Механизм окислительного фосфорилирования

Хемиосмотическая теория Митчелла

Для объяснения механизма окислительного фосфорилирования в 1961 году Митчеллом была предложена хемиосмотическая гипотеза, которая включала четыре независимых постулата, касавшиеся функции митохондрий:

1. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для всех ионов.

2. Она содержит ряд белков-переносчиков, осуществляющих транспорт необходимых метаболитов и неорганических ионов.

3. При прохождении электронов по дыхательной цепи внутренней мембраны происходит перемещение Н⁺из матрикса в межмембранное пространство.

4. При достаточно большом протонном градиенте протоны начи­нают «течь» через АТФ-синтетазу, что сопровож­дается синтезом АТФ.

Современные представления

В настоящее время открыты все основные компоненты ЦПЭ ОФ, изучено их строение, свойства. Открыты основные принципы окислительного фосфорилирования, механизмы некоторых стадий, регуляция окислительного фосфорилирования.

Механизм окисления

Комплексы цепи окисления располагаются в мембране в порядке повышения их редокс-потенциала. При переходе электрона от комплекса с низким редокс-потенциалом к комплексу с более высоким редокс-потенциалом происходит выделение свободной энергии.

Изменение свободной анергии при переносе электронов по цпэ.

E-FMN — комплекс I; E-FAD — комплекс II, b-c₁ — комплекс III; aa₃ — комплекс IV.

Часть этой свободной энергии используется для переноса протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство, при этом на внутренней мембране создается протонный градиент (∆рН) (в матриксе рН выше, чем в цитозоле). Так как каждый протон несет положительный заряд, на мембране появляется разность потенциалов (∆V), внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно, внешняя – положительно. В совокупности протонный градиент и разность потенциалов составляют электрохимический потенциал, который в типичной клетке составляет около 220 мВ, и складывается из 160 мВ ∆V и 60 мВ ∆рН (при ∆рН=1).

Механизм переноса протонов через мембрану до конца не изучен. Вероятно, у разных компонентов дыхательной цепи существуют разные механизмы сопряжения транспорта е^- с перемещением Н⁺. Однако установлено что важную роль в этом процессе играет КоQ.

Цепь окисления

1. 2е^- от НАДН₂, проходят через I комплекс (ФМН→SFe белок) на КоQ, высвобождаемая при этом энергия обеспечивает перекачку Н⁺ (механизм переноса Н⁺ неизвестен).

2. КоQ с 2е^- забирает 2Н⁺ из матрикса и превращается в КоQН₂ (восстановление КоQ проходит также с участием комплекса II).

3. КоQН₂ переносит 2е^- на комплекс III, а 2Н⁺ в межмембранное пространство.

4. Цитохром С переносит е^- c III комплекса на IV комплекс.

5. IV комплекс сбрасывает е^- на О₂, высвобождаемая при этом энергия обеспечивает перекачку Н⁺ (механизм переноса Н⁺ неизвестен).

НАДН₂

Созданный в цепи окисления электрохимический потенциал используется на: 40-45% для фосфорилирования; на 25% для транспорта веществ через мембрану и на 30-35% для теплопродукции.

I, III и IV комплексы ЦПЭ называют пунктами сопряжения дыхания и фосфорилирования, так как они создают электрохимический потенциал, необходимый для фосфорилирования.