Окислительное фосфорилирование

(хемиосмотическая теория Митчелла, 1961)

1. Мембраны митохондрий непроницаемы для протонов.

2. В результате процессов окисления в митохондрии формируется протонный потенциал (электрохимический градиент протонов).

3. Диффузия протонов обратно на внутреннюю поверхность мембраны сопряжено с фосфорилированием, которое осуществляется АТФ-синтетазой.

Сам процесс выглядит так:

1. НАД·Н-ДГ отдает пару электронов на ФМН-ДГ. Это позволяет ФМН принять пару протонов из матрикса с образованием ФМН·Н₂. Пара протонов, принадлежащих НАД, выталкивается на цитоплазматическую поверхность внутренней мембраны митохондрий.

2. ФМН·Н₂-ДГ выталкивает пару протонов на цитоплазматическую поверхность мембраны, а пару электронов отдает на убихинон (KoQ), который при этом получает способность присоединить пару электронов из матрикса с образованием KoQ·H₂.

3. KoQ·H₂ выталкивает пару протонов в цитоплазму, а электроны перебрасываются на кислород в матриксе с образованием воды. В итоге при переносе пары электронов из матрикса в межмембранное пространство перекачивается 6 протонов, что и ведет к созданию разницы потенциалов и разницы рН между поверхностями внутренней мембраны.

4. Разница потенциалов и разница рН обеспечивают движение протонов через протонный канал в обратном направлении.

5. Движение протонов ведет к активации АТФ-синтетазы и синтезу АТФ из АДФ и фосфата.

Окислительное фосфорилирование – это процесс образования АТФ из АДФ и Ф_Н за счет энергии транспорта электронов в дыхательной цепи

Возможно разобщение окислительного фосфорилирования, например, при повреждении внутренней мембраны митохондрий. При этом происходит свободное окисление без фосфорилирования (т.е. без синтеза АТФ), сопровождающееся пирогенным эффектом (локальным повышением температуры). Таким образом на митохондиальную мембрану действует, например, 2,4-динитрофенол.

Альтернативные варианты биологического окисления

К ним относят оксигеназный путь окисления. Он не относится к энергоснабжающим клетку процессам, а используется для деградации (разрушения) метаболитов. Ферменты оксигеназного пути катализируют включение кислорода в субстрат.

Различают ди- и монооксигеназный пути.

Диоксигеназный путь содержит ферменты, которые включают в молекулу субстрата оба атома кислорода. Этот вариант встречается очень редко.

S + O₂ → S·O₂

Монооксигеназный путь – в молекулу субстрата включается один из атомов кислорода, а другой восстанавливается до воды. Для этого необходим еще косубстрат (донор электронов).

A-H + O₂ + ZH₂ → A-OH + Z + H₂O

Для примера рассмотрим систему микросомального окисления. Она содержит цитохромы Р-450 и b₅. Эта система играет большую роль в обезвреживании многих токсинов и лекарств путем их гидроксилирования.

R-H → R-OH

При этом часто образуется пероксид водорода, который разрушается каталазой.

первый тип - никотинамидные коферменты - НАД и НАДФ. Никотинамид, входящий в их состав, может присоединять протоны и электроны водорода с образованием восстановленной формы коферментов. Дегидрогеназы, в состав которых входят никотинамидные коферменты, катализируют окисление многочисленных субстратов и отличаются высокой специфичностью.

- второй тип - флавиновые дегидрогеназы или флавопротеины. Это дегидрогеназы, содержащие в своем составе коферменты ФАД и ФМН. Их активной частью является рибофлавин. За счет внутримолекулярной перегруппировки двойных связей в рибофлавине, к нему могут присоединяться два атома водорода. При этом образуются восстановленные формы коферментов ФАД•Н2 . флавиновые дегидрогеназы катализируют окисление ограниченного числа субстратов.

- третий тип - кофермент Q или убихинон, который может дегидрировать флавопротеиды и, присоединяя два атома водорода, переходить в гидрохинон.

- четвертый тип - цитохромы, это белки хромопротеиды, в состав которых входит атом железа. За счет способности атома железа обратимо переходить из двух- в трехвалентное состояние обеспечивается перенос электронов по цепи цитохромов.