / מול לכל זוג אלקטרונים), כך שישמש לייצור מולקולות ATP, יש לייצר אותה בהדרגה עם מעבר אלקטרונים דרך הובלות.

אלה מאורגנים לארבעה מתחמים הממוקמים על הקרום המיטוכונדריאלי הפנימי. הצימוד של תגובות אלה לסינתזה של ATP מתבצע במתחם חמישי.

שרשרת העברת אלקטרונים

NADH מעביר זוג אלקטרונים שנכנסים למתחם I של שרשרת הובלת האלקטרונים. האלקטרונים מועברים למונונוקלאוטיד פלבין ואז לאובוויקינון (קו-אנזים Q) באמצעות טרנספורטר ברזל-גופרית. תהליך זה משחרר כמות גדולה של אנרגיה (16.6 קק"ל / מול).

Ubiquinone מעביר אלקטרונים על פני הממברנה למתחם III. במתחם זה האלקטרונים עוברים דרך ציטוכרומים b ו- c ₁ בזכות טרנספורטר ברזל-גופרית.

אלקטרונים עוברים ממתחם III למורכב IV (ציטוכרום c אוקסידאז), מועברים בזה אחר זה בציטוכרום c (חלבון ממברנה היקפית). במתחם הרביעי האלקטרונים עוברים דרך זוג יוני נחושת (Cu _a ²⁺ ), אחר כך לציטוכרום c _a , ואז לזוג נוסף של יוני נחושת (Cu _b ²⁺ ) ומזה לציטוכרום A ₃ .

לבסוף, האלקטרונים מועברים ל- O ₂ שהוא הקולט האחרון ויוצר מולקולת מים (H ₂ O) עבור כל זוג אלקטרונים שמתקבל. מעבר אלקטרונים ממורכבות IV ל- O ₂ מייצר גם כמות גדולה של אנרגיה חופשית (25.8 קק"ל / מול).

Succinate CoQ reductase

קומפלקס II (רוקרטאז של succinat CoQ) מקבל זוג אלקטרונים ממעגל חומצות לימון, דרך חמצון של מולקולת סוקינאט לפומרט. אלקטרונים אלה מועברים ל- FAD, עוברים דרך קבוצת ברזל-גופרית, לאובוויקינון. מקואנזים זה הם עוברים למתחם השלישי ועוקבים אחר התוואי שתואר קודם.

האנרגיה המשתחררת בתגובת העברת האלקטרונים ל- FAD אינה מספיקה בכדי להניע את הפרוטונים דרך הממברנה, כך שלא נוצר כוח מניע של פרוטונים בשלב זה של השרשרת, וכתוצאה מכך FADH מניב פחות H ⁺ מאשר NADH.

צימוד או הולכת אנרגיה

האנרגיה שנוצרת בתהליך הובלת האלקטרונים שתוארה קודם לכן חייבת להיות מסוגלת לשמש לייצור ATP, תגובה המוזזמת על ידי האנזים ATP synthase או מורכב V. שימור האנרגיה הזו ידוע כצימוד אנרגיה, והמנגנון היה קשה לאפיין.

מספר השערות תוארו לתיאור הולכת אנרגיה זו. הדבר המקובל ביותר הוא השערת הצימוד הכימוסמוטי, המתוארת להלן.

צימוד כימוסמוטי

מנגנון זה מציע כי האנרגיה המשמשת לסינתזה של ATP מגיעה מדרגת פרוטון בקרומי התא. תהליך זה מתערב במיטוכונדריה, כלורופלסטים וחיידקים וקשור להובלת אלקטרונים.

המתחמים I ו- IV להובלת אלקטרונים פועלים כמשאבות פרוטון. אלה עוברים שינויים קונפורמציונליים המאפשרים להם להזרים פרוטונים לחלל הבין-ממברני. במתחם הרביעי, עבור כל זוג אלקטרונים, נשאבים שני פרוטונים מהקרום ושניים נוספים נשארים במטריקס ויוצרים H ₂ O.

Ubiquinone במתחם III מקבל פרוטונים מהמתחמים I ו- II ומשחרר אותם לחלק החיצוני של הממברנה. המתחמים I ו- III מאפשרים כל אחד לעבור ארבעה פרוטונים לכל זוג אלקטרונים מועברים.

למטריקס המיטוכונדריאלי יש ריכוז נמוך של פרוטונים ופוטנציאל חשמלי שלילי, בעוד שהחלל הבין-ממברני מציג את התנאים ההפוכים. זרימת הפרוטונים דרך ממברנה זו מייצגת את המדרגה האלקטרוכימית המאגרת את האנרגיה הדרושה (± 5 קק"ל / מול פרוטון) לסינתזה של ATP.

סינתזת ATP

האנזים ATP synthetase הוא המתחם החמישי המעורב בזרחן חמצוני. זה אחראי לרתום את האנרגיה של המדרגה האלקטרוכימית ליצירת ATP.

חלבון טרנסממברני זה מורכב משני מרכיבים: F ₀ ו- F ₁ . רכיב F ₀ מאפשר להחזיר פרוטונים למטריצה ​​המיטוכונדריה, מתפקד כערוץ ו- F ₁ מזרז את הסינתזה של ATP דרך ADP ו- P _i , תוך שימוש באנרגיה של החזרה האמורה.

תהליך הסינתזה של ATP דורש שינוי מבני ב- F ₁ והרכבת הרכיבים F ₀ ו- F ₁ . טרנסלוקציה של פרוטון דרך F ₀ גורמת לשינויים קונפורמטיביים בשלוש יחידות משנה של F ₁ , ומאפשרות לה לפעול כמנוע של סיבוב, ומכוונת את היווצרות ה- ATP.

יחידת המשנה האחראית לקשירת ADP עם P _i משתנה ממצב חלש (L) למצב פעיל (T). כאשר נוצר ATP, תת-יחידה שנייה עוברת למצב פתוח (O) המאפשר שחרור של מולקולה זו. לאחר שחרור ה- ATP, תת-יחידה זו עוברת ממצב פתוח למצב לא פעיל (L).

מולקולות ה- ADP וה- P _i נקשרות ליחידת משנה שעברה ממצב O למצב L.

מוצרים

שרשרת הובלת האלקטרונים והזרחן מייצרים מולקולות ATP. החמצון של NADH מייצר כ- 52.12 קק"ל / מול (218 ק"ג / מול) אנרגיה חופשית.

התגובה הכוללת לחמצון של NADH היא:

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

העברת האלקטרונים מ- NADH ו- FADH ₂ מתרחשת דרך מתחמים שונים, המאפשרת לשינוי האנרגיה החופשית ΔG ° להתפרק ל"חפיסות "אנרגיה קטנות יותר, אשר משולבות לסינתזה של ATP.

חמצון מולקולה אחת של NADH מייצר סינתזה של שלוש מולקולות של ATP. ואילו חמצון מולקולה של FADH ₂ משולב לסינתזה של שני ATP.

קואנזימים אלה מגיעים מתהליכי מחזור הגליקוליזה ומחומצות לימון. עבור כל מולקולת גלוקוז שנשברה הם בסופו של דבר מייצרים 36 או 38 מולקולות של ATP, תלוי במיקום התאים. במוח ובשרירי השלד מיוצרים 36 ATP ואילו ברקמת השריר 38 מייצרים ATP.

מאפיינים

כל האורגניזמים, חד-תאיים ורב-תאיים, זקוקים לאנרגיה מינימלית בתאים שלהם כדי לבצע את התהליכים שבתוכם, ובתורם לשמור על תפקודים חיוניים באורגניזם כולו.

תהליכים מטבוליים דורשים אנרגיה כדי להתרחש. מרבית האנרגיה השימושית מתקבלת מפירוק פחמימות ושומנים. אנרגיה זו נגזרת מתהליך הזרחן החמצוני.

שליטה בזרחן חמצוני

קצב השימוש ב- ATP בתאים שולט בסינתזה שלו, ובתורו, בגלל הצימוד של זרחן חמצוני עם שרשרת הובלת האלקטרונים, מווסת בדרך כלל גם את קצב הובלת האלקטרונים.

לפוספורילציה חמצונית יש בקרה קפדנית שמבטיחה כי ATP לא נוצר מהר יותר ממה שהוא נצרך. ישנם צעדים מסוימים בתהליך הובלת אלקטרונים וזרחן משולב המווסתים את קצב ייצור האנרגיה.

בקרה מתואמת בייצור ATP

המסלולים העיקריים לייצור אנרגיה (ATP סלולרי) הם גליקוליזה, מחזור חומצות לימון וזרחן חמצוני. השליטה המתואמת בשלושת התהליכים הללו מסדירה את הסינתזה של ATP.

השליטה בזרחן על ידי יחס הפעולה ההמונית של ATP תלויה באספקת האלקטרונים המדויקת בשרשרת ההובלה. זה בתורו תלוי ביחס / שנשמר גבוה על ידי פעולת הגליקוליזה ומחזור חומצות לימון.

בקרה מתואמת זו מתבצעת על ידי ויסות נקודות הבקרה של הגליקוליזה (PFK מעכב ציטראט) ומעגל חומצות לימון (פירובטה דהידרוגנז, ציטראט טפיז, איזוציטרט דהידרוגנאז ו- α-קטוגלוטרט דהידרוגנז).

שליטה על ידי מקבל

קומפלקס IV (ציטוכרום סי אוקסידאז) הוא אנזים המווסת על ידי אחד המצעים שלו, כלומר, פעילותו נשלטת על ידי ציטוכרום c מופחת (c ²⁺ ), אשר בתורו נמצא בשיווי משקל עם יחס הריכוז בין / ויחס הפעולה ההמונית של / +.

ככל שיחס / גבוה יותר ו- / + נמוך יותר, ריכוז הציטוכרום גבוה יותר ופעילות IV מורכבת גבוהה יותר. זה מתפרש, למשל, אם נשווה אורגניזמים עם פעילויות שונות במנוחה ופעילות גבוהה.

אצל אדם עם פעילות גופנית גבוהה הצריכה של ATP ולכן ההידרוליזה שלו ל- ADP + P _i תהיה גבוהה מאוד, ותייצר הבדל ביחס הפעולה ההמונית הגורם לעלייה ולכן לעלייה ב- סינתזה של ATP. אצל אדם במנוחה המצב ההפוך מתרחש.

בסופו של דבר, קצב הזרחן החמצוני עולה עם ריכוז ה- ADP במיטוכונדריה. ריכוז זה תלוי במתרגמי ADP-ATP האחראים על הובלת נוקליאוטידים אדנין ו- P _i מהציטוזול למטריקס המיטוכונדריאלי.

סוכני ניתוק

זרחן חמצוני מושפע מגורמים כימיים מסוימים, המאפשרים הובלת אלקטרונים להימשך ללא זרחן של ADP, תוך ניתוק ייצור אנרגיה ושימור.

סוכנים אלה ממריצים את קצב צריכת החמצן של המיטוכונדריה בהיעדר ADP, וגורמים גם לעלייה בהידרוליזה של ATP. הם פועלים על ידי הסרת ביניים או שבירת מצב אנרגיה בשרשרת הובלת האלקטרונים.

2,4-dinitrophenol, חומצה חלשה העוברת בממברנות המיטוכונדריה, אחראית לפיזור שיפוע הפרוטון, מכיוון שהם נקשרים אליהם בצד החומצי ומשחררים אותם בצד הבסיסי.

תרכובת זו שימשה "גלולת דיאטה" שכן התברר שהיא מייצרת עלייה בנשימה, ולכן עלייה בקצב חילוף החומרים וירידה במשקל הנלווית. עם זאת, הוכח כי השפעתו השלילית עלולה אף לגרום למוות.

התפוגגות שיפוע הפרוטון מייצרת חום. תאים ברקמת שומן חומה משתמשים בהתנתקות מבוקרת הורמונלית כדי לייצר חום. יונקים שינה ויילודים חסרי שיער מורכבים מרקמה זו המשמשת כמעין שמיכה תרמית.

מעכבים

התרכובות או הסמים המעכבים מונעים הן צריכת O ₂ (הובלת אלקטרונים) והן זרחן חמצוני נלווה. סוכנים אלה מונעים היווצרות ATP באמצעות שימוש באנרגיה המיוצרת בהובלה אלקטרונית. לפיכך, שרשרת ההובלה נעצרת כאשר צריכת האנרגיה האמורה אינה זמינה.

האוליגומיצין האנטיביוטי מתפקד כמעכב זרחן באמצעות חיידקים רבים, ומונע גירוי של ADP לסינתזה של ATP.

ישנם גם חומרים יונופוריים, היוצרים קומפלקסים מסיסים בשומן עם קטיונים כמו K ⁺ ו- Na ⁺ , ועוברים דרך הממברנה המיטוכונדרית עם קטיונים אלה. המיטוכונדריה משתמשות אז באנרגיה המיוצרת בהובלה אלקטרונית כדי לשאוב קטיונים במקום לסנתז ATP.

הפניות

1. אלברטס, ב., בריי, ד., הופקין, ק., ג'ונסון, א., לואיס, ג'., רף, מ., רוברטס, ק. וולטר, פ. (2004). ביולוגיה חיונית של תאים. ניו יורק: גרלנד מדע.
2. קופר, GM, האוסמן, רי אנד רייט, נ (2010). התא. (עמ '397-402). מרבן.
3. Devlin, TM (1992). ספר לימוד לביוכימיה: עם מתאם קליני. ג'ון וויילי ובניו בע"מ
4. גארט, RH, & Grisham, CM (2008). בִּיוֹכִימִיָה. תומסון ברוקס / קול.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). ביולוגיה מולקולרית של תאים. מקמילן.
6. נלסון, DL ו- Cox, MM (2006). עקרונות הלהינגר של ביוכימיה מהדורה רביעית. אד אומגה. ברצלונה.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). בִּיוֹכִימִיָה. פנמריקנית רפואית אד.