Voća uloga energije u metaboličkom putu zavisi od procesa čija je suština oksidativna fosforilacija. Hranjive tvari se oksidiraju, stvarajući tako energiju koju tijelo pohranjuje u mitohondrijima stanica kao ATP. Svaki oblik zemaljskog života ima svoje omiljene nutrijente, ali ATP je univerzalno jedinjenje, a energija koju proizvodi oksidativna fosforilacija pohranjuje se da bi se koristila za metaboličke procese.
Bakterije
Pre više od tri i po milijarde godina, prvi živi organizmi su se pojavili na našoj planeti. Život je nastao na Zemlji zbog činjenice da su se bakterije koje su se pojavile - prokariotski organizmi (bez jezgra) podijelili u dvije vrste prema principu disanja i ishrane. Disanjem - u aerobne i anaerobne, a ishranom - u heterotrofne i autotrofne prokariote. Ovaj podsjetnik teško da je suvišan, jer se oksidativna fosforilacija ne može objasniti bez osnovnih pojmova.
Dakle, prokarioti u odnosu na kiseonik(fiziološka klasifikacija) dijele se na aerobne mikroorganizme, koji su indiferentni prema slobodnom kisiku, i aerobne, čija vitalna aktivnost u potpunosti ovisi o njegovom prisustvu. Oni su ti koji provode oksidativnu fosforilaciju, nalazeći se u okruženju zasićenom slobodnim kisikom. To je metabolički put koji se najčešće koristi sa visokom energetskom efikasnošću u poređenju s anaerobnom fermentacijom.
Mitohondrije
Još jedan osnovni koncept: šta je mitohondrija? Ovo je energetska baterija ćelije. Mitohondrije se nalaze u citoplazmi i ima ih nevjerovatno mnogo - u mišićima čovjeka ili u njegovoj jetri, na primjer, ćelije sadrže do hiljadu i pol mitohondrija (baš tamo gdje se odvija najintenzivniji metabolizam). A kada se oksidativna fosforilacija dogodi u ćeliji, to je rad mitohondrija, oni također pohranjuju i distribuiraju energiju.
Mitohondrije ne zavise čak ni od deobe ćelija, veoma su pokretne, slobodno se kreću u citoplazmi kada im je potrebno. Oni imaju svoj DNK, pa se sami rađaju i umiru. Ipak, život ćelije u potpunosti zavisi od njih, bez mitohondrija ona ne funkcioniše, odnosno život je zaista nemoguć. Masti, ugljikohidrati, proteini se oksidiraju, što rezultira stvaranjem atoma vodika i elektrona – redukcijskih ekvivalenata, koji slijede dalje duž respiratornog lanca. Ovako nastaje oksidativna fosforilacija, njen mehanizam je, čini se, jednostavan.
Nije tako lako
Energija koju proizvode mitohondrije pretvara se u drugu, a to je energija elektrohemijskog gradijenta isključivo za protone koji se nalaze na unutrašnjoj membrani mitohondrija. Upravo ta energija je potrebna za sintezu ATP-a. A to je upravo ono što je oksidativna fosforilacija. Biohemija je prilično mlada nauka, tek sredinom devetnaestog veka pronađene su mitohondrijalne granule u ćelijama, a proces dobijanja energije opisan je mnogo kasnije. Uočeno je kako trioze nastale glikolizom (i što je najvažnije, pirogrožđana kiselina) proizvode dalju oksidaciju u mitohondrijima.
Trioze koriste energiju cijepanja, iz koje se oslobađa CO2, troši se kiseonik i sintetiše se ogromna količina ATP-a. Svi gore navedeni procesi usko su povezani sa oksidativnim ciklusima, kao i sa respiratornim lancem koji nosi elektrone. Tako se u ćelijama dešava oksidativna fosforilacija, sintetizirajući "gorivo" za njih - molekule ATP-a.
Oksidativni ciklusi i respiratorni lanac
U oksidativnom ciklusu, trikarboksilne kiseline oslobađaju elektrone, koji počinju svoje putovanje duž lanca transporta elektrona: prvo do molekula koenzima, ovdje je NAD glavna stvar (nikotinamid adenin dinukleotid), a zatim se elektroni prenose u ETC (električni transportni lanac),dok se ne spoje sa molekularnim kiseonikom i formiraju molekul vode. Oksidativna fosforilacija, čiji je mehanizam ukratko opisan gore, prenosi se na drugo mjesto djelovanja. Ovo je respiratorni lanac - proteinski kompleksi ugrađeni u unutrašnju membranu mitohondrija.
Ovdje se događa kulminacija - transformacija energije nizom oksidacije i redukcije elemenata. Ovdje su od interesa tri glavne točke u elektrotransportnom lancu gdje se javlja oksidativna fosforilacija. Biohemija ovaj proces posmatra veoma duboko i pažljivo. Možda će se jednog dana odavde roditi novi lijek za starenje. Dakle, na tri tačke ovog lanca ATP se formira od fosfata i ADP (adenozin difosfat je nukleotid koji se sastoji od riboze, adenina i dva dela fosforne kiseline). Zbog toga je proces dobio ime.
Ćelijsko disanje
Ćelijsko (drugim riječima - tkivno) disanje i oksidativna fosforilacija su faze istog procesa zajedno. Vazduh se koristi u svakoj ćeliji tkiva i organa, gde se razgrađuju produkti cepanja (masti, ugljeni hidrati, proteini) i tom reakcijom nastaje energija pohranjena u obliku makroergijskih jedinjenja. Normalno plućno disanje razlikuje se od respiracije tkiva po tome što kiseonik ulazi u tijelo i ugljični dioksid se uklanja iz njega.
Tijelo je uvijek aktivno, njegova energija se troši na kretanje i rast, na samoreprodukciju, na razdražljivost i na mnoge druge procese. Za ovo je ioksidativna fosforilacija se javlja u mitohondrijima. Ćelijsko disanje se može podijeliti na tri nivoa: oksidativno stvaranje ATP-a iz pirogrožđane kiseline, kao i aminokiselina i masnih kiselina; acetilne ostatke uništavaju trikarboksilne kiseline, nakon čega se oslobađaju dvije molekule ugljičnog dioksida i četiri para atoma vodika; elektroni i protoni se prenose na molekularni kiseonik.
Dodatni mehanizmi
Disanje na ćelijskom nivou osigurava formiranje i dopunu ADP-a direktno u ćelijama. Iako se tijelo može napuniti adenozin trifosfornom kiselinom na drugi način. Za to postoje i, ako je potrebno, uključeni dodatni mehanizmi, iako nisu toliko efikasni.
Ovo su sistemi u kojima dolazi do razgradnje ugljikohidrata bez kisika - glikogenolize i glikolize. Ovo više nije oksidativna fosforilacija, reakcije su nešto drugačije. Ali ćelijsko disanje se ne može zaustaviti, jer se u njegovom procesu formiraju veoma potrebni molekuli najvažnijih jedinjenja koji se koriste za razne biosinteze.
Oblici energije
Kada se elektroni prenose u mitohondrijalnu membranu, gdje dolazi do oksidativne fosforilacije, respiratorni lanac iz svakog svog kompleksa usmjerava oslobođenu energiju da pomjeri protone kroz membranu, odnosno od matriksa do prostora između membrana. Tada se formira potencijalna razlika. Protoni su pozitivno nabijeni i smješteni u međumembranskom prostoru, i negativnonabijeni akt iz mitohondrijske matrice.
Kada se dostigne određena potencijalna razlika, proteinski kompleks vraća protone nazad u matriks, pretvarajući primljenu energiju u potpuno drugačiju, gdje su oksidativni procesi spojeni sa sintetičkom - ADP fosforilacijom. Tokom oksidacije supstrata i pumpanja protona kroz mitohondrijalnu membranu, ne prestaje sinteza ATP-a, odnosno oksidativna fosforilacija.
Dvije vrste
Oksidativna i supstratna fosforilacija su fundamentalno različite jedna od druge. Prema modernim idejama, najstariji oblici života mogli su koristiti samo reakcije fosforilacije supstrata. Za to su korištena organska jedinjenja koja postoje u vanjskom okruženju kroz dva kanala – kao izvor energije i kao izvor ugljika. Međutim, takvi spojevi u okolini su postepeno presušivali, a organizmi koji su se već pojavili počeli su se prilagođavati, tražiti nove izvore energije i nove izvore ugljika.
Tako su naučili da koriste energiju svjetlosti i ugljičnog dioksida. Ali dok se to nije dogodilo, organizmi su oslobađali energiju iz procesa oksidativne fermentacije i također je pohranjivali u molekule ATP-a. Ovo se zove fosforilacija supstrata kada se koristi metoda katalize rastvorljivim enzimima. Fermentirani supstrat formira redukcijski agens koji prenosi elektrone na željeni endogeni akceptor - aceton, acetalhid, piruvat i slično, ili H2 - oslobađa se gasoviti vodonik.
Uporedne karakteristike
U poređenju sa fermentacijom, oksidativna fosforilacija ima mnogo veći energetski prinos. Glikoliza daje ukupan ATP prinos od dva molekula, a u toku procesa sintetizira se trideset do trideset šest. Postoji kretanje elektrona do jedinjenja akceptora od jedinjenja donora kroz oksidativne i redukcijske reakcije, formirajući energiju pohranjenu kao ATP.
Eukarioti sprovode ove reakcije sa proteinskim kompleksima koji su lokalizovani unutar membrane mitohondrijske ćelije, a prokarioti rade van - u njenom međumembranskom prostoru. Upravo ovaj kompleks povezanih proteina čini ETC (lanac transporta elektrona). Eukarioti imaju samo pet proteinskih kompleksa u svom sastavu, dok prokarioti imaju mnogo, i svi rade sa širokim spektrom donora elektrona i njihovih akceptora.
Veze i prekidi
Proces oksidacije stvara elektrohemijski potencijal, a kod procesa fosforilacije ovaj potencijal se koristi. To znači da je osigurana konjugacija, inače - vezivanje procesa fosforilacije i oksidacije. Otuda i naziv, oksidativna fosforilacija. Elektrohemijski potencijal potreban za konjugaciju stvaraju tri kompleksa respiratornog lanca - prvi, treći i četvrti, koji se nazivaju tačke konjugacije.
Ukoliko je unutrašnja membrana mitohondrija oštećena ili je povećana njena permeabilnost od aktivnosti rastavljača, to će sigurno uzrokovati nestanak ili smanjenje elektrohemijskog potencijala, aslijedi rasparčavanje procesa fosforilacije i oksidacije, odnosno prestanak sinteze ATP-a. Fenomen kada elektrohemijski potencijal nestane naziva se razdvajanjem fosforilacije i disanja.
Rastavljači
Stanje u kojem se oksidacija supstrata nastavlja i fosforilacija ne dolazi (tj. ATP se ne formira iz P i ADP) je razdvajanje fosforilacije i oksidacije. Ovo se dešava kada rastavljači ometaju proces. Šta su oni i kakvim rezultatima teže? Pretpostavimo da je sinteza ATP-a jako smanjena, odnosno sintetizira se u manjoj količini, dok respiratorni lanac funkcionira. Šta se dešava sa energijom? Odiše poput topline. Svi to osjećaju kada su bolesni od groznice.
Imate li temperaturu? Dakle, prekidači su proradili. Na primjer, antibiotici. To su slabe kiseline koje se rastvaraju u mastima. Prodirući u intermembranski prostor ćelije, difundiraju u matriks, povlačeći sa sobom vezane protone. Razdvajanje, na primjer, imaju hormoni koje luči štitna žlijezda, a koji sadrže jod (trijodtironin i tiroksin). Ako je štitna žlijezda hiperfunkcionalna, stanje pacijenata je užasno: nedostaje im energija ATP-a, konzumiraju puno hrane, jer je tijelu potrebno mnogo supstrata za oksidaciju, ali gube na težini, budući da je glavni dio primljena energija se gubi u obliku toplote.
