4. Окислительное фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование – фосфорилирование АДФ с образованием АТФ, сопряженное с переносом электронов от восстановителей (НАД Н, ФАД Н₂) по электроннотранспортной цепи митохондрий к кислороду. Процесс называется окислительным, поскольку окисляются восстановленные динуклеотиды, и за счет этого появляется АТФ.

Электроны от НАД*Н и ФАД*Н₂ перемещаются по многоступенчатой цепи переноса электронов к конечному их акцептору – молекулярному кислороду.

Схема окислительного фосфорилирования была предложена в 1961 году Митчеллом и получила название «хемиосмотическая теория».

Электронно-транспортная цепь (ЭТЦ), или цепь переноса электронов, расположена на внутренней мембране митохондрий. В ее состав входит ряд последовательно расположенных переносчиков электронов, которые отличаются способностью акцептировать электроны. Самый сильный акцептор электронов – кислород расположен в конце цепи.

Среди промежуточных переносчиков электронов – кофермент Q, цитохромы b, c₁, c, a, a₃ и, наконец, О₂.

Кофермент Q, или убихинон, представляет собой производное бензохинона, способное при участии фермента принимать электроны окисляемого НАД*Н и передавать их на восстанавливаемый цитохром b. Промежуточным переносчиком электронов является фермент, в состав которого входит акцептор электронов – флавинмононуклеотид (ФМН). При переносе электрона с ФМН на кофермент Q происходит первое фосфорилирование АДФ в АТФ. Еще две молекулы АТФ синтезируются на последующих этапах, где акцепторами электронов служат цитохромы.

Цитохромы представляют собой белки, к которым присоединены молекулы гема железопорфирина, подобные тем, которые содержатся в составе гемоглобина.

В комплексе а и а₃, который называют цитохромоксидазой, помимо атомов железа содержатся атомы меди. Атомы железа и меди в этих молекулах и служат попеременно акцепторами и донорами электронов.

Как энергия, запасенная в НАД*Н и ФАД*Н₂, служит синтезу АТФ?

Атомы водорода этих восстановленных соединений транспортируются в мембраны митохондрий, где они оставляют электроны на внутренней стороне мембраны, а катионы Н+ с помощью белковой молекулы переносятся на наружную сторону (энергия электронов НАД Н затрачивается на перенос 2Н⁺ через мембрану).

Поскольку внутренняя мембрана непроницаема для протонов, то они накапливаются с наружной стороны внутренней мембраны. Электроны соединяются с кислородом, в результате чего образуются анионы.

Между наружной поверхностью мембраны, где накапливаются катионы Н+, и внутренней, где накапливаются анионы О₂-, возникает разность потенциалов. Формируется электрохимический потенциал – особая форма энергии.

В мембраны митохондрий встроены молекулы фермента, синтезирующего АТФ (АТФ-аза). Когда разность потенциалов достигает определенной величины, эта энергия затрачивается на изменение конформации АТФ-азы; при этом канал АТФ-азы открывается и по нему протоны возвращаются в матрикс, а в головке АТФ-азы происходит:

АДФ +Ф_н = АТФ

Внутри митохондрий катионы Н+, соединяясь с анионами О₂-, образуют воду. Многие яды, например, динитрофенол, являются разобщителями сопряженного окислительного фосфорилирования: они открывают канал и протоны свободно возвращаются в матрикс, АТФ не синтезируется и человек погибает.

Таким образом, в цикле трикарбоновых кислот образуется углекислый газ и в цепи переноса электронов – вода. Это те же конечные продукты, которые образуются при сжигании органического топлива.

Энергетический баланс цикла Кребса

ФАД Н₂ = 2 АТФ 4 НАД Н =12 АТФ

НАД Н₂=3 АТФ ФАД = 2 АТФ

ГТФ = АТФ ГТФ=АТФ

Итого: 15 АТФ (на 1 молекулу ПВК)

У аэробов в процессе гликолиза (расщепления глюкозы до 2-х молекул ПВК) образуется 8 молекул АТФ.

Таким образом, суммарный энергетический баланс полного окисления 1-й молекулы глюкозы до воды и углекислого газа составляет:

8 АТФ + 2*15 АТФ = 38 АТФ

Не только глюкоза может служить источником энергии. Окисляются в клетках и жирные кислоты, которые образуются в результате ферментативного расщепления жиров липазой. В результате окисления жирных кислот в конечном итоге также образуется ацетил-КоА и восстанавливаются акцепторы электронов НАД+ в НАД*Н. При этом происходит восстановление акцепторов еще одного типа – ФАД в ФАД*Н₂

Энергия, запасенная в цикле трикарбоновых кислот, в молекулах НАД*Н и ФАД*Н₂, также используется дальше для синтеза АТФ.

Когда в клетках возникает дефицит и глюкозы, и жирных кислот, окислению подвергается ряд аминокислот. При этом также образуется ацетил-КоА, или органические кислоты, которые окисляются далее в цикле трикарбоновых кислот. Аминокислоты - это последний энергетический резерв, который поступает в «топку» биологического окисления, когда исчерпаны другие резервы. Аминокислоты – дорогой «строительный материал», и они в основном служат для синтеза белков.

Существенно, что при окислении глюкозы, жирных кислот и некоторых аминокислот образуется одинаковый конечный продукт – ацетил-КоА. При этом происходит «обезличивание» первичного источника энергии, поскольку ацетил-КоА не имеет никаких следов своего происхождения.