Fosforilazio oxidatibo

Fosforilazio oxidatiboa arnas kateari lotuta dagoen prozesu metabolikoa da, mitokondrioen gandorretan ATP sortzen duena. Fosforilazio oxidatiboa ez da ATP eratzen duen prozesu bakarra, baina bai nagusia (zelula batean agertzen den ATParen %90a prozesu horren bidez sortzen baita).

Elektroien garraio katean sortzen den energia askeak mitokondrioen barneko mintzean protoien gradiente elektrokimikoa eragiten du; gradiente horrek protoien mugimendua dakar, ATP-sintetasaren entzima aktibatzen duena. ATP sintasa da, hain zuzen ere, ATP molekularen sorrera katalizatzen duena.

NADH eta FADH2 koentzimek askatzen dituzten protoiak ez dira arnas katera pasatzen (elektroiak bai), eta gandor mitokondrialen matrizean aske gelditzen dira. Arnas kateak (gandor mitokondrialen mintzean burutzen dena) energia askea sortzen du 3 puntutan, eta protoiak mugiarazten ditu matrizetik mintzarteko gunera (ikus irudia). Modu horretan protoien kontzentrazioa mintzaren bi aldeetan desberdina da, potentzial elektriko eta kontzentrazioaren gradientea agertuz matrizea eta mintzarteko gunearen artean.

Gradiente horren ondorioz protoiek mintza zeharkatzen dute berriz, matrizera pasatuz. Mintzean topo egiten dute bertan dauden ATP sintasekin, haien konformazioa aldatuz eta beren jarduera entzimatikoa aktibatuz.

ATP sintasa entzima kanal pasibo bat da. Honen bidez, protoiak mintzaren alde batetik bestera igarotzen dira, gradiente elektrokimikoaren energia potentziala, protoi indar eragile deiturikoa, askatuz. Energia hori fosfato talde bat ADP molekula bati lotzeko erabiltzen da, energia potentzial horren zati bat ATP molekularen energia altuko anhidro loturetan biltegiratzen delarik. Hau, mekanismo baten bidez egiten da, non entzimaren zati baten errotazioa gertatzen den protoiak hortik igaro ahala. Ornodunetan, eta seguruenik animalia erreinu osoan, ATP molekula bat sortzen da 2,7 protoi desplazatuko. Organismo batzuk errendimendu txikiagoko ATPasak dituzte.

Badaude ere proteina desakoplatzaile batzuk, protoi-fluxua kontrolatu eta, fosforilazio oxidatiboaren bi faseak desakoplatuz, beroa sortzea ahalbidetzen dutenak.

Esan daiteke, beraz, arnas katea eta fosforilazio oxidatiboa elkarri egokitzen dioten bi prozesuak direla: arnas katea prozesu exergonikoa da, energia askatzen duena, fosforilazio oxidatiboa endergonikoa den bitartean. Mintzean dagoen protoien mugimenduaren bidez elektroien garraio katetik askatutako energia ATP-sintetasa entzimara eramaten da. Protoi-ponpaketa horrek ATP-sintasaren egitura-aldaketa eragiten du, entzima hori gai izanik ATParen sorrera katalizatzeko.

Bizidunek, mantenugai ugari erabiltzen dituzten arren, ia guztiek fosforilazio oxidatiboa egiten dute ATP (metabolismoari energia ematen dion molekula) sortzeko. Bide hori hain da nonahikoa, energia askatzeko modu oso eraginkorra baita hartzidura-prozesu alternatiboekin alderatuta, baita glukolisi anaerobikoarekin ere.

Nahiz eta fosforilazio oxidatiboa metabolismoaren funtsezko zati bat izan, oxigenoaren espezie erreaktiboen proportzio txiki bat sortzen du, hala nola superoxidoa eta hidrogeno peroxidoa, eta, ondorioz, erradikal askeak hedatzen dira. Horrek kalte zelularra eragiten du, gaixotasunak eragiten ditu eta, agian, zahartzea. Hala ere, erradikalek zeregin garrantzitsua dute zelula-seinaleetan, eta, seguru asko, mitokondrioko barne-mintzaren berezko proteinen lotura disulfuroak sortzen. Ibilbide metaboliko hori egiten duten entzimak droga eta produktu toxiko askoren jomuga dira, eta haien jarduera inhibitzen dute.

Kimiosmosia 
Fosforilazio oxidatiboak bi erreakzio akoplatuen bidez funtzionatzen du, batak energia askatzen duelarik, exotermikoa, eta bestea honen energiaz baliatzen delarik bere erreakzioa burutzeko. Elektroi garraioaren bidezidorra prozesu exergonikoa da eta hemendik askatzen den energia ATP-aren sintesian erabiltzen da, hau endergonikoa delarik. Elektroi garraio bidezidorretik ATP sintasara doa energia, protoien fluxu bidez, kimiosmosiaren prozesua burutuz. Protoiak mintzaren alde negatibotik, N aldea, alde positibora, P aldea, pasatzen dira. Entzima hauek bateria baten modukoak dira, zirkuituan zehar korrontea eramateko lan egiten dutelarik. Protoien mugimenduak gradiente elektrokimiko bat sortzen du mintzean zehar, protoi indar eragile deiturikoa. Gradiente honek bi osagai ditu: batetik, protoi kontzentrazioaren arteko aldaketa (pH gradiente bat) eta, bestetik, potentzial elektrikoaren aldaketa, karga negatiboa duen N alde batekin. Energiaren zati handiena potentzial elektroikoen diferentzia bezala biltegiratzen da mitokondrietan, baina beste zati bat pH gradiente bezala gordetzen da kloroplastoetan.

ATP sintasak pilatutako energia hau askatzen du, zirkuitua burutuz eta protoi-fluxua ahalbidetuz, malda elektrokimikoaren bidez, berriz ere mintzaren N aldera. Entzima honek motore elektriko baten antzera jokatzen du, protoi indar eragilea erabiltzen baitu bere egituraren errotazioa burutzeko eta mugimendu hori ATP-aren sintesiarekin akoplatzeko.

Fosforilazio oxidatiboan askatutako energia kantitatea handia da, fermentazio anaerobikoan sortutakoarekin alderatuz. Glukolisiak 2 ATP molekula soilik sortzen ditu. Fosforilazio oxidatiboaren bidez, aldiz, 30 eta 36 ATP molekula artean sortzen dira, glukosa molekula bat karbono dioxido eta ur bihurtzean lortzen diren 10 NADH eta 2 sukzinato molekulatatik abiatuz. Emaitza hori, dena den, ATP maximo teorikoa da. Izan ere, praktikan, protoi batzuk mintzean zehar filtratzen dira, ATP-ren produkzioa gutxiagotuz.

Protoi eta elektroi garraiolariak 
Elektroi garraio bidezidorrak elektroiak eta protoiak garraiatzen ditu, elektroiak emaileetatik hartzaileetara transferituz eta protoiak mintzean zehar garraiatuz. Prozesu horiek erabiltzen dituzten transferentziazko molekulak disolbagarriak edota proteinei lotutakoak izan daitezke. Mitokondrian, elektroiak mintzen arteko espazioan zehar garraiatzen dira, c zitokromoaren bidez (uretan disolbagarriak diren elektroiak garraiatzen dituen proteina). Horrek elektroiak soilik garraiatzen ditu, proteinaren hemo taldeko burdin atomoaren erredukzioz eta oxidazioz transferituz.

Mitokondriaren barruko mintzean, Q10 koentzimak (CoQ edo UQ), elektroi garraiatzaile liposolublea denak, elektroi zein protoiak garraiatzen ditu erredox ziklo baten bidez. Q koentzima molekula oso hidrofobikoa da, beraz, mintzean zehar barreiatzen da. UQ-k bi elektroi hartzerakoan edo bi protoi askatzerakoan, hidrokinona formara erreduzitzen da (UQH2). Hidrokinonak bi elektroi askatzerakoan edo bi protoi hartzerakoan, bere hasierako formara oxidatzen da, ubikinonara (UQ edo Q). Horren ondorioz, bi entzima antolatuta badaude eta Q mintzaren alde batetik txikitzen bada eta QH2 bestea oxidatzen bada, ubikinona erreakzio horietara akoplatuko da eta protoi-jaurtitzaile gisa jardungo du mintzean zehar. Bakterio-elektroiak garraiatzeko kate batzuek kinona desberdinak erabiltzen dituzte, hala nola menakinona, ukuinoiaz aparte.

Proteinen barruan, elektroiak bi kofaktoreren artean transferitzen dira: flabina-kofaktoreen artean,  burdin-sufre zentroak eta zitokromoak. Hainbat motatako burdin-sufre zentroak daude; sinpleenak, elektroien transferentzia-katean dauden bi burdin atomo dira, sufre ez-organiko bi atomorekin lotuak; horiek [2Fe–2S] zentroak dira. Bigarren motak, [4Fe–4S] zentroek, lau burdin atomoko kubo bat eta lau sufre atomo ditu. Zentro horietako burdin atomo bakoitza aminoazido batek koordinatzen du, gehienetan zisteinaren sufre atomoak. Ioi metaliko kofaktoreek erredox erreakzioak zeharkatzen dituzte protoiak lotu edo askatu gabe, eta, beraz, elektroien garraio-katean, proteinen artean elektroiak garraiatzeko baino ez dute balio. Elektroiak distantzia luzeetan mugitzen dira proteinen bidez, kofaktore horiek osatzen dituzten kateen artean saltoka. Hori tunel-efektuagatik gertatzen da, eta azkarra da 1,4–9 m bitarteko distantzietan.

Elektroi garraio bidezidorra 
Prozesu kataboliko asko NADH koentzima erreduzituaren bidez eramaten dira aurrera, esaterako, glukolisia, Krebs-en zikloa eta beta oxidazioa. Koentzima honek potentzial handiko elektroiak ditu, hau da, oxidatzerakoan energia asko askatzen du. Hala ere, esan beharra dago, zelulak ez duela energia guzti hau aldi berean askatzen, bestela, erreakzio kontrolaezina izango litzake. Honen ordez, elektroiak NADH-tik kanporatzen dira eta entzima batzuen bidez oxigenora garraiatzen dira, elektroi bakoitzeko energia kantitate txiki bat askatuz. Entzima hauek lau konplexu dira eta elektroi garraio bidezidorra osatzen dute lauren artean. Konplexuak mitokondriaren mintzean kokatzen dira.

Eukariotetan, lehen aipatutako konplexuetatik hiruk, protoiak ponpatzen dituzte mintzaren kanpora, eta horretarako NADHren oxidazioan askatutako energiaz baliatzen dira. Honek, mintzaren kanpoan protoien akumulazio bat eragiten du eta ondorioz, gradiente elektrokimiko bat sortzen da mintzean. Hemen pilatzen den energia, ondoren ATPak sintetizatzeko erabiltzen da, ATP sintasaren bidez.

I.konplexua 
NADH-ubikinona oxidoerreduktasa, NADH deshidrogenasa edo I konplexu bezala ere ezagutua, elektroi garraio bidezidorraren lehenengo konplexu proteikoa da. Mintzeko konplexu entzimatiko handienetakoa da, eta elektroi garraio bidezidorreko handiena.

Krebs-en ziklotik datorren NADH-ren bi elektroiak konplexuan dagoen FMN elektroi hartzaileak hartzen ditu, NAD+ sortuz. Jarraian, elektroi horiek Fe-S zentrora pasatzen dira, oxidatuta egotetik erreduzituta egotera pasatzen dena. Behin elektroiak Fe-S zentrotik pasa direla, konplexuan dagoen ubikinona molekula interno batek hartzen ditu bi protoirekin batera (UQH2, hidrokinona). Oro har, konplexu honek katalizatzen duen erreakzioa NADH-ren oxidazioa da, elektroiak kinona batera garraiatuz, ubikinonara (UQ), eta UQH2 sortuz.. Erredox potentzial guztia bi protoiren punpaketa baten bidez itzuliko du (hidrokinonaren bi protoiak askatuz). Askatutako energia gerora erabiltzen da lau protoiren desplazamendurako, matrizetik mintzaren arteko espaziora.

Gertatzen den erreakzio orokorra hurrengoa da:

NADH + H+ + UQ -> NAD+ + UQH2

ΔG⁰ = -81 kJ/mol. ADP-ren fosforilazioa bideratzeko energia nahikoa askatzen da.

Beraz, protoiak punpatzen dira, malda elektrokimikoa bultzatuz eta energia askatuz.

II.konplexua 
Sukzinato-Q oxidorreduktasa entzima, II konplexua edo suzinato deshidrogenasa izenez ere ezagutzen dena, elektroien garraio bidezidorreko bigarren sarrera da. Ez da ohikoa, entzima hori baita Krebsen zikloaren prozesuen eta elektroien garraio-katearen parte den bakarra.

II. konplexua lau proteina-azpiunitatek osatzen dute, eta kofaktore gisa flabin adenin dinukleotidoa (FAD), burdin-sufre zentroak eta Q koentzimara elektroiak transferitzen parte hartzen ez duen hemo talde bat ditu, baina uste da garrantzitsua dela oxigenoaren espezie erreaktiboen ekoizpena murrizten dituelako.

Sukzinatoa fumaratora oxidatzen du eta ubikinona erreduzitzen du (ubikinonari elektroiak FADH2-k ematen dizkio). Erreakzio horrek NADHren oxidazioak baino energia gutxiago askatzen duenez, II. konplexuak ez du elektroirik garraiatzen mintzean zehar, eta ez dio protoi-gradienteari laguntzen.

Erreakzio orokorra ondorengoa da:

Sukzinatoa + Q -> Fumarato + QH2

ΔGº= -13,5 kJ/mol (ez da ADP fosforilatzeko nahikoa energia)

III.konplexua 
Mamiferoetan konplexu hau dimero bat da eta azpiunitate bakoitzak honako hauek ditu: 11 proteina azpiunitate, Fe-S zentro bat eta hiru zitokromo: zit c1 bat eta bi zit b. Zitokromoak elektroi transferentziako proteinak dira, hemo talde bat dutenak gutxienez. Hemo taldearen barruko burdin atomoek 2 edo 3 oxidazio egoerak dituzte, elektroien transferentzia ematen den bitartean.

Konplexuaren funtzionamendua: I. eta II.konplexuetatik ubikinona bana ateratzen da 2 elektroirekin, 2 UQH2 (edo QH2) ditugu beraz. Hidrokinona horrek elektroiak Fe-S konplexu bati ematen dizkio eta hortik zit-c1-era pasatzen dira, azkenik, zit c-ra iritsiz. Azken hori elektroiak IV.konpexura eramaten dituen garraiolaria da eta ezaugarri berezi batzuk ditu, horien artean, elektroiak banaka eramaten dituela. Esan bezala, hidrokinonak binaka eramaten ditu elektroiak, beraz, biak hartzeko 2 Cyt c beharko lirateke.

Beraz, momenturen batean sistema bi elektroi maneiatzetik elektroi bakarra maneiatzera pasa behar da. Hidrokinonak elektroi bat ematen dio Cyt c garraiolariari, eta geratzen den semikinonarekin Q zikloa deritzon mekanismoa gertatzen da: 2 UQH٠-ri elektroi bana kentzen zaizkio, eta elektroi gabeko UQ-ri, geroago, 2e- sartuko zaizkio, UQH2 sortuz (bi semikinonatik hidrokinona bat sortu), eta berriro ere prozesua errepikatuz [argazkian ikusten den bezala].

Elektroi transferentzia 2 aldiz ematen da, alde batetik 2 hidrokinonek elektroiak Fe-S zentruari ematean eta, bestetik, 2 semikinonetatik 2 ubikinona sortzean. Beraz, guztira 4H+ punpatuko dira.

Gertatzen den erreakzio orokorra:

UQH2 + 2 zit cox. → UQ + 2 zit cerred.

ΔG⁰’ = -34,2 kJ/mol (ADPren fosforilazioa bideratzeko nahikoa).

IV.konplexua 

Konplexu hau, zitokromo oxidasa bezela ere ezaguna da eta elektroi garraio bidezidorreko azken konplexua da. Hirugarren konplexutik laugarrenera elektroiak banaka garraiatzen dira eta behin lau elektroi daudenean lerrokatuta, erreakzioa burutzen da. Hona iristen diren elektroiak oxigenora doaz, beraz, elektroi hartzailea da oxigenoa, eta hau erreduzitu egiten da ura sortuz. Erreakzio hau burutzen den bitartean, protoiak mintzaren kanpora ponpatzen dira. Aipatu bezala, oxigenoa erreduzitu egiten da, baina aldi berean, zitokromo c oxidatu egiten da. Erreakzioan ADParen fosforilazioa burutzeko nahiko energia askatzen da.

Burutzen den erreakzioa honako hau da:

2 zit cerred + 2H+ + ½ O2 →  2 zit cox +H2O

ΔGº= -110 KJ/mol

Konplexuen antolaketa 
Jatorrizko ereduaren arabera, aurrez aipatutako konplexuak mitokondriaren mintzean zehar libreki barreiatzen ziren, difusioaren bidez. Berriki lortutako datuek, ordea, konplexuek “superkonplexu” deituriko ordena altuko egiturak osa ditzaketela proposatzen dute. Eredu honek dioenez, hainbat konplexu, elkarrekin interakzionatzen duten entzimaz osatutako mutzo edo agrupazio bezala existitzen dira. Asoziazio horiek substratuen kanalizazioa ahalbidetu dezakete hainbat entzima konplexuren artean, hauen protoi-tranferentzia tasa edo efizientzia handituz. Ugaztunetan agertzen diren superkonplexuen artean, osagai batzuk besteak baino kopuru handiagoan aurkitzen dira, I/II/III/IV konplexuen eta ATP sintasaren arteko tasa 1:1:3:7:4 izanik, hurrenez hurren. Hala ere, superkonplexu hauen hipotesiari buruzko eztabaida ez dago ebatzita oraindik, zenbait datu ez baitira eredu honetara egokitzen.

ATP sintasa 
ATP sintasa, V konplexua ere esaten zaio, fosforilazio oxidatiboaren prozesuaren azken entzima da. Entzima hori bizi-mota guztietan dago, eta berdin funtzionatzen du prokariotetan nahiz eukariotetan. Entzima horrek protoi-gradiente batean metatutako energia erabiltzen du mintzean zehar, ATParen sintesia ADPtik eta fosfatotik (Pi) egiteko. ATP molekula bat sintetizatzeko behar den protoi-kopuruaren zenbatespenak hiruzpalau dira,  eta ikertzaile batzuek aditzera ematen dute zelulek proportzio hori alda dezaketela, hainbat baldintzatara egokitzeko.

ADP + Pi + 4H+zitosola <=> ATP + H2O + 4H+matrix 

Fosforilazio-erreakzio hori oreka bat da, eta aldatu egin daiteke indar motor bat aldatuz. Indar protoi eragilerik ez badago, ATP sintetasaren erreakzioa ezkerrerantz mugituko da, ATP hidrolizatuz eta protoiak matrizetik kanpo mintzaren bidez ponpatuz. Hala ere, indar eragile handia denean, erreakzioa kontrako noranzkoan mugitzera behartzen da; ezkerretik eskuinera, eta protoi-fluxua ahalbidetzen du kontzentrazio-gradientearen noranzkoan, ATPtik ADP sortuz. Are gehiago, lotura estua duen H+-ATPasa proteina bakunkoarekin, erreakzio bera erabiltzen da zelula-konpartimentuak azidotzeko, protoiak ponpatuz eta ATP hidrolizatuz.

ATP sintasa, bi azpiunitatez osatuta dago; bata F0, eta bestea F1. F0 -k sintasaren barruko zatia zeharkatzen du, eta protoiak bertatik igarotzen dira. Aldiz, F1 zatia matrixean kokatzen da. Azken honen mugimenduaren bidez sortzen da ATP-a. F1 zatia α(3), β (3),γ ,δ eta ε proteinaz osatuta dago. Batez, ere erreakzioak eta -n ematen dira erreakzioak.

Protoiak, F0 kanaletik, F1 azpiunitaterako mugimenduaren bidez ATP sortzeko energia iturri dira, baina baita ere honen askatze prozesua ere bultzatzen dute.

F0-tik sartzen diren protoietako bat F1- era pasatzen da eta bestea zuzenean matrixera joatzen da. Prozesu hau burutzeko beharrezkoa da malda bat egotea, eta baita mitokondriaren mintza egoera onean egotea malda mantentzeko. Aipatutako malda hau, elektroi garraioen prozesutik lortuko da, eta honen lanaren arabera, ADP fospatora elkartu eta ATP sortuko da.

ADP eta Pi L (loose) eremura lortzen dira. Proteien fluxuak konformazio aldaketak bultzatzen ditu, odoren ATP sortuz T eremuan (tight), eta sortutako ATPa askatuz eta eremua irekiz (O, open), horrela berriro ADP eta fosfatora elkartzen da, eta zikloa berriz hasten da.

Inhibitzaileak 

Droga eta toxina asko existitzen dira, fosforilazio oxidatiboa inhibitzen dutenak. Toxina hauek elektroi garraioko entzima bakarra inhibitzen badute ere, prozesuko zati baten etenaldiak prozesu osoa gelditzen du. Esate baterako, oligomizinak ATP sintasa inhibitzen duenean, protoiek ezin dute mitokondriara itzuli eta ondorioz, gradientea handiegia bihurtzen da. Honela, NADH ez da oxidatzen eta azido zitrikoaren zikloak funtzionatzeari uzten dio, NAD+-aren kontzentrazioa txikiegia gelditzen delako eta beraz entzimek ezin dutelako hontaz baliatu.

 Zianuroa: zianuroa pozoi indartsua da, elektroi garraio bidezidorra eta fosforilazio oxidatiboa inhibitzen dituena, elektroiak zitokromo a3-tik IV.konplexuko oxigenora joatea blokeatzen duena. Elektroi garraio bidezidorra etetearen ondorioz, protoiak ez dira ponpatzen eta ATPrik ez da sortzen. Honen eraginez, NADH eta FADH2  pilatzen joatzen dira. Gainera, zianuroa hemoglobinari lotzen zaio eta oxigenoaren katalisia eteten da horrela.

 Oligomizina: Streptomyces bakterioak ekoizten duen antibiotikoa da, ATPren sintesia inhibitzen duena. ATP sintasaren F0 azpiunitatera lotzen da, horzren bidezko protoi garraioa oztopatuz. Elektroi garraioaren katea ere inhibitzen du; beraz, O2ren kontsumoaren jaitsiera eragiten du eta NADH eta FADH2 akumulatzen dira.

 2,4-dinitrofenola: agente desakoplatzailea da, hau da, fosforilazio oxidatiboko elektroi garraioaren katea desakoplatzen du. 2,4-dinitrofenolak mitokondriaren barruko mintzeko protoiak iragazkor bihurtzen ditu, modu honetan, elektroi garraio katearen (arnas katea) eta fosforilazio oxidatiboaren arteko harremana deseginez. Gainera, efektu fisiologikoetan 2,4-dinitrofenola base bat da eta protoiak hartuz, mintza zeharkatu dezake. Agente honen efektu nagusia, beraz, ATPren ekoizpenaren inhibizioa da, pH gradientea ez baita sortzen; hala ere, elektroi garraioak funtzionatzen jarraitzen du.

Erreferentziak

Kanpo estekak 

Katabolismoa
Zelularen arnasketa