Что такое фосфорилирование окислительное фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование

При окислительном фосфорилировании происходит перенос электронов от соединений-доноров к соединениям-акцепторам в ходе окислительно-восстановительных реакций. В ходе этих реакций выделяется энергия, которая далее запасается в виде АТФ. У эукариот эти окислительно-восстановительные реакции осуществляются несколькими белковыми комплексами, локализованными во внутренней митохондриальной мембране, а у прокариот они располагаются в межмембранном пространстве клетки. Этот набор связанных белков составляет электроно-транспортную цепь (ЭТЦ). У эукариот в состав ЭТЦ входит пять белковых комплексов, в то время как у прокариот её составляют множество различных белков, работающих с различными донорами и акцепторами электронов.

Энергия, выделяющаяся при движении электронов по ЭТЦ, используется для транспорта протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану в межмембранное пространство. Таким образом накапливается потенциальная энергия, слагающаяся из протонного градиента и электрического потенциала. Эта энергия высвобождается при возвращении протонов обратно в митохондриальный матрикс по их электрохимическому градиенту. Это возвращение происходит через особый белковый комплекс — АТФ-синтазу; сам процесс перемещения протонов по их электрохимическому градиенту получил название хемиосмос. АТФ-синтаза использует выделяющуюся при хемиосмосе энергию для синтеза АТФ из АДФ в ходе реакции фосфорилирования. Эта реакция запускается потоком протонов, которые вызывают вращение части АТФ-синтазы; таким образом, АТФ-синтаза работает как вращающийся молекулярный мотор.

Хотя окислительное фосфорилирование относится к жизненно важным реакциям фосфорилирования, в ходе этого процесса также образуются активные формы кислорода, в частности, супероксид и пероксид водорода. Они вызывают образование в клетках свободных радикалов, которые причиняют вред клеткам, приводя к болезням и старению. Ферменты окислительного фосфорилирования являются мишенями для многих биологически активных веществ и ядов, которые подавляют их активность.

Окислительное фосфорилирование следует отличать от субстратного фосфорилирования, при котором АТФ синтезируется не за счёт энергии переноса электронов и протонов по цепи переносчиков, а при фосфорилировании АДФ до АТФ при отрыве фосфата от соединений с высоким потенциалом переноса фосфата.

Связанные понятия

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Электрохими́ческий градиéнт, или градиéнт электрохимического потенциáла, — совокупность градиента концентрации и мембранного потенциала, которая определяет направление движения ионов через мембрану. Состоит из двух составляющих: химического градиента (градиента концентрации), или разницы в концентрациях растворённого вещества по обе стороны мембраны, и электрического градиента (мембранного потенциала), или разницы зарядов, расположенных на противоположных сторонах мембраны. Градиент возникает вследствие.

Шаперо́н (англ. chaperones) — класс белка, главная функция которого состоит в восстановлении правильной нативной третичной или четвертичной структуры белка, а также образование и диссоциация белковых комплексов.

Источник

Окислительное фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование — один из важнейших компонентов клеточного дыхания, приводящего к получению энергии в виде АТФ. Субстратами окислительного фосфорилирования служат продукты расщепления органических соединений — белки, жиры и углеводы. Процесс окислительного фосфорилирования проходит на кристах митохондрий.

Однако чаще всего в качестве субстрата используются углеводы. Так, клетки головного мозга не способны использовать для питания никакой другой субстрат, кроме углеводов.

Предварительно сложные углеводы расщепляются до простых, вплоть до образования глюкозы. Глюкоза является универсальным субстратом в процессе клеточного дыхания. Окисление глюкозы подразделяется на 3 этапа:

При этом гликолиз является общей фазой для аэробного и анаэробного дыхания.

Содержание

Работа АТФ-синтазы

Процесс окислительного фосфорилирования осуществляется пятым комплексом дыхательной цепи митохондрий — Протонная АТФ-синтаза, состоящая из 9 субъединиц 5 типов:

Суммарный выход

Для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо 3 протона.

Ингибиторы окислительного фосфорилирования

Ингибиторы блокируют V комплекс:

Разобщители окислительного фосфорилирования

Разобщители — липофильные вещества, которые способны принимать протоны и переносить их через внутреннюю мембрану митохондрий минуя V комплекс(его протонный канал). Разобщители:

Полезное

Смотреть что такое «Окислительное фосфорилирование» в других словарях:

окислительное фосфорилирование — см. фосфорилирование окислительное. окислительные брожения – см. брожения окислительные. (Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.) … Словарь микробиологии

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ — в биохимии образование аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной и фосфорной кислот за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ в живых клетках. См. также Фосфорилирование … Большой Энциклопедический словарь

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ — осуществляющийся в живых клетках синтез молекул аденозинтрифосфорной к ты (АТФ) из адеиозиндифосфорной (АДФ) и фосфорной к т за счёт энергии окисления молекул органич. веществ. Аккумулированная в АТФ энергия используется затем клеткой для… … Биологический энциклопедический словарь

окислительное фосфорилирование — — [http://www.dunwoodypress.com/148/PDF/Biotech Eng Rus.pdf] Тематики биотехнологии EN oxidative phosphorylation … Справочник технического переводчика

окислительное фосфорилирование — (биохим.), образование аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной и фосфорной кислот за счёт энергии, освобождающейся при окислении органических веществ в живых клетках. См. также Фосфорилирование. * * * ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ… … Энциклопедический словарь

окислительное фосфорилирование — oxidative phosphorylation окислительное фосфорилирование. Фосфорилирование основного биоэнергетического носителя (АДФ в АТФ), сопряженное с окислением низкомолекулярных соединений кислородом в дыхательной цепи; превращение АДФ в АТФ может… … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ — синтез АТФ из аденозиндифосфата и неорг. фосфата, осуществляющийся в живых клетках, благодаря энергии, выделяющейся при окислении орг. в в в процессе клеточного дыхания. В общем виде О. ф. и его место в обмене в в можно представить схемой: АН 2… … Химическая энциклопедия

Окислительное фосфорилирование — осуществляющийся в живых клетках синтез молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной (АДФ) и фосфорной кислот за счёт энергии окисления молекул органических веществ (субстратов). В результате О. ф. в клетках… … Большая советская энциклопедия

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ — (биохим.), образование аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной и фосфорной к т за счёт энергии, освобождающейся при окислении органич. в в в живых клетках. См. также Фосфррилирование … Естествознание. Энциклопедический словарь

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ — образование АТФ за счет энергии переноса электронов с субстратов (напр., промежуточных продуктов цикла Кребса) на кислород … Словарь ботанических терминов

Источник

Стадии окислительного фосфорилирования, продукты, функции и ингибиторы

окислительное фосфорилирование это процесс, где молекулы АТФ синтезируются из АДФ и Р_Я (неорганический фосфат). Этот механизм выполняют бактерии и эукариотические клетки. В эукариотических клетках фосфорилирование осуществляется в митохондриальном матриксе нефотосинтетических клеток.

Производство АТФ обусловлено переносом электронов из коферментов NADH или FADH.₂ уплотнительное₂. Этот процесс представляет собой наивысшую выработку энергии в клетке и происходит из-за разложения углеводов и жиров..

Энергия, запасенная в градиенте заряда и рН, также известная как протонная движущая сила, позволяет осуществить этот процесс. Генерируемый протонный градиент вызывает положительный заряд внешней части мембраны из-за концентрации протонов (H + ) и митохондриальная матрица отрицательна.

Где происходит окислительное фосфорилирование?

Процессы транспорта электронов и окислительного фосфорилирования связаны с мембраной. У прокариот эти механизмы осуществляются через плазматическую мембрану. В эукариотических клетках они связываются с мембраной митохондрий.

Количество митохондрий, обнаруженных в клетках, варьируется в зависимости от типа клеток. Например, у млекопитающих эритроциты не имеют этих органелл, в то время как другие типы клеток, такие как мышечные клетки, могут иметь до миллионов из них.

Внешняя мембрана содержит белок под названием порин, который образует каналы для простой диффузии небольших молекул. Эта мембрана отвечает за поддержание структуры и формы митохондрий..

Внутренняя мембрана имеет более высокую плотность и богата белками. Он также непроницаем для молекул и ионов, поэтому для его пересечения им необходимы межмембранные белки, которые их транспортируют..

Внутри матрицы простираются складки внутренней мембраны, образуя гребни, которые позволяют ей иметь большую площадь в небольшом объеме.

Сотовая электростанция

Митохондрии считаются центральным производителем клеточной энергии. В нем присутствуют ферменты, участвующие в процессах цикла лимонной кислоты, окисления жирных кислот и ферментов и окислительно-восстановительных белков транспорта электронов и фосфорилирования АДФ..

Градиент концентрации протонов (градиент рН) и градиент зарядов или электрического потенциала во внутренней мембране митохондрий отвечают за движущую силу протона. Низкая проницаемость внутренней мембраны для ионов (кроме Н) + ) позволяет митохондриям иметь стабильный градиент напряжения.

Электронный транспорт, накачка протонов и получение АТФ происходят одновременно в митохондриях благодаря протонной движущей силе. Градиент рН поддерживает кислотные условия в межмембранной и митохондриальной матрицах с щелочными условиями.

Для каждых двух электронов, переданных в ИЛИ₂ Около 10 протонов прокачиваются через мембрану, создавая электрохимический градиент. Энергия, выделяемая в этом процессе, постепенно вырабатывается при прохождении электронов по конвейерной цепи..

этапы

Энергия, выделяемая при окислительно-восстановительных реакциях NADH и FADH₂ он значительно высок (около 53 ккал / моль для каждой пары электронов), поэтому для использования в производстве молекул АТФ его необходимо производить постепенно при прохождении электронов через транспортеры.

Они организованы в четыре комплекса, расположенных во внутренней митохондриальной мембране. Связь этих реакций с синтезом АТФ осуществляется в пятом комплексе.

Электронная транспортная цепь

NADH переносит пару электронов, которые входят в комплекс I цепи переноса электронов. Электроны переносятся в мононуклеотид флавина, а затем в убихинон (кофермент Q) с помощью транспортера железа-серы. Этот процесс выделяет большое количество энергии (16,6 ккал / моль).

Убихинон транспортирует электроны через мембрану к комплексу III. В этом комплексе электроны проходят через цитохромы В и С₁ благодаря железно-серному транспортеру.

Из комплекса III электроны переходят в комплекс IV (цитохром с оксидаза), передаваемый один за другим в цитохром с (мембранный периферический белок). В IV комплексе электроны проходят через пару ионов меди (Cu_в 2+ ), то к цитохрому с_в, затем к другой паре ионов меди (Cu_б 2+ ) и от этого к цитохрому₃.

Наконец, электроны передаются в ИЛИ₂ который является последним акцептором и образует молекулу воды (H₂О) для каждой пары полученных электронов. Переход электронов из комплекса IV в O₂ также генерирует большое количество свободной энергии (25,8 ккал / моль).

Сукцинат CoQ редуктаза

Комплекс II (сукцинат CoQ-редуктаза) получает пару электронов из цикла лимонной кислоты путем окисления молекулы сукцината до фумарата. Эти электроны передаются в FAD, проходя через железо-серу группу, к убихинону. Из этого кофермента они переходят в комплекс III и следуют ранее описанному маршруту..

Энергии, высвобождаемой в реакции переноса электрона в FAD, недостаточно для протонирования протонов через мембрану, поэтому на этом этапе цепи не генерируется протонная движущая сила, и, следовательно, FADH дает меньше H + что НАД.

Связь или преобразование энергии

Энергия, генерируемая в ранее описанном процессе переноса электронов, должна быть в состоянии использоваться для производства АТФ, реакции, катализируемой ферментом АТФ-синтазой или комплексом V. Сохранение этой энергии известно как связывание энергии, и механизм был трудно охарактеризовать.

Несколько гипотез были описаны для описания этой передачи энергии. Наиболее приемлемой является гипотеза хемосмотической связи, описанная ниже.

Хемосмотическая связь

Этот механизм предполагает, что энергия, используемая для синтеза АТФ, происходит от протонного градиента в клеточных мембранах. Этот процесс вмешивается в митохондрии, хлоропласты и бактерии и связан с переносом электронов.

Комплексы I и IV электронного транспорта действуют как протонные насосы. Они претерпевают конформационные изменения, которые позволяют им прокачивать протоны в межмембранное пространство. В комплексе IV для каждой пары электронов два протона выкачиваются из мембраны и еще два остаются в матрице, образуя H₂О.

Убихинон в комплексе III принимает протоны из комплексов I и II и выпускает их за пределы мембраны. Комплексы I и III позволяют проходить по четыре протона на каждую пару переносимых электронов..

Митохондриальная матрица имеет низкую концентрацию протонов и отрицательный электрический потенциал, в то время как межмембранное пространство представляет собой обратные условия. Поток протонов через эту мембрану включает электрохимический градиент, который хранит необходимую энергию (± 5 ккал / моль на протон) для синтеза АТФ.

Синтез АТФ

Фермент АТФ-синтетаза является пятым комплексом, участвующим в окислительном фосфорилировании. Он отвечает за использование энергии электрохимического градиента для формирования АТФ.

Этот трансмембранный белок состоит из двух компонентов: F₀ и F₁. Компонент F₀ позволяет вернуть протоны в митохондриальную матрицу, функционирующую как канал и F₁ катализирует синтез АТФ через АДФ и Р_Я, используя энергию указанного возврата.

Процесс синтеза АТФ требует структурного изменения в F₁ и сборка компонентов F₀ и F₁. Транслокация протонов через F₀ вызывает конформационные изменения в трех субъединицах F₁, позволяя ему действовать как двигатель вращения, направляя формирование АТФ.

Субъединица, которая отвечает за связывание ADP с P_Я оно переходит из слабого состояния (L) в активное (T). Когда образуется АТФ, вторая субъединица переходит в открытое состояние (О), что позволяет высвобождать эту молекулу. После освобождения ATP эта субъединица переходит из открытого состояния в неактивное состояние (L).

Молекулы АДФ и Р_Я присоединиться к подразделению, которое перешло из состояния O в состояние L.

производить

Электронная транспортная цепь и фосфорилирование производят молекулы АТФ. Окисление НАДН производит около 52,12 ккал / моль (218 кДж / моль) свободной энергии.

Общая реакция на окисление NADH:

Перенос электронов из NADH и FADH₂ он дается через несколько комплексов, позволяя разделить изменение свободной энергии ΔG ° на более мелкие «пакеты» энергии, которые связаны с синтезом АТФ.

Окисление молекулы НАДН вызывает синтез трех молекул АТФ. В то время как окисление молекулы FADH₂ связан с синтезом двух АТФ.

Эти коферменты происходят из процессов гликолиза и цикла лимонной кислоты. Для каждой молекулы разложившейся глюкозы образуется 36 или 38 молекул АТФ, в зависимости от расположения клеток. 36 АТФ образуются в мозге и скелетных мышцах, а 38 АТФ образуются в мышечной ткани..

функции

Все организмы, одноклеточные и плюрицеллюлярные, нуждаются в минимальной энергии в своих клетках для осуществления процессов внутри них и, в свою очередь, для поддержания жизненно важных функций в целостном организме..

Метаболические процессы требуют энергии для проведения. Большая часть полезной энергии получается за счет разложения углеводов и жиров. Указанная энергия получается из процесса окислительного фосфорилирования.

Контроль окислительного фосфорилирования

Скорость использования АТФ в клетках контролирует их синтез, и, в свою очередь, благодаря связыванию окислительного фосфорилирования с цепью транспорта электронов, она также регулирует скорость электронного транспорта в целом..

Окислительное фосфорилирование строго контролируется, что гарантирует, что АТФ не генерируется быстрее, чем потребляется. Существуют определенные шаги в процессе транспорта электронов и сопряженного фосфорилирования, которые регулируют скорость производства энергии..

Скоординированный контроль производства АТФ

Основными путями производства энергии (клеточный АТФ) являются гликолиз, цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование. Скоординированный контроль этих трех процессов регулирует синтез АТФ.

Управление фосфорилированием по соотношению массового действия АТФ зависит от точного вклада электронов в транспортную цепь. Это в свою очередь зависит от отношений [НАДН] / [НАД + ] который сохраняется повышенным под действием гликолиза и цикла лимонной кислоты.

Этот скоординированный контроль осуществляется путем регулирования контрольных точек гликолиза (PFK ингибируется цитратом) и цикла лимонной кислоты (пируватдегидрогеназа, цитратная лента, изоцитратдегидрогеназа и α-кетоглутаратдегидрогеназа).

Управление акцептором

Комплекс IV (цитохром с оксидаза) представляет собой фермент, регулируемый одним из его субстратов, что означает, что его активность контролируется восстановленным цитохромом с (с 2+ ), который, в свою очередь, находится в равновесии с отношением концентраций между [NADH] / [NAD + ] и массовое отношение действия [ATP] / [ADP] + [P_Я].

Чем выше отношение [NADH] / [NAD] + ] и опустите [ATP] / [ADP] + [P_Я], чем больше будет концентрации цитохрома [c 2+ ] и активность комплекса IV будет выше. Это интерпретируется, например, если мы сравним организмы с различной активностью отдыха и высокой активностью.

У человека с высокой физической активностью потребление АТФ и, следовательно, его гидролиз до АДФ + Р_Я будет очень высоким, вызывая разницу в соотношении массовых воздействий, что вызывает увеличение [c 2+ ] и, следовательно, увеличение синтеза АТФ. В состоянии покоя происходит обратная ситуация.

В конце концов, скорость окислительного фосфорилирования увеличивается с концентрацией АДФ в митохондриях. Эта концентрация зависит от ADP-ATP транслокаторов, ответственных за транспорт адениновых нуклеотидов и P_Я от цитозоля до митохондриального матрикса.

Отключающие агенты

На окислительное фосфорилирование влияют определенные химические агенты, которые позволяют электронному транспорту продолжаться без фосфорилирования ADP, отделяя производство и сохранение энергии.

Эти агенты стимулируют скорость потребления кислорода митохондриями в отсутствие АДФ, также вызывая увеличение гидролиза АТФ. Они действуют, устраняя посредника или нарушая энергетическое состояние цепи переноса электронов..

2,4-динитрофенол, слабая кислота, которая проходит через митохондриальные мембраны, отвечает за рассеивание градиента протонов, поскольку они связываются с ними на кислотной стороне и высвобождают их на основной стороне..

Это соединение использовалось в качестве «таблетки для похудения», поскольку было обнаружено, что оно вызывает увеличение дыхания, следовательно, увеличение скорости метаболизма и связанной с этим потери веса. Тем не менее, было показано, что его отрицательный эффект может даже привести к смерти.

Рассеяние протонного градиента производит тепло. Клетки жировой ткани коричневого цвета используют выделение, контролируемое гормонально, для выработки тепла. Спящие млекопитающие и новорожденные, лишенные волос, состоят из этой ткани, которая служит своего рода тепловым одеялом.

ингибиторы

Соединения или ингибирующие агенты предотвращают как потребление O₂ (электронный транспорт) как связанное окислительное фосфорилирование. Эти агенты предотвращают образование АТФ с помощью энергии, вырабатываемой в электронном транспорте. Таким образом, транспортная цепочка останавливается, когда это потребление энергии не доступно.

Антибиотик олигомицин действует как ингибитор фосфорилирования у многих бактерий, предотвращая стимуляцию АДФ к синтезу АТФ.

Источник

Окислительное фосфорилирование. Механизмы, нарушения.

» data-shape=»round» data-use-links data-color-scheme=»normal» data-direction=»horizontal» data-services=»messenger,vkontakte,facebook,odnoklassniki,telegram,twitter,viber,whatsapp,moimir,lj,blogger»>

Окислительное фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование состоит из процессов окисления и фосфорилирования, которые между собой сопряжены.

Катаболизм органических веществ в тканях сопровождается потреблением кислорода и выделением СО₂. Этот процесс называют тканевым дыханием. Кислород в этом процессе используется как акцептор водорода от окисляемых (дегидрируемых) веществ (субстратов), в результате чего синтезируется вода. Процесс окисления можно представить следующим уравнением: SH₂ + 1/2 O₂ → S+ H₂O. Окисляемые различные органические вещества (S – субстраты), представляют собой метаболиты катаболизма, их дегидрирование является экзоэргическим процессом. Энергия, освобождающаяся в ходе реакций окисления, либо полностью рассеивается в виде тепла, либо частично тратится на фосфорилирование ADP с образованием АТР. Организм превращает около 40% энергии, выделяющейся при окислении, в энергию макроэргических связей АТР. Большинство организмов в биосфере использует этот способ или очень сходный с ним (в качестве терминального акцептора водорода может быть не кислород, а другое соединение) как основной источник энергии, необходимый для синтеза внутриклеточной АТР. Таким путем клетка превращает химическую энергию питательных веществ, поступивших извне, в утилизируемую метаболическую энергию. Реакция дегидрирования и способ превращения выделившейся энергии путем синтеза АТР – это энергетически сопряженные реакции. Целиком весь сопряженный процесс называется окислительным фосфорилированием ADP:

Окислительное фосфорилирование ADP

СХЕМА ЭТАПОВ КАТАБОЛИЗМА

1-й этап. Образование мономеров из полимеров.
Полимеры → Мономеры
Белки → Аминокислоты
Крахмал → Глюкоза
Жиры → глицерин + жирные кислоты

2-й этап. Превращение мономеров в ПВК и Ацетил-КоА.

3-й этап. Превращение Ацетил-КоА в конечные продукты катаболизма: СО₂ и Н₂О.

Для всех классов веществ последний этап катаболизма одинаков: на 3-м этапе образуется большинство субстратов митохондриального окисления – 4 вещества из 9 основных и 5-й субстрат – ПВК.

Процесс окисления

Процесс окисления происходит при движении электронов по дыхательной цепи от субстратов тканевого дыхания на кислород. Дыхательная цепь окислительного фосфорилирования состоит из 4 белковых комплексов, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий и небольших подвижных молекул убихинона и цитохрома С, которые циркулируют в липидном слое мембраны между белковыми комплексами.

Комплекс I – НАДН₂ дегидрогеназный комплекс – самый большой из дыхательных ферментных комплексов – имеет молекулярную массу свыше 800КДа, состоит из более 22 полипептидных цепей, в качестве коферментов содержит ФМН и 5 железо-серных (Fe2S2 и Fe4S4) белков.

Комплекс II – СДГ. В качестве коферментов содержит ФАД и железо-серный белок.

Комплекс III – Комплекс b–c₁ (фермент QH₂ ДГ), имеет молекулярную массу 500КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, и вероятно существует в виде димера. Каждый мономер содержит 3 гема, связанных с цитохромами b562, b566, с1, и железо-серный белок.

Комплекс IV – Цитохромоксидазный комплекс имеет молекулярную массу 300КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, существует в виде димера. Каждый мономер содержит 2 цитохрома (а и а3) и 2 атома меди.

Коэнзим Q (убихинон). Липид, радикал которого у млекопитающих образован 10 изопреноидными единицами (Q10). Убихинон переносит по 2Н+ и 2е-.

Цитохром с. Периферический водорастворимый мембранный белок с массой 12,5КДа, содержит 1 полипептидную цепь из 100 АК, и молекулу гема.

Молекулярные соотношения между компонентами дыхательной цепи отличаются в разных тканях. Например, в миокарде, на 1 молекулу НАДН2 дегидрогеназного комплекса приходиться 3 молекулы комплекса b-c1, 7 молекул цитохромоксидазного комплекса, 9 молекул цитохрома С и 50 молекул убихинона.

Электрохимический потенциал. Компоненты дыхательной цепи располагаются в мембране в порядке повышения их редокс-потенциала. При переходе е- от комплекса с низким редокс-потенциалом к комплексу с более высоким редокс-потенциалом происходит выделение свободной энергии. При окислении 1 НАДН2 выделяется 220 кДж/моль свободной энергии.

I, III и IV комплексы дыхательной цепи используют 65-70% этой свободной энергии для переноса Н+ из матрикса митохондрий в межмембранное пространство, 30-35% свободной энергии рассеивается в виде тепла.

Этапы движения е – по дыхательной цепи

В сумме осмотический градиент протонов и разность потенциалов образуют электрохимический потенциал, который в типичной клетке составляет около 60+160=220 мВ.

Механизм переноса Н+ через мембрану до конца не изучен. Вероятно, у разных компонентов дыхательной цепи существуют разные механизмы сопряжения транспорта е- с перемещением Н+.

Образовавшийся на внутренней мембране митохондрий электрохимический потенциал используется для:

Окислительное фосфорилирование. Процесс фосфорилирования

Процесс фосфорилирования осуществляется АТФ-синтетазой (Н+-АТФ-аза), которая потребляет 40-45% свободной энергии, выделившейся при окислении. Н+-АТФ-аза интегральный белок внутренней мембраны митохондрий, она состоит из 2 белковых комплексов F0 и F1.

Гидрофобный комплекс F₀ погружён в мембрану и служит основанием, которое фиксирует АТФ-синтазу в мембране. Он состоит из нескольких субъединиц, образующих канал, по которому протоны переносятся в матрикс.

Комплекс F₁ выступает в митохондриальный матрикс. Он состоит из 9 субъединиц (3α, 3β, γ, δ, ε). Субъединицы α и β уложены попарно, образуя «головку»; между а- и β-субъединицами располагаются 3 активных центра, в которых происходит синтез АТФ; γ, δ, ε – субъединицы связывают комплекс F1, с F0.

АТФ-синтетаза обеспечивает обратимое взаимопревращение энергии электрохимического потенциала и энергии химических связей.

Электрохимический потенциал внутренней мембраны заставляет Н+ двигаться из межмебранного пространства по каналу АТФ-синтазы в матрикс митохондрий. При каждом переносе протонов через канал Fo энергия электрохимического потенциала расходуется на поворот стержня, в результате которого циклически изменяется конформация а- и β-субъединиц и все 3 активных центра, образованных парам α- и β-субъединиц, катализируют очередную фазу цикла: 1) связывание АДФ и Н3РО4; 2) образование фосфоангидридной связи АТФ; 3) освобождение конечного продукта АТФ.

Окислительное фосфорилирование. Специфические ингибиторы тканевого дыхания

Окислительное фосфорилирование. Сопряжения и разобщения

Процесс окисления создает электрохимический потенциал, а процесс фосфорилирования его использует. Таким образом, электрохимический потенциал обеспечивает сопряжение (связывание) процессов окисления и фосфорилирования (окислительного фосфорилирования).

Так как необходимый для сопряжения электрохимический потенциал создают I, III и IV комплексы дыхательной цепи, их называют пунктами сопряжения окисления и фосфорилирования.

Повреждение внутренней мембраны митохондрий или увеличение ее проницаемости под действием разобщителей вызывает исчезновение электрохимического потенциала, разобщение процессов окисления и фосфорилирования, и прекращение синтеза АТФ.

Разобщение дыхания и фосфорилирова­ния назы­вают явление исчезновения на мембране электрохимического потенциала под действием разобщителей и прекращение синтеза АТФ.

Убедительные экспериментальные доказательства в пользу описанного механизма сопряжения дыхания и фосфорилирования были получены с помощью ионофоров. Молекулы этих веществ, как правило, липофильны и способны переносить ионы через мембрану. Например, 2,4-динитрофенол (протонофор) легко диффундирует через мембрану, в ионизированной и неионизированной форме, перенося протоны в сторону их меньшей концентрации в обход протонных каналов. Таким образом, 2,4-динитрофенол уничтожает электрохимический потенциал, и синтез АТР становится невозможным, хотя окисление субстратов при этом происходит. Энергия дыхательной цепи в этом случае полностью рассеивается в виде теплоты. Этим объясняется пирогенное действие разобщителей. Разобщающим действием обладают гормон щитовидной железы – тироксин, а также некоторые антибиотики, такие как валиномицин и грамицидин.

Разобщителями являются вещества, которые могут переносить протоны (протонофоры) или другие ионы (ионофоры) через мембрану минуя каналы АТФ-синтетазы. В результате разобщения количество АТФ снижается, АДФ увеличивается, возра­стает скорость потребления О₂, окисления НАДН₂, ФАДН₂, а образовавшаяся свободная энергия выделяется в виде теп­лоты.

Как правило, разобщители — липофильные веще­ства, легко проходящие через мембраны. Например, вещество 2,4-динитрофенол (переносит Н + ), лекарство – дикумарол, метаболит – билирубин, гормон щитовидной железы – ти­роксин, антибиотики – валиномицин и грамицидин.

Окислительное фосфорилирование. Вещества-разобщители процессов окисления и фосфорилирования

Они не прекращают процессов окисления, но снижают синтез АТФ. Дыхательная цепь работает, а АТФ при этом синтезируется в меньшем количестве, чем в норме. Тогда энергия, получаемая при переносе электронов по цепи МтО, выделяется в виде тепла. Такое состояние, когда происходит окисление субстратов, а фосфорилирование (образование АТФ из АДФ и Ф) не идет, называется РАЗОБЩЕНИЕМ ОКИСЛЕНИЯ И ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ. К такому состоянию может приводить действие веществ-разобщителей:

2,4-ДИНИТРОФЕНОЛ, открытый в 1944 году Липманом, при введении в организм повышает температуру тела и понижает синтез АТФ. Это вещество, наряду с другими, открытыми позже, пытались использовать для лечения ожирения, но безуспешно.

Механизм действия веществ-разобщителей становится понятням только с точки зрения хемиоосмотической теории.

Разобщители являются слабыми кислотами, растворимыми в жирах. В межмембранном пространстве они связывают протоны, и затем диффундируют в матрикс, тем самым снижая DmH+.

Подобным действием обладает и йодсодержащие гормоны щитовидной железы – тироксин и трийодтиронин. При состояниях, сопровождающихся гиперфункцией щитовидной железы (например, Базедова болезнь), больным не хватает энергии АТФ: они много едят (нужно большое количество субстратов для окисления), но при этом теряют в весе. Большая часть энергии выделяется в виде тепла.

Схема цепи митохондриального окисления не раскрывает механизма образования АТФ путем окислительного фософорилирования. Этот механизм объясняется гипотезой П.Митчелла.

Окислительное фосфорилирование. Коэффициент

Для оценки эффективности окислительного фосфорилирования используют коэффициент окислительного фосфорилирования (Р/О).
Коэффициентом окислитель­ного фосфорилирования называют от­ношение количества фосфорной кислоты (Р), использованной на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), поглощённого в процессе дыхания.
При окисление молекулы НАДН₂, е – по дыхательной цепи проходят 3 пункта сопряжения, что обеспечивает синтез 3 АТФ при затрате 3 Н₃РО₄ и 3 АДФ на 1 атом кислорода. Соответственно для НАДН₂ Р/О=3.
При окисление молекулы ФАДН₂, е – по дыхательной цепи проходят только 2 пункта сопряжения, что обеспечивает синтез 2 АТФ при затрате 2 Н₃РО₄ и 2 АДФ на 1 атом кислорода. Соответственно для ФАДН₂ Р/О=2.

Эти величины Р/О отражают теоретический максимум синтеза АТФ, фактически эта величи­на меньше из-за затрат на транспорт.

Окислительное фосфорилирование. Дыхательный контроль

В норме субстраты тканевого дыхания и О₂ находятся в достаточном количестве и не лимитируют окислительное фосфорилирование. Активность окислительного фосфорилирования ограничивает только концентрация АДФ, которая обратно пропорциональна концентрации АТФ.

При нагрузке концентрация АТФ снижается, а АДФ увели­чивается, что ускоряет дыхание и фосфорилирование. В состоянии покоя количество АТФ увеличивается, а АДФ снижается, что тормозит дыхание и фосфорилирование.

Зависимость ин­тенсивности дыхания митохондрий от концент­рации АДФ называют дыхательным контролем. В результате дыхательного контроля скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клет­ки в энергии. Общее содержание АТФ в организме 30—50 г, но каждая молекула АТФ в клетке «живёт» мень­ше минуты. В сутки у человека синтезируется 40—60 кг АТФ и столько же распадается.

Скорость дыхания митохондрий может контролироваться концентрацией ADP. Это объясняется тем, что окисление и фосфорилирование жестко сопряжены. Энергия, необходимая клетке для совершения работы, поставляется за счет гидролиза АТР. Концентрация ADP при этом увеличивается; в результате создаются условия для ускорения дыхания, что и ведет к восполнению запасов АТР.

Ингибиторы цепи транспорта электронов и окислительного фосфорилирования

Ингибиторы, блокирующие дыхательную цепь, действуют в определенных местах, препятствуя работе дыхательных ферментов (KCN, барбитураты, ротенон). Существуют также вещества, ингибирующие окислительное фосфорилирование.

Окислительное фосфорилирование.
Макроэргические связи и макроэргические соединения, роль в организме.
АТФ как важнейший аккумулятор и источник энергии

В живых организмах существует целая группа органических фосфатов, гидролиз которых приводит к освобождению большого количества свободной энергии. Такие соединения называют высокоэнергетическими фосфатами. Разные фосфорилированные соединения обладают разным запасом свободной энергии. К группе высокоэнергетических фосфатов, помимо АТФ, относят енолфосфаты, ангидриды и фосфогуанидины.

При гидролизе концевой фосфоангидридной связи АТФ превращается в АДФ и Рн. При этом изменение свободной энергии составляет —7,3 ккал/моль.

Величина свободной энергии гидролиза АТФ делает возможным его образование из АДФ за счёт переноса фосфатного остатка от таких высокоэнергетических фосфатов, как, например, фосфоенолпируват или 1,3-бисфосфоглицерат; в свою очередь, АТФ может участвовать в таких эндергонических реакциях, как фосфорилирование глюкозы или глицерина. АТФ выступает в роли донора энергии в эндергонических реакциях многих анаболических процессов. Некоторые биосинтетические реакции в организме могут протекать при участии других нуклеозидтрифосфатов, аналогов АТФ; к ним относят гуанозинтрифосфат (ГТФ), уридинтрифосфат (УТФ) и цитидинтрифосфат (ЦТФ). Все эти нуклеотиды, в свою очередь, образуются при использовании свободной энергии концевой фосфатной группы АТФ. Наконец, за счёт свободной энергии АТФ совершаются различные виды работы, лежащие в основе жизнедеятельности организма, например, такие как мышечное сокращение или активный транспорт веществ.

Таким образом, АТФ — главный, непосредственно используемый донор свободной энергии в биологических системах. В клетке молекула АТФ расходуется в течение одной минуты после её образования. У человека количество АТФ, равное массе тела, образуется и разрушается каждые 24 ч.

Использование АТФ как источника энергии возможно только при условии непрерывного синтеза АТФ из АДФ за счёт энергии окисления органических соединений. Цикл АТФ—АДФ — основной механизм обмена энергии в биологических системах, а АТФ — универсальная «энергетическая валюта».

Окислительное фосфорилирование

В сутки человек потребляет в среднем 27 моль кислорода. Основное его количество (примерно 25 моль) используется в митохондриях в дыхательной цепи. Следовательно, ежесуточно синтезируется 125 моль ATP или 62 кг (при расчете использовали коэффициент Р/О=2,5, то есть среднее значение коэффициента фосфорилирования). Масса всей АТР, содержащейся в организме, составляет примерно 20-30 г. Следовательно, можно сделать вывод, что каждая молекула АТР за сутки 2500 раз проходит процесс гидролиза и синтеза, что и характеризует интенсивность обмена АТР.

Источник