Окислительное фосфорилирование

Процесс окислительного фосфорилирования протекает в ми­тохондриях на их внутренней мембране, где расположены два ансамбля ферментов. Один состоит из оксидоредуктаз (электронотранспортная цепь), а второй - АТФ-синтаза. Работа этих ансамблей сопряжена за счет общего для них компонента - прото­на, как показано на рис. 9.2.

Сопряжение дегидрогеназного окисления под действием мо­лекулярного кислорода и работы двух указанных ансамблей ферментов составляет суть дыхательной цепи клетки, которая является основным источником энергии для жизнедеятельности аэробных организмов.

Ансамбль оксидоредуктаз ЭТЦ обеспечивает протекание сле­дующих жизненно важных процессов:

- окисление (дегидрирование) субстрата на одном конце ЭТЦ;

- восстановление молекулярного кислорода до воды на дру­гом конце ЭТЦ;

- перенос электронов по ЭТЦ между указанными процессами;

- перенос протонов сквозь мембрану из матрикса в межмем­бранное пространство с созданием по разные стороны внутрен­ней мембраны трансмембранного протонного потенциала

Дегидрогеназное окисление начинается с окисления субстрата дегидрогеназой, которая является крайней в ЭТЦ. Она активирует субстрат и с помощью окисленной формы кофермента, например НАД⁺, отщепляет от него два электрона и два протона, переходя при этом в сопряженную восстановленную форму НАД(Н). Таким образом электроны из субстрата попадают в ЭТЦ и передаются по ней последующим компонентам вплоть до молекулы кислорода. Про­стейший вариант ЭТЦ дыхательной цепи представлен на рис. 9.3.

Последний компонент ЭТЦ - цитохромоксидаза (цитохром а,а3) в отличие от других цитохромов содержит не только ка­тионы железа, но и катионы меди. Цитохромоксидаза, взаимо­действуя с молекулой кислорода, активирует ее и восстанавливает, передавая каждому атому кислорода два электрона, полу­ченных по ЭТЦ от окисляемого субстрата.

Движение электронов по ЭТЦ происходит ступенчато от ве­ществ с низким потенциалом к веществам с высо­ким потенциалом ЭДСэтого процесса Е = 0,82 --(-0,32) = 1,14 В. Положительное значение ЭДС процесса ука­зывает, что перенос электронов по данной цепи сопровождается уменьшением энергии Гиббса:

т. е. является экзэргоническим. Энергия, которая выделяется в ре­зультате окисления субстрата и переноса двух электронов по ЭТЦ на кислород, используется на перенос протонов из матрикса сквозь внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. Этот перенос протонов против градиента их концентрации осуществляется опре­деленными оксидоредуктазами или их ассоциатами в ЭТЦ (рис. 9.3). В результате на внутренней мембране возникает трансмембранный потенциал , обусловленный наличием градиента концентрации протона | по разные стороны этой мембраны.

Согласно хемиосмотической гипотезе лауреата Нобелевской премии П. Митчела, выведенные из матрикса в межмембранное пространство протоны вследствие возникшего протонного по­тенциала снова устремляются в матрикс, но через канал ансамбля ферментов АТФ-синтазы (рис. 9.3). Это происходит только в случае целостности внутренней мембраны. Во время возвращения протонов в матрикс по каналу АТФ-синтазы про­тонный потенциал уменьшается, энергия выделяется, и за счет нее происходит синтез АТФ:

На каждую пару электронов, переданных по ЭТЦ, синтезиру­ются три молекулы АТФ, что свидетельствует о достаточно высо­ком КПД процесса окислительного фосфорилирования (= 40 %). Остальная выделяющаяся при окислении энергия частично рас­ходуется на перенос протонов против градиента концентрации, а в основном рассеивается в виде теплоты, необходимой для орга­низма. Энергоснабжение организма человека на 99 % обеспечива­ется протеканием в нем окислительно-восстановительных реакций. Суммарно процесс окислительного фосфорилирования, описываю­щий аэробное дыхание, на примере полного окисления одной мо­лекулы глюкозы позволяет синтезировать 38 молекул АТФ:

Интересно, что реакция окисления глюкозы может протекать и в обратном направлении, что и происходит при фотосинтезе у растений, где имеет место процесс фотофосфорилирования.