Окислительное фосфорилирование

Как вырабатывается энергия в клетке в результате распада углеводов? Ча­стично АТФ, как основной макроэрг клетки, может образоваться путем субстратного фосфорилирования. Но главным процессом синтеза АТФ явля­ется окислительное фосфорилирование.

Окислительным фосфорилированием называют процесс образования АТФ из АДФ и ФН, сопряженный с транспортом электронов, при котором электроны высокоэнергетического восстановленного донора переносятся промежуточными переносчиками электронов к конечному акцептору элек­тронов - кислороду - с образованием низкоэнергетического восстановлен­ного продукта.

Этот процесс является общим для всех организмов и представляет собой универсальный биохимический путь.

Окислительное фосфорилирование включает два процесса:

а) окисление восстановленных молекул, таких как НАДН или ФАДН₂ в ходе нескольких реакций переноса электронов, при этом выделяется энергия;

б) фосфорилирование АДФ с образованием АТФ, которое требует за­ трат энергии.

Хотя это отдельные процессы, но энергетически они сопряжены: все мо­лекулы, участвующие в каждом из процессов, находятся в одном компартменте - внутренней мембране митохондрий и, благодаря согласованному дейст­вию всех участников процесса, та энергия, которая выделяется при переносе электронов, используется для синтеза АТФ.

При переносе электронов возникает разность потенциалов, равная разно­сти между потенциалом восстанавливаемой пары и потенциалом окисляемой пары.

Механизм окислительного фосфорилирования

Для объяснения механизма сопряжения дыхания и фосфорилирования выдвинут ряд гипотез. Рассмотрим три основных.

1. Механохимическая, или конформационная (Грин, Бойер, 60-е гг. XX в.). В процессе переноса протонов и электронов изменяется конформация белков-ферментов. Они переходят в новое богатое энергией конформационное состояние, а затем при возвращении в исходную конформацию отдают энергию для синтеза АТФ. Гипотеза частично подтверждена:

E₀ → E_{конформ. сдвигов} → E _АТФ

2. Гипотеза химического сопряжения (Липман, Слейтер, Ленинджер, 30-40-е гг. XX в.). В сопряжении дыхания и фосфорилирования участвуют сопрягающие вещества, например вещество "X". Вещество "X" акцептирует протоны и электроны от первого фермента в пункте сопряжения, взаимодействует с Н₃РО₄. В момент отдачи протонов и электронов второму ферменту пункта сопряжения связь с фосфатом становится макроэргической. Далее макроэрг передается на АДФ с образованием АТФ. Гипотеза логична, но не выделены сопрягающие вещества ("А").

3. Хемиоосмотическая гипотеза Митчелла (1961). Поданной гипотезе, дыхание и фосфорилирование связаны между собой электрохимическим потенциалом (ЭХП ) на внутренней мембране митохондрий. Для понимания этой гипотезы необходимо знать следующее:

• Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для Н⁺ и ОН^-

• Во внутреннюю мембрану митохондрий вмонтирована аденозинтрифосфатаза, катализирующая обратимую реакцию:

• АТФ + Н₂О ↔ АДФ + Н₃РО₄.

А ТФаза состоит из следующих субъединиц: F₀ - это, во-первых, гидрофобный сегмент из четырех полипептидных цепей, связанный с внутренней мембраной митохондрий; во-вторых, это протонный канал, по которому в норме могут перемещаться только протоны через мембрану; F₁- сопрягающий фактор, катализирующий синтез АТФ при перемещении протонов (1 АТФ на 2Н⁺). Стебелек между F₀и F₁ содержит белок, чувствительный к олигомицину - антибиотику, блокирующему синтез АТФ путем нарушения использования протонного градиента. В укороченной цепи переноса электронов отсутствует только первый этап, остальной перенос электронов такой же, как в полной цепи.

• Синтез АТФ осуществляется при перемещении протонов через АТФазу в направлении от ММП к матриксу.

В мембране митохондрий существует активный перенос протонов. Это означает перенос Н⁺ изнутри митохондрий наружу - такое явление называ­ют работой протонного насоса.

Перенос протонов приводит к возникновению разности концентраций Н⁺ с двух сторон митохондриальной мембраны, так что более высокая концентрация будет снаружи, более низкая - внутри.

Возникает градиент концентрации Н⁺, или рН, который способен совершать работу. Выкачивание протонов из митохондрий приводит также к появлению мембранного электрического потенциала, так как в результате выхода ионов Н⁺ из матрикса в среду наружная сторона мембраны становится более электропо­ложительной, а внутренняя - более электроотрицательной. Таким образом, пе­ренос электронов создает электрохимический градиент ионов Н⁺, включающий два компонента - градиент рН и мембранный потенциал:

£° = А₀ - ZApH,

где е° - электрохимический потенциал; Аф - мембранный потенциал; ZApH -градиент рН.

Большую часть электрохимического потенциала составляет мембран­ный потенциал, а в градиенте рН коэффициент Z служит для перевода рН в милливольты. Зная общую величину изменения электрохимического потен­циала, можно найти и величину изменения свободной энергии.

Основное положение хемиоосмотической теории Митчелла: свойства митохондриальной мембраны, содержащей протонный насос, создают электрохимический градиент, обладающий потенциальной энергией.

Дыхательная цепь транспорта электронов обеспечивает работу протон­ных насосов, которые используют свободную энергию потока электронов для перекачивания протонов наружу, против градиента концентрации Н⁺. В результате, как отмечено выше, возникает электрохимический потенциал. Затем выведенные наружу ионы Н⁺ снова устремляются внутрь через специ­альные каналы или поры для этих ионов в мембране. В дыхательной цепи электроны идут по градиенту концентрации, и во время их перехода через мо­лекулу АТФ выделяется энергия. Именно эта свободная энергия и служит движущей силой для сопряженного синтеза АТФ из АДФ и фосфата.

Хемиоосмотическая теория не требует никакого промежуточного продукта, который бы обеспечивал сопряжение между переносом электронов и синтезом АТФ. Источником энергии, связывающем окисление и фосфори-лирование, служит градиент концентрации ионов Н⁺ (при этом важна целостность мембран и специфическая ориентация протонного насоса, откачивающего протоны изнутри митохондрий наружу). Итак, между митохонд­рией и окружающей средой совершается непрерывный круговорот ионов Н⁺, за счет которого и синтезируется АТФ.

Разобщение дыхания и окислительного фосфорилирования возникает при повышении проницаемости мембраны митохондрий для протонов в любом месте, а не только в канале АТФазы. При этом не создается электрохимический потенциал и энергия окисления рассеивается в виде тепла. Так действуют ионофоры (2,4-динитрофенол, валиномицин и др.). Они переносят протоны обратно через мембрану, выравнивая градиенты рН и мембранного потенциала. На разобщении дыхания и фосфорилирования базируется терморегуляторная функция тканевого дыхания. Тканевое дыхание, протекающее в митохондриях и не сопровождающееся образованием макроэргов, называют свободным, или нефосфорилирующим, окислением. Образованная в результате окислительного фосфорилирования в митохондриях АТФ обменивается на внемитохондриальную АДФ с помощью специальных белков - транслоказ (составляют до 6% от всех белков внутренней мембраны митохондрий).

Гипоэнергетические состояния возникают: 1) при нарушении поступления субстратов для дегидрирования (на всех этапах от пищи до матрикса митохондрий); 2) при нарушении поступления О₂ в митохондрии (на всех этапах от дыхания, связь с Нb, транспорт и др.); 3) при нарушении мембран митохондрий, композиции липидного бислоя и ферментативных ансамблей внутренней мембраны митохондрий.