Окислительное фосфорилирование¶
Окислительное фосфорилирование — процесс синтеза аденозинтрифосфата (АТФ) в митохондриях (а также в бактериальных клетках), при котором энергия, высвобождающаяся при окислении субстратов в дыхательной цепи переноса электронов, запасается в виде фосфатных связей молекул АТФ. Является основным механизмом получения энергии в аэробных организмах и обеспечивает до 90 % всего АТФ, синтезируемого в клетке при аэробном дыхании.
¶Место в клеточном дыхании
Клеточное дыхание состоит из трёх последовательных этапов: гликолиза, цикла Кребса (цитратного цикла) и окислительного фосфорилирования. Первые два этапа протекают в цитоплазме и матриксе митохондрий соответственно и сопровождаются выделением восстановленных коферментов — NADH и FADH₂. Именно эти коферменты служат источником электронов для окислительного фосфорилирования.
¶Устройство дыхательной цепи переноса электронов
Дыхательная цепь переноса электронов (ДЦПЭ) встроена во внутреннюю мембрану митохондрий и состоит из четырёх мембранных белковых комплексов и двух переносчиков электронов — убихинона (коэнзима Q) и цитохрома c.
| Комплекс | Название | Функция |
|---|---|---|
| I | NADH-дегидрогеназа | Переносит электроны от NADH к убихинону, перекачивает 4 H⁺ |
| II | Сукцинатдегидрогеназа | Переносит электроны от FADH₂ к убихинону, протонов не перекачивает |
| III | Цитохром-с-редуктаза | Переносит электроны от убихинона к цитохрому c, перекачивает 4 H⁺ |
| IV | Цитохром-c-оксидаза | Передаёт электроны кислороду — конечному акцептору, перекачивает 2 H⁺ |
По мере передачи электронов по цепи протоны (H⁺) активно переносятся из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Это создаёт протонный градиент — разность концентраций протонов и электрический потенциал на внутренней мембране, которая называется протонодвижущей силой.
¶Хемиосмотическая гипотеза
Механизм связи между протонным градиентом и синтезом АТФ описан в хемиосмотической гипотезе, предложенной британским биохимиком Питером Митчеллом в 1961 году (Нобелевская премия по химии, 1978). Согласно этой гипотезе, протоны возвращаются из межмембранного пространства в матрикс через АТФ-синтазу — фермент, использующий энергию протонного градиента для фосфорилирования АДФ до АТФ. Один виток протонов через АТФ-синтазу приводит к синтезу одной молекулы АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Pᵢ). Полный окислительный цикл с участием NADH сопровождается переносом около 10 протонов, что позволяет синтезировать примерно 2,5 молекулы АТФ; при окислении FADH₂ синтезируется около 1,5 молекулы АТФ.
¶Регуляция и разобщение
Скорость окислительного фосфорилирования регулируется в первую очередь доступностью АДФ: при высокой концентрации АДФ процесс ускоряется (аденозинтрифосфатазная активность), при низкой — замедляется. Этот механизм получил название «контроля по субстрату».
В некоторых тканях существует механизм разобщения окислительного фосфорилирования — перенос протонов через внутреннюю мембрану мимо АТФ-синтазы. В таком случае энергия протонного градиента рассеивается в виде тепла. Разобщение осуществляется белками-разобщителями: термогенином (UCP1) в бурой жировой ткани млекопитающих, включая человека, а также некоторыми лекарственными веществами (например, 2,4-динитрофенолом и аспирином в больших дозах).
¶Ингибиторы
Окислительное фосфорилирование подавляется рядом веществ, что используется в биохимических исследованиях и имеет токсикологическое значение:
- Цианиды — блокируют комплекс IV, связываясь с железом цитохрома a₃.
- Амитал — ингибирует комплекс I.
- Антимицин А — блокирует комплекс III.
- Олигомицин — связывается с АТФ-синтазой и препятствует протонному транспорту через неё.
- 2,4-динитрофенол — разобщитель, вызывающий рассеивание протонного градиента.
¶Эволюционное значение
Окислительное фосфорилирование считается одним из ключевых эволюционных приобретений, позволивших аэробным организмам эффективно использовать кислород и получать на порядок больше энергии на единицу субстрата, чем при брожении. Митохондрии, в которых протекает этот процесс, согласно эндосимбиотической теории, произошли от древних аэробных бактерий, симбиотически связавшихся с клеткой-хозяином. Сходство дыхательной цепи бактерий и митохондрий подтверждает эту гипотезу.
¶Исторические сведения
Термин «окислительное фосфорилирование» введён в 1940-е годы. В 1955 году британский биохимик Питер Митчелл предложил хемиосмотическую гипотезу, которая долгое время встречала сопротивление научного сообщества и была окончательно подтверждена экспериментально в 1960-е годы работами Дженнифер Муди и других исследователей. В 1978 году Митчелл получил Нобелевскую премию по химии за эту теорию.
¶Исторические источники
- Митчелл П. Хемиосмотическая гипотеза окислительного фосфорилирования // Nature. 1961.
- Ленинджер А. Биохимия. М.: Мир.
- Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. М.: БИНОМ.
- Скулачёв В. П. Энергетика биологических мембран. М.: Наука.