13. Этц: компоненты, локализация. Механизм окислительного фосфорилирования. Хемиосмотическая теория Митчелла

Дыхательная электронтранспортная цепь состоит из переносчиков электронов, которые передают электроны от субстрата на кислород. Переносчики расположены в порядке возрастания их окислительно-восстановительных потенциалов. Окислительно-восстановительный потенциал характеризует сродство переносчика молекул к электронам.

Переносчики электронов входят в состав комплексов: их простетические группы, или редокс-центры, формируют пути переноса электрона. Связь между комплексами осуществляют подвижные переносчики: убихинон и цитохром с. Участники транспорта могут функционировать как двухэлектронные (флавопротеиды и убихинон) и одноэлектронные (цитохромы и железосерные белки) переносчики.

Цепь начинается от НАДН, имеющего потенциал -0,32 В и кончается кислородом (+0,82 В). Остальные переносчики расположены между ними в порядке последовательного повышения потенциала. Это и позволяет электронам передвигаться по направлению к кислороду.

НАДН – ФМН – убихинон – цит b – цит с₁ – цит с – цит a– цита а₃ – O₂

Переносчики расположены по обеим сторонам внутренней мембраны и пересекаю ее. Каждый компонент располагается в цепи так, чтобы он мог принять электрон и передать следующему. Все переносчики, за исключением убихинона и цитохрома с, образуют во внутренней мембране 4 комплекса:

Комплекс 1 – НАДН-дегидрогеназный комплекс. Самый большой, содержит более 22 полипептидных цепей, флавинмононуклеотид и 5 железосерных центров.

Функция: переносит электроны от НАДН через ФМН и железосерные белки на убихинон. Одновременно этот комплекс переносит и протоны.

Комплекс 2 – содержит ФАД-зависимую сукцинат-убихинон-оксидоредуктазу и 3 железосерных белка.

Функция: катализирует окисление сукцината.

Убихинон (кофермент Q) – самый простой переносчик электронов, он может принять или отдать как 1, так и 2 электрона и временно захватить из окружающей водной среды протон при переносе каждого электрона, когда он отдает электрон другому переносчику, протон освобождается.

Комплекс 3 – состоит из 8 разных полипептидных цепей. В его состав входят цитохромы b, с₁ и железосерный белок.

Функция: переносит электроны от восстановленного убихинона к цит с.

Цитохром с – небольшой водорастворимый белок, располагающийся на обращенной к межмембранному пространству стороне внутренней мембраны митохондрии между комплексами 3 и 4. цитохром с переносит электроны на комплекс 4.

Комплекс 4 – цитохромоксидазный димер, состоящий из 8 полипептидных цепей. Каждый мономер содержит 2 цитохрома а и а₃ и 2 атома меди.

Функция: получает электроны от цит с и передает их кислороду воздуха. Транспорт электронов через данный комплекс сопряжен с транспортом протонов через внутреннюю мембрану митохондрии в межмембранное пространство. Этот процесс ингибируется цианидом, азидом и СО.

На внутренней стороне мембраны, расположенной к матриксу МХ, два протона и два электрона от НАДН переходят на ФМН и железосерные белки. ФМН, получив протоны, восстанавливается и переносит их на внешнюю сторону мембраны, где отдает протоны в межмембранное пространство. Железосерные белки, находящиеся внутри мембраны, передают электроны от НАДН окисленному убихинону Q. Он, присоединив еще два протона, диффундирует в мембране к цитохромам. Цитохром b₅₆₀ отдает два электрона убихинону. Убихинон, присоединив еще два протона из матрикса, передает еще два электрона цитохром b₅₅₆. А протоны выходят в межмембранное пространство.

На наружной стороне мембраны цитохром c₁, получив два электрона цитохрома с, передает их цитохрому a, который переносит их через мембрану на цитохром a₃. Он, связывая кислород, отдает ему электроны. Такой кислород присоединяет два протона, с образованием воды.

Таким образом, транспорт электронов в дыхательной электронтранспортной цепи сопровождается трансмембранным переносом протонов. Возникающая разность потенциалов по обеим сторонам внутренних мембран МХ используется для синтеза АТФ. Этот процесс называется ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ. Этот процесс описывается теорией Митчелла.

Согласно хемиосмотической теории Митчелла существует прямая связь между химическими процессами и транспортными.

Перенос протонов через внутреннюю мембран приводит к двум результатам:

1. Между сторонами внутренней мембраны создается градиент pH: в матриксе его величина выше, чем в межмембранном пространстве. Так, протоны легко проходят через наружную мембрану митохондрий, величина pH в цитозоле будет такой же, как в межмембранном пространстве.

2. На внутренней мембране создается разность потенциалов – мембранный потенциал, причем внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно, а наружная – положительно. В результате возникает электрохимический протонный градиент. Таким образом, электрохимический протонный градиент состоит из мембранного потенциала и градиента концентрации протонов. Обе силы стремятся перемещать протоны обратно в матрикс митохондрии. Однако внутренняя мембрана митохондрии непроницаема для протонов, поэтому они могут попасть обратно в матрикс только с помощью АТФ-азы.

В АТФ-синтетазе имеется трансмембранный канал для протонов. Когда через этот канал проходят протоны из межмембранного пространства в матрикс из АДФ и фосфата синтезируется АТФ.

Исходя из теории Митчелла, образование АТФ можно разделить на 4 этапа:

1. Фосфат-анион и АДФ соединяются с ферментом.

2. Два протона входят в канал АТФ-азы и соединяются с одним из атомов кислорода фосфата. Образуется вода.

3. Атом кислорода АДФ соединяется с атомом фосфора, образуя АТФ.

4. АТФ отделяется от фермента.

Таким образом, теория Митчелла описывает образование АТФ. При окислении одной молекулы НАДН образуется 3 АТФ, при окислении ФАДН – 2. Так, при полном окислении молекулы глюкозы образуется 38 АТФ – аэробное дихотомическое окисление. При ПФП окислительном цикле восстанавливаются 12 молекул НАДФ, в результате их окисления в дыхательной цепи может синтезироваться 36 АТФ.