БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. ЦЕПЬ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ (ЦПЭ). ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

получения тепла (особенно важно для бурого жира)

выполнение осмотической работы (транспорт фосфата в матрикс митохондрии).

мышечную работу (в некоторых случаях).

Рис. 3. Изменение окислительно-восстановительных потенциалов.

Рис.4 Последовательность расположения комплексов ЦПЭ (а) и изменение окислительновосстановительного потенциала, вызывающего синтез АТФ (б)

5. Общая схема ЦПЭ.

Рис. 4. Структурная организация дыхательной цепи

6. Окислительное фосфорилирование. Хемиоосмотическая теория Митчелла.

Окислительное фосфорилированиесинтез АТФ из АДФ и Н3РО4 за счёт энергии переноса электронов по ЦПЭ.

Для объяснения механизма окислительного фосфорилирования в 1961

году Митчеллом была предложена хемиосмотическая гипотеза, основными положениями которой являются:

внутренняя мембрана митохондрий разделяет потоки ē и Н+ – первые транспортируются вдоль мембраны, вторые – поперек, при этом создается трансмембранный электрохимический потенциал, обусловленный разностью зарядов и концентраций протонов в матриксе и межмембранном пространстве митохондрий.

Перенос электронов на внутренней мембране митохондрий вызывает выкачивание Н+ из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Это создает градиент концентрации ионов Н+ между матриксом и наружной стороной внутренней мембраны митохондрий. Градиент получил название электрохимический потенциал или

протонный градиент (∆µ"дельта мю"), который составляет около 220 мВ. Он имеет две составляющие – электрическую (∆ῳ "дельта пси") и концентрационную (∆рН):

∆µ н+ = ∆ῳ+ ∆рН

В норме Н+ способны возвращаться в матрикс митохондрий только одним способом - через АТФ-синтазу. Протоны теряют свою энергию, проходя через АТФ-синтазу. Часть этой энергии тратится на синтез АТФ.

Энергия образовавшегося на внутренней мембране митохондрий электрохимического потенциала может использоваться для фосфорилирования АДФ в АТФ, т.е. для фосфорилирования, транспорта веществ через мембрану митохондрий и тепло.

Тканевое дыхание и окислительное фосфорилирование сопряжены, а сопрягающим звеном между ними служит электрохимический потенциал: дыхание создает его, а фосфорилирование – расходует.

Рис. 5. Механизм образования АТФ согласно гипотезе Митчела.

7. Строение и работа Н+-АТФ-синтазы

АТФ-синтаза (Н+-АТФ-аза) - интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. Он расположен в непосредственной близости к дыхательной цепи. Состоит из 2 белковых комплексов, обозначаемых как F0 и F1.

Гидрофобный комплекс F0 погружён в мембрану. Он служит основанием, которое фиксирует АТФ-синтазу в мембране.

Комплекс Fо образует канал, по которому протоны переносятся в матрикс.

Комплекс F1 выступает в митохондриальный матрикс. Он состоит из 9 субъединиц (3α, 3β, γ, ε, δ). Субъединицы α и β уложены попарно, образуя

каталитическую «головку»; между α- и β-субъединицами располагаются 3 активных центра, в которые поступают молекулы АДФ и неорганического фосфата и происходит синтез АТФ. γ-, ε-, δ- субъединицы связывают комплекс

F1 с Fо.

Рис. 6 Строение Н+-АТФ-синтазы

Повышение концентрации протонов в межмембранном пространстве активирует АТФ-синтазу. Электрохимический потенциал ΔμН+ заставляет протоны двигаться по каналу АТФ-синтазы в матрикс. Под действием потока протонов по каналу каталитическая часть АТФ синтазы (F1) вращается вокруг устья канала. Синтез АТФ проходит три стадии:

поступление АДФ и неорганического фосфата (Pi) в каталитический центр,

поворот на 120о и сжимающая деформация каталитического центра, сближающая отталкивающиеся группы остатков фосфорной кислоты; на этой стадии происходит образование АТФ и молекулы воды,

поворот на 120о и освобождение из активного центра молекулы АТФ. В освободившийся каталитический центр поступают новые молекулы АДФ и Pi (неорганического фосфата)

Таким образом, при каждом переносе протонов через канал Fo энергия электрохимического потенциала расходуется на поворот стержня, в результате

которого циклически изменяется конформация α - и β-субъединиц и все 3 активных центра катализируют очередную фазу цикла (рис 7):

Рис. 7 Механизм действия Н+-АТФ-синтазы

а)

Рис.8. Принцип работы Н+-АТФ-синтазы

Механизм сопряжения реакций окисления и синтеза АТФ

Процесс переноса электронов по ЦПЭ и синтез АТФ энергетически сопряжены.

Первый процесс - перенос электронов от восстановленных коферментов NADH и FADH2 через ЦПЭ на кислород - экзергонический.

NADH + H+ + 1/2 O2 → NAD+ + H2O + 52 ккал/моль(=220 кДж/моль).

Второй процесс - фосфорилирование AДФ, или синтез АТФ, - эндергонический:

АДФ + Н3РО4+7,3 ккал/моль (30,5 кДж/моль) = АТФ + Н2О.

Рис. 9. Сопряжение реакций окисления и синтеза АТФ.

Перенос Н+ через мембрану происходит в строго определенных участках мембраны. Эти участки называются участки сопряжения (или, не совсем точно, пункты фосфорилирования). Они представлены I, III, IV комплексами дыхательных ферментов. В результате работы этих комплексов создается трансмембранный электрохимический потенциал не менее 0,2 в, необходимый для синтеза АТФ. Таким образом, электрохимический потенциал, генерируемый в каждом из 3 пунктов сопряжения дыхания и фосфорилирования, является движущей силой синтеза АТФ.

Рис. 10. Локализация пунктов сопряжения окисления и фосфорилирования.

Коэффициентом окислительного фосфорилирования (Р/О) называют отношение количества фосфорной кислоты (Р), использованной на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), поглощённого в процессе дыхания. Окисление молекулы НАДН2 в ЦПЭ сопровождается образова-нием 3 молекул АТФ, следовательно, для НАДН2 Р/О = 3. Электроны от ФАДзависимых дегидрогеназ поступают в ЦПЭ на KoQ, минуя первый пункт сопряжения. Поэтому образуются только 2 молекулы АТФ (Р/О = 2).

После синтеза АТФ переносится в цитоплазму путем облегчённой диффузии по градиенту концентраций, поскольку основные процессы, в которых АТФ потребляется, протекают в цитоплазме.

Как происходит транспорт АТФ из митохондрий в цитоплазму?

Для этого используется специфический для АТФ транспортный белок - АТФ/АДФ-транслоказа. Это интегральный белок, локализован во внутренней мембране митохондрий.

Во внутренней мембране митохондрий есть белокпереносчик - АТФ/АТФтранслоказа, который имеет 2 центра связывания: со стороны матрикса для АТФ, снаружи - для АДФ. При изменении конформации АТФ/АДФтранслоказы АДФ переносится в матрикс, а АТФ - в межмембранное пространство, а

затем - в цитоплазму, где используется.

Для образования АТФ в матрикс всё время должен поступать неорганический фосфат (Ф). Для этого во внутренней мембране митохондрий есть транспортная система, которая обеспечивает перенос фосфата в матрикс сопряженно с переносом Н+. Это белок-переносчик, который имеет 2 центра

связывания: для Ф и Н+. Ф и Н+ вместе переносятся из межмембранного пространства в матрикс.

8. Регуляция биоэнергетических процессов в клетке. Дыхательный контроль.

Если клетка организма находится в условиях покоя, то АТФ мало используется и накапливается. Поэтому снижается концентрация АДФ и Ф. В этих условиях АТФ-синтетаза уже не получает из цитоплазмы достаточно фосфата и АДФ для синтеза АТФ. Её активность понижается, и скорость движения протонов из межмембранного пространства в матрикс по протонному каналу этого фермента тоже падает. Поэтому сохраняется высокий градиент концентраций протонов на внутренней мембране митохондрий. В этих условиях энергии переноса водорода по цепи митохондриального окисления уже не хватает для выталкивания Н+ из матрикса в межмембранное пространство. Перенос водорода по цепи тормозится и прекращается окисление субстратов.

Метаболизм в клетке регулируется отношением АТФ/АДФ. Это отношение характеризует ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЗАРЯД КЛЕТКИ (ЭЗК).

В норме ЭЗК = 0.85-0.90. Может изменяться от 0 до 1. Высокий ЭЗК тормозит синтез АТФ, и активирует использование АТФ (АТФ-> АДФ + Ф)

Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем. В результате дыхательного контроля скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клетки в энергии. Общее содержание АТФ в организме 30—50 г, но каждая молекула АТФ в клетке «живёт» меньше минуты. В сутки у человека синтезируется 40—60 кг АТФ и столько же распадается.

9. Разобщение окисления и фосфорилирования.