Окислительное фосфорилирование в клетке¶
Окислительное фосфорилирование — это совокупность биохимических реакций в клетке, при которых энергия, высвобождаемая при окислении восстановленных соединений (в первую очередь НАД·H и ФАД·H₂), используется для синтеза аденозинтрифосфата (АТФ) из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата. Процесс протекает в митохондриях эукариотических клеток и в цитоплазматической мембране аэробных прокариот и является основным способом получения энергии в аэробных организмах. Ключевой механизм процесса — хемиосмотическое сопряжение, сформулированное британским биохимиком Питером Митчеллом в 1961 году (Нобелевская премия по химии, 1978).
¶Общая характеристика
Окислительное фосфорилирование объединяет два взаимосвязанных процесса: перенос электронов по дыхательной цепи и фосфорилирование АДФ. Электроны, снятые с молекул-субстратов, передаются через серию белковых комплексов, расположенных во внутренней мембране митохондрий. Энергия, выделяющаяся на каждом этапе переноса, используется для перекачки протонов (ионов водорода) из матрикса в межмембранное пространство. Возникающий градиент концентрации протонов и разность электрических потенциалов образуют так называемую протон-движущую силу, которая затем расходуется на синтез АТФ.
Суммарное уравнение окислительного фосфорилирования условно записывают как:
НАД·H + H⁺ + ½ O₂ + n·АДФ + n·Ф₃ → НАД⁺ + H₂O + n·АТФ
Конечным акцептором электронов служит молекулярный кислород, который восстанавливается до воды. Именно поэтому процесс возможен только в аэробных условиях.
¶Дыхательная цепь
Дыхательная (электронтранспортная) цепь — это упорядоченный набор белковых комплексов и подвижных переносчиков, локализованных во внутренней мембране митохондрий. Выделяют четыре основных комплекса:
- Комплекс I (НАД·H-дегидрогеназа) — принимает электроны от НАД·H и передаёт их на убихинон, перекачивая протоны.
- Комплекс II (сукцинатдегидрогеназа) — точка входа электронов от ФАД·H₂, образующегося в цикле Кребса; протоны не перекачивает.
- Комплекс III (цитохром bc₁) — переносит электроны от убихинона на цитохром c с перекачкой протонов.
- Комплекс IV (цитохром c-оксидаза) — передаёт электроны на кислород, восстанавливая его до воды.
Между комплексами электроны переносят подвижные молекулы: убихинон (коэнзим Q) и цитохром c. Совокупность этих переносчиков обеспечивает направленное движение электронов от субстратов к кислороду.
¶Хемиосмотический механизм
Согласно хемиосмотической теории, перенос электронов создаёт разность концентраций протонов по обе стороны внутренней мембраны. Матрикс подщелачивается, межмембранное пространство подкисляется. Возникает электрохимический градиент, состоящий из химической (разность pH) и электрической (разность зарядов) составляющих.
Протоны стремятся вернуться в матрикс. Их обратный поток возможен только через специальный канал — фермент АТФ-синтазу (комплекс V). Проходя через него, протоны приводят во вращение роторную часть фермента, что вызывает конформационные изменения в каталитическом центре и приводит к присоединению фосфата к АДФ. Так механическая энергия градиента преобразуется в химическую энергию макроэргической связи АТФ.
¶АТФ-синтаза и стехиометрия
АТФ-синтаза состоит из двух основных частей: мембранной (F₀), образующей протонный канал, и выступающей в матрикс (F₁), где происходит синтез АТФ. По современным оценкам, на синтез одной молекулы АТФ требуется около четырёх протонов, ещё один расходуется на транспорт фосфата и АДФ. В целом окисление одной молекулы НАД·H даёт примерно 2,5 молекулы АТФ, а окисление ФАД·H₂ — около 1,5.
¶Регуляция и разобщение
Скорость окислительного фосфорилирования регулируется соотношением АТФ/АДФ в клетке: при высоком содержании АТФ процесс замедляется, при накоплении АДФ — ускоряется (дыхательный контроль). Существуют вещества-разобщители, которые переносят протоны через мембрану в обход АТФ-синтазы. Классический пример — 2,4-динитрофенол. При этом окисление продолжается, а энергия рассеивается в виде тепла. В организме млекопитающих естественным разобщителем служит белок термогенин бурой жировой ткани, участвующий в поддержании температуры тела.
¶Ингибиторы
Дыхательную цепь и синтез АТФ можно блокировать на разных этапах:
| Вещество | Точка действия |
|---|---|
| Ротенон | Комплекс I |
| Малонат | Комплекс II |
| Антимицин A | Комплекс III |
| Цианиды, угарный газ | Комплекс IV |
| Олигомицин | АТФ-синтаза |
Эти соединения широко применяются в лабораторной практике для изучения отдельных стадий процесса.
¶Биологическое значение
Окислительное фосфорилирование обеспечивает подавляющую часть энергетических потребностей аэробных клеток. У человека в состоянии покоя за его счёт покрывается около 80–90 % потребности в АТФ. Процесс тесно связан с другими путями обмена: циклом трикарбоновых кислот, β-окислением жирных кислот, распадом аминокислот. Нарушения окислительного фосфорилирования лежат в основе ряда наследственных митохондриальных заболеваний, а также связываются с процессами старения и некоторыми нейродегенеративными расстройствами.
¶История изучения
Отдельные этапы процесса были описаны в 1930-х годах при исследовании тканевого дыхания. В 1937 году Ханс Кребс описал цикл трикарбоновых кислот. В 1940-х Альберт Сент-Дьёрди и другие учёные показали связь окисления с фосфорилированием. Решающий вклад внёс Питер Митчелл, предложивший в 1961 году хемиосмотическую гипотезу, которая первоначально встретила сопротивление, но позже была подтверждена экспериментально. В 1997 году за исследование механизма работы АТФ-синтазы Нобелевскую премию получили Пол Бойер и Джон Уокер.