FOSFORILASI OKSIDATIF: TAHAPAN, FUNGSI DAN INHIBITOR - BIOLOGI - 2025

The fosforilasi oksidatif adalah proses di mana molekul disintesis ATP dari ADP dan P _i (fosfat anorganik). Mekanisme ini dilakukan oleh bakteri dan sel eukariotik. Dalam sel eukariotik, fosforilasi terjadi dalam matriks mitokondria sel non-fotosintetik.

Produksi ATP didorong oleh transfer elektron dari koenzim NADH atau FADH ₂ ke O ₂ . Proses ini mewakili produksi energi utama dalam sel dan berasal dari pemecahan karbohidrat dan lemak.

Sumber: Robot8A

Energi yang disimpan dalam muatan dan gradien pH, juga dikenal sebagai gaya motif proton, memungkinkan proses ini berlangsung. Gradien proton yang dihasilkan menyebabkan bagian luar membran bermuatan positif karena konsentrasi proton (H ⁺ ) dan matriks mitokondria menjadi negatif.

Dimana fosforilasi oksidatif terjadi?

Proses transpor elektron dan fosforilasi oksidatif berhubungan dengan membran. Pada prokariota, mekanisme ini berlangsung melalui membran plasma. Dalam sel eukariotik mereka berasosiasi dengan membran mitokondria.

Jumlah mitokondria yang ditemukan dalam sel bervariasi tergantung pada jenis selnya. Misalnya, pada mamalia, eritrosit kekurangan organel ini, sementara jenis sel lain, seperti sel otot, dapat memiliki hingga jutaan.

Membran mitokondria terdiri dari membran luar yang sederhana, membran dalam yang agak lebih kompleks, dan di antaranya ada ruang antarmembran, tempat banyak enzim yang bergantung pada ATP berada.

Membran luar mengandung protein yang disebut porin yang membentuk saluran untuk difusi sederhana dari molekul kecil. Membran ini bertugas menjaga struktur dan bentuk mitokondria.

Membran bagian dalam memiliki kepadatan yang lebih tinggi dan kaya akan protein. Ia juga kedap bagi molekul dan ion sehingga, untuk melewatinya, mereka membutuhkan protein antar membran untuk mengangkutnya.

Di dalam matriks, lipatan membran bagian dalam memanjang, membentuk tonjolan yang memungkinkannya memiliki area yang luas dalam volume kecil.

Pembangkit listrik sel

Mitokondria dianggap sebagai penghasil energi seluler. Ini berisi enzim yang terlibat dalam proses siklus asam sitrat, oksidasi asam lemak, dan enzim redoks dan protein yang terlibat dalam transpor elektron dan fosforilasi ADP.

Gradien konsentrasi proton (gradien pH) dan gradien muatan atau potensial listrik di membran bagian dalam mitokondria bertanggung jawab atas gaya gerak proton. Permeabilitas rendah dari membran dalam untuk ion (selain H ⁺ ) memungkinkan mitokondria memiliki gradien tegangan yang stabil.

Transpor elektronik, pemompaan proton, dan produksi ATP terjadi secara bersamaan di mitokondria, berkat gaya penggerak proton. Gradien pH mempertahankan kondisi asam di antar membran dan dalam matriks mitokondria dengan kondisi basa.

Untuk setiap dua elektron yang ditransfer ke O _2, sekitar 10 proton dipompa melalui membran, menciptakan gradien elektrokimia. Energi yang dilepaskan dalam proses ini diproduksi secara bertahap melalui aliran elektron melalui rantai transpor.

Tahapan

Energi yang dilepaskan selama reaksi reduksi oksidasi NADH dan FADH ₂ cukup tinggi (sekitar 53 kkal / mol untuk setiap pasang elektron), sehingga untuk digunakan dalam pembuatan molekul ATP, harus diproduksi secara bertahap dengan bagian elektron melalui transporter.

Ini diatur menjadi empat kompleks yang terletak di membran mitokondria bagian dalam. Penggabungan reaksi ini dengan sintesis ATP dilakukan di kompleks kelima.

Rantai transpor elektron

NADH mentransfer sepasang elektron yang memasuki kompleks I dari rantai transpor elektron. Elektron dipindahkan ke flavin mononukleotida, dan kemudian ke ubikuinon (koenzim Q) melalui transporter besi-belerang. Proses ini melepaskan sejumlah besar energi (16,6 kkal / mol).

Ubiquinone mengangkut elektron melintasi membran ke kompleks III. Dalam kompleks ini elektron melewati sitokrom b dan c ₁ berkat transporter besi-belerang.

Elektron berpindah dari kompleks III ke kompleks IV (sitokrom c oksidase), ditransfer satu per satu dalam sitokrom c (protein membran perifer). Dalam kompleks IV elektron melewati sepasang ion tembaga (Cu _a ²⁺ ), lalu ke sitokrom c _a , lalu ke pasangan ion tembaga lainnya (Cu _b ²⁺ ) dan dari sini ke sitokrom a ₃ .

Akhirnya, elektron dipindahkan ke O ₂ yang merupakan akseptor terakhir dan membentuk molekul air (H ₂ O) untuk setiap pasangan elektron yang diterima. Aliran elektron dari kompleks IV ke O ₂ juga menghasilkan energi bebas dalam jumlah besar (25,8 kkal / mol).

Reduktase CoQ suksinat

Kompleks II (suksinat CoQ reduktase) menerima sepasang elektron dari siklus asam sitrat, melalui oksidasi molekul suksinat menjadi fumarat. Elektron ini ditransfer ke FAD, melewati gugus besi-belerang, ke ubikuinon. Dari koenzim ini mereka pergi ke kompleks III dan mengikuti rute yang telah dijelaskan sebelumnya.

Energi yang dilepaskan dalam reaksi transfer elektron ke FAD tidak cukup untuk mendorong proton melewati membran, jadi tidak ada gaya gerak proton yang dihasilkan pada tahap rantai ini, dan akibatnya FADH menghasilkan H ^{+ yang} lebih sedikit. dari NADH.

Kopling atau transduksi energi

Energi yang dihasilkan dalam proses transpor elektron yang dijelaskan sebelumnya harus dapat digunakan untuk produksi ATP, reaksi yang dikatalisis oleh enzim ATP sintase atau kompleks V.Kekekalan energi tersebut dikenal sebagai penggandengan energi, dan mekanismenya telah sulit untuk dicirikan.

Beberapa hipotesis telah dijelaskan untuk menjelaskan transduksi energi ini. Yang paling diterima adalah hipotesis penggandengan kemosmotik, yang dijelaskan di bawah ini.

Kopling kemosmotik

Mekanisme ini mengusulkan bahwa energi yang digunakan untuk sintesis ATP berasal dari gradien proton dalam membran sel. Proses ini mengintervensi mitokondria, kloroplas dan bakteri dan terkait dengan pengangkutan elektron.

Kompleks I dan IV transpor elektron bertindak sebagai pompa proton. Ini mengalami perubahan konformasi yang memungkinkan mereka untuk memompa proton ke ruang antar membran. Dalam kompleks IV, untuk setiap pasangan elektron, dua proton dipompa keluar dari membran dan dua lagi tetap dalam matriks, membentuk H ₂ O.

Ubiquinone dalam kompleks III menerima proton dari kompleks I dan II dan melepaskannya ke luar membran. Kompleks I dan III masing-masing memungkinkan lewatnya empat proton untuk setiap pasangan elektron yang diangkut.

Matriks mitokondria memiliki konsentrasi proton yang rendah dan potensial listrik negatif, sedangkan ruang antarmembran menampilkan kondisi terbalik. Aliran proton melalui membran ini mewakili gradien elektrokimia yang menyimpan energi yang diperlukan (± 5 kkal / mol per proton) untuk sintesis ATP.

Sintesis ATP

Enzim ATP sintetase adalah kompleks kelima yang terlibat dalam fosforilasi oksidatif. Ini bertanggung jawab untuk memanfaatkan energi dari gradien elektrokimia untuk membentuk ATP.

Protein transmembran ini terdiri dari dua komponen: F ₀ dan F ₁ . Komponen F ₀ memungkinkan kembalinya proton ke matriks mitokondria, berfungsi sebagai saluran dan F ₁ mengkatalisis sintesis ATP melalui ADP dan P _i , menggunakan energi pengembalian tersebut.

Proses sintesis ATP membutuhkan perubahan struktural pada F ₁ dan perakitan komponen F ₀ dan F ₁ . Translokasi proton melalui F ₀ menyebabkan perubahan konformasi dalam tiga subunit F ₁ , memungkinkannya untuk bertindak sebagai motor rotasi, mengarahkan pembentukan ATP.

Subunit yang bertanggung jawab atas pengikatan ADP dengan P _i berubah dari keadaan lemah (L) menjadi aktif (T). Ketika ATP terbentuk, subunit kedua masuk ke keadaan terbuka (O) yang memungkinkan pelepasan molekul ini. Setelah ATP dilepaskan, subunit ini beralih dari keadaan terbuka ke keadaan tidak aktif (L).

Molekul ADP dan P _i mengikat subunit yang telah berpindah dari keadaan O ke keadaan L.

produk

Rantai transpor elektron dan fosforilasi menghasilkan molekul ATP. Oksidasi NADH menghasilkan sekitar 52,12 kkal / mol (218 kJ / mol) energi bebas.

Reaksi keseluruhan untuk oksidasi NADH adalah:

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

Transfer elektron dari NADH dan FADH ₂ terjadi melalui berbagai kompleks, memungkinkan perubahan energi bebas ΔG ° terurai menjadi "paket" energi yang lebih kecil, yang digabungkan ke sintesis ATP.

Oksidasi satu molekul NADH menghasilkan sintesis tiga molekul ATP. Sedangkan oksidasi sebuah molekul FADH ₂ digabungkan dengan sintesis dua ATP.

Koenzim ini berasal dari proses glikolisis dan siklus asam sitrat. Untuk setiap molekul glukosa yang terdegradasi, mereka akhirnya menghasilkan 36 atau 38 molekul ATP, tergantung pada lokasi sel. Di otak dan otot rangka, 36 ATP diproduksi sedangkan di jaringan otot 38 ATP diproduksi.

fitur

Semua organisme, uniseluler dan multiseluler, membutuhkan energi minimal di dalam selnya untuk menjalankan proses di dalamnya, dan pada gilirannya mempertahankan fungsi vital di seluruh organisme.

Proses metabolisme membutuhkan energi untuk berlangsung. Sebagian besar energi yang dapat digunakan diperoleh dari pemecahan karbohidrat dan lemak. Energi ini berasal dari proses fosforilasi oksidatif.

Pengendalian fosforilasi oksidatif

Tingkat pemanfaatan ATP dalam sel mengontrol sintesisnya, dan pada gilirannya, karena kopling fosforilasi oksidatif dengan rantai transpor elektron, ia juga umumnya mengatur kecepatan transpor elektron.

Fosforilasi oksidatif memiliki kontrol ketat yang memastikan bahwa ATP tidak dihasilkan lebih cepat daripada dikonsumsi. Ada langkah-langkah tertentu dalam proses transpor elektron dan fosforilasi gabungan yang mengatur laju produksi energi.

Kontrol terkoordinasi produksi ATP

Jalur utama produksi energi (ATP seluler) adalah glikolisis, siklus asam sitrat, dan fosforilasi oksidatif. Kontrol terkoordinasi dari ketiga proses ini mengatur sintesis ATP.

Kontrol fosforilasi dengan rasio aksi massa ATP bergantung pada suplai elektron yang tepat dalam rantai transpor. Ini pada gilirannya tergantung pada rasio /, yang dijaga tetap tinggi oleh aksi glikolisis dan siklus asam sitrat.

Kontrol terkoordinasi ini dilakukan dengan mengatur titik kontrol glikolisis (PFK yang dihambat oleh sitrat) dan siklus asam sitrat (piruvat dehidrogenase, sitrat tapease, isocitrate dehydrogenase dan α-ketoglutarate dehydrogenase).

Kontrol oleh akseptor

Kompleks IV (sitokrom c oksidase) adalah enzim yang diatur oleh salah satu substratnya, yaitu aktivitasnya dikendalikan oleh sitokrom c tereduksi (c ²⁺ ), yang pada gilirannya berada dalam kesetimbangan dengan rasio konsentrasi antara / dan rasio aksi massa / +.

Semakin tinggi rasio / dan semakin rendah / +, semakin tinggi konsentrasi sitokrom dan semakin tinggi aktivitas kompleks IV. Ini diartikan, misalnya, jika kita membandingkan organisme dengan aktivitas istirahat dan aktivitas tinggi yang berbeda.

Pada individu dengan aktivitas fisik yang tinggi, konsumsi ATP dan oleh karena itu hidrolisasinya menjadi ADP + P _i akan sangat tinggi, menghasilkan perbedaan dalam rasio aksi massa yang menyebabkan peningkatan dan oleh karena itu peningkatan sintesis ATP. Pada individu saat istirahat, situasi sebaliknya terjadi.

Akhirnya, laju fosforilasi oksidatif meningkat dengan konsentrasi ADP di dalam mitokondria. Konsentrasi ini bergantung pada penerjemah ADP-ATP yang bertanggung jawab untuk pengangkutan nukleotida adenin dan P _i dari sitosol ke matriks mitokondria.

Agen pelepas sambungan

Fosforilasi oksidatif dipengaruhi oleh bahan kimia tertentu, yang memungkinkan transpor elektron berlanjut tanpa fosforilasi ADP, produksi energi dan konservasi pelepasan.

Agen-agen ini merangsang tingkat konsumsi oksigen mitokondria tanpa adanya ADP, juga menyebabkan peningkatan hidrolisis ATP. Mereka bekerja dengan melepaskan perantara atau memutus keadaan energi dalam rantai transpor elektron.

2,4-dinitrofenol, asam lemah yang melewati membran mitokondria, bertanggung jawab untuk menghilangkan gradien proton, saat mereka mengikatnya di sisi asam dan melepaskannya di sisi basa.

Senyawa ini digunakan sebagai "pil diet" karena menghasilkan peningkatan respirasi, oleh karena itu meningkatkan laju metabolisme dan penurunan berat badan terkait. Namun, terbukti bahwa efek negatifnya bahkan bisa menyebabkan kematian.

Disipasi gradien proton menghasilkan panas. Sel dalam jaringan adiposa coklat menggunakan pelepasan yang dikendalikan secara hormonal untuk menghasilkan panas. Mamalia yang berhibernasi dan bayi baru lahir yang tidak memiliki rambut terdiri dari jaringan yang berfungsi sebagai selimut termal.

Penghambat

Senyawa atau agen penghambat mencegah konsumsi O ₂ (transpor elektron) dan fosforilasi oksidatif terkait. Agen ini mencegah pembentukan ATP melalui penggunaan energi yang dihasilkan dalam transpor elektronik. Oleh karena itu, rantai transpor berhenti ketika konsumsi energi tersebut tidak tersedia.

Oligomisin antibiotik berfungsi sebagai inhibitor fosforilasi pada banyak bakteri, mencegah stimulasi ADP menjadi sintesis ATP.

Ada juga agen ionofor, yang membentuk kompleks larut lemak dengan kation seperti K ⁺ dan Na ⁺ , dan melewati membran mitokondria dengan kation ini. Mitokondria kemudian menggunakan energi yang dihasilkan dalam transpor elektronik untuk memompa kation alih-alih mensintesis ATP.

Referensi

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Biologi sel esensial. New York: Ilmu Garland.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Sel. (hlm. 397-402). Marban.
3. Devlin, TM (1992). Buku teks biokimia: dengan korelasi klinis. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH, & Grisham, CM (2008). Biokimia. Thomson Brooks / Cole.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). Biologi sel molekuler. Macmillan.
6. Nelson, DL, & Cox, MM (2006). Lehninger Principles of Biochemistry edisi ke-4. Ed Omega. Barcelona.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biokimia. Panamerican Medical Ed.