Окислительное фосфорилирование в дыхательной цепи

Мера эффективности окислительного фосфорилирования служит Коэффициент Р/О

Коэффициент Р/О — количество атомов фосфора, включенных из формы неорганического фосфата в состав АТФ, в расчете на 1 связанный атом кислорода, пошедший на образование воды в ходе работы дыхательной цепи.

При окислении восстановленного НАД р/о максимально равен 2,5 молекулы АТФ

При окислении восстановленного ФАД (КоQ восстановленного) р/о = 1,5 молекулы АТФ

При окислении восстановленного цитохрома С р/о = 1

Наиболее обоснованной гипотезой, которая объясняет каким образом, синтезируется АТФ, является хемиосмотическая теория,  предложенная Митчеллом

Суть:

Свободная энергия, выделяющаяся при движении электронов по цепи дыхательных ферментов, используется для откачки (выброса) протонов из внутреннего пространства (матрикса) митохондрий, через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство

В результате в межмембранном пространстве накапливаются протоны, а матриксе – гидроксилы

Перемещение протонов из матрикса в межмембранное пространство осуществляется за счет векторного анизотропного расположения дыхательных комплексов, причем на уровне 1-го комплекса выбрасывается 4 протона, на уровне 3 комплекса – 2 протона, а 4-й комплекс – 4 протона

Матрикс непроницаем для протонов

В результате откачки протонов из матрикса в межмембранное пространство создается разность электрохимических потенциалов (протонный градиент D µН ), относительно матрикса

Она складывается градиента концентрации протонов (Z*DрН) относительно внутренне мембраны (снаружи концентрация высокая) и разности электрического заряда DѰ относительно этой мембраны

С наружи – «+», изнутри – «-»

 

Система, имеющая в своём структуре градиент электрохимического потенциала, является системой, имеющей запас химической энергии, эта химическая энергия используется в дальнейшем для синтеза для синтеза АТФ

Трансформация энергии электрохимического градиента в энергию макроэргических связей АТФ обеспечивается работой надмолекулярного белкового комплекса, причем этот комплекс является структурным компонентом внутренне мембраны митохондрий

Он состоит из белков, тесно связанных др с др

1. Белок Ф0

2. Белок Ф1

Белок Ф0 (протонный канал) – трансмембранный белок, пронизывающий митохондриальную мембрану, поэтому он образует туннель, через который протоны двигаются по градиенту концентрации из межмембранного пространства в матрикс

Ф1 соединяется с белком Ф0 и представляет собой фермент АТФ-синтетазу, которая способна использовать свободную энергию, выделяющуюся при движении протонов по градиенту электрохимического потенциала, для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата

 

По Митчеллу, аккумулирование свободной энергии, выделяющейся в ходе работы цепи дыхательных ферментов, состоит из 2 этапов

1. Энергия, выделяющаяся при движении электронов, трансформируется в энергию электрохимического градиента

2. Энергия электрохимического градиента трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ

АТФ-синтетаза:

Доказательства страведливости теории:

1. синтез АТФ в митохондриях происходит только при сохранении целостности их внутренней мембраны, если она нарушена вся энергия превращается в тепловую энергию

2. добавление протонов в среду, содержащую митохондрии, сопровождается  синтезом в них АТФ, т.е. синтез АТФ идет за счет искусственно создаваемого электрохимического градиента, поскольку вносимые в среду протоны свободно проникают в межмембранное пространство, но не проникают в матрикс

Окисление в митохондриях одной молекулы сукцината сопровождается выведением в межмембранное пространство 6 протонов

А окисление α-кетоглутарата выведением 10 протонов

В неповреждённых митохондриях процесс движения электронов по дыхательной цепи и процесс синтеза АТФ  жестко сопряжены, причем интенсивность потока электронов по дыхательной цепи лимитируется  скоростью синтеза АТФ

Это объясняется тем, что за счет синтеза АТФ идет разрядка формируемого работой дых цепи электрохимического градиента

Если скорость синтеза АТФ снижается, то величина электрохимического градиента будет нарастать,

Энергии, которая выделяется при работе дых цепи, будет недостаточно для откачки протонов из матрикса митохондрий против возросшего уровня электрохимического градиента

Торможение выброса протонов  приведет к блоку работы ферментных комплексов дыхательной цепи

Синтезированная в ходе окислительного фосфорилирования АТФ поступает из матрикса митохондрий в цитозоль с помощью специальной транспортной системы, эта транспортная система переносит молекулу АТФ из матрикса в цитозоль в обмен на молекулу АДФ, которая перемещается в обратном направлении

Поскольку АДФ абсолютно необходима для работы АТФ-синтетазы, скорость фосфорилирования, а значит и интенсивность работы дых цепи зависит от концентрации АДФ в матриксе митохондрий

Изменение скорости окислительных процессов в митохондриях за счет изменение в них концентрации АДФ получило название дыхательный контроль