Окислительное фосфорилирование как основной механизм синтеза АТФ в животных клетках. Этапы. Регуляция. Разобщители и ингибиторы
НАВИГАЦИЯ ПО СТРАНИЦЕ
легко понять и запомнить
Окислительное фосфорилирование – синтез АТФ за счет энергии, выделяющейся при окислении водорода органических субстратов кислородом с участием дыхательной цепи.
Этапы (комплексы) дыхательной цепи
НАДН-убихинон-оксидоредуктаза. Принимает электроны и протоны от НАДН·Н +; протоны выбрасываются в межмембранное пространство, электроны передаются на КоQ.
Сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза. Принимает электроны и протоны от субстратов в матриксе и передает их на убихинон. Этот комплекс не пронизывает мембрану насквозь, потому что через него невозможно прокачать Н+ из матрикса в ММП.
Убихинол-цитохром с-оксидоредуктаза. Переносит электроны с убихинола на цитохром с. Одновременно за счет энергии, выделившейся при переносе, из матрикса переносятся протоны в межмембранное пространство.
Цитохром с-оксидаза. Переносит электроны с цитохрома с непосредственно на кислород. Цитохромы а и а3, помимо атомов железа, содержат атомы меди, поэтому этот комплекс одновременно осуществляет полное (4-электронное) восстановление молекулы кислорода.
Субклеточная локализация: митохондрии (в основном, внутренняя мембрана, матрикс и ММП).
Для синтеза АТФ необходимо затратить около 32 кДж/моль энергии. Для этого достаточной является разность потенциалов между окислителем и восстановителем не менее 0,26 вольта. Чанс, Скулачев установили, что таких участков в дыхательной цепи три. Они соответствуют I, III и IV комплексам и названы пунктами сопряжения или фосфорилирования.
Чтобы понять связь между транспортом электронов по дыхательной цепи и синтезом АТФ, познакомимся с V комплексом внутренней мембраны митохондрий — ферментом, осуществляющим реакцию синтеза АТФ и называемым протонной АТФ-синтазой. Этот ферментативный комплекс состоит из двух частей: Fо (о – олигомицин), который встроен в мембрану и пронизывает ее насквозь, и F1, Последний по форме напоминает шляпку гриба или дверную ручку и обращен в матрикс митохондрии. В изолированном виде F1 не может синтезировать АТФ, но может проводить ее гидролиз до АДФ и фосфата.
Протонная АТФ-синтаза
Реакция синтеза АТФ, которую проводит V комплекс, носит название окислительного фосфорилирования и описывается уравнением:
АДФ + Н3РО4= АТФ + Н2O
Запомнить!
В F1 идет синтез АТФ (АДФ + Фн) только тогда, когда Н+ поступают через Fo.
Если Н+ нет, то F1 работает как АТФаза, т.е. расщепляет АТФ до АДФ м Фн.
Так же синтез АТФ не идет, если отделить Fo от F1.
Биохимики долго искали связь — промежуточные макроэргические соединения, которые могли бы служить посредником между процессом тканевого дыхания и окислительным фосфорилированием. Английский биохимик П. Митчелл предположил, что синтез АТФ V комплексом ВММ сопряжен с особым состоянием этой мембраны, и сформулировал хемиоосмотическую теорию окислительного фосфорилирования (Нобелевская премия 1978 г.).
Основные постулаты этой теории:
внутренняя митохондриальная мембрана (ВММ) непроницаема для ионов, в частности для Н+ и ОН-;
за счет энергии транспорта электронов через I, III и IV комплексы дыхательной цепи из матрикса выкачиваются протоны Н+;
возникающий на мембране электрохимический потенциал (ЭХП) и есть промежуточная форма запасания энергии;
возвращение (транслокация) протонов в матрикс митохондрии через протонный канал V комплекса за счет ЭХП является движущей силой синтеза АТФ.
Механизм работы АТФ-синтазы
Дальнейшие исследования (Дж. Уокер, П. Бойер, Нобелевская премия 1997 г.) подтвердили предположения Митчелла. Ими показано, что энергия движения протонов используется на изменения конформации активного центра АТФ-синтазы, что сопровождается синтезом АТФ, а затем ее высвобождением. Образовавшаяся АТФ с помощью транслоказы перемещается в цитозоль; в ответ в матрикс митохондрии поступают АДФ и фосфат. Всего на процесс синтеза, высвобождения и выброса в цитозоль расходуется 4 протона.
При окислении НАД-зависимых субстратов в ММП выбрасывается 10 протонов. Следовательно, в таком случае может быть синтезировано 2,5 моль АТФ (10:4), т.е. коэффициент фосфорилирования Р/О = 2,5.
При окислении ФАД-зависимых субстратов в ММП выбрасывается 6 протонов в III и IV пунктах сопряжения. В таком случае может быть синтезировано 1,5 моль АТФ (6:4), т.е. коэффициент фосфорилирования Р/О = 1,5.
Энергетическая функция цикла Кребса
В ЦТК происходят 4 реакции дегидрирования, причем 3 ДГ являются НАД-зависимыми и одна — ФАД-зависимой. За счет окисления водорода 3-х молекул НАДН.Н+ в дыхательной цепи синтезируется 7,5 моль АТФ, окисление водорода 1 моль ФАДН2 ведет к синтезу 1,5 моль АТФ. Помимо этого, в ЦТК имеет место одна реакция субстратного фосфорилирования. Таким образом, энергетический выход окисления ацетил-КоА в цикле Кребса равен 10 моль АТФ (7,5 + 1,5 + 1). Этой цифрой мы будем пользоваться в дальнейших расчетах.
Регулируется скорость работы дыхательной цепи энергетическим зарядом клетки, т. е. соотношением АТФ/АДФ. АДФ является стимулятором дыхательной цепи, АТФ – аллостерическим ингибитором.
Гипоэнергетические состояния возникают в организме вследствие дефицита АТФ в клетках. Причины их следующие:
алиментарные (голодание, гиповитаминозы РР, В2);
гипоксические (нарушения доставки О2 в клетки);
митохондриальные (действие ингибиторов и разобщителей).
Разобщители окислительного фосфорилирования – вещества, нарушающие систему сопряжения тканевого дыхания и фосфорилирования.
Могут обладать следующими свойствами:
увеличивают проницаемость внутренней мембраны для протонов и других катионов;
являются альтернативными акцепторами электронов, транспортирующими электроны в обход одного или нескольких комплексов дыхательной цепи.
Различают:
Ингибиторы дыхательной цепи. Это яды, которые блокируют перенос электронов через I, II, III, IV комплексы. Ротенон и барбитураты блокируют I комплекс, малонат — II, антимицин А – III, цианиды, угарный газ блокируют перенос электронов на кислород, осуществляемый IV комплексом дыхательной цепи.
Ингибиторы окислительного фосфорилирования (олигомицин), закрывающие протонный канал V комплекса.
Разобщители окислительного фосфорилирования. Это вещества, которые подавляют окислительное фосфорилирование, не влияя при этом на процесс переноса электронов дыхательной цепью. Механизм действия разобщителей сводится к тому, что, являясь липофильными веществами, они обладают способностью связывать протоны и переносить их в матрикс, минуя протонный канал Н+ АТФ-синтазы. Выделяющаяся при переносе электронов энергия рассеивается в виде тепла. Различают:
разобщители естественные (продукты перекисного окисления липидов, жирные кислоты с длинной цепью, белки термогенины буровой жировой ткани, большие дозы йодсодержащих гормонов щитовидной железы);
разобщители искусственные (динитрофенол, производные витамина К, некоторые антибиотики).
Полезные ссылки:
