Синтез АТФ путем окислительного фосфорилирования

Окислительное фосфорилирование -- это основной путь синтеза АТФ, за счет энергии окисления субстрата кислородом. Процесс окислительного фосфорилирования осуществ­ляется вмитохондриях. Митохондрии справедливо называют «энергетическими стан­циями» клеток, так как они улавливают энергию внешних ресурсов и трансформируют ее в другие формы энергии. Условно можно разделить процесс окислительного фосфорилирования на 4 этапа.

1. Окисление энергетических субстратов в матриксе митохондрий.

2. Окисление НАДН и ФАДН₂ в митохондриальной дыхательной цепи.

З. Генерирование протонного потенциала ΔμH⁺ за счет энергии окисления энергети­ческих субстратов.

4. Синтез АТФ за счет энергии протонного потенциала.

Окисление энергетических субстратов

В реакции дегидрирования при действии НАД⁺- и ФАД - зависимыхдегидрогеназ (ДГ)от энергетических субстратов отщепляются два атома водорода. Ферменты лока­лизованы в матриксе митохондрий, за исключением ФАД-зависимой сукцинатдегидрогеназы, которая локализована на поверхности внутренней мембраны митохондрий.

 

 

Пиридинзависимые дегидрогеназы

ПВК Ацетил - КоА

Изоцитрат ДГ α-KT
α-KT АН₂ А Сукцинил-S-КоА

Малат ОАА

β-гидроксиацил-КоА НАД⁺ НАДН+Н⁺ β-кетоацил-КоА

Флавинзависимые дегидрогеназы

 

Сукцинат ДГ Фумарат

Ацил-КоА АН₂ А Ациленоил -КоА

 

ФАД ФАДН₂

 

В восстановленных коферментах 2ē находятся на более высоком энергетическом уровне, это высокоэргические электроны.

НАДН+Н⁺ ↔ 2Н ↔ 2Н⁺ + 2ē

Таким образом, химическая энергия субстратов (АН₂) трансформировалась в энергию электронов атомов водорода (электрическую энергию).

Кофакторы дегидрогеназ (НАДН + Н⁺ - и ФАДН₂ –зависимых) являются переносчиками двух атомов водорода на другую ферментативную систему, а именно – на систему дыхательной цепи.

2.Окисление НАДН+Н ⁺ и ФАДН₂ в митохондриальной дыхательной цепи (ЦПЭ).

Окисление НАДН+Н⁺ и ФАДН₂ осуществляется при участии окислительно-восстановительных ферментов митохондрий по реакции

НАДН+Н⁺+ ¹/₂ O₂ → НАД⁺ + H₂O

Изменение свободной энергии этого процесса составляет: ΔG° = -220 кДж/моль

(ΔG° = - 52,6 ккал/моль).

Сущность окисления заключается в последовательной передаче электронов от НАДН+Н⁺ и ФАДН₂ на кислород при помощи специальных переносчиков в электронтранспортной цепи.

Переносчики электронов в электронтранспортной цепи

Окислительно-восстановительные переносчики локализованы на поверхности или встроены во внутренней мембране митохондрий. Мерой сродства окислительно- восстановительной пары к электро­нам служит окислительно-восстановительный потенциал Е^о, величина которого опреде­ляет направленность переноса электронов.

Типы переносчиков

ФМН-содержащий переносчик электронов. По структуре ФМН представляет моно-нуклеотид, у которого в качестве азотистого основания служит изоаллоксазин, соединенный через рибозу с остатком фосфорной кислоты. При восстановлении он приобретает не только электроны, но и протоны. Е^о = +0,12

ФМН + 2Н⁺ + 2ē ↔ ФМНН₂

Железо-серные центры

Это белковые негемовые железосодержащие переносчики электронов. Имеются несколько типов железо-серных центров: Fe-S,Fe₂-S₂, Fe₄-S₄. Атомы железа комплексов мо­гут отдавать и принимать электроны, поочередно переходя в ферро-(Fe²⁺) - и ферри-(Fe³⁺) - состояния. Все железо-серные центры отдают электроны убихинону.

Fe³⁺-S + 2ē ↔ Fe²⁺-S

Убихинон, кофермент-Q(KoQ) – единственный небелковый переносчик электронов.

КоQ (хинон) КоQ (семихинон) КоQН₂ (гидрохинон)

Убихинон при восстановлении приобретает не только электроны, но и протоны. При одноэлектронном восстановлении он превращается в семихинон – органический свободный радикал. Е^о=+0,01

Цитохромы – белковые переносчики электронов, в качестве простетической группы, со­держащие гемовое железо. В основе функционирования цитохромов лежит изменение степени окисления атома железа Fe³⁺ +ē ↔ Fe²⁺. Различные цитохромы обозначаются буквенными индексами: b, с₁, с, a, a₃. Отличаются цитохромы по структуре белковой части и боковых цепей гема, в связи с этим они имеют и различные величины редокс-потенциалов (окислительно-восстановительных потенциалов). Цитохром «b» Е^о = +0,08, «c_i» Е^о =+0,22, «с» Е^о = +0,25, «аа_з» Е ^о= +0,29. Отличительной особенностью цитохрома с является то,что он непрочно связан с внешней поверхностью внутренней мембраны митохондрий и легко по­кидает её.

Все эти переносчики электронов можно сгруппировать в четыре ферментативных ком­плекса, структурированные во внутренней мембране митохондрий, представляющие со­бой ферментативный ансамбль,получивший название «дыхательные ферменты»,«цитохромная система», «ЦПЭ»(цепь переноса электронов).

Комплекс I – НАДН-дегидрогеназа (НАДН-КоQ-редуктаза). Простетические группы -ФМН, FeS. Акцептор электронов – KoQ.

Комплекс III – КоQН₂-дегидрогеназа (KoQH₂ -цит.с-редуктаза). Простетические группы: FeS, цитохромы b₁, b₂, с₁. Акцептор электронов – цитохром - с.

Комплекс IV – цитохромокcидаза. Простетические группы: цитохромы аа_з, Си²⁺. Ак­цептор электронов– кислород.

Комплекс II – сукцинатдегидрогеназа (Сукцинат-КоQ-редуктаза). Простетические группы ФАД, FeS. Акцептор электронов – KoQ.

Между комплексами электроны транспортируются при помощи подвижных переносчиков - убихинона и цитохрома-с.

Окислительно-восстановительные переносчики в ЦПЭ расположены в порядке увели­чения стандартных окислительных потенциалов, что обеспечивает самопроизвольный транспорт двух электронов по дыхательной цепи от НАДН+Н⁺ к кислороду - конечно­му акцептору электронов. Перенос двух электронов по ЦПЭ является полезной ра­ботой и сопровождается поэтапным высвобождением свободной энергии Гиббса (ΔG), которая далее используется в синтезе АТФ.Поэтапное высвобождение энергии приводит к тому, что электроны, которые восстанавливают кислород, находятся на более низком энергетическом уровне, по сравнению с электронами, находящимися в вос­становленном НАДН +Н⁺ в начале цепи.

З. Генерирование протонного потенциала ΔμН⁺

Каким же образом осуществляется сопряжение транспорта электронов по дыхательной цепи с трансформацией высвободившейся электрической энергии в энергию химиче­ских связей АТФ? На этот вопрос в 1961 году дал ответ английский ученый Питер Мит­челл. Его концепция заключалась в том, что движущей силой синтеза АТФ является электрохимический потенциал, протонный потенциал – ΔμH⁺. ΔμH⁺. = Δ рН+ Δ φ

рН — градиент протонов, Δφ – разность электрического потенциала. В 1978 году

П. Митчеллу была присуждена Нобелевская премия и хемиосмотическая теория стала общепризнанной.

По теории П. Митчелла высвобождающаяся поэтапно энергия в процессе транспорта электронов по дыхательной цепи используется для выкачивания протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Транспорт 2Н⁺ из матрикса митохондрий в межмембранное пространство создает градиент концентрации протонов - ΔрН и приво­дит к возникновению отрицательного заряда на поверхности мембраны со стороны мат­рикса и положительного заряда со стороны межмембранного пространства, при этом соз­дается разность электрических потенциалов – Δφ. Источником протонов в матриксе митохондрий является НАДН + Н⁺, ФАДН₂, вода. Возможность генерирования протонного потенциала обеспечивается:

1) непроницаемостью внутренней мембраны митохондрий для ионов вообще и, особенно, для протонов.

2) раздельным транспортом протонов и электронов по дыхательной цепи. Это обеспечи­вается наличием переносчиков 2-х типов: только для электронов и электронов и протонов одновременно.

4. Синтез АТФ за счет протонного потенциала

Ферментативная система Н⁺ - АТФ- синтазный комплекс, АТФ-синтаза, АТФ-азакатализирует реакцию фосфорилирования АДФ неорганическимфосфатом за счет энергии которая аккумулирована в электрохимическом потенциале.

Протонная АТФ-синтаза состоит из 2-х субкомплексов: F₁ иF_o. F₁ - субъединица пред­ставлена 5 видами полипептидных цепей и отвечает за синтез и гидролиз АТФ. Имеет форму шляпки гриба, выступающего в матрикс митохондрий и связана с мембранной белковой субъединицей F_о. F_o - это гидрофобный сегмент из 4-х полипептидных цепей, который пронизывают всю мембрану митохондрий и образует протонный каналв ферментативном комплексе. Через протонные каналы АТФ-синтазы происходит, возвращение протонов обратно вматрикс митохондрий. Существует предположение,что прохождение прото­нов сопровождается конформационными изменениями активных центров АТФ-синтазы, что и стимулирует синтез АТФ.

В соответствии с механизмом сопряжения окислительного фосфорилирования, пред­ложенным Митчеллом, перенос двух протонов через, протонный канал АТФ-синтазы сопровождается синтезом одной молекулы АТФ.

Реакции окисления, катализируемые пиридинзависимыми дегидрогеназами, сопряжены с I-м комплексом ЦПЭ,поэтому высвобождающаяся поэтапно энергия обеспечивает транслокацию в межмембранное пространство трех пар протонови следовательно, син­тез 3-х молекул АТФ.

Реакции окисления, катализируемые флавинзависимыми дегидрогеназами, сопряжены с III-м комплексом ЦПЭ и в межмембранное пространство переносятся лишь две пары протонов,следовательно, синтезируется 2 АТФ.

Реакция окисления аскорбиновой кислотысопряжена на уровне семихинона,поэтому осуществляется транслокация только одной пары протонов и синтезируется лишь 1 молекула АТФ.

Рис.6-2. Схема «Дыхательной цепи»