الفسفرة المؤكسدة: المراحل والوظائف والمثبطات - مادة الاحياء - 2026

و الفسفرة التأكسدية هي عملية حيث يتم تخليق جزيئات ATP من ADP وP _ط (الفوسفات غير العضوية). يتم تنفيذ هذه الآلية بواسطة البكتيريا والخلايا حقيقية النواة. في الخلايا حقيقية النواة ، تحدث الفسفرة في مصفوفة الميتوكوندريا من الخلايا غير الضوئية.

إنتاج ATP مدفوع بنقل الإلكترونات من الإنزيمات المساعدة NADH أو FADH ₂ إلى O ₂. تمثل هذه العملية إنتاج الطاقة الرئيسي في الخلية وهي مشتقة من تكسير الكربوهيدرات والدهون.

المصدر: Robot8A

الطاقة المخزنة في تدرجات الشحنة ودرجة الحموضة ، والمعروفة أيضًا باسم القوة المحركة للبروتون ، تمكن من حدوث هذه العملية. يتسبب التدرج البروتوني الذي يتم إنشاؤه في جعل الجزء الخارجي من الغشاء له شحنة موجبة بسبب تركيز البروتونات (H ⁺) وتكون مصفوفة الميتوكوندريا سالبة.

أين يحدث الفسفرة المؤكسدة؟

ترتبط عمليات نقل الإلكترون والفسفرة المؤكسدة بغشاء. في بدائيات النوى ، تحدث هذه الآليات من خلال غشاء البلازما. في الخلايا حقيقية النواة ترتبط بغشاء الميتوكوندريا.

يختلف عدد الميتوكوندريا الموجودة في الخلايا حسب نوع الخلية. على سبيل المثال ، تفتقر كريات الدم الحمراء في الثدييات إلى هذه العضيات ، في حين أن أنواع الخلايا الأخرى ، مثل خلايا العضلات ، يمكن أن تحتوي على ملايين منها.

يتكون غشاء الميتوكوندريا من غشاء خارجي بسيط ، وغشاء داخلي أكثر تعقيدًا إلى حد ما ، وبينهما الفضاء بين الغشاء ، حيث توجد العديد من الإنزيمات المعتمدة على ATP.

يحتوي الغشاء الخارجي على بروتين يسمى بورين يشكل القنوات للانتشار البسيط للجزيئات الصغيرة. هذا الغشاء مسؤول عن الحفاظ على هيكل وشكل الميتوكوندريا.

يتميز الغشاء الداخلي بكثافة أعلى وغني بالبروتينات. كما أنها غير منفذة للجزيئات والأيونات ، لذلك ، عبرها ، فإنها تحتاج إلى بروتينات بين الغشاء لنقلها.

داخل المصفوفة ، تمتد طيات الغشاء الداخلي ، وتشكل حوافًا تسمح لها بالحصول على مساحة كبيرة في حجم صغير.

محطة توليد الطاقة الخلوية

تعتبر الميتوكوندريا منتجًا للطاقة الخلوية. يحتوي على الإنزيمات المشاركة في عمليات دورة حمض الستريك ، وأكسدة الأحماض الدهنية ، وإنزيمات الأكسدة والاختزال والبروتينات الخاصة بنقل الإلكترون وفسفرة ADP.

يعد تدرج تركيز البروتون (تدرج الأس الهيدروجيني) وتدرج الشحنة أو الجهد الكهربائي في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا مسؤولين عن القوة المحركة للبروتون. تسمح النفاذية المنخفضة للغشاء الداخلي للأيونات (بخلاف H ⁺) للميتوكوندريا بالحصول على تدرج جهد ثابت.

يحدث النقل الإلكتروني ، وضخ البروتون ، وإنتاج ATP في نفس الوقت في الميتوكوندريا ، وذلك بفضل القوة المحركة للبروتون. يحافظ تدرج الأس الهيدروجيني على الظروف الحمضية في الغشاء وفي مصفوفة الميتوكوندريا ذات الظروف القلوية.

مقابل كل إلكترونين ينتقلان إلى O _{2 ،} يتم ضخ حوالي 10 بروتونات عبر الغشاء ، مما ينتج عنه تدرج كهروكيميائي. يتم إنتاج الطاقة المنبعثة في هذه العملية تدريجيًا عن طريق مرور الإلكترونات عبر سلسلة النقل.

مراحل

الطاقة المنبعثة أثناء تفاعلات تقليل الأكسدة لـ NADH و FADH ₂ عالية إلى حد كبير (حوالي 53 كيلو كالوري / مول لكل زوج من الإلكترونات) ، لذلك لاستخدامها في تصنيع جزيئات ATP ، يجب إنتاجها تدريجيًا باستخدام مرور الإلكترونات عبر الناقلات.

يتم تنظيم هذه في أربعة مجمعات تقع على الغشاء الداخلي للميتوكوندريا. يتم تنفيذ اقتران هذه التفاعلات بتوليف ATP في مجمع خامس.

سلسلة نقل الإلكترون

ينقل NADH زوجًا من الإلكترونات التي تدخل المركب I من سلسلة نقل الإلكترون. يتم نقل الإلكترونات إلى أحادي نيوكليوتيد الفلافين ، ثم إلى يوبيكوينون (أنزيم Q) عبر ناقل الحديد والكبريت. تطلق هذه العملية كمية كبيرة من الطاقة (16.6 كيلو كالوري / مول).

ينقل Ubiquinone الإلكترونات عبر الغشاء إلى المركب III. في هذا المركب ، تمر الإلكترونات عبر السيتوكروم b و c ₁ بفضل ناقل الحديد والكبريت.

تنتقل الإلكترونات من المركب III إلى المركب IV (السيتوكروم سي أوكسيديز) ، وتنقل واحدًا تلو الآخر في السيتوكروم ج (بروتين الغشاء المحيطي). في المعقد الرابع ، تمر الإلكترونات عبر زوج من أيونات النحاس (Cu _a ²⁺) ، ثم إلى السيتوكروم c _a ، ثم إلى زوج آخر من أيونات النحاس (Cu _b ²⁺) ومن هذا إلى السيتوكروم a ₃.

أخيرًا ، يتم نقل الإلكترونات إلى O ₂ وهو آخر متقبل ويشكل جزيء ماء (H ₂ O) لكل زوج من الإلكترونات المستلمة. يولد مرور الإلكترونات من المركب IV إلى O ₂ أيضًا كمية كبيرة من الطاقة الحرة (25.8 كيلو كالوري / مول).

اختزال Succinate CoQ

يستقبل المركب II (اختزال CoQ السكسينات) زوجًا من الإلكترونات من دورة حمض الستريك ، من خلال أكسدة جزيء سكسينات إلى فومارات. يتم نقل هذه الإلكترونات إلى FAD ، مروراً بمجموعة الحديد والكبريت ، إلى يوبيكوينون. من هذا الإنزيم ، يذهبون إلى المركب III ويتبعون المسار الموصوف مسبقًا.

الطاقة المنبعثة في تفاعل نقل الإلكترون إلى FAD ليست كافية لدفع البروتونات عبر الغشاء ، لذلك لا يتم توليد قوة دافعة بروتون في هذه الخطوة من السلسلة ، وبالتالي ينتج FADH أقل H ⁺ من NADH.

اقتران أو تحويل الطاقة

يجب أن تكون الطاقة المتولدة في عملية نقل الإلكترون الموصوفة سابقًا قادرة على استخدامها لإنتاج ATP ، وهو تفاعل محفز بواسطة إنزيم سينسيز ATP أو المركب V. يُعرف حفظ هذه الطاقة باسم اقتران الطاقة ، وكانت الآلية كذلك يصعب وصفها.

تم وصف العديد من الفرضيات لوصف نقل الطاقة هذا. أفضل ما تم قبوله هو فرضية الاقتران الكيميائي الموصوف أدناه.

اقتران كيميائي

تقترح هذه الآلية أن الطاقة المستخدمة في تخليق ATP تأتي من التدرج البروتوني في أغشية الخلايا. تتدخل هذه العملية في الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء والبكتيريا وترتبط بنقل الإلكترونات.

يعمل المجمّعان الأول والرابع لنقل الإلكترون كمضخات بروتون. هذه تخضع لتغييرات في التوافق تسمح لها بضخ البروتونات في الفضاء بين الغشاء. في المعقد الرابع ، لكل زوج من الإلكترونات ، يتم ضخ بروتونين من الغشاء ويبقى بروتونان آخران في المصفوفة ، مكونين H ₂ O.

يقبل Ubiquinone في المركب III البروتونات من المجمعين I و II ويطلقها إلى خارج الغشاء. يسمح كل من المجمعين الأول والثالث بمرور أربعة بروتونات لكل زوج من الإلكترونات المنقولة.

تحتوي مصفوفة الميتوكوندريا على تركيز منخفض من البروتونات وإمكانات كهربائية سالبة ، بينما يمثل الفضاء بين الغشاء الظروف العكسية. يمثل تدفق البروتونات عبر هذا الغشاء التدرج الكهروكيميائي الذي يخزن الطاقة اللازمة (± 5 كيلو كالوري / مول لكل بروتون) لتخليق ATP.

تخليق ATP

إن إنزيم ATP synthetase هو خامس مركب يشارك في الفسفرة المؤكسدة. إنها مسؤولة عن تسخير طاقة التدرج الكهروكيميائي لتكوين ATP.

يتكون هذا البروتين الغشائي من مكونين: F ₀ و F ₁. يسمح المكون F ₀ بعودة البروتونات إلى مصفوفة الميتوكوندريا ، وتعمل كقناة ، بينما تحفز F ₁ تخليق ATP من خلال ADP و P _i ، باستخدام طاقة العودة المذكورة.

تتطلب عملية تخليق ATP تغييرًا هيكليًا في F ₁ وتجميع المكونات F ₀ و F ₁. يتسبب انتقال البروتون من خلال F _{0 في} حدوث تغييرات توافقية في ثلاث وحدات فرعية من F ₁ ، مما يسمح لها بالعمل كمحرك للدوران ، وتوجيه تكوين ATP.

تتغير الوحدة الفرعية المسؤولة عن ربط ADP بـ P _i من حالة ضعيفة (L) إلى حالة نشطة (T). عندما يتم تكوين ATP ، تدخل وحدة فرعية ثانية في حالة مفتوحة (O) تسمح بإطلاق هذا الجزيء. بعد تحرير ATP ، تنتقل هذه الوحدة الفرعية من الحالة المفتوحة إلى الحالة غير النشطة (L).

ترتبط جزيئات ADP و P _i بوحدة فرعية انتقلت من حالة O إلى حالة L.

منتجات

تنتج سلسلة نقل الإلكترون والفسفرة جزيئات ATP. تنتج أكسدة NADH حوالي 52.12 كيلو كالوري / مول (218 كيلو جول / مول) من الطاقة الحرة.

رد الفعل العام لأكسدة NADH هو:

NADH + 1⁄2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

يحدث نقل الإلكترونات من NADH و FADH _{2 من} خلال مجمعات مختلفة ، مما يسمح بتغير الطاقة الحرة ΔG ° إلى "حزم" طاقة أصغر ، والتي تقترن بتوليف ATP.

تولد أكسدة جزيء واحد من NADH تخليق ثلاثة جزيئات من ATP. بينما يقترن أكسدة جزيء FADH ₂ بتركيب اثنين من ATP.

تأتي هذه الإنزيمات المساعدة من عمليات دورة تحلل السكر وحمض الستريك. لكل جزيء من الجلوكوز المتحلل ينتهي به الأمر بإنتاج 36 أو 38 جزيء من ATP ، اعتمادًا على موقع الخلايا. يتم إنتاج 36 ATP في الدماغ والعضلات الهيكلية بينما يتم إنتاج 38 ATP في الأنسجة العضلية.

المميزات

تحتاج جميع الكائنات الحية ، أحادية الخلية ومتعددة الخلايا ، إلى الحد الأدنى من الطاقة في خلاياها لتنفيذ العمليات داخلها ، وبالتالي الحفاظ على الوظائف الحيوية في الكائن الحي بأكمله.

تتطلب عمليات التمثيل الغذائي الطاقة لتحدث. يتم الحصول على معظم الطاقة القابلة للاستخدام من تحلل الكربوهيدرات والدهون. هذه الطاقة مشتقة من عملية الفسفرة المؤكسدة.

السيطرة على الفسفرة المؤكسدة

يتحكم معدل استخدام ATP في الخلايا في تركيبه ، وبالتالي ، بسبب اقتران الفسفرة المؤكسدة مع سلسلة نقل الإلكترون ، ينظم أيضًا معدل نقل الإلكترون بشكل عام.

تتمتع الفسفرة المؤكسدة برقابة صارمة تضمن عدم إنتاج ATP بشكل أسرع مما يتم استهلاكه. هناك خطوات معينة في عملية نقل الإلكترون والفسفرة المقترنة التي تنظم معدل إنتاج الطاقة.

السيطرة المنسقة على إنتاج ATP

المسارات الرئيسية لإنتاج الطاقة (الخلوية ATP) هي تحلل السكر ودورة حمض الستريك والفسفرة المؤكسدة. ينظم التحكم المنسق لهذه العمليات الثلاث تخليق ATP.

يعتمد التحكم في الفسفرة من خلال نسبة الحركة الجماعية لـ ATP على الإمداد الدقيق للإلكترونات في سلسلة النقل. وهذا بدوره يعتمد على النسبة / ، التي تظل مرتفعة بفعل تحلل السكر ودورة حمض الستريك.

يتم تنفيذ هذا التحكم المنسق عن طريق تنظيم نقاط التحكم في تحلل السكر (PFK المانع للسيترات) ودورة حمض الستريك (بيروفات ديهيدروجينيز ، سترات التابيز ، نازعة هيدروجين الأيزوسيترات و α-كيتوجلوتارات ديهيدروجينيز).

السيطرة من قبل المتقبل

المركب الرابع (أوكسيديز السيتوكروم) هو إنزيم ينظمه أحد ركائزه ، أي أن نشاطه يتم التحكم فيه عن طريق السيتوكروم ج (ج ²⁺) ، والذي بدوره في حالة توازن مع نسبة التركيز بين / ونسبة تأثير الكتلة / +.

كلما زادت النسبة / وانخفضت / + ، زاد تركيز السيتوكروم وزاد نشاط IV المركب. يتم تفسير ذلك ، على سبيل المثال ، إذا قارنا الكائنات الحية بأنشطة مختلفة للراحة والنشاط العالي.

في الفرد ذو النشاط البدني العالي ، سيكون استهلاك ATP وبالتالي تحللها المائي إلى ADP + P _i مرتفعًا جدًا ، مما يؤدي إلى حدوث اختلاف في نسبة الحركة الجماعية مما يؤدي إلى زيادة وبالتالي زيادة في تخليق ATP. في حالة الفرد في حالة راحة ، يحدث الوضع العكسي.

في النهاية ، يزداد معدل الفسفرة المؤكسدة مع تركيز ADP داخل الميتوكوندريا. التركيز المذكور يعتمد على مترجمي ADP-ATP المسؤولين عن نقل نيوكليوتيدات الأدينين و P _i من العصارة الخلوية إلى مصفوفة الميتوكوندريا.

وكلاء فك الارتباط

تتأثر الفسفرة المؤكسدة بعوامل كيميائية معينة ، والتي تسمح باستمرار نقل الإلكترون دون فسفرة ADP ، وفصل إنتاج الطاقة والحفاظ عليها.

تحفز هذه العوامل معدل استهلاك الأكسجين للميتوكوندريا في غياب ADP ، مما يتسبب أيضًا في زيادة التحلل المائي لـ ATP. إنها تعمل عن طريق إزالة وسيط أو كسر حالة الطاقة في سلسلة نقل الإلكترون.

2،4-دينيتروفينول ، وهو حمض ضعيف يمر عبر أغشية الميتوكوندريا ، مسؤول عن تبديد التدرج البروتوني ، حيث يرتبط بهما على الجانب الحمضي ويطلقهما في الجانب الأساسي.

تم استخدام هذا المركب باعتباره "حبوب الحمية" حيث وجد أنه يؤدي إلى زيادة في التنفس ، وبالتالي زيادة في معدل الأيض وفقدان الوزن المرتبط بذلك. ومع ذلك ، فقد تبين أن تأثيره السلبي يمكن أن يسبب الوفاة.

ينتج عن تشتت التدرج البروتوني حرارة. تستخدم الخلايا الموجودة في الأنسجة الدهنية البنية الفصل الهرموني الذي يتم التحكم فيه لإنتاج الحرارة. تتكون ثدييات السبات وحديثي الولادة الذين يفتقرون إلى الشعر من هذا النسيج الذي يعمل كنوع من البطانية الحرارية.

مثبطات

تمنع المركبات أو العوامل المثبطة كلاً من استهلاك O ₂ (نقل الإلكترون) والفسفرة المؤكسدة المصاحبة. تمنع هذه العوامل تكوين ATP من خلال استخدام الطاقة المنتجة في النقل الإلكتروني. لذلك ، تتوقف سلسلة النقل عندما لا يتوفر استهلاك الطاقة المذكور.

يعمل المضاد الحيوي oligomycin كمثبط للفسفرة في العديد من البكتيريا ، مما يمنع تحفيز تخليق ADP إلى ATP.

هناك أيضًا عوامل حامل شاردة ، والتي تشكل مجمعات قابلة للذوبان في الدهون مع كاتيونات مثل K ⁺ و Na ⁺ ، وتمر عبر غشاء الميتوكوندريا بهذه الكاتيونات. ثم تستخدم الميتوكوندريا الطاقة المنتجة في نقل الإلكترون لضخ الكاتيونات بدلاً من تصنيع ATP.

المراجع

1. ألبرتس ، ب ، براي ، دي ، هوبكين ، ك. ، جونسون ، إيه ، لويس ، جيه ، راف ، إم ، روبرتس ، ك.والتر ، بي (2004). بيولوجيا الخلية الأساسية. نيويورك: جارلاند ساينس.
2. Cooper ، GM ، Hausman ، RE & Wright ، N. (2010). الخلية. (ص 397-402). مربان.
3. Devlin ، TM (1992). كتاب الكيمياء الحيوية: مع الارتباطات السريرية. John Wiley & Sons، Inc.
4. Garrett، RH، & Grisham، CM (2008). الكيمياء الحيوية. طومسون بروكس / كول.
5. لوديش ، هـ ، دارنيل ، جي إي ، بيرك ، أ ، كايزر ، كاليفورنيا ، كريجر ، إم ، سكوت ، إم بي ، وماتسودايرا ، بي (2008). بيولوجيا الخلايا الجزيئية. ماكميلان.
6. نيلسون ، DL ، & Cox ، MM (2006). مبادئ Lehninger للكيمياء الحيوية الطبعة الرابعة. إد أوميجا. برشلونة.
7. Voet ، D. ، & Voet ، JG (2006). الكيمياء الحيوية. عموم أمريكا الطبية Ed.