O papel principal da energia na via metabólica depende do processo, cuja essência é a fosforilação oxidativa. Os nutrientes são oxidados, formando energia que o corpo armazena nas mitocôndrias das células como ATP. Cada forma de vida terrestre tem seus próprios nutrientes favoritos, mas o ATP é um composto universal, e a energia que a fosforilação oxidativa produz é armazenada para ser usada em processos metabólicos.
Bactéria
Há mais de três bilhões e meio de anos, os primeiros organismos vivos surgiram em nosso planeta. A vida se originou na Terra devido ao fato de que as bactérias que apareceram - organismos procariontes (sem núcleo) foram divididas em dois tipos de acordo com o princípio da respiração e nutrição. Por respiração - em aeróbios e anaeróbicos, e por nutrição - em procariontes heterotróficos e autotróficos. Este lembrete dificilmente é redundante, porque a fosforilação oxidativa não pode ser explicada sem conceitos básicos.
Então, procariontes em relação ao oxigênio(classificação fisiológica) são divididos em microrganismos aeróbios, que são indiferentes ao oxigênio livre, e aeróbios, cuja atividade vital depende inteiramente de sua presença. São eles que realizam a fosforilação oxidativa, estando em um ambiente saturado de oxigênio livre. É a via metabólica mais utilizada com alta eficiência energética em comparação com a fermentação anaeróbica.
Mitocôndrias
Outro conceito básico: o que é uma mitocôndria? Esta é a bateria de energia da célula. As mitocôndrias estão localizadas no citoplasma e há uma quantidade incrível delas - nos músculos de uma pessoa ou no fígado, por exemplo, as células contêm até mil e quinhentas mitocôndrias (exatamente onde ocorre o metabolismo mais intenso). E quando a fosforilação oxidativa ocorre em uma célula, este é o trabalho das mitocôndrias, elas também armazenam e distribuem energia.
As mitocôndrias nem dependem da divisão celular, são muito móveis, movimentam-se livremente no citoplasma quando precisam. Eles têm seu próprio DNA e, portanto, nascem e morrem por conta própria. No entanto, a vida de uma célula depende inteiramente deles; sem mitocôndrias, ela não funciona, ou seja, a vida é realmente impossível. Gorduras, carboidratos, proteínas são oxidados, resultando na formação de átomos de hidrogênio e elétrons - equivalentes redutores, que seguem mais adiante ao longo da cadeia respiratória. É assim que ocorre a fosforilação oxidativa, seu mecanismo, ao que parece, é simples.
Não é tão fácil
A energia produzida pelas mitocôndrias é convertida em outra, que é a energia do gradiente eletroquímico puramente para prótons que estão na membrana interna das mitocôndrias. É esta energia que é necessária para a síntese de ATP. E é exatamente isso que é a fosforilação oxidativa. A bioquímica é uma ciência bastante jovem, somente em meados do século XIX os grânulos mitocondriais foram encontrados nas células, e o processo de obtenção de energia foi descrito muito mais tarde. Foi observado como as trioses formadas através da glicólise (e mais importante, ácido pirúvico) produzem mais oxidação nas mitocôndrias.
Trioses usam a energia da divisão, da qual CO2 é liberado, o oxigênio é consumido e uma enorme quantidade de ATP é sintetizada. Todos os processos acima estão intimamente relacionados aos ciclos oxidativos, bem como à cadeia respiratória que transporta os elétrons. Assim, a fosforilação oxidativa ocorre nas células, sintetizando "combustível" para elas - moléculas de ATP.
Ciclos oxidativos e a cadeia respiratória
No ciclo oxidativo, os ácidos tricarboxílicos liberam elétrons, que iniciam sua jornada ao longo da cadeia de transporte de elétrons: primeiro para as moléculas de coenzima, aqui o NAD é o principal (nicotinamida adenina dinucleotídeo), e depois os elétrons são transferidos para o ETC (cadeia de transporte elétrica),até que se combinem com o oxigênio molecular e formem uma molécula de água. A fosforilação oxidativa, cujo mecanismo é brevemente descrito acima, é transferida para outro local de ação. Esta é a cadeia respiratória - complexos de proteínas construídos na membrana interna das mitocôndrias.
É aqui que ocorre a culminação - a transformação da energia através de uma sequência de oxidação e redução de elementos. De interesse aqui são os três pontos principais na cadeia de eletrotransporte onde ocorre a fosforilação oxidativa. A bioquímica analisa esse processo com muita profundidade e cuidado. Talvez um dia uma nova cura para o envelhecimento nasça daqui. Assim, em três pontos dessa cadeia, o ATP é formado a partir de fosfato e ADP (o difosfato de adenosina é um nucleotídeo que consiste em ribose, adenina e duas porções de ácido fosfórico). É por isso que o processo recebeu esse nome.
Respiração celular
Respiração celular (em outras palavras - tecido) e fosforilação oxidativa são etapas do mesmo processo tomadas em conjunto. O ar é usado em todas as células dos tecidos e órgãos, onde os produtos da clivagem (gorduras, carboidratos, proteínas) são decompostos, e essa reação produz energia armazenada na forma de compostos macroérgicos. A respiração pulmonar normal difere da respiração tecidual, pois o oxigênio entra no corpo e o dióxido de carbono é removido dele.
O corpo está sempre ativo, sua energia é gasta no movimento e no crescimento, na auto-reprodução, na irritabilidade e em muitos outros processos. É por isso eA fosforilação oxidativa ocorre nas mitocôndrias. A respiração celular pode ser dividida em três níveis: a formação oxidativa de ATP a partir do ácido pirúvico, além de aminoácidos e ácidos graxos; resíduos de acetil são destruídos por ácidos tricarboxílicos, após o que duas moléculas de dióxido de carbono e quatro pares de átomos de hidrogênio são liberados; elétrons e prótons são transferidos para o oxigênio molecular.
Mecanismos adicionais
A respiração no nível celular garante a formação e reposição de ADP diretamente nas células. Embora o corpo possa ser reabastecido com ácido trifosfórico de adenosina de outra maneira. Para isso, existem mecanismos adicionais e, se necessário, são incluídos, embora não sejam tão eficazes.
São sistemas nos quais ocorre a quebra de carboidratos sem oxigênio - glicogenólise e glicólise. Isso não é mais fosforilação oxidativa, as reações são um pouco diferentes. Mas a respiração celular não pode parar, porque em seu processo são formadas moléculas muito necessárias dos compostos mais importantes, que são usadas para uma variedade de biossíntese.
Formas de Energia
Quando os elétrons são transferidos na membrana mitocondrial, onde ocorre a fosforilação oxidativa, a cadeia respiratória de cada um de seus complexos direciona a energia liberada para movimentar os prótons através da membrana, ou seja, da matriz para o espaço entre as membranas. Então uma diferença de potencial é formada. Os prótons são carregados positivamente e localizados no espaço intermembranar, e negativamenteato carregado da matriz mitocondrial.
Ao atingir uma certa diferença de potencial, o complexo proteico devolve prótons à matriz, transformando a energia recebida em uma energia completamente diferente, onde processos oxidativos são acoplados à fosforilação sintética - ADP. Ao longo da oxidação dos substratos e do bombeamento de prótons através da membrana mitocondrial, a síntese de ATP não para, ou seja, a fosforilação oxidativa.
Dois tipos
Fosforilação oxidativa e de substrato são fundamentalmente diferentes uma da outra. De acordo com as idéias modernas, as formas de vida mais antigas eram capazes de usar apenas as reações de fosforilação do substrato. Para isso, foram utilizados compostos orgânicos existentes no ambiente externo por meio de dois canais – como fonte de energia e como fonte de carbono. No entanto, tais compostos no meio ambiente foram gradualmente secando, e os organismos que já haviam aparecido começaram a se adaptar, procurar novas fontes de energia e novas fontes de carbono.
Então eles aprenderam a usar a energia da luz e do dióxido de carbono. Mas até que isso acontecesse, os organismos liberavam energia dos processos de fermentação oxidativa e também a armazenavam em moléculas de ATP. Isso é chamado de fosforilação do substrato quando o método de catálise por enzimas solúveis é usado. O substrato fermentado forma um agente redutor que transfere elétrons para o aceptor endógeno desejado - acetona, acetalidra, piruvato e similares, ou H2 - hidrogênio gasoso é liberado.
Características comparativas
Em comparação com a fermentação, a fosforilação oxidativa tem um rendimento energético muito maior. A glicólise dá um rendimento total de ATP de duas moléculas e, no decorrer do processo, trinta a trinta e seis são sintetizados. Há um movimento de elétrons para compostos aceitadores de compostos doadores por meio de reações oxidativas e de redução, formando energia armazenada como ATP.
Eucariotos realizam essas reações com complexos de proteínas que estão localizados dentro da membrana da célula mitocondrial, e os procariontes trabalham fora - em seu espaço intermembranar. É esse complexo de proteínas ligadas que compõe a ETC (cadeia de transporte de elétrons). Os eucariotos possuem apenas cinco complexos proteicos em sua composição, enquanto os procariontes possuem muitos, e todos trabalham com uma grande variedade de doadores de elétrons e seus aceptores.
Conexões e desconexões
O processo de oxidação cria um potencial eletroquímico, e com o processo de fosforilação esse potencial é utilizado. Isso significa que a conjugação é fornecida, caso contrário - a ligação dos processos de fosforilação e oxidação. Daí o nome, fosforilação oxidativa. O potencial eletroquímico necessário para a conjugação é criado por três complexos da cadeia respiratória - o primeiro, terceiro e quarto, que são chamados de pontos de conjugação.
Se a membrana interna da mitocôndria for danificada ou sua permeabilidade aumentada pela atividade dos desacopladores, isso certamente causará o desaparecimento ou diminuição do potencial eletroquímico, eem seguida vem o desacoplamento dos processos de fosforilação e oxidação, ou seja, a cessação da síntese de ATP. É o fenômeno quando o potencial eletroquímico desaparece que é chamado de desacoplamento da fosforilação e respiração.
Separadores
O estado em que a oxidação dos substratos continua e a fosforilação não ocorre (ou seja, o ATP não é formado a partir de P e ADP) é o desacoplamento da fosforilação e oxidação. Isso acontece quando os desacopladores interferem no processo. Quais são eles e quais os resultados que eles buscam? Suponha que a síntese de ATP seja bastante reduzida, ou seja, é sintetizada em menor quantidade, enquanto a cadeia respiratória funciona. O que acontece com a energia? Exala como calor. Todo mundo sente isso quando está com febre.
Você está com febre? Então os disjuntores funcionaram. Por exemplo, antibióticos. Estes são ácidos fracos que se dissolvem em gorduras. Penetrando no espaço intermembranar da célula, eles se difundem na matriz, arrastando prótons ligados com eles. Ação de desacoplamento, por exemplo, têm hormônios secretados pela glândula tireóide, que contêm iodo (triiodotironina e tiroxina). Se a glândula tireoide está hiperfuncionando, a condição dos pacientes é terrível: eles não têm a energia do ATP, consomem muita comida, porque o corpo precisa de muitos substratos para a oxidação, mas perdem peso, pois a parte principal do a energia recebida é perdida na forma de calor.
