Fosforilasi oksidatif adalah proses dimana elektron dari pengurangan kofaktor NADH dan ubiquinol tersebut disalurkan secara bertahap untuk oksigen. Elektron mengalir seperti listrik melalui sebuah sirkuit, dengan energi bebas yang dilestarikan melalui pembentukan seiring gradien proton. Pada akhirnya investasi dikurangi hasil kofaktor dalam produksi ATP.

Ingat bahwa pembawa elektron berkurang NADH dan ubiquinol dihasilkan selama glikolisis dan siklus asam sitrat, serta jalur oksidasi asam lemak. Selama proses respirasi seluler, fosforilasi oksidatif memanfaatkan energi kimia ini mengurangi molekul untuk menghasilkan ATP. Dalam hampir semua eukariota, akseptor elektron paling dalam serangkaian reaksi oksidasi-reduksi oksigen dalam mitokondria.

ANATOMI Mitokondria

Anatomi mitokondria yang mencerminkan perannya dalam proses fosforilasi oksidatif. Klik pada bagian organel untuk belajar tentang fitur-fiturnya.

Mitokondria terdiri dari dua membran yang dipisahkan oleh ruang antarmembran. Selama fosforilasi oksidatif, proton dipompa ke dalam kompartemen ini.

Membran luar berpori dan memungkinkan untuk difusi bebas dari molekul kecil karena adanya protein yang disebut saluran porins. Topologi dari membran luar menyerupai membran luar bakteri, sesuai dengan asal mitokondria sebagai simbion bakteri.

Membran dalam yang kedap kebanyakan zat, termasuk ion, dan membungkus ruang disebut sebagai matriks. Membran bagian dalam berbelit-belit dalam struktur, sehingga memberikan area permukaan besar untuk kompleks protein dari rantai fosforilasi oksidatif.

SISTEM SHUTTLE

Karena membran mitokondria bagian dalam kedap kebanyakan molekul, NADH yang dihasilkan dari glikolisis dalam sitosol harus diimpor melalui reaksi biokimia dari pesawat ulang-alik malat-aspartat. Proses ini merupakan bentuk pertukaran mata uang antara satu wilayah sel yang lain.

ATP, ADP, dan fosfat juga memerlukan protein transportasi untuk impor dan ekspor mereka di membran dalam.

PENDAHULUAN ATAS ANGKUTAN CHAIN

Membran dalam mengandung banyak protein, termasuk tiga kompleks elektron-transportasi utama. Elektron dari NADH dan ubiquinol shuttled antara kompleks dengan cara yang bijaksana langkah yang berhubungan dengan potensi pengurangan mereka. Kelompok prostetik dalam setiap kompleks mengandung ion logam yang memfasilitasi transfer elektron.

Satu Vs. Dua Carriers Elektron

Beberapa kelompok dalam kompleks protein dapat langsung menerima dua elektron pada suatu waktu, sementara yang lain hanya dapat menerima satu. Keadaan pengurangan ini operator satu-elektron harus dipulihkan sebelum elektron kedua dapat ditransfer.

KOMPLEKS I

Elektron dari NAD berkurang memulai perjalanan mereka di Kompleks I. Kompleks I transfer sepasang elektron dari NADH ke ubiquinone, dengan beberapa pusat redoks bertindak sebagai akseptor menengah.

Pertama, dua elektron yang disumbangkan untuk kelompok flavin mononukleotida. Dari sini, elektron kemudian shuttled satu per satu melalui serangkaian situs besi-sulfur. Akhirnya, ubiquinone menerima dua elektron, pada gilirannya, untuk menjadi sepenuhnya berkurang. Ubikuinon adalah pembawa elektron mobile yang bebas didifusi dalam bilayer lipid.

Untuk setiap pasangan elektron ditransfer, kompleks saya bersamaan translocates empat proton dari matriks ke ruang antarmembran. Sebuah kawat proton terbentuk sebagai proton

dengan cepat disampaikan melalui asam amino berikatan hidrogen dalam Kompleks I. Dengan cara ini, sebuah diferensial proton, dan karenanya gradien pH, mulai terbentuk melintasi membran dalam. Energi yang dilepaskan dari disipasi proton gradien ini pada akhirnya akan digunakan untuk membentuk ATP.

KOMPLEKS II

Dua hal lain berkontribusi elektron rantai transportasi. Yang pertama adalah suksinat dehidrogenase dari siklus asam sitrat, kadang-kadang disebut sebagai kompleks II dalam rantai transportasi. Yang kedua adalah pesawat ulang-alik gliserol fosfat. Ini tidak dibahas dalam buku Anda sebagai bagian dari rantai transpor elektron karena mereka tidak langsung berkontribusi terhadap gradien proton.

III KOMPLEKS DAN sitokrom C

Mengurangi ubiquinone berikutnya angkutan elektron untuk mobile operator sitokrom c melalui aksi Kompleks III. Sitokrom adalah protein yang mengandung gugus heme karakteristik.

Anggota keluarga sitokrom mengandung gugus heme karakteristik yang terdiri dari cincin porfirin yang mengelilingi atom besi pusat. Siklus besi antara teroksidasi dan mengurangi negara sebagai elektron dilewatkan ke sitokrom.

Beberapa sitokrom merupakan bagian dari kompleks protein besar, namun sitokrom c adalah protein membran perifer yang bertindak sebagai pembawa elektron mobile.

Kompleks III ekstrak elektron dari ubiquinone dalam proses dua-langkah rinci dikenal sebagai siklus Q. Satu elektron akan diteruskan ke sebuah protein besi-sulfur, untuk sitokrom c1, dan kemudian ke sitokrom c. Elektron kedua mengikuti rute yang berbeda, melewati sitokrom b dan kemudian kembali ke kuinon untuk menghasilkan semiquinone a. Ubiquinol lain menyumbangkan dua elektron untuk Complex III. Satu elektron melewati protein besi-sulfur

dan sitokrom c1, untuk sitokrom c, dan elektron lainnya melewati sitokrom b ke semiquinone tunggu. Hasil akhirnya adalah bahwa dua elektron dilewatkan ke sitokrom c dan empat proton dipompa ke ruang antarmembran untuk berkontribusi pada gradien proton.

IV KOMPLEKS

Langkah terakhir dalam rantai transpor elektron adalah pengurangan molekul oksigen oleh elektron yang berasal dari sitokrom c. Sitokrom c feri elektron Kompleks IV, yang mengandung baik heme kelompok prostetik dan ion tembaga. Pada akhirnya, empat elektron harus ditransfer melalui IV kompleks untuk menghasilkan pengurangan penuh oksigen ke dua molekul air. Hasil akhirnya adalah empat proton dipompa melintasi membran dalam per molekul oksigen berkurang, atau dua proton per pasangan elektron.

REVIEW kemiosmotik

Kami telah menunjukkan bagaimana elektron mengangkut dari NAD dan ubiquinol oksigen, dengan pembentukan ditambah dari gradien proton. Tapi bagaimana gradien ini energi bebas dipanen untuk menghasilkan ATP?

Proton yang telah terakumulasi dalam ruang antarmembran analog dengan air yang terbentuk di belakang bendungan. Proton ini akan secara spontan mengalir kembali ke dalam matriks berikut gradien konsentrasi mereka jika membran dalam yang permeabel terhadap mereka.

Sebuah protein saluran kompleks yang dikenal sebagai ATP synthase memungkinkan aliran dikontrol proton kembali ke saat matriks, pada saat yang sama, memanfaatkan energi bebas dari aliran proton untuk mengubah ADP dan fosfat dalam ATP. ATP dapat dianggap sebagai bentuk energi bebas portabel, atau mata uang energi, yang dapat digunakan untuk energi yang membutuhkan reaksi di tempat lain dalam sel. Hal ini analog dengan air yang mengalir melalui turbin bendungan untuk menghasilkan listrik.

Proses ini dikenal sebagai teori kemiosmotik. Rincian fungsi synthase bagaimana ATP pada tingkat molekuler akan dieksplorasi dalam latihan berikutnya pada ATP sintase.

Siklus Asam Sitrat

PENDAHULUAN

Siklus asam sitrat merupakan jalur metabolisme utama yang melengkapi degradasi oksidatif asam lemak, asam amino, dan monosakarida. Selama katabolisme aerobik, biomolekul ini dipecah menjadi molekul yang lebih kecil yang pada akhirnya berkontribusi terhadap kebutuhan energik atau molekul sel.

Awal langkah metabolik, termasuk glikolisis dan aktivitas dehidrogenase kompleks piruvat, menghasilkan fragmen dua karbon yang disebut gugus asetil, yang terkait dengan kofaktor besar yang dikenal sebagai koenzim A (CoA atau). Hal ini selama siklus asam sitrat yang asetil-KoA dioksidasi menjadi produk limbah, karbon dioksida, bersama dengan pengurangan kofaktor + NAD dan ubiquinone.

Siklus asam sitrat melayani dua tujuan utama:

Untuk meningkatkan potensi ATP-memproduksi sel dengan menghasilkan berkurang pembawa elektron seperti NADH dan mengurangi ubiquinone; dan

Untuk memberikan sel dengan berbagai prekursor metabolik.

Setelah menyelesaikan latihan ini, Anda harus:

Dapat menjelaskan sumber-sumber kelompok asetil yang memasuki siklus asam sitrat;

Melacak konversi substrat untuk produk melalui masing-masing asam sitrat siklus delapan reaksi dan memahami bagaimana fluks melalui siklus diatur;

Memahami output energik dari siklus asam sitrat;

Jelaskan peran pembawa elektron berkurang dan peran mereka dalam kopling siklus asam sitrat untuk reaksi hilir yang menghasilkan ATP;

Menggambarkan karakter amphibolic dari siklus asam sitrat; dan

Memahami reaksi yang mengisi sitrat intermediet siklus asam.

LOKASI SELULER

Kedua sel prokariotik dan eukariotik menggunakan siklus asam sitrat untuk membantu memenuhi kebutuhan energik dan molekul. Dalam bernapas prokariota, siklus asam sitrat berlangsung di sitosol. Pada sel eukariotik, seperti sel-sel tubuh manusia, siklus berlangsung dalam matriks mitokondria.

KATABOLISME

Reaksi dari siklus asam sitrat mengoksidasi gugus asetil asetil-CoA untuk dua molekul karbon dioksida. Selama siklus reaksi, elektron ditransfer dari asetil-CoA untuk elektron operator. Setelah pembawa elektron menerima elektron, ini disebut sebagai "berkurang." Pada akhirnya, mengurangi pembawa elektron berpartisipasi dalam jalur reaksi hilir yang menghasilkan ATP, mata uang energi sel.

Perhatikan bahwa satu-energi tinggi nucleoside triphosphate dihasilkan langsung dari siklus reaksi.

Karena asetil-CoA dipecah ke molekul yang lebih kecil selama siklus asam sitrat, siklus asam sitrat digambarkan sebagai katabolik.

Anabolisme dan katabolisme

Selain catabolizing molekul untuk memenuhi kebutuhan energik selular, siklus asam sitrat adalah kunci dalam menyediakan berbagai jalur biokimia dengan prekursor diperlukan untuk sintesis molekul. Reaksi yang melibatkan "bangunan" molekul dari bagian yang lebih kecil yang disebut sebagai anabolik. Reaksi Anabolic menggunakan sitrat intermediet siklus asam sebagai

prekursor untuk asam lemak, asam amino, dan sintesis karbohidrat. Proses-proses anabolik juga mungkin memerlukan berkurang kofaktor.

Banyak intermediet siklus asam sitrat berfungsi sel baik sebagai prekursor reaksi dan hasil reaksi. Sebagai contoh, sebuah-ketoglutarat dapat bertindak sebagai prekursor untuk asam amino dalam jalur anabolik, atau mungkin dikatabolisme menjadi karbon dioksida selama reaksi dari siklus asam sitrat. Dengan demikian, siklus asam sitrat yang tidak murni anabolik atau katabolik murni. Reaksi yang memiliki karakter ganda ini bangunan dan merendahkan molekul dianggap amphibolic. Amphi adalah awalan Yunani yang berarti keduanya.

SUMBER ASETIL-COA

Gambar-gambar kerangka dari glukosa monosakarida, asam palmitat asam lemak, dan asam amino lisin dan glutamat digambarkan. Molekul-molekul ini terdegradasi menjadi senyawa umum yang disebut asetil-CoA, inisiator dari siklus asam sitrat. Pilih berbagai molekul untuk mempelajari bagaimana masing-masing senyawa akhirnya memasuki siklus asam sitrat sebagai asetil-CoA. Kemudian mempertimbangkan bagaimana efisiensi metabolisme akan berubah jika produk umum karbohidrat, asam lemak, dan asam amino katabolisme tidak ada.

Asam Lemak

Banyak asam lemak yang berbeda ada, meskipun struktur mereka dapat digeneralisasi sebagai asam karboksilat dengan, ekor hidrokarbon panjang. Palmitat adalah contoh dari asam lemak enam belas karbon.

Ketika metabolisme sel kebutuhan meningkat, asam lemak bebas memasuki mitokondria di mana reaksi degradatif disebut b oksidasi terjadi. Sebuah asam lemak disingkat oleh dua atom karbon ditambah asetil-CoA bebas hasil molekul dari setiap putaran b oksidasi. Asetil-CoA memulai siklus asam sitrat.

Asam Amino

Periksa struktur glutamat dan lisin. Ingat bahwa asam amino terdiri dari amino dan gugus karboksil di ujung-ujung, ditambah rantai samping terpasang.

Dalam kasus kelaparan, peningkatan degradasi protein dan asam amino bebas yang dihasilkan dapat digunakan sebagai sumber bahan bakar metabolik. Atau, jika asupan organisme asam amino bebas melebihi nya kebutuhan protein-bangunan, asam amino bebas dimetabolisme, karena tidak ada mekanisme penyimpanan untuk asam amino berlebih.

Biasanya, gugus amino dari asam amino dihapus dalam reaksi deaminasi. Rangka karbon yang tersisa dipecah ke berbagai produk tergantung pada mana dari dua puluh asam amino mengalami katabolisme. Dalam beberapa kasus, kerangka karbon yang tersisa dipecah menjadi asetil-CoA atau piruvat, yang kemudian diubah menjadi asetil-CoA. Atau, siklus asam sitrat menengah seperti-ketoglutarat mungkin terjadi. Dalam semua kasus, siklus asam sitrat memainkan peran besar dalam mogok kerangka asam amino menjadi karbon dioksida.

Sebagai contoh, katabolisme lisin yeilds karbon dioksida dan asetil-CoA, sedangkan glutamat rusak ke-ketoglutarat, karbon dioksida, dan asetil-CoA. Asetil-CoA memulai siklus asam sitrat.

Monosakarida

Glukosa monosakarida adalah gula enam karbon. Dalam kasus eukariota lebih tinggi, sel paling sering memperoleh glukosa dalam dua cara-dengan memecah karbohidrat kompleks menjadi gula sederhana dan dengan memobilisasi glukosa dari glikogen, sistem penyimpanan tubuh untuk glukosa.

Dalam sitosol, glukosa dipecah menjadi dua, molekul 3-karbon selama glikolisis. Molekul tiga karbon yang dihasilkan disebut piruvat. Piruvat diangkut melintasi membran mitokondria di

mana itu dipecah menjadi senyawa 2-karbon yang disebut asetil-CoA ditambah karbon dioksida. Asetil-CoA memulai siklus asam sitrat

Reaktan dan produk

Asetil-CoA selanjutnya teroksidasi dalam siklus asam sitrat. Ketika Anda belajar setiap langkah dalam siklus reaksi, perlu diingat bahwa substrat tambahan yang diperlukan untuk menyelesaikan satu putaran penuh dari siklus reaksi, termasuk satu GDP, satu fosfat anorganik, tiga NAD +, dan satu ubiquinone, sering disebut sebagai, T.

Produk yang muncul dari satu putaran siklus asam sitrat adalah dua molekul karbon dioksida, satu CoA, satu GTP, tiga NADH, dan satu dikurangi ubiquinone, disebut sebagai QH2.

SIKLIS REAKSI JALUR

Kita sekarang akan memeriksa masing-masing dari delapan reaksi yang membentuk siklus asam sitrat. Pertimbangkan layar ini "home base" untuk siklus reaksi sebagai Anda mempelajari masing-masing dari delapan reaksi secara lebih rinci. Menyelidiki setiap reaksi dengan mengklik nomor reaksinya.

NASIB ASETIL-COA KARBON

Anda telah belajar bahwa asetil-CoA dan intermediet reaksi lainnya kehilangan elektron dalam serangkaian reaksi oksidasi selama siklus asam sitrat. Untuk setiap molekul asetil-CoA yang memasuki siklus asam sitrat, total empat pasang elektron yang hilang untuk elektron operator selama oksidasi dari dua atom karbon. Dua atom karbon teroksidasi ini dirilis sebagai dua molekul karbon dioksida.

Dua atom karbon dilepaskan sebagai karbon dioksida selama satu putaran siklus asam sitrat. Atom karbon ini tidak berasal dari molekul asetil-CoA yang dimulai siklus reaksi. Asetil karbon yang dilepaskan selama putaran berikutnya dari jalur melingkar.

Melacak nasib atom karbon asetil-CoA melalui dua putaran siklus asam sitrat, memberikan perhatian khusus yang atom karbon teroksidasi, dan kapan.

PERATURAN: INHIBISI

Fungsi tubuh seperti mesin tersetel karena kegiatan internal dikoordinasikan dan diatur. Misalnya, setelah Anda selesai makan berat, membengkak perut dan peregangan reseptor lapisan perut mengirim pesan ke otak Anda antrian Anda, "berhenti makan!" Pada skala yang lebih kecil, setelah penumpukan produk siklus asam sitrat dan intermediet menumpuk , senyawa ini mempengaruhi aktivitas enzim dekat dan jauh, untuk lebih mengurangi bersepeda dari reaksi asam sitrat.

Kemajuan melalui siklus asam sitrat diilustrasikan. Perhatikan bahwa dengan setiap siklus berturut-turut, tingkat senyawa peraturan kunci meningkat. Senyawa peraturan kunci yang bertindak untuk menurunkan tingkat aktivitas siklus asam sitrat adalah sitrat, NADH, dan suksinil-CoA. Secara kolektif, senyawa peraturan ini berfungsi sebagai inhibitor dari siklus asam sitrat.

PERATURAN: AKTIVASI

Berbeda dengan kontrol penghambatan dijelaskan sebelumnya, regulator positif, yang disebut aktivator, fungsi up-mengatur aktivitas siklus asam sitrat ketika kebutuhan energik atau molekul sel tidak terpenuhi. Aktivator utama meliputi Ca2 + dan ADP, yang sinyal untuk meningkatkan aktivitas dehidrogenase isocitrate dan-ketoglutarat dehidrogenase. Ca2 + dan ADP umumnya menandakan kebutuhan untuk menghasilkan energi bebas selular.

Energetika

Selama 1860-an, Louis Pasteur melakukan serangkaian percobaan untuk menentukan apakah tingkat metabolisme glukosa tergantung pada ada atau tidak adanya oksigen. Eksperimental set-up mirip dengan yang ditampilkan pada layar Anda, dan temuan yang menciptakan efek Pasteur.

Lihatlah dua sel ragi digambarkan. Salah satunya adalah hidup dalam lingkungan aerobik, yang lain dalam lingkungan anaerobik.

Anaerobik

Ketika sel hidup di bawah kondisi anaerobik bekerja untuk memenuhi kebutuhan metabolik, reaksi glikolisis diaktifkan. Untuk setiap molekul glukosa yang dikonsumsi, sel menghasilkan bersih dua ATP dan dua dikurangi pembawa elektron NADH selama glikolisis. Dengan tidak adanya oksigen, namun fosforilasi oksidatif dapat tidak terjadi. Oleh karena itu jalur metabolisme ini sebagian besar bertanggung jawab untuk mentransfer elektron dari NADH ke molekul oksigen untuk menghasilkan ATP tidak ada. Oleh karena itu, dalam kondisi anaerob, energi berasal semata-mata dari ATP yang dihasilkan selama glikolisis.

Erobik

Dalam sel hidup dalam kondisi aerobik, ATP yang dihasilkan oleh tiga jalur metabolik: glikolisis, siklus asam sitrat, dan fosforilasi oksidatif. Pembawa elektron berkurang yang muncul dari glikolisis dan siklus asam sitrat yang disalurkan ke rantai transpor elektron, di mana mereka berpartisipasi dalam serangkaian reaksi oksidasi dan reduksi. Ini menetapkan gradien proton yang membentang membran mitokondria bagian dalam, yang pada akhirnya mendorong fosforilasi oksidatif ADP menjadi ATP. Oleh karena itu, dalam kondisi aerobik, NADH dan mengurangi ubiquinone, atau QH2, melayani sel dengan meningkatkan potensi ATP-nya memproduksi.

REAKSI ANAPLEROTIC

Bayangkan sebuah sel otot yang mulai menguras toko energi karena olahraga berat. Tingkat kenaikan konsumsi glukosa bersama dengan penyatuan produk glikolitik, piruvat. Jika molekul oksigen tetap tersedia, piruvat diubah menjadi asetil-CoA, sehingga mengaktifkan siklus asam sitrat. Kegiatan enzim asam sitrat yang up-diatur, sebagian besar, oleh peningkatan kadar aktivator, ion kalsium, dan ADP.

Reaksi ada untuk mengisi sel dengan asam sitrat intermediet siklus, yang sangat penting saat meningkatkan aktivitas metabolik, seperti dalam kasus olahraga berat. Katabolisme tiga jenis senyawa "pakan" siklus asam sitrat pada titik-titik yang berbeda. Reaksi yang "umpan" siklus asam sitrat dengan intermediet disebut anaplerotic.