Oxidatívna, alebo aeróbna fosforylácia, je dej priamo nadväzujúci na dýchací reťazec. Prostredníctvom dýchacieho reťazca sa pumpujú protóny vodíka z matrix mitochondrie a dochádza k ich hromadeniu v medzimembránovom priestore. Ako k tomu dochádza a aké deje pri tom prebiehajú, sa dočítate v článku venovanom dýchaciemu reťazcu.
Hromadením protónov vzniká uloženie energie v zvláštnej forme – protónmotívnej sile. Protóny sa snažia dostať naspäť do matrix a keď sa im to podarí, uvoľní sa energia. Práve toto je využívané pri aeróbnej fosforylácii.
Protóny nedokážu voľne prestupovať membránou. Špeciálne kanály (ATP-syntházy) umožňujú ich prechod naspäť do matrix. Prúd protónov, ktoré sa snažia dostať do menej koncentrovaného prostredia (matrix) využíva ATP-syntháza na tvorbu ATP z ADP a Pi.
Je dobré si uvedomiť, že
protóny sa do medzimembránového priestoru dostávajú aktívnym pumpovaním do miesta, kde je ich koncentrácia vysoká, takže je nutné spotrebovať energiu. Naopak, ATP-syntháza tvorí kanál pre H+, ktorým môžu do matrix pasívne difundovať v smere protónového gradientu. Uvoľnená energia sa uloží do ATP.
ATP-syntháza
ATP-syntháza je bielkovinový komplex prestupujúci celou vnútornou mitochondriálnou membránou (transmembránový komplex). Katalyzuje reakciu ADP + Pi → ATP, na ktorú využíva energiu uvoľnenú pri prestupe protónov vodíka z medzimembránového priestoru do matrix mitochondrie.
Z vysokej školy
ATP-syntháza sa skladá z troch častí – F0 segment, spájajúca podjednotka a F1 segment (hlava). Každá časť sa skladá z ďalších podjednotiek.
F0 segment prechádza membránou a tvorí kanál umožňujúci prestup H+ do matrix. Podjednotky, z ktorých sa skladá, pri prechode protónov rotujú.
Schopnosť rotácie má tiež spájajúca jednotka (connecting section).
F1 hlava je stabilizovaná a nepohyblivá. Celá je uložená v matrix a zložená je z troch alfa a troch beta podjednotiek usporiadaných do párov. Toto je úsek, kde dochádza k tvorbe ATP.
β podjednotky existujú v troch rôznych podobách podľa toho, v akej pozícii je práve spájajúca jednotka. Jedna podjednotka je voľná, môžu sa na ňu naviazať substráty reakcie – ADP a anorganický fosfát. Druhá obsahuje ATP, takže hotový produkt reakcie. V poslednej sú naviazané substráty, pripravené na reakciu.
Keď sa do voľnej podjednotky naviažu reaktanty a dôjde k toku protónov cez ATP-syntházu, tento tok vyvolá rotáciu spájajúcej jednotky. Tým sa zmení rozloženie zvyšných dvoch podjednotiek, uvoľní sa hotové ATP a v podjednotke s naviazanými substrátmi dôjde k reakcii ADP a fosfátu.
Aeróbna fosforylácia je spojená s dýchacím reťazcom – ten určuje výťažok ATP
Do dýchacieho reťazca vstupujú redukované kofaktory NADH+H+ a FADH2. Predávajú elektróny na ďalšie štruktúry, pri čom sa tvorí protónový gradient. Ten je nevyhnutný pre tvorbu ATP.
Z dôvodu, ktorý bol podrobne popísaný v článku o dýchacom reťazci, vznikajú z jednej molekuly NADH+H+ tri molekuly ATP, zatiaľ čo z jednej molekuly FADH2 len dve molekuly ATP (nepodieľa sa na tvorbe protónového gradientu). Novšie údaje hovoria v obidvoch prípadoch o niečo nižšom výťažku energie.
Dýchací reťazec a oxidatívna fosforylácia sú úzko prepojené, keďže jeden proces bez druhého nemôže prebiehať. Ich rýchlosť závisí na dostupnosti kyslíka, substrátov (hlavne NADH+H+ a ADP) a kapacite dýchacieho reťazca. Limitujúce faktory bývajú rôzne, podľa stavu, v akom sa momentálne organizmus nachádza.
V kľude je menší výdaj energie, ATP prevláda nad ADP. Limitujúcim faktorom je teda dostupnosť ADP. Naopak počas záťaže spotrebujeme veľa ATP, ktoré sa rozkladá na ADP, jeho nedostatok tak nehrozí. V čom však môže nastať problém, je prísun kyslíku do matrix mitochondrie.
Keď ATP-syntháza nesyntetizuje ATP
Keďže za normálnych podmienok je vnútorná mitochondriálna membrána nepriepustná pre H+ ióny, zostávajú „uväznené“ v medzimembránovom priestore a jediná cesta, ako sa dostať naspäť do matrix, vedie cez ATP-syntházu. Dýchací reťazec a aeróbna fosforylácia sú vďaka tomu úzko spojené a vedú k produkcii energie vo forme ATP.
Protónový gradient sa však môže „vybiť“ pôsobením niektorých látok. Príkladom je napr. 2,4-dinitrofenol, lipofilná zlúčenina, ktorá sa zabuduje do vnútornej mitochondriálnej membrány a umožní prestup H+.
Protóny prestupujú do matrix bez toho, aby prešli ATP-syntházou a nevytvorí sa ATP. Energia, ktorá sa normálne uloží do ATP, sa v tomto prípade uvoľní iba v podobe tepla – pre organizmus nevyužiteľnej forme. Dýchací reťazec a oxidatívna fosforylácia nie sú naďalej prepojené, preto sa látky s takýmto účinkom označujú ako rozpojovače.
Z vysokej školy
V niektorých prípadoch je rozpojovací proces bežný. Typickou ukážkou je thermogenin vyskytujúci sa v hnedom tukovom tkanive. Dýchací reťazec a tvorba protónového gradientu prebiehajú normálne, thermogenin však gradient vybíja a tvorí sa tak teplo. Najviac hnedého tukového tkaniva majú novorodenci.
Zaujímavosť
Rozpojovacie procesy sú dôležité aj pre hibernujúce zvieratá. Počas zimného spánku potrebujú teplo, zatiaľ čo tvorbu ATP môžu obmedziť.
Zdroje:
Prezentácia Citrátový cyklus, dýchací řetězec, reaktivní formy kyslíku Ústavu biochémie Lekárskej fakulty Masarykovej univerzity (2017)
