فسفریلاسیون اکسیداتیو

فسفریلاسیون اکسیداتیو فرآیندی است که طی آن انرژی آزاد شده در اثر عبور الکترون‌ها از زنجیره انتقال الکترون میتوکندری به اکسیژن، برای سنتز ATP مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مرحله نهایی و غالب تولید انرژی هوازی است و بخش عمده ATP تولید شده از کربوهیدرات‌ها و چربی‌ها را تأمین می‌کند.

Definition

فسفریلاسیون اکسیداتیو فرآیند میتوکندریایی است که در آن الکترون‌ها از کوآنزیم‌های احیا شده از طریق زنجیره‌ای از حامل‌ها به اکسیژن مولکولی منتقل می‌شوند و انرژی آزاد شده برای پمپ کردن پروتون‌ها به عرض غشای داخلی استفاده می‌شود و گرادیان الکتروشیمیایی حاصل، سنتز ATP را توسط ATP سنتاز به حرکت در می‌آورد.

Scope

این مدخل شامل کمپلکس‌های زنجیره تنفسی، ایجاد نیروی محرکه پروتونی، جفت شدن انتقال الکترون با فسفریلاسیون از طریق ATP سنتاز، و اصل شیمی‌اسمز که این ارتباط را توضیح می‌دهد، می‌شود. این مدخل فسفریلاسیون اکسیداتیو را به عنوان یک موضوع بیوانرژتیک در بیوشیمی بررسی می‌کند، نه به عنوان راهنمای بالینی.

Core questions

• چگونه انتقال الکترون به اکسیژن با سنتز ATP جفت می‌شود؟
• نیروی محرکه پروتونی چیست و چگونه تولید می‌شود؟
• ATP سنتاز چگونه از گرادیان پروتونی برای ساخت ATP استفاده می‌کند؟
• چرا بیشتر ATP حاصل از اکسیداسیون سوخت از این مرحله به دست می‌آید؟

Key concepts

• کمپلکس‌های زنجیره انتقال الکترون
• کوآنزیم‌های احیا شده NADH و FADH2 به عنوان اهداکنندگان الکترون
• اکسیژن مولکولی به عنوان پذیرنده نهایی الکترون
• پمپ پروتون و نیروی محرکه پروتونی
• ATP سنتاز و کاتالیز چرخشی
• جفت شدن اکسیداسیون با فسفریلاسیون
• سوپرکمپلکس‌های تنفسی

Key theories

نظریه شیمی‌اسمز

پیتر میچل پیشنهاد کرد که اکسیداسیون و فسفریلاسیون نه از طریق یک واسطه شیمیایی مشترک، بلکه از طریق یک گرادیان الکتروشیمیایی پروتونی جفت می‌شوند: کمپلکس‌های تنفسی پروتون‌ها را از عرض غشای داخلی میتوکندری پمپ می‌کنند در حالی که الکترون‌ها را به سمت اکسیژن منتقل می‌کنند، و نیروی محرکه پروتونی ایجاد شده، ATP سنتاز را برای فسفریله کردن ADP به حرکت در می‌آورد.

Mechanisms

الکترون‌های اهدا شده توسط NADH و FADH2 وارد زنجیره کمپلکس‌های تنفسی می‌شوند که در غشای داخلی میتوکندری تعبیه شده‌اند و از طریق مجموعه‌ای از حامل‌ها با تمایل فزاینده به الکترون‌ها عبور می‌کنند و در نهایت به اکسیژن مولکولی می‌رسند که به آب احیا می‌شود. در چندین کمپلکس، انرژی آزاد شده برای پمپ کردن پروتون‌ها از ماتریکس به فضای بین غشایی استفاده می‌شود و یک گرادیان پروتونی الکتروشیمیایی – نیروی محرکه پروتونی – ایجاد می‌کند. پروتون‌هایی که از طریق ATP سنتاز به عقب برمی‌گردند، یک مکانیسم چرخشی را به حرکت در می‌آورند که تشکیل ATP را از ADP و فسفات غیرآلی کاتالیز می‌کند. از آنجا که هر جفت الکترون از چندین محل پمپ پروتون عبور می‌کند، این مرحله ATP بسیار بیشتری نسبت به واکنش‌های سطح سوبسترا در بالادست تولید می‌کند. شواهد نشان می‌دهد که کمپلکس‌ها می‌توانند به سوپرکمپلکس‌های مرتبه بالاتر مونتاژ شوند که بر شار الکترون تأثیر می‌گذارند.

Clinical relevance

نقص‌های ارثی و اکتسابی زنجیره تنفسی زیربنای گروه شناخته‌شده‌ای از بیماری‌های میتوکندریایی هستند که تمایل به تأثیرگذاری بر بافت‌های پرمصرف انرژی مانند عضله و عصب دارند، و اختلال در فسفریلاسیون اکسیداتیو در آسیب ایسکمیک و در عملکرد برخی سموم نقش محوری دارد. این مدخل به توصیف بیوشیمی می‌پردازد و مبنایی برای تشخیص یا درمان فردی نیست.

History

پس از شناسایی حامل‌های زنجیره تنفسی در اوایل قرن بیستم، معمای اصلی این بود که چگونه انتقال الکترون آنها سنتز ATP را به حرکت در می‌آورد. فرضیه شیمی‌اسمز پیتر میچل در سال 1961 این مشکل را با پیشنهاد یک گرادیان پروتونی به عنوان واسطه جفت‌کننده حل کرد، دیدگاهی که بر مدل‌های واسطه شیمیایی رقیب غالب شد. مکانیسم ATP سنتاز به عنوان یک آنزیم چرخشی بعداً از طریق کارهای مرتبط با پاول بویر و جان واکر اثبات شد.

Key figures

• Peter Mitchell
• Paul Boyer
• John Walker
• David Keilin

Seminal works

• mitchell-1961
• saraste-1999
• lapuente-brun-2013

Frequently asked questions

چرا فسفریلاسیون اکسیداتیو ATP بسیار بیشتری نسبت به گلیکولیز تولید می‌کند؟

هر جفت الکترون از NADH یا FADH2 از چندین کمپلکس پمپ پروتون عبور می‌کند و گرادیان پروتونی حاصل، ATP سنتاز را برای ساخت چندین ATP به حرکت در می‌آورد، در حالی که گلیکولیز تنها مقدار خالص کمی را از طریق فسفریلاسیون مستقیم در سطح سوبسترا تولید می‌کند.

نقش اکسیژن در فسفریلاسیون اکسیداتیو چیست؟

اکسیژن پذیرنده نهایی الکترون است؛ با پذیرش الکترون‌ها در انتهای زنجیره و احیا شدن به آب، جریان الکترون و پمپ پروتون را ادامه می‌دهد، که این همان چیزی است که سنتز ATP را تأمین می‌کند.