Fosforylacja oksydacyjna
Fosforylacja oksydacyjna to produkcja ATP przy użyciu energii pochodzącej z przeniesienia elektronów w systemie transportu elektronów i zachodzi w procesie chemiosmozy.
Aby zrozumieć fosforylację oksydacyjną, ważne jest, aby najpierw zapoznać się z atomem wodoru oraz procesem utleniania i redukcji. Atom wodoru zawiera tylko jeden proton (H+) i jeden elektron (e-). Dlatego termin proton i termin jon wodorowy (H+) są stosowane zamiennie. Należy również pamiętać, że elektrony mają zmagazynowaną energię, lub energię potencjalną, gotową do wykonania pracy i kiedy atom lub cząsteczka traci ten elektron (utlenia się), energia ta jest uwalniana i zdolna do wykonania pracy komórkowej.
Reakcje utleniania-redukcji to sprzężone reakcje chemiczne, w których jeden atom lub cząsteczka traci jeden lub więcej elektronów (utlenianie ), podczas gdy inny atom lub cząsteczka zyskuje te elektrony (redukcja ). Związek, który traci elektrony staje się utleniony; związek, który zyskuje te elektrony staje się zredukowany. W związkach kowalencyjnych, jednakże, zazwyczaj łatwiej jest stracić cały atom wodoru (H) – proton i elektron – niż tylko elektron. Reakcja utleniania, podczas której tracony jest zarówno proton, jak i elektron, nazywana jest dehydrogenacją . Reakcja redukcji, podczas której zarówno proton, jak i elektron są zyskiwane, nazywa się uwodornieniem .
Komórki używają określonych cząsteczek do przenoszenia elektronów, które są usuwane podczas utleniania źródła energii. Cząsteczki te nazywane są nośnikami elektronów i na przemian ulegają utlenieniu i redukcji podczas transferu elektronów i protonów. Należą do nich trzy swobodnie dyfundujące koenzymy znane jako NAD+, FAD i NADP+. Zredukowane formy tych koenzymów (NADH, FADH2 i NADPH) mają moc redukującą, ponieważ ich wiązania zawierają formę użytecznej energii.
- NAD+ , czyli dinukleotyd nikotynamidowo-adeninowy, jest koenzymem, który często działa w połączeniu z enzymem zwanym dehydrogenazą. Enzym ten usuwa dwa atomy wodoru (2H+ i 2e-) z substratu. Oba elektrony, ale tylko jeden proton, są akceptowane przez NAD+, aby wytworzyć jego zredukowaną formę, NADH, plus H+. NADH jest używany do generowania siły napędowej protonów (omówionej poniżej), która może napędzać syntezę ATP.
- FAD , lub dinukleotyd flawinowo-adeninowy, jest koenzymem, który również działa w połączeniu z enzymem zwanym dehydrogenazą. Enzym ten usuwa dwa atomy wodoru (2H+ i 2e-) z substratu. Oba elektrony i oba protony są przyjmowane przez FAD, aby wytworzyć jego zredukowaną formę, FADH2. FADH2 jest używany do generowania siły napędowej protonów (omówionej poniżej), która może napędzać syntezę ATP.
- NADP+, lub fosforan dinukleotydu nikotynamido-adeninowego, jest koenzymem, który wykorzystuje dehydrogenaza do usuwania dwóch atomów wodoru (2H+ i 2e-) z substratu. Oba elektrony, ale tylko jeden proton są przyjmowane przez NADP+, aby wytworzyć jego zredukowaną formę, NADPH, plus H+. NADPH nie jest używany do syntezy ATP, ale jego elektrony dostarczają energii dla niektórych reakcji biosyntezy, takich jak te zaangażowane w fotosyntezę.
Podczas procesu oddychania tlenowego, omówionego w następnej sekcji, sprzężone reakcje utleniania-redukcji i nośniki elektronów są często częścią tego, co nazywa się łańcuchem transportu elektronów , serią nośników elektronów, które ostatecznie przenoszą elektrony z NADH i FADH2 na tlen. Dyfundujące nośniki elektronów NADH i FADH2 przenoszą atomy wodoru (protony i elektrony) z substratów w egzergonicznych szlakach katabolicznych, takich jak glikoliza i cykl kwasu cytrynowego do innych nośników elektronów, które są wbudowane w błony. Te związane z błonami nośniki elektronów obejmują flawoproteiny, białka żelazowo-siarkowe, chinony i cytochromy. Ostatni nośnik elektronów w łańcuchu transportu elektronów przenosi elektrony do końcowego akceptora elektronów, tlenu.
Teoria chemiosmotyczna wyjaśnia funkcjonowanie łańcuchów transportu elektronów. Zgodnie z tą teorią, przenoszenie elektronów w dół systemu transportu elektronów poprzez serię reakcji utleniania-redukcji uwalnia energię (rysunek \). Energia ta pozwala niektórym nośnikom w łańcuchu transportować jony wodorowe (H+ lub protony) przez błonę.
W zależności od rodzaju komórki, łańcuch transportu elektronów można znaleźć w błonie cytoplazmatycznej, wewnętrznej błonie mitochondriów i wewnętrznej błonie chloroplastów.
- W komórkach prokariotycznych protony są transportowane z cytoplazmy bakterii przez błonę cytoplazmatyczną do przestrzeni peryplazmatycznej znajdującej się między błoną cytoplazmatyczną a ścianą komórkową.
- W komórkach eukariotycznych protony są transportowane z macierzy mitochondriów przez wewnętrzną błonę mitochondrialną do przestrzeni międzybłonowej znajdującej się pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną błoną mitochondrialną.
- W komórkach roślinnych i komórkach alg, protony są transportowane ze zrębu chloroplastu przez błonę tylakoidu do przestrzeni wewnętrznej tylakoidu.
Jony wodorowe gromadzą się po jednej stronie błony, co powoduje powstanie gradientu elektrochemicznego lub różnicy potencjałów (napięcia) w poprzek błony. (Płyn po tej stronie membrany gdzie gromadzą się protony nabiera ładunku dodatniego; płyn po przeciwnej stronie membrany pozostaje z ładunkiem ujemnym). Stan naenergetyzowania błony w wyniku tej separacji ładunków nazywany jest siłą napędową protonów lub PMF.
Ta siła napędowa protonów dostarcza energii niezbędnej enzymom zwanym syntazami ATP (rysunek), również znajdującym się w wyżej wymienionych błonach, do katalizowania syntezy ATP z ADP i fosforanu. Wytwarzanie ATP zachodzi, gdy protony przekraczają błonę przez kompleksy syntazy ATP i ponownie dostają się do cytoplazmy bakterii (rysunek \), macierzy mitochondriów lub zrębu chloroplastów. Gdy protony przemieszczają się w dół gradientu stężeń przez syntazę ATP, uwolniona energia powoduje obrót rotora i pręta syntazy ATP. Energia mechaniczna z tego obrotu jest przekształcana w energię chemiczną, ponieważ fosforan jest dodawany do ADP, tworząc ATP.
Siła napędowa protonów jest również wykorzystywana do przenoszenia substancji przez błony podczas aktywnego transportu oraz do obracania flagelli bakteryjnej.
Na końcu łańcucha transportu elektronów zaangażowanego w oddychanie tlenowe, ostatni nośnik elektronów w błonie przenosi 2 elektrony do połowy cząsteczki tlenu (atomu tlenu), który jednocześnie łączy się z 2 protonami z otaczającego medium, aby wytworzyć wodę jako produkt końcowy (rysunek \). Łańcuchy transportu elektronów zaangażowane w fotosyntezę ostatecznie przenoszą 2 elektrony do NADP+, który jednocześnie łączy się z 2 protonami z otaczającego medium, aby wytworzyć NADPH.
.