Окислительное фосфорилирование

Перенос электронов от NADH к молекулярному кислороду через ЭТЦ митохондрий сопровождается потерей свободной энергии. Впервые идею о сопряжении процессов дыхания с фосфорилированием ADP и образованием АТР высказал В.А.Энгельгардт. В 1931 г. он показал, что при аэробном дыхании накапливается АТР. В 1937 -1939 гг. биохимики В.А.Блицер (СССР) и Г.Калькар (США) установили, что при окислении промежуточных продуктов цикла Кребса (янтарной и лимонной кислот), суспензиями животных тканей исчезает неорганический фосфат и образуется АТР. Процесс фосфорилирования АDР с образованием АТР, сопряженный с переносом электронов по ЭТЦ митохондрий, называется окислительным фосфорилированием.

Передача пары электронов от NADH на кислород сопровождается образованием трех молекул АТР (коэффициент фосфорилирования равен 3). Такое же значение коэффициента фосфорилирования следует из величин перепадов свободной энергии между различными группами переносчиков. Таких перепадов три: 1) между NADH и железосерным белком FeS_N2 в комплексе I (50 кДж/моль); 2) между убихиноном и цитохромом с₁ в комплексе III (13 кДж/моль), 3) между комплексом цитохрома а и атомом меди Cu_A и кислородом (98,4 кДж/моль). Если окисляется сукцинат с использованием FAD, то образуется только 2 молекулы АТР.

Для объяснения механизма синтеза АТР были предложены три гипотезы – химическая, механохимическая и хемиосмотическая.

Согласно химической гипотезе в митохондриях имеются интермедиаторы белковой природы (X, Y, Z), образующие комплексы с соответствующими восстановленными переносчиками. В результате окисления переносчика в комплексе возникает высокоэнергетическая связь. При распаде комплекса к интермедиатору с высокоэнергетической связью присоединяется неорганический фосфат, который потом передается на ADP:

Х~Р + ADP → АТР +Х

Однако интермедиаторы не были обнаружены.

По механохимической гипотезе предложена в 1965 г. американским биохимиком П.Бойером следует, что при окислении субстратов происходят конформационные изменения митохондрий, которые и обеспечивают энергию для синтеза АТР:

АТР

Окисление субстратов → конформационные изменения →

в митохондриях белков

ADP+ Р

В основу данной гипотезы было положено свойство митохондрий изменять свой объем в зависимости от энергетического состояния. Но гипотеза Бойера не объясняла причины подкисления среды при работе ЭТЦ митохондрий. Объяснение этому факту было дано английским биохимиком Питером Митчеллом в 1961-1962 гг.

Он предположил, что элементы ЭТЦ митохондрий расположены в мембране таким образом, что переносчики электронов и протонов чередуются с переносчиками только электронов. Движение электронов по ЭТЦ сопровождается транспортом протонов в межмембранное пространство митохондрий. В результате на внутренней мембране митохондрий формируется электрохимический градиент протонов, который и является непосредственным источником энергии для синтеза АТР. Синтез АТР осуществляется в процессе транспорта протонов по градиенту концентрации через протонный канал Н⁺-АТРазы.

В дальнейшем, теория Митчелла получила экспериментальные подтверждения. За создание хемиосмотической теории окислительного фосфорилирования Питеру Митчеллу в 1978 г. была присвоена Нобелевская премия.

Таким образом, энергия окисления дыхательных субстратов в процессе переноса электронов и протонов по ЭТЦ вначале трансформируется в энергию электрохимического градиента ионов Н⁺ (∆μ_Н+, или протондвижущую силу) на внутренней мембране митохондрий и только затем преобразуется в энергию макроэргической связи АТР:

АТР

Окисление дыхательных субстратов → мембранный градиент рН →

в митохондриях ADP + P

Механизм трансформации энергии мембранного градиента рН в макроэргическую энергию фосфатной связи АТР объясняют несколько принципов – прямой механизм Митчелла и обменно-связывающий механизм Бойера.

Согласно Митчеллу, синтез АТР идет следующим образом. Сначала ADH и Р связываются с комплексом F₁ фермента АТР-синтетазы (см. рис.). Далее протоны, перемещаясь по протонному каналу, взаимодействуют с одним из атомов кислорода фосфорной кислоты, который выводится из комплекса в виде воды:2Н⁺+О→Н₂О. После этого ADP через атом кислорода соединяется с фосфатом, образуя АТР. На заключительном этапе происходит отделение молекулы АТР от ферментативного комплекса.

Согласно обменно-связывающего механизма на первом этапе происходит присоединение ADP и Р к активному центру фермента и синтез АТР без притока энергии. На втором этапе ионы Н⁺, перемещаясь по протонному каналу АТР-сиснтетазного комплекса (F_о), вызывают конформационные изменения в каталитическом центре F₁, в результате чего происходит высвобождение АТР.

Дальнейшие исследования этого процесса показали, что синтез АТР идет согласно механизму, предложенному П.Бойером.

Механизм работы АТР-синтетазного комплекса

АТР-синтетаза состоит из из водорастворимого каталитического центра F₁ и интегрального мембранного комплекса F_о. АТР-синтетаза присутсвует во внутренней мембране митохондрий и хлоропластов. Комплекс F₁ включает пять различных белков (три β-субъединицы, три α-субъединицы, и по одной γ-, δ-, ε-субъединицы), F_о более вариабелен, в его состав входит до нескольких десятков белков.

Обменно-связывающий механизм Бойера включает три принципиальных элемента:

1. Основным этапом, требующим энергии, является не синтез АТР, а его отделение от фермента.

2. В АТР-синтетазном комплексе связывание субстратов и высвобождение продуктов реакции происходит в трех отдельных, но взаимодествующих между собой каталитических участках фермента. При этом каждый из каталитических участков может существовать только в одном из трех конформационных состояний.

3. Поток ионов Н⁺ через протонный канал F_о по градиенту электрохимического потенциала вызывает вращение γ-субъединицы АТР-синтетазного комплекса. Это вращение приводит к конформационным изменениям в каталитических участках, которые позволяют АТР высвобождаться от фермента и процессу идти дальше.

Два первых постулата получили много подтверждений, а последний был доказан группой английских исследователей под руководством Джона Уокера в Кембридже. За свой вклад в установление механизма синтеза АТР П.Бойер и Д.Уокер в 1997 г. были удостоены Нобелевской премии.

Согласно современной модели функционирования АТР-синтетазного комплекса митохондрий (рис.) источником энергии для мембранного транспорта протонов является протондвижущая сила на внутренней мембране. Движение ионов Н⁺ по протонному каналу АТР-синтетазы вызывает вращение с-субъединичного комплекса внутри мембраны. Это инициирует вращение γ-субъединицы, тесно связанной с F_о-комплексом. Вращение γ-субъединицы внутри F₁-комплекса вызывает конформационные изменения в каталитическом центре, необходимые для синтеза АТР. нципиальных элемента:

ов. механизму, предложенному П.слоты, который выводит

Рис. Модель функционирования АТР-синтетазы.

Дата добавления: 2013-12-13