Определение окислительного фосфорилирования
Синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, сопряженный с переносом протонов и электронов по дыхательной цепи от субстратов к кислороду, называется окислительным фосфорилированием.
Энергия окисления, достаточная для образования молекулы АТФ выделяется в дыхательных цепях в следующих участках: 1) НАДН-дегидрогеназа; 2) убихинон:цитохром с-оксидоредуктаза; 3) цитохром с-оксидаза. На этих стадиях изменения ОВП превышают 0,22 В, что достаточно для образования макроэргической связи АТФ (>30,2 кДж/моль). Уменьшение свободной энергии, сопровождающее перенос протонов и электронов на кислород в результате одного дегидрирования, составляет примерно 220 кДж/моль. При этом на синтез АТФ в полной дыхательной цепи может быть израсходовано 30,2×3=90,6 кДж/моль. Отсюда КПД ЦПЭ около 40%. Остальная энергия рассеивается в виде тепла (поддержание температуры тела).
Механизм окислительного фосфорилирования
Основной гипотезой окислительного фосфорилирования является хемиосмотическая гипотеза П.Митчелла (1961). В 1961 году Питер Митчелл предположил, что синтез АТФ сопряжен с протонным градиентом поперек внутренней мембраны митохондрий. Согласно его модели, перенос электронов вдоль компонентов дыхательных цепей внутренней мембраны митохондрий обеспечивает перенос протонов через (поперек) внутреннюю мембрану митохондрий на ее цитозольную сторону. В результате на внутренней мембране митохондрий формировался электрохимический градиент. Эта идея П.Митчела была названа хемиосмотической гипотезой. Установлено, что величина рН снаружи мембраны была на 1,4 единицы ниже, чем на внутренней поверхности мембраны, а мембранный потенциал составил 0,14 В. Этот потенциал соответствовал свободной энергии 5,2 ккал (21,8 кДж) на моль протонов.
По современным представлениям дыхание и фосфорилирование связаны между собой электрохимическим потенциалом (ЭХП) на внутренней мембране митохондрий Для объяснения необходимы следующие понятия: а) внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для Н+ и ОН-; б) во внутреннюю мембрану митохондрий вмонтирована АТФ-синтаза (комплекс V), катализирующая обратимую реакцию: АТФ + Н2О « АДФ + Рн. АТФ-синтаза состоит из следующих компонентов: Fо (oligomycin-sensitive) – гидрофобный сегмент из 13 полипептидных цепей, связанный с внутренней мембраной митохондрий; Fo – это протонный канал, по которому в норме через мембрану могут перемещаться только протоны; F1 (первый фактор, который был определен как необходимый для окислительного фосфорилирования) – периферический мембранный белок (сопрягающий фактор), катализирующий синтез АТФ при перемещении протонов; в) синтез АТФ осуществляется при перемещении протонов через АТФ-синтазу в направлении от ММП (межмембранное пространство) к матриксу.
Суть окислительного фосфорлирования: за счет энергии переноса электронов в ЦПЭ (Еокисления) происходит движение протонов через мембрану в ММП и создается электрохимический потенциал (ЕЭХП). При возвращении протонов назад через АТФ-синтазу эергия ЭХП трансформируется в энергию АТФ – ЕАТФ.
Итак: ЕОкисл. ® ЕЭХП ® ЕАТФ.
НАДН-дегидрогеназа, убихинон:цитохром с-оксидоредуктаза и цитохром с-оксидаза выталкивают протоны в межмембранное пространство. Протоны берутся из Н2О матрикса или за счет конформационных изменений в ферментах. Со стороны матрикса на мембране будет преобладать отрицательный заряд (избыток ОН-), а со стороны ММП положительный (за счет Н+). Возникает ЭХП, который состоит из двух компонентов: химического (разности концентраций ионов Н+) и электрического (разности электрических потенциалов): ΔmН+ = Dj + DрН. Эта величина измерена, она равна ~0,14 В. При обратном токе протонов через канал АТФ-синтазы (разрядка мембраны) синтезируется АТФ.
Количественная оценка окислительного фосфорилирования.Для количественного выражения окислительного фосфорилирования введен коэффициент окислительного фосфорилирования, который представляет собой отношение числа молекул неорганического фосфата, перешедших в состав АТФ в процессе дыхания, на каждый поглощенный атом кислорода.
Возникает вопрос, какое количество протонов необходимо для синтеза 1 молекулы АТФ? Количество протонов, выталкиваемых в межмембранное пространство равно 10 Н+ для НАДН и 6 Н+ для сукцината. Большинство исследователей считают, что для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо 4Н+, один из которых используется для транспорта Рн, АТФ и АДФ через митохондриальную мембрану. Следовательно, коэффициент Р/О равен 2,5 (10/4) для НАДН и 1,5 (6/4) для сукцината. Считают, что примерно 2,5 молекулы цитозольной АТФ образуется в процессе переноса пары электронов от НАДН на О2. Для электронов, поступающих от Q-цитохром-с-оксидоредуктазы, равно как и от сукцината или цитозольного НАДН, образуется 1,5 молекулы АТФ на пару электронов.
Итак, поток двух электронов через НАДН-Q-оксидоредуктазу, Q-цитохром-с-оксидоредуктазу и цитохром-с-оксидазу обеспечивает синтез 1, 0,5 и 1 молекул АТФ, соответственно.