1.3.3 Окисне фосфорилювання

Окисне фосфорилювання було відкрито в 1930 році В. А. Енгельгардтом. Продовживши ці дослідження, А. Ленінджер показав, що окислення субстрату і утворення АТФ з АДФ і неорганічного фосфату при аеробному диханні спряжене з перенесенням електронів по ланцюгу дихальних ферментів, вбудованих у внутрішню мембрану мітохондрій. Кінцевим акцептором електронів є кисень який відновлюється до води. Таким чином процес окиснення субстрату киснем зумовлений серією спряжених окисно-відновних реакцій компонентів електронтранспортного ланцюга.

В тих місцях де різниця окисно-відновних потенціалів значна, вивільняється найбільша кількість енергії яка використовується для синтезу АТФ. Утилізація вивільненої енергії відбувається в пунктах енергетичного спряження, де вона запасається у вигляді електрохімічного градієнта іонів водню.

Електрохімічний градієнт протонів в даному механізмі виступає як посередник між двома формами енергії, іншими словами, він спряжує ці енергетичні процеси. (Третьякова И. и др., 2014)

Перший процес – перенесення електронів від відновлених коферментів НАДH і через ланцюг перенесення електронів на кисень – екзергонічний. Наприклад:

NADH + + 1/2 → + = +52ккал/моль

Другий процес – фосфорилювання АДФ, або синтез АТФ – ендергонічний:

АДФ + →АТФ + = -7,3ккал/моль

Фосфорилювання АДФ → АТФ відбувається в трьох вузлових точках - в ділянці ланцюга НАДH → , в ділянці цитохром b → цитохром і в ділянці цитохром с → цитохроми а + . (Алейникова Т. и др., 2004)

Енергетичний сенс дихання полягає в синтезі АТФ. Енергія акумульована в АТФ, використовується клітиною для виконання всіх видів роботи.

Особливістю системи окисного фосфорилювання, що відрізняє її від інших ферментативних реакцій , що відбуваються в розчині, є строга просторова локалізація компонентів багатостадійного процесу. Окисне фосфорилювання локалізоване в мітохондріях і безпосередньо зв’язане з транспортною і механохімічною функціональністю їхніх мембран. (Волькенштейн М., 1957)

1.3.3.1. Механізм спряження окислення і фосфорилювання

Перенесення електронів по дихальному ланцюгу від НАДH на кисень супроводжується викачуванням протонів з матриксу мітохондрій в міжмембранний простір. На цю роботу затрачається енергія електронів, що переносяться по дихальному ланцюгу.

Протони перенесені з матриксу в міжмембранний простір, не можуть повернутися назад в матрикс, так як внутрішня мембрана непроникна для протонів. Таким чином, утворюється протонний градієнт, при якому концентрація протонів в міжмембранному просторі більша, а рН менше ніж в матриксі. Крім того кожен протон несе позитивний заряд, і в результаті цього виникає різниця потенціалів по обидва боки мембрани: від’ємний заряд на внутрішній стороні і додатній на зовнішній. В сумі електричний і концентраційний градієнти утворюють електрохімічний потенціал – джерело енергії для синтезу АТФ. (Алейникова Т. и др., 2004)

Мембрана відіграє роль спряжуючої системи. Кожна така мембрана містить білкові комплекси двох типів. Один з них називають АТФ-синтаза. Цей комплекс присутній у всіх спряжуючих мембранах. Природа другого білкового комплексу залежить від первинного джерела енергії, що використовується в даній мембрані. У випадку мітохондрій це дихальний ланцюг.

Пошук «енергетичного інтеремедіата», який би зв’язував ці дві системи, виявився важким питанням. Проблему розв’язав Пітер Мітчел висунувши хеміосмотичну теорію, в якій стверджувалося, що єдиним інтермедіатом є градієнт протонів на мембрані. (Николс Д., 1985)