Субстратное и окислительное фосфорилирование. Теория Митчелла

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ - это синтез АТФ из аденозиндифосфата и неорганического фосфата, осуществляющийся в живых клетках, благодаря энергии, выделяющейся при окислении органических веществ в в процессе клеточного дыхания.

СУБСТРАТНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ - это синтез АТФ, не связанный с электрон-транспортной системой, при котором остаток фосфорной кислоты (Н2РО3) переносится на АДФ от высокоэнергетического (фосфорилированного) соединения. Для ряда анаэробов (осуществляющих брожение) является единственным способом получения энергии.

В процессе биологического окисления около 50% энергии резервируется клетками тканей в макроэргических соединениях, преимущественно АТФ. Синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты, который происходит с использованием энергии, выделяющееся при окисления веществ в живых клетках, и связанный с переносом электронов по дыхательной цепи, называется окислительным фосфорилированием.

Окислительного фосфорилирования может осуществляться на уровне субстрата (субстратное фосфорилирование), но главным образом на различных этапах дыхательной цепи. Субстратное фосфорилирование, как отмечалось выше, происходит путем непосредственной передачи молекулы активного фосфата с субстратов, содержащих макроэргических связь, на АДФ с образованием АТФ (см. Обмен углеводов, липидов). Например, промежуточный продукт распада глюкозы и триацилглицеры-нов 2-фосфоенолпировиноградна кислота отдает свой активный фосфат на АДФ с образованием АТФ за реакцией. Однако субстратное фосфорилирование дает незначительное количество молекул АТФ. Основное их количество синтезируется в процессе фосфорилирования, которое связано с клеточным дыханием. Установлено, что на каждом этапе переноса электронов от одного переносчика на другой они переходят с одного энергетического уровня на другой (ниже), в результате чего происходит высвобождение определенного количества энергии. Однако существует три этапа, когда энергии, высвобождаемой, достаточно для синтеза АТФ

На основе данных термодинамики допускала наличие трех участков (пунктов) дыхательной цепи, которые сопровождались синтезом АТФ. Опыты с применением специфических ингибиторов определенных ферментов дыхательной цепи подтвердили эти данные. Так, ро-тенон (инсектицид - токсичное вещество растительного происхождения, применяется индейцами как яд) блокирует перенос электронов на участке от НАДН2 к КОО. При этом все компоненты дыхательной цепи переходят в окисленный состояние, т.е. уменьшается скорость транспорта электронов. Амитал (барбитураты натрия) препятствует восстановлению КОО. Антибиотик антимицин А

блокирует перенос электронов от цитохрома b цитохром Cj, а цианиды, азид натрия, сероводород связываются с цитохромоксы-ГАЗО и препятствуют переходу электронов с ЦХО на молекулярный кислород.

Из приведенной выше схемы (рис. 57) следует, что первая молекула АТФ синтезируется во время переноса электронов и протонов на участке «никотинамидных кофермент - флавопротеид - KoQ», вторая - при переносе электронов от цитохрома b цитохром с1 и третья - на участке переноса электронов от цитохромоксидазы на молекулярный кислород. Отсюда при переносе двух атомов водорода в дыхательной цепи образуется три молекулы АТФ.

Итак, в дыхательной цепи есть три участка, в которых перенос электронов сопровождается значительным снижением свободной энергии. Это те участки, где освобождена энергия запасается, то есть используется для синтеза АТФ.

Основными постулатами теории Митчелла является следующее:

1. 1) внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ионов и малых молекул (за исключением молекул воды);

2. 2) дыхательная цепь работает как «насос», что скачивает протоны из матрикса в межмембранного пространство – движение 2 электронов от субстрата на кислород приводит к переносу 8-10 Н + (протоны транспортируются через I, III и IV комплексы) через мембрану;

3. 3) работа дыхательной цепи создает электрохимический градиент протонов (??Н +), так как они свободно через внутреннюю митохондриальную мембрану вернуться в матрикс не могут и будут накапливаться в мижмемб-ранний пространстве;??Н + – это промежуточная форма хранения энергии окисления субстратов;

4. 4) энергию протонного градиента использует Н + -АТФ- синтаза (V комплекс) для синтеза АТФ, когда через одну из ее субъединиц протоны возвращаются в матрикс;

5. 5) существуют соединения – разъединители окислительного фосфорилю ния, которые нарушают электрохимический градиент протонов и снижают эффективность работы Н + АТФ-синтазы.

Согласно этой теории, трансмемб­ранные потенциалы ионов могут служить источником энергии для синтеза АТФ, транспорта веществ и других энергозависимых про­цессов в клетке. В частности, АТФ синтезируется за счет кинети­ческой энергии протона, проходящего через АТФ-синтетазу (спе­цифический тоннельный белок, пронизывающий мембрану).

Протонная АТФ-синтаза – это олигомерных белок, встроенный во внутреннюю мембрану митохондрии и по строению напоминает гриб. Она содержит две субъединицы:
Fo – протонный канал (в – от «олигомицин»); только через этот канал протоны могут вернуться в матрикс;
F1 – фермент, который использует энергию, которая высвобождается при транспорте протонов через Fo для синтеза АТФ из АДФ и Фн.
П.Митчелл в своей теории теоретически отдал функцию сопряжения окисления и фосфорилирования именно Н + АТФ-азу. Экспериментальное пиддтердження этот факт нашел в трудах Джона Уокера и Пола Бойера, которые за «Выяснение энзимного механизма, лежащего в основе синтеза аденозин-фосфата» в 1997 году получили Нобелевскую премию по химии.

На сегодня известно, что при транспорте протонов через Fo-субъединицу происходят конфирмацийни изменения в активном центре F1-субъединицы, которые приводят к ее активации и соответственно синтеза АТФ и ее высвобождение. Молекулы АТФ, синтезируемых транспортируются в цитозоль с помощью транслоказы.

Для синтеза молекулы АТФ, ее высвобождения и транспорта в цитозоль нужна энергия 4 протонов (40% этой энергии идет на синтез АТФ, 60% выделяется в виде тепла).

Количество молекул неорганического фосфата, которое перешло в связанную форму (то есть в АТФ) в пересчете на один атом кислорода называется коэффициент окислительного фосфорилирования и обозначается Р / O (коэффициент фосфорилирования).
Коэффициент Р / O численно равно количеству молекул АТФ, синтезировались в результате транспорта 2? на один атом кислорода. Поэтому для субстратов, окисляются под действием НАД-зависимых дегидрогеназ Р / O = 3 (например, для пирувата,?-кетоглутарата, изоцитрата, малата). Для субстратов, которые окисляются с помощью ФАД-зависимых дегидрогеназ, этот коэффициент равен 2 (например, для сукцината, ацил-КоА, глицерил-3-фосфата).

Согласно этой теории, перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается скачиванием протонов с матрикса через внутреннюю мембрану в водную среду межмембранного пространства.

Предполагают, асимметрично расположенные в мембране компоненты дыхательной цепи образуют три петли, которые переносят через мембрану протоны, то есть служат протонной помпы. С каждой парой электронов, передаваемых от субстрата к кислороду, эти три петли транспортируют из матрикса митохондрий шесть протонов (по новым данным, не менее 9). Таким образом, энергия, которая выделяется при переносе электронов, затрачивается на перекачку ионов Н + против градиента концентрации. Вследствие скачивания ионов Н + с матрикса внутреннюю сторону внутренней мембраны митохондрий становится электроотрицательным, а внешний – электроположительны, то есть возникает градиент концентрации ионов водорода: меньше в матриксе и больше – во внешней водной фазе. Суммарный электрохимический протонный потенциал сказывается??Н +. Он состоит из 2-х компонентов:??Н =?рН и?V.

Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ионов Н +, а также ионов ОН, К +, Na +, СI-, но мембранный белок Fo АТФазы образует канал, по которому ионы Н + возвращаются в матрикс по градиенту концентрации, свободная энергия, которая при этом выделяется, используется F1-компонентом АТФазы для синтеза АТФ из АДФ и Фн.