Биологическое окисление
го комплекса на другой, пока наконец не
перейдут на кислород, имеющий наибольшее сродство к электрону.
Энергия, высвобождаемая в процессе переноса электронов по дыхательной
цепи, запасается в форме электрохимического протонного градиента на
внутренней мембране митохондрий.
Окислительное фосфорилирование возможно благодаря тесной ассоциации
переносчиков электронов с белковыми молекулами. Белки направляют электроны
по дыхательной цепи так, что они последовательно переходят от одного
ферментного комплекса к другому, не «перескакивая» через промежуточные
звенья. Особенно важно то, что перенос электронов сопряжен с
аллостерическими изменениями определенных белков молекул, в pезультате чего
энергетически выгодный поток электронов вызывает перекачивание протонов
(Н+) через внутреннюю мем6рану из матрикса в межмембранное пространство и
далее за пределы митохондрии. Передвижение протонов приводит к двум важным
следствиям: 1) между двумя сторонами внутренней мембраны создается
градиент рН - в матриксе рН выше, чём в цитозоле, где значение рН обычно
близко к 7,0 (так как малые молекулы свободно проходят через наружную
мембрану митохондрии, рН в межмембранном пространстве будет таким же как в
цитозоле); 2) на внутренней мембране создается градиент напряжения
(мембранный потенциал), причем внутренняя сторона мембраны заряжается
отрицательно, а наружная - положительно. Градиент рН ((рН) заставляет ионы
Н+ переходить обратно в матрикс, а ионы ОН- из матрикса, что усиливает
эффект мембранного потенциала, под действием которого любой положительный
заряд притягивается в матрикс, а любой отрицательный выталкивается из него.
Совместное действие этих двух сил приводит к возникновению
электрохимического протонного градиента. Электорохимический протонный
градиент создает протонодвижущую силу, измеряемую в милливольтах (мВ).
Энергия электрохимического протонного градиента используется для
синтеза АТФ и транспорта метаболитов и неорганических ионов в матрикс.
Внутренняя мембрана митохондрий отличается необычно высоким
содержанием белка - в ней по весу примерно 70% белка и
30%фосфолипидов. Многие из этих белков входят в состав электронтранспортной
цепи, поддерживающей протонный градиент на мембране. Другой важный
компонент - фермент АТФ-синтетаза, катализирующий синтез АТФ. Это большой
белковый комплекс, через который протоны перетекают обратно в матрикс
по электрохимическому градиенту. Подобно турбине, АТФ-синтетаза
преобразует одну форму энергии в другую, синтезируя АТФ из AДФ и Фн в
митохондриальном матриксе в ходе реакции, сопряжённой с током протонов в
матрикс (см. рисунок 3).
Рисунок 3. Общий механизм окислительного фосфорилирования.[1,1994]
Но синтез АТФ - это не единственный процесс, идущий за
счет энергии электрохимического градиента. В матриксе, где находятся
ферменты, участвующие в цикле лимонной кислоты и других метаболических
реакциях, необходимо поддерживать высокие концентрации различных
субстратов; в частности, для АТФ-синтетазы требуются AДФ и фосфат. Поэтому
через внутреннюю мембрану должны транспортироваться разнообразные несущие
заряд субстраты. Это достигается с помощью различных белков-переносчиков,
встроенных в мембрану, многие из которых активно перекачивают определенные
молекулы против их электрохимических градиентов, т.е. осуществляют процесс,
требующий затраты энергии. Для большей части метаболитов источником этой
энергии, служит сопряжение с перемещением каких-то других молекул «вниз» по
их электрохимическому градиенту. Например, в транспорте АДФ
участвует система антипорта АДФ-АТФ: при переходе каждой молекулы AДФ в
матрикс из него выходит по своему электрохимическому градиенту одна
молекула АТФ. В то же время система симпорта сопрягает переход фосфата
внутрь митохондрии с направленным туда же потоком Н+: протоны входят в
матрикс по своему градиенту и при этом “тащат” за собой фосфат. Подобны
образом переносится в матрикс и пируват. Энергия электрохимического
протонного градиента используется также для переноса в матрикс ионов Са2+ ,
которые, по-видимому, играют важную роль в регуляции активности некоторых
митохондриальных ферментов.
Чем больше энергии электрохимического градиента затрачивается на
перенос молекул и ионов в митохондрию, тем меньше остается для синтеза АТФ.
Например, если изолированные митохондрии поместить в среду с высоким
содержанием Са2 + , то они полностью прекратят синтез АТФ; вся энергия
градиента будет расходоваться на транспорт Ca2+ в матьрикс. В некоторых
специализированных клетках электрохимический протонный градиент
«шунтируется» таким образом, что митохондрии вместо синтеза АТФ образуют
тепло. Очевидно, клетки способны регулировать использование энергии
электрохимического протонного градиента и направлять ее на те процессы,
которые наиболее важны в данный момент.
Быстрое превращение АДФ в АТФ в митохондриях позволяет поддерживать
высокое отношение концентраций ATФ/AДФ в клетках. С помощью особого белка,
встроенного во внутреннюю мембрану, AДФ транспортируется в матрикс в обмен
на АТФ по принципу антипорта. В результате молекулы AДФ, высвобождаемые при
гидролизе АТФ в цитозоле, быстро поступают в митохондрию для «перезарядки»,
в то время как молекулы АТФ, образующиеся в матриксе в процессе
окислительного фосфорилирования, тоже быстро выходят в цитозоль, где они
нужны. В организме человека молекулы АТФ за сутки, что позволяет
поддерживать в клетке концентрацию АТФ, более чем в 10 раз превышающую
концентрацию АДФ.
В процессе окислительного фосфорилирования каждая пара электронов НАДH
обеспечивает энергией образование примерно трех молекул АТФ. Пара
электронов ФАДH2, обладающая меньшей энергией, дает энергию для синтеза
только двух молекул АТФ. В среднем каждая молекула ацетил-СоА поступающая в
цикл лимонной кислоты, дает около 12 молекул АТФ. Это означает, что
при окислении одной молекулы глюкозы образуются 24 молекулы АТФ,
а при окислении одной молекулы пальмитата - жирной кислоты с 16
углеродными атомами - 96 молекул АТФ. Если учесть также экзотермические
реакции, предшествующие образованию ацетил-СоА, окажется, что полное
окисление одной молекулы глюкозы дает около 36 молекул АТФ, тогда как при
полном окислении пальмитата образуется примерно 129 молекул АТФ. Это
максимальные величины, так как фактически количество синтезируемого в
митохондриях АТФ зависит от того, какая доля энергии протонного градиента
идет на синтез АТФ, а не на другие процессы. Если сравнитъ изменение
свободной энергии при сгорании жиров и углеводов прямо до СО2 и Н2О с общим
количеством энергии, запасаемой в фосфатных связях АТРФ в
процессах биологического окисления, окажется, что эффективность
преобразования, энергии окисления в энергию АТФ часто превышает 50%.
Поскольку вся неиспользованная энергия высвобождается в виде тепла, крупные
организмы нуждались бы в более эффективных способах отвода тепла в
окружающую среду.
Огромное количество свободной энергии, высвобождаемое при окислении,
может эффективно использоваться только мелкими порциями. В сложном
процессе окисления участвует много промежуточных продуктов, каждый из
которых лишь незначительно отличается от предыдущего. Благодаря этому
высвобождаемая энергия дробится на меньшие количества, которые можно
эффективно преобразовывать с помощью сопряженных реакций в
высокоэнергетические связи молекул АТФ и НАДH .
В 1960 г. было впервые показано, что различные мембранные белки,
участвующие в окислительном фосфорилировании, могут быть выделены без
потери активности. От поверхности субмитохондриальных частиц удалось
отделить и перевести в растворимую форму усеивающие их крошечные белковые
структуры. Хотя субмитохондриальные частицы без этих сферических структур
продолжали окислять НАДH в присутствии кислорода, синтеза АТФ при этом не
происходило. С другой стороны, выделенные структуры действовали как
АТФазы, гидролизуя АТФ до АДФ и Фн. Когда сферические структуры
(названные F1-АТФазами) добавляли к лишенным их субмитохондриальным
частицам, реконструированные частицы вновь синтезировали АТФ из AДФ и Фн.
F1- АТФаза - это часть большого, пронизывающего всю толщу мембраны
комплекса, который состоит по меньшей мере из девяти различных
полипептидных цепей. Этот комплекс получил название АТФ-синтетаза; он
составляет около 15% всего белка внутренне митохондриальнои мембраны.
Весьма сходные АТФ-синтетазы имеются в мембранах хлоропластов и бактерий.
Такой белковый комплекс содержит трансмембранные каналы для
протонов, и происходит только тогда, когда через эти каналы проходят
протоны вниз по своему электрохимическому градиенту.
АТФ-синтетаза может действовать в обратном направлении - расщеплять
АТФ и перекачивать протоны. Действие АТФ-синтетазы обратимо: онa способна
использовать как энергию гидролиза АТФ для перекачивания протонов через
внутреннюю митохондриальную мембрану, так и энергию потока протонов по
электрохимическому градиенту для синтеза АТФ. Таким образом, АТФ-синтетаза
- это обратимая сопрягающая система, которая осуществляет взаимопревращение
энергии электрохимического протонного градиента и химических связей.
| |  скачать работу |
Биологическое окисление |
