Особенности строения мембран митохондрий. Сопряжение процессов тканевого дыхания и фосфорилирования

Митохондрии имеют 2 мембраны, матрикс, кристы (впячивания внутренней мембраны).

Строение митохондрий

Особенности мембран митохондрий:

• внешняя мембрана гладкая, внутренняя – складчатая;

• поверхность внутренней мембраны превышает поверхность наружной;

• высокое содержание белков во внутренней мембране (белок : липиды = 4 : 1).

Комплексы дыхательной цепи

1. НАДН-убихинон-оксидоредуктаза. Принимает электроны и протоны от НАДН·Н +; протоны выбрасываются в межмембранное пространство, электроны передаются на КоQ.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

Энергия переноса электронов используется на перекачивание в межмембранное пространство протонов. 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

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:

1. внутренняя митохондриальная мембрана (ВММ) непроницаема для ионов, в частности для Н+ и ОН-;

2. за счет энергии транспорта электронов через I, III и IV комплексы дыхательной цепи из матрикса выкачиваются протоны Н+;

3. возникающий на мембране электрохимический потенциал (ЭХП) и есть промежуточная форма запасания энергии;

4. 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.