Теория окислительного фосфорилирования

Механизм сопряжения дыхания и фосфорилирования.

Для объяснения механизма окислительного фосфорилирования выдвигалось много гипотез.

Общепринятой в настоящее время является хемиосмотическая теория, предложенная Митчеллом в 1961 году.

Рис. 3. Схема сопряжения дыхания и фосфорилирования согласно хемиосмотической теории.

1. Процесс протекает на внутренней мембране митохондрий, где располагается дыхательная цепь ферментов.

2. Внутренняя мембрана непроницаема для протонов (и большинства катионов). Это свойство обусловливает возможность неравномерного распределения заряженных частиц по обе стороны мембраны. Движение протонов и электронов имеет строго определенную направленность.

3. Ферменты-переносчики дыхательной цепи располагаются в мембране зигзагообразно. Они способны не только акцептировать атомарный водород от окисляемых субстратов, но и транспортировать его в поперечном направлении через мембрану

Достигая противоположного (внешнего) слоя мембраны, переносчик освобождает в водное пространство снаружи от нее протоны, а электроны при участии дополнительных переносчиков направляются обратно к внутреннему слою мембраны и передаются очередному ферменту дыхательной цепи. Для восстановления ферментам кроме электронов нужны протоны, которые поступают из внутреннего пространства за счет вынужденной диссоциации воды. Всего при переносе пары электронов (от НАД^.2Н) по дыхательной цепи происходит выталкивание в межмембранное пространство трех пар протонов.

Таким образом, протоны транспортируются от внутреннего слоя мембраны со стороны матрикса к наружному со стороны межмембранного пространства, а электроны передаются по цепи ферментов, достигая конечного акцептора электронов – кислорода: 2е + ½ О₂ + Н₂О = 2ОН^- (1).

4. В результате такого перераспределения электрических зарядов со стороны матрикса внутренняя мембраны оказывается заряженной отрицательно и щелочной (в ней накапливается избыток ОН^- -ионов за счет реакции (1) и остающихся ОН^- от диссоциации воды в матриксе), а со стороны межмембранного пространства - заряженной положительно и более кислой (за счет транспорта протонов). Возникает электрохимический протонный градиент, в форме которого на замкнутой мембране и происходит концентрация энергии. Электрохимический потенциал обозначают Δμ_Н+ и состоит он из электрического (ΔΨ – разности электрических потенциалов) и осмотического (ΔрН – разности концентраций протонов).

Δμ_Н+ = ΔΨ + ΔрН

Основную величину (4/5) составляет электрический потенциал.

Из-за разницы в концентрации и электрическом потенциале на протоны, находящиеся в наружном пространстве, действует сила, стремящаяся перевести их через мембрану во внутреннее пространство.

5. Возвращение протонов в матрикс осуществляется с помощью фермента аденозинтрифосфатазы (АТФ-азы или АТФ-синтазы). Этот фермент встроен во внутреннюю мембрану. Возникающие изменения в мембране (электрохимический потенциал) передаются АТФ-синтазе, которая активизируется и катализирует синтез АТФ.

АТФ-аза представляет собой интегральный белок, состоящий из двух типов субъединиц: F₀ – состоит из четырех полипептидных цепей, проходящих через всю внутреннюю мембрану и образующих канал для протонов; F₁ – грибовидная каталитическая субъединица, расположенная на внутренней мембране со стороны матрикса, осуществляют реакцию АТФ + Н₂О = АДФ + Н₃РО₄.

Ток протонов создает в каталитической субъединице электрическое поле, которое смещает реакцию в сторону синтеза АТФ. В матриксе протоны соединяются с гидроксильными ионами. Образуется вода – конечный продукт окислительного фосфорилирования. Мембрана разряжается, а энергия электрохимического потенциала переходит в энергию макроэргических связей АТФ. В условиях организма в макроэргических связях АТФ аккумулируется около 60% энергии электрохимического потенциала, остальное ее количество рассеивается в виде тепла, за счет чего поддерживается температура тела.

Следует отметить, что протонный градиент на биомембранах может использоваться не только для синтеза АТФ, но и для других целей: для транспорта через мембраны нуклеозидди- и трифосфатов, для поддержания осмотического давления, для транспорта через мембраны веществ против градиента концентрации, для выработки тепла.

Таким образом, окислительное фосфорилирование – синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии электрохимического потенциала.

Для количественной оценки этого процесса введено понятие коэффициента фосфорилирования.

Коэффициент фосфорилирования – это отношение неорганического фосфата, потребляемого в процессе дыхания, к атому кислорода, т.е. Р/О. Это отношение равно 3 (если окисляемые субстраты переносят водороды на НАД) или 2 (если окисляемые субстраты переносят водороды на ФАД и далее по цепи ферментов), т.е. на каждый атом поглощенного кислорода в процессе дыхания образуется 3 или, соответственно, 2 АТФ.

Высокая эффективность реакций синтеза АТФ, сопряженных с переносом электронов по дыхательной цепи, может быть реализована только на специализированных мембранных структурах. В клетках человека и животных все основные процессы, связанные с окислительными превращениями пищевых веществ, в том числе и окислительное фосфорилирование, происходят в особых внутриклеточных органеллах, называемых митохондриями. В митохондриях клеток нашего организма вырабатывается более 90% всего количества энергии, необходимой для поддержания процессов жизнедеятельности.

Дата добавления: 2015-05-08