Комплекс. НАДН-КоQ-оксидоредуктаза

Этот комплекс также имеет рабочее название НАДН-дегидрогеназа, содержит ФМН, 42 белковых молекулы, из них не менее 6 железосерных белков.

Функция

1. Принимает электроны от НАДН и передает их на коэнзим Q (убихинон).

2. Переносит 4 иона Н⁺ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Железосерные белки (FeS-белки) – это белки содержащие атомы железа, которые соединены с атомами серы и с серой остатков цистеина. В результате образуется железо-серный центр.

Комплекс. ФАД-зависимые дегидрогеназы

Данный комплекс как таковой не существует, его выделение условно. К нему относятся ФАД-зависимые ферменты, расположенные на внутренней мембране – например, ацил-SКоА-дегидрогеназа (β-окисление жирных кислот), сукцинатдегидрогеназа (цикл трикарбоновых кислот), митохондриальная глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа (челночный механизм переноса атомов водорода).

Функция

1. Восстановление ФАД в окислительно-восстановительных реакциях.

2. Обеспечение передачи электронов от ФАДН₂ на железосерные белки внутренней мембраны митохондрий. Далее эти электроны попадают на коэнзим Q (убихинон).

3 комплекс. КоQ-цитохром c -оксидоредуктаза

По другому данный комплекс называется цитохром средуктаза. В его составе имеются молекулы цитохрома b и цитохрома c ₁, железо-серные белки. Комплекс представляет собой 2 мономера, в каждом из которых насчитывается 11 полипептидных цепей.

Функция

1. Принимает электроны от коэнзима Q и передает их на цитохром с.

2. Переносит 2 иона Н⁺ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Имеются разногласия по поводу количества переносимых ионов H⁺ при участии 3-го и 4-го комплексов. По одним данным, третий комплекс переносит 2 иона H⁺ и четвертый комплекс переносит 4 иона H⁺. По другим авторам, наоборот, третий комплекс переносит 4 иона H+ и четвертый комплекс переносит 2 иона H+.

Комплекс. Цитохром с-кислород-оксидоредуктаза

В этом комплексе находятся цитохромы а и а ₃, он называется также цитохромоксидаза, состоит из 13 субъединиц. В комплексе имеются ионы меди, соединенные с белками комплекса через HS-группы цистеина, и формирующие центры, подобные тем, что имеются в железо-серных белках.

Функция

1. Принимает электроны от цитохрома с и передает их на кислород с образованием воды.

2. Переносит 4 иона Н⁺ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Комплекс

Пятый комплекс – это фермент АТФ-синтаза, состоящий из множества белковых цепей, подразделенных на две большие группы:

· одна группа формирует субъединицу F _o (произносится со звуком "о", а не "ноль" т.к олигомицин-чувствительная) – ее функция каналообразующая, по ней выкачанные наружу протоны водорода устремляются в матрикс.

· другая группа образует субъединицу F ₁ – ее функция каталитическая, именно она, используя энергию протонов, синтезирует АТФ.

Механизм работы АТФ-синтазы получил название вращательный катализ.

Упрощенно считают, что для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо прохождение через АТФ-синтазу приблизительно 3-х ионов Н⁺, и еще один ион H⁺используется для транспорта неорганического фосфата в матрикс митохондрии и для антипорта АДФ (в митохондрию) ↔ АТФ (в цитозоль). Таким образом, для получения одной молекулы АТФ из АДФ требуется 4 иона Н⁺.

Поскольку при прохождении одной пары электронов по всей дыхательной цепи выкачивается 10 ионов Н⁺, то окисление одного моля НАДН+Н⁺ приведет к образованию 2,5 молей АТФ.

Для объяснения механизма окислительного фосфорилирования выдвигалось много гипотез.

Общепринятой в настоящее время является хемиосмотическая теория, предложенная Митчеллом в 1961 году.

Рис. 3. Схема сопряжения дыхания и фосфорилирования согласно хемиосмотической теории.

1. Процесс протекает на внутренней мембране митохондрий, где располагается дыхательная цепь ферментов.

2. Внутренняя мембрана непроницаема для протонов (и большинства катионов). Это свойство обусловливает возможность неравномерного распределения заряженных частиц по обе стороны мембраны. Движение протонов и электронов имеет строго определенную направленность.

3. Ферменты-переносчики дыхательной цепи располагаются в мембране зигзагообразно. Они способны не только акцептировать атомарный водород от окисляемых субстратов, но и транспортировать его в поперечном направлении через мембрану

Достигая противоположного (внешнего) слоя мембраны, переносчик освобождает в водное пространство снаружи от нее протоны, а электроны при участии дополнительных переносчиков направляются обратно к внутреннему слою мембраны и передаются очередному ферменту дыхательной цепи. Для восстановления ферментам кроме электронов нужны протоны, которые поступают из внутреннего пространства за счет вынужденной диссоциации воды. Всего при переносе пары электронов (от НАД^.2Н) по дыхательной цепи происходит выталкивание в межмембранное пространство трех пар протонов.

Таким образом, протоны транспортируются от внутреннего слоя мембраны со стороны матрикса к наружному со стороны межмембранного пространства, а электроны передаются по цепи ферментов, достигая конечного акцептора электронов – кислорода: 2е + ½ О₂ + Н₂О = 2ОН^- (1).

4. В результате такого перераспределения электрических зарядов со стороны матрикса внутренняя мембраны оказывается заряженной отрицательно и щелочной (в ней накапливается избыток ОН^- -ионов за счет реакции (1) и остающихся ОН^- от диссоциации воды в матриксе), а со стороны межмембранного пространства - заряженной положительно и более кислой (за счет транспорта протонов). Возникает электрохимический протонный градиент, в форме которого на замкнутой мембране и происходит концентрация энергии. Электрохимический потенциал обозначают Δμ_Н+ и состоит он из электрического (ΔΨ – разности электрических потенциалов) и осмотического (ΔрН – разности концентраций протонов).

Δμ_Н+ = ΔΨ + ΔрН

Основную величину (4/5) составляет электрический потенциал.

Из-за разницы в концентрации и электрическом потенциале на протоны, находящиеся в наружном пространстве, действует сила, стремящаяся перевести их через мембрану во внутреннее пространство.

5. Возвращение протонов в матрикс осуществляется с помощью фермента аденозинтрифосфатазы (АТФ-азы или АТФ-синтазы). Этот фермент встроен во внутреннюю мембрану. Возникающие изменения в мембране (электрохимический потенциал) передаются АТФ-синтазе, которая активизируется и катализирует синтез АТФ.

АТФ-аза представляет собой интегральный белок, состоящий из двух типов субъединиц: F₀– состоит из четырех полипептидных цепей, проходящих через всю внутреннюю мембрану и образующих канал для протонов; F₁ – грибовидная каталитическая субъединица, расположенная на внутренней мембране со стороны матрикса, осуществляют реакцию АТФ + Н₂О = АДФ + Н₃РО₄.

Ток протонов создает в каталитической субъединице электрическое поле, которое смещает реакцию в сторону синтеза АТФ. В матриксе протоны соединяются с гидроксильными ионами. Образуется вода – конечный продукт окислительного фосфорилирования. Мембрана разряжается, а энергия электрохимического потенциала переходит в энергию макроэргических связей АТФ. В условиях организма в макроэргических связях АТФ аккумулируется около 60% энергии электрохимического потенциала, остальное ее количество рассеивается в виде тепла, за счет чего поддерживается температура тела.

Следует отметить, что протонный градиент на биомембранах может использоваться не только для синтеза АТФ, но и для других целей: для транспорта через мембраны нуклеозидди- и трифосфатов, для поддержания осмотического давления, для транспорта через мембраны веществ против градиента концентрации, для выработки тепла.

Таким образом, окислительное фосфорилирование – синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии электрохимического потенциала.

Для количественной оценки этого процесса введено понятие коэффициента фосфорилирования.

Коэффициент фосфорилирования – это отношение неорганического фосфата, потребляемого в процессе дыхания, к атому кислорода, т.е. Р/О. Это отношение равно 3 (если окисляемые субстраты переносят водороды на НАД) или 2 (если окисляемые субстраты переносят водороды на ФАД и далее по цепи ферментов), т.е. на каждый атом поглощенного кислорода в процессе дыхания образуется 3 или, соответственно, 2 АТФ.

Высокая эффективность реакций синтеза АТФ, сопряженных с переносом электронов по дыхательной цепи, может быть реализована только на специализированных мембранных структурах. В клетках человека и животных все основные процессы, связанные с окислительными превращениями пищевых веществ, в том числе и окислительное фосфорилирование, происходят в особых внутриклеточных органеллах, называемых митохондриями. В митохондриях клеток нашего организма вырабатывается более 90% всего количества энергии, необходимой для поддержания процессов жизнедеятельности.