II. Второй этап клеточного дыхания

В митохондриях происходит и второй этап клеточного дыхания. Митохондрии являются «энергетическими станциями» клеток, ибо в них происходит улавливание энергии поставляемой окислительными процессами. Энергетическое сопряжение окислительных процессов в митохондриях с генерацией АТФ (фосфорилированием) называется окислительным фосфорилированием. Окислительное фосфорилирование является столь важным жизненным процессом, что нарушение его нормального хода не совместимо с жизнью.

Признанной моделью энергетического сопряжения (в реакциях окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи клеток) считается модель П. Митчелла, за развитие которой ему в 1979 г. присуждена Нобелевская премия (рис. 5–12). Хемиосмотическая теория Митчелла окислительного фосфорилирования связывает химические (хеми…) и транспортные (осмотические, от греч. osmosis – толчок, давление) процессы.

Рис. 5–12. Схема процессов окисления, происходящих в митохондрии. Дыхательная цепь обведена штриховой рамкой. Окислительный процесс в дыхательной цепи энергетически сопряжен с процессом фосфорилирования АДФ и синтеза АТФ в комплексе V. При окислении компонентов дыхательной цепи (в штриховой рамке) генерируются ионы водорода (протоны Н⁺), которые выходят из матрикса митохондрий на наружную сторону митохондриальной мембраны (черные стрелки) и создают необходимый для синтеза АТФ градиент концентраций ионов водорода

Рис. 5–13. Процессы переноса электронов (светлые стрелки) и протонов (черные стрелки) через мультиферментные комплексы I, II, III и IV дыхательной цепи

Согласно этой модели, на втором, кислородном этапе клеточного дыхания, электроны, образующиеся при дегидрировании (отщеплении водорода) NADH (акцептора водорода, АсН₂), передаются в дыхательную цепь (рис. 5–12 и 5–13). В молекулах NADH (или других АсН₂) электроны находятся в высокоэнергетическом состоянии, сохраняя энергию, приобретенную от «сжигания» углеводов, жиров и аминокислот.

Дыхательная цепь включает три белковых мультиферментных комплекса (комплексы I, III, IV), встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану, комплекс II, одновременно принадлежащий циклу Кребса, и две подвижные молекулы – переносчика: кофермент Q (убихинон) и цитохром с. Каждый комплекс состоит, как минимум, из пяти субъединиц и кофакторов, между которыми возможен перенос электронов. Комплекс V (АТФ-синтаза) не принимает участия в переносе электронов.

На рис. 5–13 показаны два пути переноса электронов на кофермент Q: через комплексы I и II. Восстановленный (присоединивший электроны) кофермент Q, двигаясь, как и последующие коферменты, через липидный слой мембраны, диффузно переносит электроны в комплекс III.

Комплекс III, в свою очередь, поставляет их на небольшой подвижный гемсодержащий белок цитохром с. Каждый цитохром, благодаря наличию простетической группы в виде железосодержащего гема (такой же гем содержится в гемоглобине (см. с. 282, 428)) способен передавать один электрон по схеме

Fe³⁺ + е^– ↔ Fe²⁺.

Цитохром с переносит электроны к комплексу IV.

Комплекс IV содержит два медьсодержащих центра и гемы, через которые электроны поступают к кислороду. При восстановлении кислорода в комплексе IV образуется сильный основной анион О^2–, который связывает два протона и переходит в воду:

. (5.15)

Перенос электронов является высокоэргическим процессом. Согласно теории Митчелла, перенос электронов по электрон-транспортной цепи стимулирует перенос протонов Н⁺ через гидрофобный барьер мембраны и тем самым способствует образованию градиентов по обе стороны мембраны: разности концентраций ионов , разности электрических потенциалов и разности электрохимических потенциалов Δμ. Транспорт ионов Н⁺ через мембрану осуществляется против электрического поля и является эндоэргическим процессом, на который расходуется энергия, генерируемая в электронной цепи.

Поэтому процесс электронного транспорта энергетически сопряжен с потоком протонов (черные стрелки), создаваемым комплексами I, III и IV, и направленным из матрикса в межмембранное пространство.

Напомним, что электрохимический потенциал моля заряженных ионов в растворе равен умноженной на число Авогадро N_A работе внешних сил по переносу одного иона из бесконечности в данную точку пространства. Он может быть представлен в виде (с. 260 (5.50))

, (5.16)

где первый член суммы μ⁰ – химический потенциал в стандартном состоянии (не зависит от φ и n), то есть в отсутствие электрического поля и при концентрациях всех компонентов равных единице (см. с. 259-260). Второй член равен работе против сил электрического поля, – электрический потенциал, Z – зарядовое число (для иона водорода Z=1), F=еN_A – число Фарадея (заряд моля электронов), e – заряд электрона, n – концентрация ионов (в молях на литр ). Третий член суммы (5.11) выражает зависимость химического потенциала (энергии Гиббса G) от энтропии S (с. 260 (5.50)). С учетом того, что , где – водородный показатель (с.257, (5.22)), получаем

.

Тогда электрохимический потенциал , приходящийся на один ион водорода, можно записать в размерности электрического потенциала:

. (5.17)

Величина μ₁ на внешней стороне мембраны обычно примерно на 0,25 В выше, чем на внутренней стороне, причем основной вклад в разность электрохимических потенциалов дает электрическая составляющая (0,15 ÷ 0,20) В.

Градиент электрохимического потенциала создает силы, действующие на протоны в направлении уменьшения электрохимического потенциала, то есть в направлении внутренней стороны мембраны. Под действием этих сил протоны попадают в комплекс V (рис.5-12), где осуществляется синтез АТФ. Структура и работа комплекса V – F₁F₂-АТФсинтазы рассмотрены ниже, §5.9. Следует иметь в виду, что молекулярные механизмы, обеспечивающие при переносе электронов трансмембранный перенос протонов Н⁺, а также механизмы химического синтеза АТФ с помощью АТФ-синтазы остаются во многом неясными.

В теории Митчелла предполагается, что энергия , выделяющаяся при движении протонов внутрь митохондрий по направлению электрического поля и градиента рН, используется АТФ-синтетазой V для синтеза АТФ из АДФ и Ф (рис.5-12). Таким образом, концепция сопряжения П.Митчелла может быть представлена в виде схемы

Перенос электронов (дыхание)

фосфорилирование АДФ в АТФ

(5.18)

Сопряжение переноса электронов и фосфорилирования возможно только в неповрежденной замкнутой мембранной структуре.

Суммарная реакция кислородного этапа дыхания имеет вид

12Н2 + 6О2	→	12Н2О + 34АТФ	(5.19)
	Дыхательная цепь

Таким образом, чистый выход на одну молекулу глюкозы при полном ее окислении до воды и СО₂ составляет 38 молекул АТФ, синтезированных из АДФ и неорганического фосфата. Две молекулы АТФ дает гликолиз (5.8), две цикл Кребса (5.9) и 34 – кислородное дыхание (5.14).

Интересно, что клетки головного мозга могут использовать для дыхания только глюкозу (углеводы).