Окислительное фосфорилирование в дыхательной цепи.

Механизм аккумуляции энергии выделяющейся в ходе функционирования цепи дыхательных ферментов в митохондриях окончательно не выяснен. Экспериментальным путем установлено, что при переносе пары электронов с восстановленного НАД на атом кислорода синтезируется максимум 3 молекулы АТФ. Принят во внимания, что при образовании 1 моля пирофосфатных связей АТФ 7 и 3 ккал энергии. Мы можем рассчитать, что из 52,6 ккал выделявшей свободной энергии в макроэргических связях аккумулируется только 22 ккал т.е. около 40%. Опытным путем доказано, что окисление дыхательной цепи 1 моля восстановленного НАД или 1 моля коэнзима Q сопровождается синтезом 2 молей АТФ, а окисления восстановленного цитохрома С образованием 1 моля АТФ. Эти соотношения логически объяснимы- больше выделяется энергии и соответственно меньше синтезируется АТФ.

Мерой эффективности процесса окислительного фосфорилирование в цепи дыхательных ферментов служит коэффициент Р/О. Что он обозначает? Это количество атомов фосфора включенных из неорганического фосфата в состав АТФ в расчете на 1 связанный атом кислорода пошедшего на образования воды в ходе работы дыхательной цепи. При окисление восстановленного НАД коэффициент Р/О = 3, при окисление восстановленного ФАД коэффициент Р/О = 2, при окисление восстановленного цитохрома С коэффициент Р/О = 1.

Существует несколько гипотез самого механизма аккумуляции энергии, выделяющейся при движение электронов по цепи дыхательных ферментов. Это химическая конформационная и химио осмотическая гипотезы. Наиболее обоснованной является химио осмотическая теория предложенная Митчелом. Суть химио осмотической гипотезы в следующем: свободная энергия выделяющаяся при движение электронов по цепи дыхательных ферментов используется для выброса протонов(Н+) из внутреннего пространства (матрикса митохондрии) через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. В результате в межмембранном пространстве накапливаются протоны, а в матриксе митохондрий накапливаются гидроксилы (ОН-). Встает вопрос, а как происходит выброс протонов? Перемещения протонов из внутреннего пространства митохондрий в межмембранное пространства осуществляется за счет векторного или анизотропного расположения в мембране митохондрий ферментных комплексов. На уровне каждого из трех комплексов при прохождении через него пары электронов из внутреннего пространства митохондрий в межмембранное пространство выбрасывается 2 протона. Сама внутренняя мембрана не проницаема для протонов. В результате откачки протонов из матрикса межмембранного пространства создается разность электрохимических потенциалов относительно внутренних мембран митохондрий.

rmН- разность электрохимических потенциалов. Разность электрохимических потенциалов складывается из градиента концентрации протонов и разности электрического заряда относительно внутренней мембраны. rmН = Z ï (рН + ï)

Это мембрана. Анизатропно расположены три главных дыхательных комплекса, перемещения пары электронов на уровне каждого комплекса сопровождается выбросом двух протонов. Избыток протонов на наружной поверхности внутренней мембраны и избыток гидроксила на внутренней поверхности внутренней мембраны. Положительный заряд на наружной поверхности внутренней мембраны, а отрицательный заряд на на внутренней поверхности внутренней мембраны.

Система имеющая в своей структуре градиент электрохимического потенциала является система, имеющая запас химической энергии. Эта химическая энергия используется в дальнейшем для синтеза АТФ. Трансформация энергии электрохимического градиента в энергию макроэргических связей АТФ обеспечивается работой над молекулярного белкового комплекса являющегося структурным компонентом внутренней митохондриальной мембраны. Этот комплекс состоит из двух белков: белок F0 и белок F1. Белок F0 образует тиммоль т.е. пронизывает внутреннюю мембрану, через этот тим моль протоны могут двигаться по градиенту концентрации из межмембранного пространства в матрикс митохондрий. Белок F1 прикрепляется к белку F0 с внутренней стороны мембраны и представляет собой фермент аденозинфосфотазу. Этот фермент катализирует обратную реакцию т.е. использую свободную энергию выделяющаяся при движении протонов по градиенту электрохимического потенциала для синтеза АТФ и ГДФ и неорганического фосфата. Сам механизм синтеза АТФ не известен, считают, что протоны направляются в активный центр АТФ синтетазы, где они открывают атом кислорода от остатка неорганического фосфата. Затем этот активированный остаток неорганического фосфата взаимодействует кольцевым остатком фосфорной кислоты АДФ с формированием макроэргических пирофосфатной связи АТФ. Чтобы было подытожим. По Митчелу аккумуляция свободной энергия, выделяющаяся в ходе работы цепи дыхательных ферментов, состоит из двух этапов: 1. На первом этапе свободная энергия, выделяющаяся при движении электронов по дыхательной цепи, трансформируется в энергию электрохимического градиента. 2. На втором этапе энергия электрохимического градиента, трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ.