Лекция 13 Окислительное фосфорилирование. Хемиоосмотическая теория окислительного фосфорилирования

План лекции:

1. Пункты образования АТФ

2. Коэффициент окислительного фосфорилирования

3. Хемиоосмотическая теория Митчелла – Скулачева

4. Разобщители дыхания и фосорилирования.

5. Терморегуляторная функция дыхательной цепи

Цель лекции:

Так как электроны всегда стремятся переходить от электроотри- цательных систем к электроположительным, их транспорт по дыхательной цепи сопровождается снижением свободной энергии.

В дыхательной цепи можно выделить 3 участка, в которых перенос электронов сопровождается относительно большим снижением свободной энергии. Эти этапы способны обеспечить энергией синтез АТФ. Так как количество выделяющейся свободной энергии приблизительно равно энергии, необходимой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата, каждое увеличение потенциала в дыхательной цепи на 0,18 – 0,22в. освобождает около 42 кДж энергии, достаточной для образования одной молекулы АТФ. Таких пунктов 3:

Первый пункт – между НАДН и К₀Q разность потенциалов -0,32

+0,04 =-0,28 – АТФ.

Второй пункт – между в и с₁ -0,25 -0,07 = 0,18 –АТФ.

Третий пункт – между цит. а₃ и О₂ +0,82 -0,55= +0,27 –АТФ.

Синтез АТФ из АДФ и Н₃ РО₄ за счет энергии переноса электронов в дыхательной цепи называют окислительным фосфорилированием.

В первые в начале 30-х годов Энгельгард высказал мысль, что окисление сопровождается фосфорилированием.

Энгельгардт помещал в сосуд, с питательной смесью, эритроциты и добавлял О₂ и неорганический фосфат. Он обнаружил, что клетки живут и используют кислород. Когда он подсчитал количество неорганического фосфата, то оказалось, что его стало меньше. Отсюда, Энгельгардт, сделал заключение, что неорганический фосфат превращается в органический фосфат. Далее было доказано, что при поглощении одной молекулы кислорода образуется 3 молекулы органического фосфата.

Р : О~3

Это называется коэффициент окислительного фосфорилирования.

Р/О для НАДН- равен 3

Р/О для ФАДН₂=2

Каким же образом происходит сопряжение окисления и фосфорирования?

Наиболее обоснованной ответ на этот вопрос дает хемиосматическая теория Митчелла, предложенная им в 1961 году, подтвержденная и детально разработанная Скулачевым и другими учеными.

Хемоосмотическая теория Митчелла – Скулачева состоит в предположении, что дыхание и фосфорирование связаны между собой через электрохимический потенциал ионов водорода на митохондриальной мембране.

( ∆µН⁺) –

Компоненты дыхательной цепи , присоединяя электроны, могут захватывать протоны водорода из матрикса и отдавать в межмембранное пространство.

Протоны, перенесенные из матрикса в межмембранное пространство, не могут вернуться обратно в матрикс, так как внутренняя мембрана не проницаема для протонов. Таким образом, создается протонный градиент, при котором концентрация протонов в межмемебранном пространстве больше , чем в матриксе. Кроме этого, каждый протон несет положительный заряд и вследствие того появляется разность потенциалов по обе стороны мембраны.

На каждую пару электронов, переносимую вдоль дыхательной цепи от НАДН к О₂ ,приходится 3 пары ионов водорода, извлекаемых в межмембранное пространство. При этом наружняя поверхность, внутренней мембраны, приобретает положительный заряд, а внутренняя - отрицательный.

В результате возникает электрохимический потенциал, энергия которого используется АТФ - азной системой для синтеза АТФ из АДФ и Н₃ РО₄ .

АДФ + Н₃ РО₄ →АТФ

С помощью АТ Фазной системы образуется и быстро удаляется Н₂О в виде Н⁺ и ОН^- из реакции синтеза.

АТФаза расположена в непосредственной близости к дыхательной цепи. АТФаза состоит из двух белковых компонентов F₀ и F₁ .

Гидрофобный комплекс F₀ погружен в мембрану, состоит из нескольких субъединиц и образует канал, по которому протоны переносятся в матрикс. Комплекс F₁ выступает в митохондриальный матрикс, состоит из 9 субъединиц. Повышение концентрации протонов водорода активизирует АТФазу.

Общее содержание АТФ в организме 30 – 50гр, но каждая молекула АТФ «живет» меньше минуты. В сутки у человека синтезируется 40 – 60 кг АТФ и столько же распадается. Увеличение концентрации АДФ приводит к ускорению дыхания и фосфорилирования.

Разобщители дыхания и фосорилирования.

Некоторые химические вещества могут переносить протоны из межмембранного пространства через мембрану в матрикс, минуя протонные каналы АТФазы. В результате этого исчезает электрохимический потенциал и прекращается синтез АТФ. Это явление называется разобщением окислительного фосфорилирования. В результате разобщения количество АТФ снижается, а АДФ увеличивается. В этом случае скорость окисления НАДН и ФАДН₂ возрастает, возрастает и количество поглощенного кислорода, но энергия выделяется в виде тепла.

Как правило, разобщители и липофильные вещества, легко проходят через липидный слой мембраны. Одним из таких веществ является 2,4 динитрофенол . Разобщителями могут быть и некоторые лекарства (дикумарол), гормон тироксин.

К разобщителям 1 этапа фофорилирования АТФ относятся ретенон, аминобарбитал и фтивазид. Разобшителями 2 этапа являются антимицин, тироксин 2,4 динитрофенилгидрозин. Разобщителям 3 этапа, т.к. ингибируют цитохом- оксидазу, являются цианидами.

Терморегуляторная функция дыхательной цепи

На синтез АТФ расходуется 40-45% всей энергии электронов, переносимых в дыхательной цепи, 25% тратится на работу по переносу веществ через мембрану. Остальная часть энергии рассеивается в виде тепла для поддержании температуры тела .

Кроме того дополнительное образование теплоты может происходить при разобщении дыхания и фосфорилирования. Разобщение этого процесса может быть полезным. Оно позволяет генерировать тепло для поддержании температуры у новорожденных, у млекопитаюших в процессе адаптации к холоду.

У новорожденных существует особая ткань бурый жир, содержащий много митахондрии, он содержит разобщаюший белок – термогенин.

При охлаждении стимулируется освобождение норадреналина из окончаний симпатических нервов. В результате происходит активация липазы в жировой ткани и расщепление жира на жирные кислоты, которые являются не только «топливом» но и регулятором разобщения окислительного фосфорилирования.

К реакциям биологического окисления относится и микросомальное окисления (или свободное окисление). Оно протекает в основном в печени и надпочечниках. Задачей микросомального окисления является превращение ксенобиотиков (не совместимых с жизнью - субстратов) лекарственных средств с участием гидроксилирующей системы, которая состоит из НАДФН₂, цитохрома Р-450 (цитохром В₅). В результате этих реакций происходят реакции гидроксилирования лекарственных веществ и выведения из организма.

В реакции свободного или микросомального окисления участвуют также О₂ и восстановительные дыхательные переносчики ( НАДФН). Акцептором электронов является цитохром Р-450.

SH+O₂----- SOH

Митохондриальное окисление – механизм использование О₂ в биоэнергетических целях. Микросомальное окисление - механизм использование О₂ с пластическими целями. Основная роль микросомальной цели это реакция гидроксилирования.

Литература:

А. Основные: 1. Биохимия. Т.Т.Берёзов, Б.Ф.Коровкин. 2010

2. Биохимия. Б.А.Строев. 1986

Б. Дополнительные:

1. Медицинская биохимия. С.М.Рапапорта. 1976

2.Биохимия. Р.Страер. 1985

3.Северин. 2003