Oksidlovchi fosforillanish

UMUMIY SHARH
Oksidlovchi fosforlanish mexanizmi energiya sarflanadigan (endergonik) reaktsiyalarni amalga oshirish uchun energiya chiqariladigan reaktsiyalardan foydalanishga asoslangan (ekzergonik). Elektron donorlar (masalan, NADH) dan elektron tashuvchilar zanjiri bo'ylab elektronlarning o'tishi (masalan, kislorod) ekzergon jarayondir: uning davomida energiya chiqariladi. Aksincha, ATP sintezi - bu energiya oqimini talab qiladigan endergonik jarayon. ETC va ATP sintazalarining oqsil komplekslari membranada joylashgan va kimyoviy yo'l bilan protonlarning membrana bo'ylab tarqalishi tufayli energiya ETC dan ATP sintazasiga uzatiladi [2]. Aslida, bu mexanizm elektr zanjiriga o'xshaydi, unda protonlar membrananing manfiy zaryadlangan qismidan (N-tomon) membrananing musbat zaryadlangan tomoniga ETC fermenti ta'sirida o'tkaziladi, ular oqim manbai va proton nasoslari vazifasini bajaradi, ATP sintazasi esa yuk sifatida ishlaydi. zanjirlar. ETC fermenti majoziy ravishda kontaktlarning zanglashiga olib keladigan elektr tokini ushlab turadigan va ATP sintazali motorni aylantiradigan, ATP molekulalarini muhrlaydigan batareya sifatida tasvirlanishi mumkin. Protonlarni membrana bo'ylab pompalash elektrokimyoviy gradyan hosil qiladi, bu proton-harakatlantiruvchi kuch deb ataladi. Ushbu gradient ikkita tarkibiy qismdan iborat: protonlarning (H + -gradient, ΔpH) kontsentratsiyasining farqi va elektr potentsialining farqi, N tomon esa manfiy zaryadlangan [3].
Protonlarni uzatish paytida saqlanadigan energiya ATP sintazasi uchun ishlatiladi. Protonlar elektrokimyoviy gradient bo'ylab membrananing N-tomoniga [4] tomon harakatlanib, ferment molekulasining ba'zi qismlari aylanishini boshlaydi. Fermentning molekulyar apparati aylanishi tufayli ADP va noorganik fosfat molekulalari bir-biriga optimal konfiguratsiyada olib kelinadi, ATP sintezining kimyoviy reaktsiyasining energiya to'sig'i yengiladi va shu bilan ADP ning energiya sarflaydigan fosforillanishi amalga oshiriladi [5].
ETC va ATP sintazalarining ishi bir-biri bilan chambarchas bog'liq. ETC orqali elektronlarni uzatish blokirovka qilinganida, ATP shakllanishi to'xtatiladi ("batareya" zaryadsizlanadi). Buning teskarisi ham haqiqatdir: ATP sintazasini bostirish ETC ishini va uning oqsillari orqali elektronlar o'tkazilishini bloklaydi. Buning sababi, ATP sintez qiladigan ATP sintazasi ferment ichidagi maxsus kanal tufayli ETC oqsillari tomonidan intermembrana bo'shlig'iga pompalanadigan protonlarni matritsaga qaytaradi. Agar u bloklangan bo'lsa, u holda ETC oqsillari protonlarni elektrokimyoviy gradient kattalashib, proton o'tkazilishini to'xtatmaguncha intermembran bo'shlig'iga yuboradi. "Elektr davri" ochildi, elektronlar harakati to'xtaydi va tizimdagi reaktsiyalar to'xtaydi [6].
Elektrokimyoviy potentsialning ikkita komponenti - elektr membranasi potentsiali va kimyoviy potentsial - ATP sintezining energiya ta'minotiga turli xil hissa qo'shadi. Mitoxondriyada sintezlangan ATPning katta qismi potentsial farq tufayli vujudga keladi va ishqorli bakteriyalarda elektr energiyasining bir qismi hatto tashqi pH ni qoplashga o'tadi (bakteriyalarning salbiy zaryadi gidroksil ionlarini qaytarishga yordam beradi). Xloroplastlarda, aksincha, ΔpH ATP sinteziga ko'proq hissa qo'shadi, garchi u erda ham ATP sintezi uchun zarur bo'lgan kichik membrana potentsiali mavjud. Fusobacterium Propionigenium modestum [en] da u ATP sintazasining membrana FO-domenidagi a va c bo'linmalarning qarshi yo'naltirilgan aylanishiga olib keladi. Ushbu ma'lumotlardan kelib chiqadiki, elektr potentsiali kimyoviy potentsial kabi ATP sintezi uchun ham muhimdir [3].
Fermentatsiya bilan solishtirganda, oksidlovchi fosforillanish energiya hosilini sezilarli darajada oshiradi. Glikoliz paytida ATP ning umumiy hosilasi atigi 2 molekulani tashkil qiladi, ammo oksidlanish fosforillanishi jarayonida 30 dan 36 gacha ATP molekulalari 10 ta NADH va bitta glyukoza molekulasini karbonat angidrid va suvga oksidlash jarayonida hosil bo'lgan [7] tufayli sintezlanadi. Yog 'kislotalarining β oksidlanishi taxminan 14 ATP molekulasini hosil qiladi. Shuni yodda tutish kerakki, yuqorida keltirilgan qiymatlar ATP rentabelligining nazariy, maksimal mumkin bo'lgan qiymatlari. Aslida, ba'zi protonlar ATP sintazasini chetlab o'tib, membrana orqali oqadi va bu ATP chiqishini kamaytiradi [8].
Oksidlovchi fosforlanish energiyaning asosiy manbai bo'lgan oddiy tabaqalangan hujayralardan farqli o'laroq, zararli hujayralar asosan aerob glikolizga tayanadi. Ushbu hodisa Warburg effekti deb nomlanadi. Ko'rinishidan, biomassaning tez ko'payishini talab qiladigan saraton va boshqa tez tarqaladigan hujayralar uchun tezroq glikoliz og'ir oksidlovchi fosforillanishdan [9] foydalidir. Saraton hujayralarining bu o'ziga xos xususiyati (glikolizning normal hujayralarga nisbatan ortishi) pozitron emissiya tomografiyasi yordamida tanadagi saraton o'simtasining joylashishini aniqlashga imkon beradi [10].
Elektron transport zanjirida elektron donordan aktseptorga o'tadi va shu bilan protonlar membrana orqali ham o'tadi. Ushbu jarayonlarda eriydigan va oqsil bilan bog'langan transport molekulalari ishtirok etadi. Mitokondriyada elektronlarning intermembrana bo'shlig'iga o'tkazilishi suvda eriydigan proteinli sitokrom c [11] tomonidan amalga oshiriladi. Ushbu protein oqsilning gem guruhida joylashgan temir atomining oksidlanishi va pasayishi tufayli faqat elektronlarni o'z ichiga oladi. Sitoxrom c ba'zi bakteriyalarda ham uchraydi, ularda u periplazmatik bo'shliqda joylashgan [12].
Yog'da eriydigan yuk tashuvchi koferment Q ichki mitoxondrial membranada ishlaydi, u qizil va tsiklik reaktsiyalar natijasida ikkala elektronni ham, protonlarni ham olib yuradi [13]. Ushbu kichik benzokinon molekulasi juda hidrofobik bo'lib, membranada erkin harakatlanadi. Q ikkita elektron va ikkita protonni olganda ubiquinolga (QH2) kamayadi; QH2 ikkita elektron va ikkita protonni chiqarganda ubiquinon (Q) ga qayta oksidlanadi. Shuning uchun membrananing bir tomonida Q kamayib, ikkinchi tomonida QH2 oksidlanganda ikkita ferment tashkil etilsa, ubikinon bu reaktsiyalarni bog'laydi va ular orasidagi protonlarning tashilishini ta'minlaydi [14]. Ba'zi bakterial ETClarda, ubiquinondan tashqari, boshqa xinonlar ham ishtirok etadi, masalan menaquinon (15).
Oqsillar orasidagi elektronlarni almashinishi flavin koeffitsientlari [4] [16], temir-oltingugurt klasterlari va sitoxromlar yordamida amalga oshiriladi. Temir-oltingugurt klasterlarining bir nechta turlari mavjud. Eng oddiy holatda, temir-oltingugurt klasteri ikkita noorganik oltingugurt atomlari bilan bog'langan ikkita temir atomidan iborat; ushbu tipdagi klasterlar [2Fe-2S] deb nomlanadi. Ikkinchi turdagi klasterlarda [4Fe-4S] deb atalgan to'rtta temir atomlari va to'rtta oltingugurt atomlari kubga biriktirilgan; Bunday klasterlardagi har bir temir atomi qo'shimcha aminokislota bilan muvofiqlashtiriladi - odatda oltingugurt atomi tufayli sistein. Metall ionlari protonlar qo'shilmasdan yoki chiqarilmasdan redoks reaktsiyalarida ishtirok etadi, shuning uchun ETCda ular faqat elektronlarning oqsildan oqsilga o'tishida qatnashishi mumkin. Elektronlar oqsillar orasidagi juda katta masofani bosib o'tib, yuqoridagi koeffitsientlardan ikkinchisiga energiya to'sig'i ostida "sakraydi" [17]. Elektronlarning bunday "sakrashi" taxminan 1,4 × 10−9 m [18] masofada harakat qiladigan kvant tunnel effekti tufayli mumkin bo'ladi.