L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià

Fosforilación oxidativa

La fosforilación oxidativa és un procés metabòlic que utilisa energia lliberada per l'oxidació de nutrients per a produir adenosina trifosfato (ATP). Se li crida aixina per a distinguir-la d'atres rutes que produïxen ATP en menor rendiment, cridades "a nivell de substrat". Es calcula que fins al 90 % de l'energia celular en forma de ATP és produïda d'esta forma.[1]

Esquema actual del sistema mitocondrial de la fosforilación. Els equivalents reduïts que es generen en el metabolisme (NADH, FADH2) són àcits oxidats per la cadena de transport d'electrons. l'energia lliure generada en esta reacció s'ampra per a bombejar protones (punts rojos) des de la matriu mitocondrial fins a l'interior de les crestes mitocondrials, per a donar lloc a la força protón-motriu. Quan este es dissipa a través de la tornada a la matriu dels protones a través de l'ATP sintasa, l'energia almagasenada s'ampra per a fosforilar l'ADP en un grup fosfat per a formar ATP.
El model actual cobrix alguns problemes suscitats per l'anterior. En primer lloc, tots els components actius de la cadena de transport d'electrons es troben exclusivament en les crestes mitocondrials i formant supercomplejos, en l'image representat pel supercomplejo I1III2IV1. Açò permet canalisar d'uns complexos a uns atres les molècules de transferència d'electrons. Prèviament es pensava que difonien lliurement. En segon lloc, la diferència de pH, un dels components de la força protón-motriu junt en el potencial de membrana (ΔΨ) és de solament 0,55 unitats, equivalent a 32 mV, insuficient per a impulsar la fosforilación. No obstant, existixen circumstàncies locals que aumenten este pH en un factor de 2 unitats. En primer lloc, la ATP sintasa forma dímers i files que comban i donen forma a la cresta mitocondrial, fent que l'espai intern tinga solament 20 ± 4 nm. L'espai entre la membrana interna i externa és menor, de 12 ± 2,5 nm, pero conta en poros lo suficientment grans com per a estar en equilibri en la citoplasma. Els protones es concentren gràcies al «efecte superfície» i al ràpit fluix des de les fonts de protones als albellons.

Consta de dos etapes: en la primera, l'energia lliure generada per mig de reaccions químiques redox en varis complexos multiproteicos —coneguts en el seu conjunt com cadena de transport d'electrons— s'ampra per a produir, per diversos procediments com a bombeig, cicles quinona/quinol o bucles redox, un gradient electroquímic de protones a través d'una membrana associada en un procés cridat quimiosmosis. La cadena respiratòria està formada per tres complexos de proteïnes principals (complex I, III, IV), i varis complexos «auxiliars», utilisant una varietat de donants i aceptores d'electrons. Els tres complexos s'associen en supercomplejos per a canalisar les molècules transportadoras d'electrons, la coenzima Q i el citocromo c, fent més eficient el procés.

L'energia potencial d'eixe gradient, cridada força protón-motriu, es llibera quan es translocan els protones a través d'un canal passiu, l'enzima ATP sintasa, i s'utilisa en l'adició d'un grup fosfat a una molècula d'ADP per a almagasenar part d'eixa energia potencial en els enllaços anhidro «d'alta energia» de la molècula d'ATP per mig d'un mecanisme en el que intervé la rotació d'una part de l'enzima a mida que fluïxen els protones a través d'ella. En vertebrats, i possiblement en tot el regne animal, es genera un ATP per cada 2,7 protones translocados. Alguns organismes tenen ATPanses en un rendiment menor.

Existixen també proteïnes desacopladoras que permeten controlar el fluix de protones i generar calor desacoplando abdós fases de la fosforilación oxidativa.

Encara que les diverses formes de vida utilisen una gran varietat de nutrients, casi totes realisen la fosforilación oxidativa per a produir ATP, la molècula que proveïx d'energia al metabolisme. Esta ruta és tan ubiqua degut a que és una forma altament eficaç de lliberació d'energia, en comparació als processos alternatius de fermentació, com la glucólisis anaeròbica.

Pese a que la fosforilación oxidativa és una part vital del metabolisme, produïx una chicoteta proporció d'espècies reactives de l'oxigen tals com superóxido i peròxit d'hidrogen, lo que du a la propagació de radicals lliures, provocant dany celular, contribuint a malaltiaés i, possiblement, al envelliment. No obstant, els radicals tenen un important paper en la senyalisació celular, i possiblement en la formació d'enllaços disulfuro de les pròpies proteïnes de la membrana interna mitocondrial. Les enzimes que porten a terme esta ruta metabòlica són blanc de moltes drogues i productes tòxics que inhibixen la seua activitat.

Història

 
El bioquímic Arthur Harden

L'estudi de la fosforilación oxidativa es va iniciar en 1906 en l'informe d'Arthur Harden sobre el paper vital del fosfat en la fermentació celular, encara que inicialment es pensava que solament els sucre-fosfat estaven involucrats.[2] No obstant, a principis dels anys 1940, la relació entre l'oxidació dels sucres i la generació de ATP va ser establida de forma definitiva per Herman Kalckar,[3] confirmant el paper central del ATP en la transferència d'energia, que havia segut propost per Fritz Albert Lipmann en 1941.[4] Més tart, en 1949, Friedkin i Morris Albert L. Lehninger varen demostrar que la coenzima NADH es troba relacionada en vies metabòliques tals com el cicle de l'àcit cítric i la síntesis de ATP.[5]

Durant atres vint anys, el mecanisme pel qual es generava el ATP va seguir sent un misteri, en científics buscant un elusivo «intermediari d'alta energia», que enllaçara les reaccions d'oxidació i fosforilación.[6] El misteri va ser resolt per Peter D. Mitchell en la publicació de la teoria quimiosmótica en 1961.[7] En un principi la proposta va ser molt controvertida, pero va ser acceptada llentament i finalment Mitchell va rebre el Premi Nobel de Química en 1978 per la seua teoria.[8][9] L'investigació posterior es va centrar en la purificació i caracterisació de les enzimes involucrades, en importants contribucions realisades per David E. Green sobre els complexos de la cadena de transport d'electrons, aixina com d'Efraim Racker sobre la ATP sintasa.[10] Un pas fonamental cap a la solució dels mecanismes de la ATP sintasa va ser proporcionada per Paul D. Boyer, en el seu desenroll en 1973 del mecanisme de «canvi d'unió», seguit per la seua radical proposta d'un sistema de catálisis rotacional en 1982.[11] Els treballs més recents inclouen estudis estructurals de les enzimes involucrades en la fosforilación oxidativa, portats a terme per John E. Walker, havent obtingut Walker i Boyer el Premi Nobel en 1997.[12]

Transferència d'energia per quimiosmosis

 
Model molecular del NAD+
Artícul principal → Quimiosmosis.


La fosforilación oxidativa funciona en dos tipos de reaccions que estan acoplades, una utilisa reaccions químiques que lliberen energia, mentres que l'atra utilisa eixa energia per a portar a terme les seues reaccions. El fluix d'electrons a través de la cadena de transport d'electrons, des de donants d'electrons com NADH a aceptores d'electrons tals com a oxigen, és un procés exergónico —llibera energia—, mentres que la síntesis de ATP és un procés endergónico, el qual requerix d'energia. Tant la cadena de transport d'electrons com la ATP sintasa, estan embebidos en la membrana, i l'energia és transferida de la cadena de transport d'electrons a la ATP sintasa pel moviment de protones a través de la membrana, en un procés cridat quimiosmosis.[13] En la pràctica, es comporta de manera similar a un simple circuit elèctric, en una corrent de protones sent transportats des del costat negatiu, costat N de la membrana cap al costat positiu, costat P, per les enzimes de la cadena de transport d'electrons que bombegen protones. Estes enzimes són com una bateria, ya que realisen treball, per a dur corrent a través del circuit. El moviment de protones crea un gradient electroquímic a través de la membrana, el qual és cridat generalment força protón-motriu. Este gradient té dos components: una diferència en la concentració de protones (un gradient de pH) i una diferència en el potencial elèctric, en un costat N, que posseïx càrrega negativa. L'energia és almagasenada majorment com la diferència de potencials elèctrics en la mitocondria, pero també com un gradient de pH en els cloroplastos.[14]

La ATP sintasa llibera esta energia almagasenada completant el circuit i permetent als protones fluir a través del gradient electroquímic, de nou cap al costat N de la membrana.[15] Esta enzima es comporta de manera similar a un motor elèctric ya que utilisa la força protón-motriu per a portar a terme la rotació de part de la seua estructura i acoplar este moviment en la síntesis de ATP.

La cantitat d'energia lliberada per la fosforilación oxidativa és elevada, comparada en la cantitat produïda per la fermentació anaeròbica. La glucólisis produïx solament dos molècules de ATP, en canvi entre 30 i 36 ATP són produïts per la fosforilación oxidativa dels 10 NADH i 2 succinato obtinguts a través de la conversió d'una molècula de glucosa en diòxit de carbono i aigua.[16] Este resultat de ATP és el màxim teòric, ya que en la pràctica alguns protones es filtren a través de la membrana, disminuint aixina la producció de ATP.[17]

Referències

  1. ↑ «Regulation of mitochondrial respiratory chain biogenesis by estrogens/estrogen receptors and physiological, pathological and pharmacological implications».Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research.1793(10)
    1540-1570.ISSN 01674889.doi:10.1016/j.bbamcr.2009.06.001.
  2. ↑ Harden, A., Young, W. J.(1906).«The alcoholic ferment of yeast-juice».Proc. R. Soc. (Lond.).B(77)
    405-20.
  3. ↑ Kalckar, H. M.(1974).«Origins of the concept oxidative phosphorylation».Mol. Cell. Biochem..5(1-2)
    55-63.doi:10.1007/BF01874172.
  4. ↑ Lipmann F,(1941).«Metabolic generation and utilization of phosphate bond energy».Adv Enzymol.1
    99-162.
  5. ↑ Friedkin, M., Lehninger, A. L.(1949).«Esterification of inorganic phosphate coupled to electron transport between dihydrodiphosphopyridine nucleotide and oxygen».J. Biol. Chem..178(2)
    611-23.
  6. ↑ Slater, E. C.(1953).«Mechanism of Phosphorylation in the Respiratory Chain».Nature.172(4387)doi:10.1038/172975a0.
  7. ↑ Mitchell, P.(1961).«Coupling of Phosphorylation to Electron and Hydrogen Transfer by a Chemi-Osmotic type of Mechanism».Nature.191(4784)doi:10.1038/191144a0.
  8. ↑ Saier Jr, Milton H.. «Peter Mitchell and the Vital Force». Archivat des d'el original, el 30 d'agost de 2006.
  9. ↑ «David Keilin's Respiratory Chain Concept and Its Chemiosmotic Consequences» (PDF). Nobel lecture. Nobel Foundation.
  10. ↑ Pullman, M. E., Penefsky, H. S., Datta, A. i Racker, E.(1960).«Partial Resolution of the Enzymes Catalyzing Oxidative Phosphorylation. I. Purification and Properties of Soluble, Dinitrophenol-stimulated Adenosine Triphosphatase».J. Biol. Chem..235(11)
    3322-9.
  11. ↑ Boyer, P. D., Cross, R. L., Momsen, W.(1973).«A new concept for energy coupling in oxidative phosphorylation based on a molecular explanation of the oxygen exchange reactions».Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A..70(10)
    2837-9.doi:10.1073/pnas.70.10.2837.
  12. ↑ «The Nobel Prize in Chemistry 1997». Nobel Foundation.
  13. ↑ Mitchell, P., Moyle, J.(1967).«Chemiosmotic hypothesis of oxidative phosphorylation».Nature.213(5072)
    137-9.doi:10.1038/213137a0.
  14. ↑ Dimroth, P., Kaim, G., Matthey, U.(2000).«Crucial role of the membrane potential for ATP synthesis by F(1)F(o) ATP synthases».J. Exp. Biol..203(Pt 1)
    51-9.
  15. ↑ Schultz, B., Chan, S.(2001).«Structures and proton-pumping strategies of mitochondrial respiratory enzymes».Annu Rev Biophys Biomol Struct.30
    23-65.doi:10.1146/annurev.biophys.30.1.23.
  16. ↑ Rich, P. R.(2003).«The molecular machinery of Keilin's respiratory chain».Biochem. Soc. Trans..31(Pt 6)
    1095-105.doi:10.1042/BST0311095.
  17. ↑ Porter, R. K., Brand, M. D.(1995).«Mitochondrial proton conductance and H+/O ràtio llaure independent of electron transport rate in isolated hepatocytes».Biochem. J..310((Pt 2))
    379-82.
Obtingut de «https://lenciclopedia.org/w/index.php?title=Fosforilación_oxidativa&oldid=1455413»