Механизм окислительного фосфорилирования

На основании строения и функций компонентов дыхательной цепи предложен механизм окислительного фосфорилирования:

1. Ферменты дыхательной цепи расположены в строго определенной последовательности: каждый последующий белок обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий (он более электроположителен, т.е. обладает более положительным окислительно-восстановительным потенциалом). Это обеспечивает однонаправленное движение электронов.

Все атомы водорода, отщепленные дегидрогеназами от субстратов в аэробных условиях, достигают внутренней мембраны митохондрий в составе НАДНили ФАДН₂.

НАД - никотинамид аденин динуклеотид водорастворимый переносчик электронов. Окислительное фософорилирование начинается с поступления электронов в дыхательную цепь. Поставщиками электронов для НАД (НАДФ) служат различные дегидрогеназыцитозоля или митохондрий. У субстрата забираются два атома водорода. Один связывается с НАД, другой выходит в окружающую среду.

Реакция выглядит следующим образом:

Восстановленный субстрат + NAD = окисленный субстрат + НАДН + Н*

Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для НАДН, поэтому электроны передаются с него непосредственно на акцепторы первого комплекса ЦПЭ.

ФАД – флавин аденин динуклеотид. Флавопротеины обычно очень тесно (ковалентно) связаны с флавиновыми нуклеотидами (ФМН, ФАД), которые часто являются коферментами активного центра. Окисленный получает два электрона и образуется ФАДН₂ или ФМНН₂. В цепь они их могут отдавать по одному электрону.

Митохондриальная дыхательная цепь состоит из серии согласованно работающих переносчиков электронов, большинство из которых представлены интегральными белками, простетические группы которых способны получать и отдавать один или два электрона. Есть три типа переносчиков:

1. прямой перенос электронов путём восстановления Fe³⁺ вFe²⁺;

2. перенос в виде атома водорода Н⁺ + е^-;

3. перенос в виде иона водорода :Н^-, который несёт два электрона.

Кроме НАД и флавопротеинов переносчиками электронов служат:

· гидрофобная молекула хинона (убихинон,коэнзим Q, коэнзим Q10). Это жирорастворимый бензохинон с длинной боковой изопреноидной цепью (у человека – 10 едениц). Наподобие флавопротеинов служит связующим звеном между двухэлектронными донорами и одноэлектронными акцепторами электронов.

и два различных типа железосодержащих белков:

· цитохромы; Митохондрии имеют три вида цитохромов а, в и с. Цитохромы а и в нековалентно связаны с белком, который встроен во внутреннюю мембрану митхондрий, а с – ковалентно связан с цистеином цитохромов. Цитохром С исключительный – растворимый белок цепи, который электростатически связан с внешней поверхностью внутренней мембраны.

· железо-серные белки (Fe-S). Атом железа связан с гемом, а с неорганической серой или серой в составе цистеина белка.

Здесь атомы водорода (от НАДН и ФАДН₂) передают свои электроныв дыхательную ферментативную цепь, по которой электроны движутся (50-200 шт/сек) к своему конечному акцептору – кислороду. В результате образуется вода.

Поступающие в дыхательную цепь электроны имеют высокий энергетический уровень. По мере их продвижения по цепи они теряют энергию.

Энергетические соотношения в дыхательной цепи митохондрий и участки переноса ионов Н⁺ через мембрану.

Часть энергии электронов используется I, III, IV комплексами дыхательных ферментов для перемещения ионов водорода через мембрану в межмембранное пространство. Другая часть рассеивается в виде тепла.

Перенос ионов водорода через мембрану формируется градиент ионов водорода между внутренней и наружной поверхностями внутренней митохондриальной мембраны. Такой градиент обладает потенциальной энергией.

Нобелевский лауреат П. Митчел предложил хемиосмотическуюмодель. Электрохимическая энергия рождается из-за разности концентрации протонов и разности заряда вокруг внутренней мембраны митохондрии.

Градиент (Δμ, "дельта мю") получил название электрохимический градиент или протонныйградиент. Он имеет две составляющие – электрическую (ΔΨ, "дельта пси") и концентрационную (ΔрН):

Δμ = ΔΨ + ΔрН

Как завершение всех предыдущих событий и необходимый их результат происходит наработка АТФ: ионы H⁺ теряют свою энергию, проходя через АТФ-синтазу (Н⁺-транспортирующая АТФ-аза, КФ 3.6.3.14.). Часть этой энергии тратится на синтез АТФ. Другая часть рассеивается в виде тепла: