نقش اصلی انرژی در مسیر متابولیک به فرآیندی بستگی دارد که ماهیت آن فسفوریلاسیون اکسیداتیو است. مواد مغذی اکسید می شوند، بنابراین انرژی تشکیل می شود که بدن در میتوکندری سلول ها به عنوان ATP ذخیره می کند. هر شکلی از حیات زمینی مواد مغذی مورد علاقه خود را دارد، اما ATP یک ترکیب جهانی است و انرژی که فسفوریلاسیون اکسیداتیو تولید می‌کند برای استفاده در فرآیندهای متابولیک ذخیره می‌شود.
باکتری
بیش از سه و نیم میلیارد سال پیش، اولین موجودات زنده در سیاره ما ظاهر شدند. زندگی بر روی زمین به دلیل این واقعیت است که باکتری های ظاهر شده - موجودات پروکاریوتی (بدون هسته) بر اساس اصل تنفس و تغذیه به دو نوع تقسیم می شوند. با تنفس - به هوازی و بی هوازی و با تغذیه - به پروکاریوت های هتروتروف و اتوتروف. این یادآوری به سختی اضافی است، زیرا فسفوریلاسیون اکسیداتیو را نمی توان بدون مفاهیم اساسی توضیح داد.
بنابراین، پروکاریوت ها در رابطه با اکسیژن(طبقه بندی فیزیولوژیکی) به میکروارگانیسم های هوازی که نسبت به اکسیژن آزاد بی تفاوت هستند و هوازی که فعالیت حیاتی آنها کاملاً به حضور آن بستگی دارد تقسیم می شوند. این آنها هستند که فسفوریلاسیون اکسیداتیو را انجام می دهند و در محیطی اشباع شده از اکسیژن آزاد قرار دارند. این پرکاربردترین مسیر متابولیک با بازده انرژی بالا در مقایسه با تخمیر بی هوازی است.
میتوکندری
مفهوم اساسی دیگر: میتوکندری چیست؟ این باتری انرژی سلول است. میتوکندری ها در سیتوپلاسم قرار دارند و مقدار باورنکردنی از آنها وجود دارد - به عنوان مثال در ماهیچه های یک فرد یا در کبد او، سلول ها حاوی حداکثر یک و نیم هزار میتوکندری هستند (درست جایی که شدیدترین متابولیسم اتفاق می افتد). و هنگامی که فسفوریلاسیون اکسیداتیو در یک سلول اتفاق می افتد، این کار میتوکندری است، آنها همچنین انرژی را ذخیره و توزیع می کنند.
میتوکندری ها حتی به تقسیم سلولی وابسته نیستند، آنها بسیار متحرک هستند، در صورت نیاز آزادانه در سیتوپلاسم حرکت می کنند. آنها DNA خود را دارند و بنابراین به تنهایی به دنیا می آیند و می میرند. با این وجود، زندگی یک سلول کاملاً به آنها بستگی دارد؛ بدون میتوکندری، آن کار نمی کند، یعنی زندگی واقعاً غیرممکن است. چربی‌ها، کربوهیدرات‌ها، پروتئین‌ها اکسید می‌شوند و در نتیجه اتم‌های هیدروژن و الکترون‌ها تشکیل می‌شوند - معادل‌های کاهش‌دهنده، که در امتداد زنجیره تنفسی دنبال می‌شوند. فسفوریلاسیون اکسیداتیو اینگونه رخ می دهد، به نظر می رسد مکانیسم آن ساده است.
نه چندان آسان
انرژی تولید شده توسط میتوکندری به انرژی دیگری تبدیل می شود که انرژی گرادیان الکتروشیمیایی صرفاً برای پروتون هایی است که روی غشای داخلی میتوکندری هستند. این انرژی است که برای سنتز ATP مورد نیاز است. و این دقیقا همان چیزی است که فسفوریلاسیون اکسیداتیو است. بیوشیمی یک علم نسبتاً جوان است، فقط در اواسط قرن نوزدهم گرانول های میتوکندری در سلول ها یافت شد و روند به دست آوردن انرژی بسیار بعدا شرح داده شد. مشاهده شده است که چگونه تریوزهای تشکیل شده از طریق گلیکولیز (و مهمتر از همه، اسید پیروویک) باعث اکسیداسیون بیشتر در میتوکندری می شوند.
تریوزها از انرژی تقسیم استفاده می کنند که از آن CO2 آزاد می شود، اکسیژن مصرف می شود و مقدار زیادی ATP سنتز می شود. تمام فرآیندهای فوق ارتباط نزدیکی با چرخه های اکسیداتیو و همچنین زنجیره تنفسی دارند که الکترون ها را حمل می کنند. بنابراین، فسفوریلاسیون اکسیداتیو در سلول ها اتفاق می افتد و "سوخت" را برای آنها - مولکول های ATP - سنتز می کند.
چرخه های اکسیداتیو و زنجیره تنفسی
در چرخه اکسیداتیو، اسیدهای تری کربوکسیلیک الکترون ها را آزاد می کنند، که سفر خود را در امتداد زنجیره انتقال الکترون آغاز می کنند: ابتدا به مولکول های کوآنزیم، در اینجا NAD اصلی ترین چیز است (نیکوتین آدنین دی نوکلئوتید)، و سپس الکترون ها به ETC منتقل می شوند. (زنجیره حمل و نقل الکتریکی)،تا زمانی که با اکسیژن مولکولی ترکیب شوند و یک مولکول آب تشکیل دهند. فسفوریلاسیون اکسیداتیو، که مکانیسم آن به اختصار در بالا توضیح داده شد، به مکان دیگری از اثر منتقل می شود. این زنجیره تنفسی است - مجتمع های پروتئینی که در غشای داخلی میتوکندری ساخته شده اند.
این جایی است که نقطه اوج رخ می دهد - تبدیل انرژی از طریق دنباله ای از اکسیداسیون و کاهش عناصر. جالب اینجاست که سه نقطه اصلی در زنجیره انتقال الکتریکی که در آن فسفوریلاسیون اکسیداتیو رخ می دهد، وجود دارد. بیوشیمی به این فرآیند بسیار عمیق و با دقت نگاه می کند. شاید روزی درمان جدیدی برای پیری از اینجا متولد شود. بنابراین، در سه نقطه از این زنجیره، ATP از فسفات و ADP تشکیل می شود (آدنوزین دی فسفات یک نوکلئوتید است که از ریبوز، آدنین و دو قسمت اسید فسفریک تشکیل شده است). به همین دلیل این فرآیند نام خود را گرفت.
تنفس سلولی
تنفس سلولی (به عبارت دیگر - بافت) و فسفوریلاسیون اکسیداتیو مراحلی از یک فرآیند هستند که با هم انجام می شوند. هوا در هر سلول از بافت ها و اندام ها استفاده می شود، جایی که محصولات برش (چربی ها، کربوهیدرات ها، پروتئین ها) تجزیه می شوند و این واکنش انرژی ذخیره شده را به شکل ترکیبات ماکرو ارژیک تولید می کند. تنفس طبیعی ریوی با تنفس بافتی تفاوت دارد زیرا اکسیژن وارد بدن می شود و دی اکسید کربن از آن خارج می شود.
بدن همیشه فعال است، انرژی آن صرف حرکت و رشد، تولید مثل، تحریک پذیری و بسیاری فرآیندهای دیگر می شود. برای این است وفسفوریلاسیون اکسیداتیو در میتوکندری رخ می دهد. تنفس سلولی را می توان به سه سطح تقسیم کرد: تشکیل اکسیداتیو ATP از اسید پیروویک، و همچنین اسیدهای آمینه و اسیدهای چرب. باقی مانده های استیل توسط اسیدهای تری کربوکسیلیک از بین می روند و پس از آن دو مولکول دی اکسید کربن و چهار جفت اتم هیدروژن آزاد می شوند. الکترون‌ها و پروتون‌ها به اکسیژن مولکولی منتقل می‌شوند.
مکانیسم‌های اضافی
تنفس در سطح سلولی تشکیل و دوباره پر کردن ADP را مستقیماً در سلول ها تضمین می کند. اگرچه بدن را می توان به روش دیگری با اسید آدنوزین تری فسفریک دوباره پر کرد. برای این کار، مکانیسم‌های اضافی وجود دارد و در صورت لزوم گنجانده می‌شود، اگرچه چندان مؤثر نیستند.
اینها سیستم هایی هستند که در آنها تجزیه کربوهیدرات ها بدون اکسیژن رخ می دهد - گلیکوژنولیز و گلیکولیز. این دیگر فسفوریلاسیون اکسیداتیو نیست، واکنش ها تا حدودی متفاوت است. اما تنفس سلولی نمی تواند متوقف شود، زیرا در فرآیند آن مولکول های بسیار ضروری از مهمترین ترکیبات تشکیل می شود که برای انواع بیوسنتز استفاده می شود.
اشکال انرژی
وقتی الکترون ها در غشای میتوکندری، جایی که فسفوریلاسیون اکسیداتیو اتفاق می افتد، منتقل می شوند، زنجیره تنفسی از هر یک از کمپلکس های آن، انرژی آزاد شده را برای حرکت پروتون ها از طریق غشاء هدایت می کند، یعنی از ماتریکس به فضای بین غشاها.. سپس اختلاف پتانسیل تشکیل می شود. پروتون ها بار مثبت دارند و در فضای بین غشایی قرار دارند و منفیعمل باردار از ماتریکس میتوکندری.
وقتی به اختلاف پتانسیل معینی رسید، کمپلکس پروتئین پروتون ها را به ماتریکس برمی گرداند و انرژی دریافتی را به انرژی کاملاً متفاوت تبدیل می کند، جایی که فرآیندهای اکسیداتیو با فسفوریلاسیون مصنوعی - ADP همراه می شوند. در طول اکسیداسیون سوبستراها و پمپاژ پروتون ها از طریق غشای میتوکندری، سنتز ATP متوقف نمی شود، یعنی فسفوریلاسیون اکسیداتیو.
دو نوع
فسفوریلاسیون اکسیداتیو و سوبسترا اساساً با یکدیگر متفاوت هستند. بر اساس ایده های مدرن، کهن ترین شکل های زندگی فقط می توانستند از واکنش های فسفوریلاسیون بستر استفاده کنند. برای این، ترکیبات آلی موجود در محیط خارجی از طریق دو کانال - به عنوان منبع انرژی و به عنوان منبع کربن استفاده شد. با این حال، چنین ترکیباتی در محیط به تدریج خشک شدند، و موجوداتی که قبلاً ظاهر شده بودند شروع به سازگاری کردند، به دنبال منابع جدید انرژی و منابع جدید کربن بودند.
بنابراین آنها یاد گرفتند که از انرژی نور و دی اکسید کربن استفاده کنند. اما تا زمانی که این اتفاق نیفتاد، موجودات انرژی را از فرآیندهای تخمیر اکسیداتیو آزاد کردند و همچنین آن را در مولکول‌های ATP ذخیره کردند. هنگامی که از روش کاتالیز توسط آنزیم های محلول استفاده می شود، این فسفوریلاسیون سوبسترا نامیده می شود. سوبسترای تخمیر شده یک عامل کاهنده تشکیل می‌دهد که الکترون‌ها را به گیرنده درون‌زای مورد نظر - استون، استالید، پیروات و موارد مشابه، یا H2 - هیدروژن گازی آزاد می‌شود.
ویژگی های مقایسه ای
در مقایسه با تخمیر، فسفوریلاسیون اکسیداتیو بازده انرژی بسیار بالاتری دارد. گلیکولیز یک بازده کل ATP از دو مولکول به دست می دهد و در طول این فرآیند، سی تا سی و شش مولکول سنتز می شود. حرکت الکترون ها به ترکیبات گیرنده از ترکیبات دهنده از طریق واکنش های اکسیداتیو و احیا وجود دارد و انرژی ذخیره شده به عنوان ATP را تشکیل می دهد.
یوکاریوت‌ها این واکنش‌ها را با کمپلکس‌های پروتئینی انجام می‌دهند که در داخل غشای سلولی میتوکندری قرار دارند، و پروکاریوت‌ها در خارج - در فضای بین غشایی آن کار می‌کنند. این مجموعه ای از پروتئین های مرتبط است که ETC (زنجیره انتقال الکترون) را می سازد. یوکاریوت ها فقط پنج کمپلکس پروتئینی در ترکیب خود دارند، در حالی که پروکاریوت ها تعداد زیادی کمپلکس دارند و همه آنها با طیف وسیعی از اهداکنندگان الکترون و پذیرندگان آنها کار می کنند.
اتصال و قطع ارتباط
فرآیند اکسیداسیون یک پتانسیل الکتروشیمیایی ایجاد می کند و با فرآیند فسفوریلاسیون از این پتانسیل استفاده می شود. این بدان معنی است که کونژوگاسیون فراهم می شود، در غیر این صورت - اتصال فرآیندهای فسفوریلاسیون و اکسیداسیون. از این رو نام، فسفوریلاسیون اکسیداتیو است. پتانسیل الکتروشیمیایی مورد نیاز برای کونژوگه توسط سه کمپلکس زنجیره تنفسی ایجاد می شود - اولین، سوم و چهارم که به آنها نقاط کنژوگه می گویند.
اگر غشای داخلی میتوکندری آسیب ببیند یا نفوذپذیری آن در اثر فعالیت جداکننده‌ها افزایش یابد، مطمئناً باعث از بین رفتن یا کاهش پتانسیل الکتروشیمیایی می‌شود.بعد از آن جدا شدن فرآیندهای فسفوریلاسیون و اکسیداسیون، یعنی توقف سنتز ATP است. این پدیده ای است که وقتی پتانسیل الکتروشیمیایی ناپدید می شود، جدا شدن فسفوریلاسیون و تنفس نامیده می شود.
قطع کننده
حالتی که در آن اکسیداسیون سوبستراها ادامه می یابد و فسفوریلاسیون رخ نمی دهد (یعنی ATP از P و ADP تشکیل نمی شود) جدا شدن فسفوریلاسیون و اکسیداسیون است. این زمانی اتفاق می‌افتد که جداکننده‌ها در فرآیند دخالت کنند. آنها چه هستند و برای چه نتایجی تلاش می کنند؟ فرض کنید سنتز ATP بسیار کاهش یافته است، یعنی در مقدار کمتری سنتز می شود، در حالی که زنجیره تنفسی عمل می کند. چه اتفاقی برای انرژی می افتد؟ مثل گرما تراوش می کند. همه زمانی که دچار تب هستند این احساس را دارند.
دما دارید؟ بنابراین شکن ها کار کرده اند. مثلا آنتی بیوتیک. اینها اسیدهای ضعیفی هستند که در چربی ها حل می شوند. با نفوذ به فضای بین غشایی سلول، به داخل ماتریکس منتشر می‌شوند و پروتون‌های متصل را با خود می‌کشند. به عنوان مثال، عمل جداسازی، هورمون هایی از غده تیروئید ترشح می شود که حاوی ید (تری یدوتیرونین و تیروکسین) است. اگر غده تیروئید بیش از حد کار کند، وضعیت بیماران وحشتناک است: آنها فاقد انرژی ATP هستند، غذای زیادی مصرف می کنند، زیرا بدن به بسترهای زیادی برای اکسیداسیون نیاز دارد، اما وزن کم می کنند، زیرا بخش اصلی انرژی دریافتی به شکل گرما از دست می رود.
