Энергетика. Синтез АТФ в митохондриях. Молекулярные механизмы процессов энергетического сопряжения. Где происходит синтез атф Отвечает за синтез атф

АТФ-синтаза состоит из двух механизмов. Первый, F0, это электромотор, находящийся в клеточной мембране и превращающий энергию, запасенную в разности потенциалов по разные стороны клеточной мембраны. Липидная мембрана служит изолятором в этой электрохимической «батарейке»: через нее ионы не проходят. Разность потенциалов создается другими сложными механизмами в конечном счете из «сжигания» сахара в кислороде. Ион водорода H + втягивается во «впускной коллектор» и присоединяется к белковой дольке ротора. Ротор поворачивается за счет электростатических сил, а долька, достигшая «выхлопного коллектора» мотора, освобождается от иона каталитическим белком, и этот ион проваливается внутрь клетки, опять же за счет электростатических сил, стремящихся выровнять потенциал по обе стороны мембраны. Таким образом, электроэнергия сначала превращается в механическую энергию вращения молекулярного вала, присоединенного к ротору и уходящего вглубь клетки, к механизму синтеза, F1.
Механико-химический реактор F1 состоит из трех белковых долек, каждая из которых состоит из двух белковых молекул (их называют α-F1 и β-F1, а вал сделан из одной молекулы, обозначаемой γ-F1). Каждая долька может принимать две устойчивые пространственные конфигурации за счет взаимного межатомного притяжения - как обычный настенный выключатель оказывается в двух устойчивых положениях, хотя промежуточные положения неустойчивы. Одно из этих положений, однако, имеет более высокую энергию. Молекулы сдвигаются в конфигурацию с более высокой энергией за счет асимметрии вращающегося γ-вала, как будто бы «кулачком» на нем.
Когда к αβ-комплексу присоединяется АДФ и ион фосфата, равновесие нарушается, и молекула, как пружинка с запасенной энергией, перепрыгивает в состояние с меньшей энергией, а запасенная энергия тратится на сближение АДФ и фосфатного иона, в результате чего те соединяются в молекулу АТФ, в конечном счете уносящую этот запас энергии.
Вращение механизма можно увидеть в микроскоп, если присоединить к ротору в F0 специально изготовленную длинную светящуюся (флюоресцирующую) молекулу-стержень. В самом конце фильма можно увидеть реконструкцию этого потрясающего опыта Масасуке Ёсиды и врезку с данными, показывающими вращение ротора.
Интересно, что на нижнем конце ротора имеется еще один белок, δ-F1, который тоже умеет изменять конфигурацию в присутствии АДФ, исходного реагента для реакции. Когда АДФ вокруг реактора оказывается мало, этот белок меняет форму и заклинивает ротор, чтобы не расходовать электрохимическую энергию вхолостую, поскольку продвижение ионов H + через остановленный ротор невозможно.

2.2. Регуляция потоков восстановительных эквивалентов
Если два пути окисления: свободный и энергетически сопряженный- сосуществуют в одной и той же клетке, возникает проблема, как предотвратить утилизацию всех восстановительных эквивалентов по тому из них, который термодинамически более выгоден. Без сомнения, пространственное разграничение (компартментализация) метаболических процессов играет ведущую роль в решении этой проблемы. Так, например, дегидрогеназы основных субстратов локализованы в матриксе, так что восстановительные эквиваленты, питающие дыхательную цепь, образуются непосредственно внутри митохондрий и потому сами по себе недоступны для внешних систем свободного окисления. Кроме того, во внутренней митохондриальной мембране содержится несколько АцН-зависимых переносчиков, ответственных за аккумуляцию в матриксе тех субстратов, чьи дегидрогеназы имеются не только в митохондриях, но и в цитозоле. Если же дегидрогеназа данного субстрата локализована исключительно в цитозоле, то используются особые челночные механизмы, переносящие восстановительные эквиваленты из цитозоля в матрикс.
малат-аспартат-глутаматный челнок. Действие этой системы приводит к окислению внемитохондриального НАДН посредством НАД+-матрикса. В процессе участвуют два фермента, локализованные по обе стороны внутренней мембраны митохондрий, а именно малатдегидрогеназа и аспартат: глутама-таминотрансфераза. Кроме того, необходимы два переносчика: антипортер дикарбоновых кислот и глутамат/аспартат-антипортер. Последний использует энергию AjiH, так как он катализирует обмен аспартат 2 -/ (глутамат 2_ +Н +). В результате перенос гидрид-иона от НАДН+нар к НАД+вн оказывается сопряженным с перемещением одного иона Н + из цитозоля в матрикс.
Другой челночный механизм использует две глицерофосфатдегидрогеназы: цитозольную, зависящую от НАД, и митохондриаль-ную, восстанавливающую KoQ без участия НАД. Челночные системы тканеспецифичны. Например, малатный челнок очень активен в печени, но отсутствует в сердце, где митохондрии лишены дикарбоксилатного антипортера. Глицерофосфатный челнок резко активизируется тиреоидными гормонами.
Другим примером пространственного разделения окислительного обмена могут быть пероксисомы. Эти органеллы окружены мембраной, напоминающей по проницаемости внешнюю митохондриальную мембрану. Она не проницаема для белков, но легко пропускает низкомолекулярные вещества. Поглощение кислорода пероксисомами обусловлено действием уратоксидазы, оксидазы D-аминокислот и оксидазы а-оксикислот. Оксидазы пероксисом не конкурируют с ферментами сопряженного дыхания митохондрий, поскольку субстраты этих оксид аз окисляются без участия НАД(Ф) и дыхательной цепи. Токсический продукт реакции - пероксид водорода - немедленно разлагается внутри пероксисом каталазой, самым массовым белком этих органелл.

3.1. Н+-Пирофосфатсинтаза
В 1966 г. М. Балчевски и сотрудники описали образование неорганического пирофосфата хроматофорами Rhodospirillum rubrum под действием света. Позднее было найдено, что в темноте пирофосфат, подобно АТФ, энергизует мембрану хроматофоров. Опыты в группе автора показали, что гидролиз пирофосфата генерирует Агр на мембране хроматофоров, а также протеолипосом, содержащих очищенную пирофосфатазу Rh. rubrum. Затем Р. Нирен и М. Балчевски сообщили о синтезе АТФ за счет энергии гидролиза пирофосфата протеолипосомами, содержащими пирофосфатазу и Н+-АТФ-синтазу из Rh. rubrum. Протонофоры блокировали процесс. В хроматофорах был показан протонный контроль пирофосфатазной активности, которая возрастала в восемь раз при рассеянии ЛрН.
Перечисленные данные представляются достаточными для заключения, что мембранная пирофосфатаза хроматофоров Rh. rubrtim обладает активностью Н + -насоса, катализируя обратимое взаимопревращение энергии между ДцН и пирофосфатом. Следовательно, данный фермент может быть определен как Н+-пирофосфатсинтаза.
Механизм действия фермента и его молекулярные свойства остаются неясными. Известен лишь набор ингибиторов, подавляющих пирофосфатазную активность как мембранной, так и растворимой формы фермента. Это фторид, имидодифосфат, N-этилмалеимид и антибиотик Дио-9. Олигомицин не влияет на фермент. ДЦКД снижает активность пирофосфатазы в хроматофорах, но не в растворе и не в протеолипосомах. Образование А-ф протеолипосомами чувствительно к ДЦКД.
Казалось бы, функцией Н+-пирофосфатсинтазы в клетках Rh. rubrum должен быть синтез пирофосфата за счет энергии света (или
дыхания) либо генерация АцН за счет гидролиза пирофосфата. Однако в первом случае не ясна дальнейшая судьба образованного пирофосфата, который в клетках обычного типа расщепляется растворимой пирофосфатазой. Последнее необходимо, чтобы удерживать концентрацию пирофосфата на низком уровне и тем самым стимулировать АТФ-зависимые биосинтезы, сопровождающиеся образованием пирофосфата. Существуют, правда, исключения из правила о том, что пирофосфат немедленно расщепляется растворимой пирофосфатазой. У некоторых бактерий описан целый ряд синтетических процессов, утилизирующих энергию пирофосфата. Быть может, Rh. rubrum относится именно к этой категории микроорганизмов. В любом случае Н+-пирофосфат-синтазаRh. rubrum должна обладать важной биологической функцией. Ее активность в хроматофорах очень велика и соизмерима с таковой Н + -АТФ-синтазы.
Неожиданно высокая концентрация пирофосфата была обнаружена в клетках растений. У растений Н+-пирофосфатаза найдена в тонопласте и мембранах аппарата Гольджи.

3.2. Контроль протонного потенциала у бактерий у бактерий
Как уже отмечалось, многие бактерии располагают параллельными электрон-транспортными путями, одни из которых сопряжены с накоплением энергии, а другие - нет. Кроме того, свободное и сопряженное окисления могут быть последовательно включены в одну и ту же дыхательную цепь. Проблему «полезного разобщения» никогда не исследовали применительно к бактериям.
Интересный пример механизма, поддерживающего высокую ДцН по принципу саморегуляции, был выявлен в опытах с подвижными бактериями. Показано, что искусственно вызванные изменения ДцН воспринимаются бактерией как сигнал, регулирующий ее движение. Так, добавка разобщителя или исчерпание кислорода служат репеллентным сигналом, вызывающим изменение направления движения бактерии. Соответственно добавление Ог оказывается аттрактантным стимулом, благоприятным для линейного движения. Отмечено, что влияние кислорода на поведение бактерий (аэротаксис) проявляется лишь в тех случаях, когда концентрация Ог в среде влияет на ДрН.
Простейшее объяснение этих данных состоит в том, что бактерия располагает устройством, которое измеряет протонный потенциал и посылает соответствующий сигнал флагеллярному мотору, регулируя таким способом направление вращения_ жгутика: направление изменяется на противоположное, если Др,Н снижается, и сохраняется неизменным, если она растет. В результате клетка движется туда, где она может поддерживать более высокую Др,Н. Гипотетический механизм подобного типа, названный автором протометром, позволяет интегрировать множество благоприятных и неблагоприятных воздействий, отражающихся на энергетическом состоянии мембран.
Описан механизм, согласующий работу двух фотосистему хлоропластах и тем самым оптимизирующий продукцию Др,Н и НАДФН. Если фотосистема II работает слишком быстро, это приводит к восстановлению редокс-переносчика (предположительно PQ), включенного между двумя фотосистемами. Такой эффект некоторым способом активирует протеинкиназу, фосфорилирующую белок, который несет на себе хлорофилл антенны. Названный белок в его нефосфорилированном состоянии локализуется в основном в тилакоидах, упакованных в граны. Фосфорилирование увеличивает отрицательный заряд белков антенны, которые диффундируют из тилакоидов в мембраны стромы, где, как правило, локализована фотосистема I. В итоге фотосистема I получает больше хлорофилла антенны, а следовательно, и больше фотонов, чем фотосистема II. Активация фотосистемы I вызывает окисление PQH2, а значит, и торможение протеинкиназы. Непрерывно действующая протеинфосфатаза дефосфорилирует белок антенны и прекращает его дальнейшую утечку из тилакоидов в ламеллы стромы.

5.1. Осмотическая работа
(Na+, метаболит)-симпортеры. У алкалотолерантной V. algino-lyticus, располагающей Ыа+-НАДН-хинонредуктазой, обнаружены (Na + , метаболит)-симпортеры, ответственные за аккумуляцию 19 аминокислот и сахарозы.
Показано также, что накопление К + в клетках V. alginolyticus при щелочных рН поддерживается энергией Aif>, генерируемой Na + -НАДН-хинонредуктазой. Nа+-Зависимое накопление метаболитов в алкалофильных бациллах было описано в ряде сообщений. Однако остается неясным, как эти алкалофилы образуют Ajj,Na.
Нейтрофнльные бактерии, живущие при низких или умеренных концентрациях NaCl, обычно используют Н+, а не Na+ в качестве симпортируемого иона. Однако известны и исключения из этого правила. Так, пролин транспортируется вместе с Na+ в клетки Mycobacterium phlei, Salmonella typhimurium и E. coli.
Интересный «дуалистический» механизм импорта метаболита описан у Е. coli. Оказалось, что эта бактерия использует альтернативно Н+ или Na+ в качестве сопрягающего катиона при аккумуляции мелибиозы. Поглощение цитрата бактериями Klebsiella pneumoniaeосуществляется переносчиком, обеспечивающим симпорт цитрата 3- , 2Na + и 2Н+. Это означает, что движущей силой процесса должны быть Аг|э, pNa и ДрН.
А. Броди и сотрудникам удалось выделить (Na+, пролин)-сим-портер из М. phlei, который оказался белком массой в 20 кДа. Очищенный симпортер был реконструирован с фосфолипидами. Полученные протеолипосомы транспортировали пролин за счет Агр, образованной диффузией ионов К + . Аккумуляция пролина тормозилась протонофорами, снижавшими Дг|>, а также сульфгидриль-ными реагентами.
Описана также частичная очистка и реконструкция (Na+, acпартат)-симпортера из галофильной Halobacterium halobium. Вообще морские и галофильные микроорганизмы, подобно алкалофильным, обычно используют Na + , а не Н+ как симпортируемый ион. Это верно также и для внешней мембраны клеток высших животных, омываемой раствором с высокой концентрацией NaCl. Данное обстоятельство - еще одно свидетельство справедливости мнения о том, что кровь - «частичка океана в теле человека». Генераторами AjiNa на плазмалемме животных клеток служит Na+/K + -ATOa3a (в некоторых случаях также и Ыа+-АТФаза). Образованная AjiNa утилизируется различными переносчиками, транспортирующими в клетку аминокислоты, сахара, жирные кислоты и другие соединения. Ряд (Na+, метаболит)-симпортеров выделен и встроен в протеолипосомы.
Некоторые животные клетки содержат Н+-АТФазу во внешней мембране. В этих клетках также найдены (Н+, метаболит) -симпортеры.

Аденозинтрифосфорная кислота-АТФ - обязательный энергетический компонент любой живой клетки. АТФ также нуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, сахара рибозы и трех остатков молекулы фосфорной кислоты. Это неустойчивая структура. В обменных процессах от нее последовательно отщепляются остатки фосфорной кислоты путем разрыва богатой энергией, но непрочной связи между вторым и третьим остатками фосфорной кислоты. Отрыв одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением около 40 кДж энергии. В этом случае АТФ переходит в аденозиндифосфорную кислоту (АДФ), а при дальнейшем отщеплении остатка фосфорной кислоты от АДФ образуется аденозинмонофосфорная кислота (АМФ).

Схема строения АТФ и превращения ее в АДФ (Т.А. Козлова, В.С. Кучменко. Биология в таблицах. М.,2000)

Следовательно, АТФ - своеобразный аккумулятор энергии в клетке, который "разряжается" при ее расщеплении. Распад АТФ происходит в процессе реакций синтеза белков, жиров, углеводов и любых других жизненных функций клеток. Эти реакции идут с поглощением энергии, которая извлекается в ходе расщепления веществ.

АТФ синтезируется в митохондриях в несколько этапов. Первый из них - подготовительный - протекает ступенчато, с вовлечением на каждой ступени специфических ферментов. При этом сложные органические соединения расщепляются до мономеров: белки - до аминокислот, углеводы - до глюкозы, нуклеиновые кислоты - до нуклеотидов и т. д. Разрыв связей в этих веществах сопровождается выделением небольшого количества энергии. Образовавшиеся мономеры под действием других ферментов могут претерпеть дальнейший распад с образованием более простых веществ вплоть до диоксида углерода и воды.

Схема Синтез АТФ в мвтохондрии клетки

ПОЯСНЕНИЯ К СХЕМЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В ПРОЦЕССЕ ДИССИМИЛЯЦИИ

I этап - подготовительный: сложные органические вещества под действием пищеварительных ферментов распадаются на простые, при этом выделяется только тепловая энергия.
Белки ->аминокислоты
Жиры-> глицерин и жирные кислоты
Крахмал ->глюкоза

II этап-гликолиз (бескислородный): осуществляется в гиалоплазме, с мембранами не связан; в нем участвуют ферменты; расщеплению подвергается глюкоза:

У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение):

У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и т, д. Во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. В ходе бескислородного расщепления глюкозы в виде химической связи в молекуле АТФ сохраняется 40% анергии, а остальная рассеивается в виде теплоты.

III этап-гидролиз (кислородный): осуществляется в митохондриях, связан с матриксом митохондрий и внутренней мембраной, в нем участвуют ферменты, расщеплению подвергается молочная кислота: СзН6Оз+ЗН20 -->3СО2+ 12Н. С02 (диоксид углерода) выделяется из митохондрий в окружающую среду. Атом водорода включается в цепь реакций, конечный результат которых - синтез АТФ. Эти реакции идут в такой последовательности:

1. Атом водорода Н с помощью ферментов-переносчиков поступает во внутреннюю мембрану митохондрий, образующую кристы, где он окисляется: Н-е-->H+

2. Протон водорода H+ (катион) выносится переносчиками на наружную поверхность мембраны крист. Для протонов эта мембрана непроницаема, поэтому они накапливаются в межмембранном пространстве, образуя протонный резервуар.

3. Электроны водорода e переносятся на внутреннюю поверхность мембраны крист и тут же присоединяются к кислороду с помощью фермента оксидазы, образуя отрицательно заряженный активный кислород (анион): O2 + е-->O2-

4. Катионы и анионы по обе стороны мембраны создают разноименно заряженное электрическое поле, и когда разность потенциалов достигнет 200 мВ, начинает действовать протонный канал. Он возникает в молекулах ферментов АТФ-синтетаз, которые встроены во внутреннюю мембрану, образующую кристы.

5. Через протонный канал протоны водородаH+ устремляются внутрь митохондрий, создавая высокий уровень энергии, большая часть которой идет на синтез АТФ из АДФ и Ф (АДФ+Ф-->АТФ), а протоны H+ взаимодействуют с активным кислородом, образуя воду и молекулярный 02:
(4Н++202- -->2Н20+02)

Таким образом, О2, поступающий в митохондрии в процессе дыхания организма, необходим для присоединения протонов водорода Н. При его отсутствии весь процесс в митохондриях прекращается, так как электронно-транспортная цепь перестает функционировать. Общая реакция III этапа:

(2СзНбОз + 6Oз + 36АДФ + 36Ф ---> 6С02 + 36АТФ + +42Н20)

В результате расщепления одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ: на II этапе - 2 АТФ и на III этапе - 36 АТФ. Образовавшиеся молекулы АТФ выходят за пределы митохондрии и участвуют во всех процессах клетки, где необходима энергия. Расщепляясь, АТФ отдает энергию (одна фосфатная связь заключает 40 кДж) и в виде АДФ и Ф (фосфата) возвращается в митохондрии.

Способы получения энергии в клетке

В клетке существуют четыре основных процесса, обеспечивающих высвобождение энергии из химических связей при окислении веществ и ее запасание:

1. Гликолиз (2 этап биологического окисления) – окисление молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты, при этом образуется 2 молекулы АТФ и НАДН . Далее пировиноградная кислота в аэробных условиях превращается в ацетил-SКоА, в анаэробных условиях – в молочную кислоту.

2. β-Окисление жирных кислот (2 этап биологического окисления) – окисление жирных кислот до ацетил-SКоА, здесь образуются молекулы НАДН и ФАДН 2 . Молекулы АТФ "в чистом виде" не появляются.

3. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК , 3 этап биологического окисления) – окисление ацетильной группы (в составе ацетил-SКоА) или иных кетокислот до углекислого газа. Реакции полного цикла сопровождаются образованием 1 молекулы ГТФ (что эквивалентно одной АТФ), 3 молекул НАДН и 1 молекулы ФАДН 2 .

4. Окислительное фосфорилирование (3 этап биологического окисления) – окисляются НАДН и ФАДН 2 , полученные в реакциях катаболизма глюкозы, аминокислот и жирных кислот. При этом ферменты дыхательной цепи на внутренней мембране митохондрий обеспечивают образование большей части клеточного АТФ .

Два способа синтеза АТФ

В клетке постоянно происходит использование всех нуклеозидтри фосфатов (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ, ТТФ) как донора энергии. При этом АТФ является универсальным макроэргом, участвующим практически во всех сторонах метаболизма и деятельности клетки. И именно за счет АТФ обеспечивается фосфорилирование нуклеотидов ГДФ, ЦДФ, УДФ, ТДФ до нуклеозидтри фосфатов.

У других нуклеозидтри фосфатов существует некая специализация. Так, УТФ участвует в обмене углеводов, в частности в синтезе гликогена. ГТФ задействован в рибосомах, участвует в образовании пептидной связи в белках. ЦТФ используется в синтезе фосфолипидов.

Основным способом получения АТФ в клетке является окислительное фосфорилирование, протекающее в структурах внутренней мембраны митохондрий. При этом энергия атомов водорода молекул НАДН и ФАДН 2 , образованных в гликолизе, ЦТК, окислении жирных кислот, преобразуется в энергию связей АТФ.

Однако также есть другой способ фосфорилирования АДФ до АТФ – субстратное фосфорилирование. Этот способ связан с передачей макроэргического фосфата или энергии макроэргической связи какого-либо вещества (субстрата) на АДФ. К таким веществам относятся метаболиты гликолиза (1,3-дифосфоглицериновая кислота , фосфоенолпируват ), цикла трикарбоновых кислот (сукцинил-SКоА ) и резервный макроэрг креатинфосфат . Энергия гидролиза их макроэргической связи выше, чем 7,3 ккал/моль в АТФ, и роль указанных веществ сводится к использованию этой энергии для фосфорилирования молекулы АДФ до АТФ.

Классификация макроэргов

Макроэргические соединения классифицируются по типу связи , несущей дополнительную энергию:

1. Фосфоангидридная связь. Такую связь имеют все нуклеотиды: нуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ, ТТФ) и нуклеозиддифосфаты (АДФ, ГДФ, ЦДФ, УДФ, ТДФ).

2. Тиоэфирная связь. Примером являются ацил-производные коэнзима А: ацетил-SКоА, сукцинил-SКоА, и другие соединения любой жирной кислоты и HS-КоА.

3. Гуанидинфосфатная связь – присутствует в креатинфосфате, запасном макроэрге мышечной и нервной ткани.

4. Ацилфосфатная связь. К таким макроэргам относится метаболит гликолиза 1,3-дифосфоглицериновая кислота (1,3-дифосфоглицерат). Она обеспечивает синтез АТФ в реакции субстратного фосфорилирования.

5. Енолфосфатная связь. Представитель – фосфоенолпируват, метаболит гликолиза. Он также обеспечивает синтез АТФ в реакции субстратного фосфорилирования в гликолизе..

Атомы водорода, снятые с субстратов в цикле Кребса, в результате β -окисления ВЖК, а также пируватдегидрогеназной, глутаматдегидрогеназной и некоторых других реакций, поступают в дыхательную цепь ферментов (рис. 23), которая иначе называетсяэлектронотранспортной цепью .

Процесс переноса протонов и электронов (атом водорода = протон водорода (Н +) + электрон (e)) начинается с передачи атомов водорода с восстановленной формы НАД или ФАД.

Рис. 23. Схема электронотранспортной цепи

Восстановленный НАД отдает водороды на флавопротеин, ко-ферментом которого является ФМН, а восстановленный ФАД всегда передает водороды на кофермент Q. После кофермента Q по системе цитохромов осуществляется транспорт только электронов; роль конечного - терминального - акцептора электронов выполняет кислород. Перед тем как подробнее изучить работу электронотранспортной цепи, познакомимся с химическим строением отдельных ее компонентов.

Как отмечалось ранее, все компоненты электронотранспортной цепи являются ферментами, катализирующими окислительно-восстановительные процессы.

Флавопротеин является первым ферментом, акцептирующим протоны и электроны от первичной дегидрогеназы - фермента, снимающего атомы водорода непосредственно с субстрата. Кофер-ментом флавопротеина является ФМН. Со структурой и окислительно-восстановительными реакциями ФМН мы познакомились ранее (см. главу 4). Этот фермент тесно связан с железосерными белками.

Железосерные белки имеют небольшую молекулярную массу (порядка 10 кДа). Они содержат негеминовое железо, связанное с атомами серы остатков цистеина. На рис. 24 представлен лишь один из возможных вариантов комплекса атома железа с атомами серы, существующих в белках, содержащих негеминовое железо.

Рис. 24. Схема образования комплекса атома железа с атомами серы в железосерных белках

Эти белки участвуют в переносе протонов и электронов и, как предполагают, на нескольких стадиях. Однако до сих пор не ясен механизм, по которому железосерные белки претерпевают обратимое окисление-восстановление.

Кофермент Q или убихинон растворен в липидной части внутренней мембраны митохондрий. Убихинон может диффундировать как поперек, так и вдоль мембраны. Он является единственным, не связанным с белками компонентом цепи дыхания; по этой причине его нельзя отнести к ферментам. Кофермент Q принимает два протона водорода и два электрона от железосерных белков, превращаясь в гидрохинон:

Цитохромы представляют собой гемопротеины. В настоящее время известно около 30 различных цитохромов. Все они, в зависимости от своей способности поглощать свет, разделяются на классы, обозначаемые строчными буквами - а, b, с и т.д. Внутри каждого класса выделяют отдельные виды цитохромов, обозначая их цифровыми индексами - b , b 1 , b 2 и т.д.

Цитохромы отличаются друг от друга структурой тема, структурой полипептидной цепи и способом прикрепления тема к ней. На рисунке 25 показана структура тема, входящего в состав всех цитохромов b.

Цитохромы окрашены в красно-коричневый цвет; окраска обусловлена наличием катиона металла. Цитохромы классов b и с содержат в своем составе катионы железа, а цитохромы класса а - катионы меди.

Цитохромы а и a 3 образуют комплекс, который называют цито-хромоксидазой. Уникальная особенность комплекса а·а 3 заключается в том, что эта система цитохромов передает электроны непосредственно на кислород.

Перенос электронов по цепи цитохромов включает обратимые реакции:

Fe 3+ + e ----→ ←---- Fe 2+ и Сu 2+ + e ----→ ←---- Сu +

Познакомившись с характеристикой компонентов электронотранспортной цепи и с окислительно-восстановительными реакциями, протекающими в ней, перейдем к рассмотрению процесса, который является основным при аккумуляции энергии в форме АТФ.

Рис. 25. Структура тема цитохрома b

Механизм сопряжения дыхания с фосфорилированием АДФ. Транспорт протонов и электронов от восстановленного НАД к молекулярному кислороду представляет собой экзергонический процесс:

НАДН + Н + + ½О 2 → НАД + + Н 2 О + энергия

Если еще упростить запись этого процесса, то получим уравнение реакции горения водорода в кислороде, которое известно всем со школьной скамьи:

Н 2 + ½О 2 → Н 2 О + энергия

Разница состоит лишь в том, что при реакции горения энергия освобождается сразу полностью, а в цепи дыхания, благодаря тому что она разбита на несколько окислительно-восстановительных реакций, происходит поэтапное освобождение энергии. Эта энергия аккумулируется в фосфатных связях АТФ и используется для жизнедеятельности клеток.

Первым результатом работы электронотранспортной цепи является образование эндогенной воды, в молекуле которой атомы водорода являются водородами, снятыми с субстратов соответствующими дегидрогеназами, а атом кислорода - терминальным акцептором электронов (см. рис. 23). Приняв на себя 2 электрона, он превращается в реакционноспособный анион (О 2-), который сразу же взаимодействует с протонами водорода, "выброшенными" коферментом Q. Образование эндогенной воды происходит в матриксе митохондрий.

Механизм сопряжения дыхания с фосфорилированием АДФ был разработан английским биохимиком П. Митчеллом, гипотеза которого получила название протондвижущей или хемиосмотической. В нашей стране гипотеза П. Митчелла была развита в работах В.П. Скулачева.

Согласно хемиосмотической гипотезе энергия переноса протонов и электронов вдоль дыхательной цепи первоначально сосредоточивается в виде протонного потенциала, создающегося движением через мембрану заряженных протонов водорода. Транспорт протонов обратно через мембрану сопряжен с фосфорилированием АДФ, которое осуществляется протонзависимой АТФсинтазой (Н + = АТФаза).

Поскольку движущей силой синтеза АТФ является протонный потенциал, подробнее рассмотрим его образование.

Наряду с переносом протонов и электронов по цепи дыхания осуществляется дополнительный выброс протонов водорода из матрикса в межмембранное пространство. Протоны водорода возникают при диссоциации воды в матриксе:

Н 2 O -→ ←- H + + OH -

Перенос протонов водорода через внутреннюю мембрану митохондрий, как предполагают, осуществляется протонными транслоказами. В результате такого переноса мембрана со стороны матрикса заряжается отрицательно (за счет оставшихся отрицательно заряженных гидроксилов), а со стороны межмембранного пространства - положительно (за счет перекачки положительно заряженных протонов водорода). В результате такого распределения зарядов возникает электрический потенциал, обозначаемый Δψ (дельта пси). А за счет возникшей разницы в концентрации протонов водорода по обе стороны внутренней мембраны митохондрий создается химический градиент протонов, обозначаемый АрН. Оба возникших потенциала создают на мембране электрохимический трансмембранный градиент протонов (ΔμН +), следовательно ΔμН + = Δψ + ΔрН

Синтез АТФ. Мембрана, на которой создается электрохимический трансмембранный градиент протонов называетсяэнергизированной . Энергизированная мембрана стремится разрядиться за счет перекачки протонов из межмембранного пространства обратно в матрикс (рис. 26). Этот процесс осуществляется с помощью про-тонзависимой АТФазы.

Рис. 26. Синтез АТФ, сопряженный с электронотранспортной цепью

Н + -АТФаза встроена во внутреннюю мембрану митохондрий. Она похожа на гриб и состоит из двух белковых факторов F 0 и F 1 (рис. 27). Фактор F 0 пронизывает всю толщу внутренней мембраны митохондрий. Шаровидная часть, выступающая в матрикс митохондрий, - это фактор F 1 . Строение, свойства и функции этих белковых факторов совершенно разные.

Фактор F 0 состоит из трех гидрофобных полипептидных цепей разной структуры. Этот фактор выполняет функцию протонпроводящего канала, по которому протоны водорода попадают к фактору F 1 .

Фактор F 1 является водорастворимой частью Н + -АТФазы и представляет собой белковый комплекс, состоящий из девяти субъединиц пяти разных типов. Одна эпимолекула фактора F 1 содержит 3 α , 3β и по одной субъединице γ , δ , ε (α 3 β 3 γδε ). Фактор F 1 осуществляет синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Центры связывания АДФ и АТФ находятся в субъединицах α и β каждая из которых может удерживать по одной молекуле АДФ или АТФ. Согласно данным рентгеноструктурного анализа центры связывания АДФ и АТФ находятся на стыке субъединиц α и β . Субъединица β выполняет каталитическую функцию в синтезе АТФ (рис. 27).

Рис. 27. Строение протонзависимой АТФазы

Существует несколько концепций, объясняющих механизм образования АТФ при посредстве Н + -АТФазы. Все концепции рассматривают протоны водорода, поступающие по протонпрово-дящему каналу к фактору F 1 , в качестве активаторов различных процессов, приводящих к образованию АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.

Световая фаза

Схема 5

Превращение веществ и энергии в процессе диссимиляции включает в себя следующие этапы:

I этап - подготовительный: сложные органические вещества под действием пищеварительных ферментов распадаются на простые, при этом выделяется только тепловая энергия.
Белки ® аминокислоты

Жиры ® глицерин и жирные кислоты

Крахмал ® глюкоза

II этап - гликолиз (бескислородный): осуществляется в гиалоплазме, с мембранами не связан; в нем участвуют ферменты; расщеплению подвергается глюкоза:

III этап - кислородный: осуществляется в митохондриях, связан с матриксом митохондрий и внутренней мембраной, в нем участвуют ферменты, расщеплению подвергается пировиноградная кислота

СО 2 (диоксид углерода) выделяется из митохондрий в окружающую среду. Атом водорода включается в цепь реакций, конечный результат которых - синтез АТФ. Эти реакций идут в такой последовательности:

1. Атом водорода Н,с помощью ферментов-переносчиков поступает во внутреннюю мембрану митохондрии, образующую кристы, где он окисляется:

2. Протон Н + (катион водорода) выносится переносчиками на наружную поверхность мембраны крист. Для протонов эта мембрана, так же как и наружная мембрана митохондрии, непроницаема, поэтому они накапливаются в межмембранном пространстве, образуя протонный резервуар.

3. Электроны водорода переносятся на внутреннюю поверхность мембраны крист и тут же присоединяются к кислороду с помощью фермента оксидазы, образуя отрицательно заряженный активный кислород (анион):

5. Через протонный канал протоны Н + устремляются внутрь митохондрии, создавая высокий уровень энергии, большая часть которой идет на синтез АТФ из АДФ и Ф (), а сами протоны Н + взаимодействуют с активным кислородом, образуя воду и молекулярный О 2:

Таким образом, О 2 , поступающий в митохондрии в процессе дыхания организма, необходим для присоединения протонов Н + . При его отсутствии весь процесс в митохондриях прекращается, так как электронно-транспортная цепь перестает функционировать. Общая реакция III этапа:

В результате расщепления одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ: на II этапе - 2 АТФ и на III этапе - 36 АТФ. Образовавшиеся молекулы АТФ выходят за пределы митохондрии и участвуют во всех процессах клетки, где необходима энергия. Расщепляясь, АТФ отдает энергию (одна фосфатная связь заключает 46 кДж) и в виде АДФ и Ф (фосфата) возвращается в митохондрии.