7. Электрон-транспортная дыхательная цепь: ферменты, локализация, энергетика. Хемоосмотическая теория Митчелла.

Электрон-транспортная дыхательная цепь

Атомы водорода отщепляются от НАДН и ФАДН₂, захватываются переносчиками, встроенными во внутреннюю мембрану митохондрий, где происходит их окисление:                         

Н+ выносятся переносчиками на наружную поверхность крист, накапливаются в межмембранном пространстве, образуя протонный резервуар;

электроны (е-) атомов водорода возвращаются по цепи дыхательных ферментов в матрикс и присоединяются к атомам кислорода, который постоянно поступает в митохондрию. Атомы кислорода при этом становятся отрицательно заряженными:

На мембране возникает разность потенциалов. Когда разность потенциалов достигает 200 мВ, начинает действовать протонный канал в молекулах фермента АТФ-синтетазы, которые встроены во внутреннюю мембрану;

через протонный канал Н^- устремляются обратно в матрикс митохондрий, создавая высокий уровень энергии, большая часть которой идет на синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты – окислительное фосфорилирование, а протоны соединяются с отрицательно заряженными частицами кислорода, образуя воду — второй конечный продукт клеточного дыхания

24Н⁺ + 12О² ® 12Н₂О

Таким образом, кислород, поступивший в митохондрии, необходим для присоединения электронов, а затем и протонов. При отсутствии кислорода процессы, связанные с транспортом протонов и электронов в митохондриях, прекращаются, а следовательно, невозможно протекание и бескислородного этапа, так как все переносчики атомов водорода оказываются загруженными.

Дыхательная цепь является частью процесса окислительного фосфорилирования.

Дыхательная цепь включает три белковых комплекса встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану:

комплексы I (НАДН-дегидрогеназа) окисляет НАД*Н, отбирая у него два электрона и перенося их на растворимый в липидах убихинон, который внутри мембраны диффундирует к комплексу III. Вместе с этим, комплекс I перекачивает 4 протона (два протона на один перенесенный электрон) из матрикса в межмембранное пространство митохондрии.

комплекс III (убихинол-цитохром с-редуктаза) переносит электроны с убихинола на два водорастворимых цитохрома с, расположенных на внутренней мембране митохондрии. Убихинол передаёт 2 электрона, а цитохромы за один цикл переносят по одному электрону. При этом туда также переходят 2 протона убихинола и 2 перекачиваются комплексом.

комплекс IV (цитохром С-оксидаза) катализирует перенос 4 электронов с 4 молекул цитохрома на O2 и перекачивает при этом 4 протона в межмембранное пространство. Комплекс состоит из цитохромов a и a3, которые, помимо гема, содержат ионы меди.

Кислород, поступающий в митохондрии из крови, связывается с атомом железа в геме цитохрома a3 в форме молекулы O₂. Каждый из атомов кислорода присоединяет по два электрона и два протона и превращается в молекулу воды

и две подвижные молекулы-переносчики —

убихинон (кофермент Q, сукцинатдегидрогеназа)= комплекс II

цитохром с - принадлежит собственно к цитратному циклу, также может рассматриваться как дыхательной цепи.

АТФ-синтаза иногда называется комплексом V, хотя она не принимает участия в переносе электронов.

Фосфорилирование — процесс присоединения к какому-либо субстрату остатков фосфорной кислоты.

Фосфорилирование АДФ обеспечивает запасание энергии в форме АТФ для ее последующего расходования:

АДФ + Фн → АТФ + H₂O

катализирует эту реакцию локализованная в мембране FO/F1-АТФ-синтаза.

Реакция, протекающая слева направо, сопряжена с транспортом H+ по электрохимическому протонному градиенту (ΔμH+), при этом выделяется энергия, что приводит к разрядке градиента и синтезу АТФ

Хемоосмотическая теория П. Митчелла

Решающее значение для клеточного синтеза АТФ имеет протонный градиент

Протонные градиенты формируются различными способами:

• при фотосинтезе восстановленный пластохинон (QH₂) переносит протоны вместе с электронами через мембрану тилакоида

• образование протонного градиента в дыхательной цепи также сопряжено с окислительно-восстановительным процессом:

В каждом из этих случаев в соответствии с хемоосмотической теорией П. Митчелла, энергия, освобождаемая в результате работы электрон-транспортной цепи, первоначально накапливается в форме трансмембранного протонный градиента - ΔμH⁺ . Разрядка образующегося ΔμH⁺ происходит с участием локализованного в той же мембране протонного АТФ-синтазного комплекса, осуществляющего синтез АТФ. Сами мембраны в интактном состоянии непроницаемы для ионов, особенно H+ и ОH.