Биологическое окисление

через внутреннюю мембрану. Поскольку этот процесс обратим, фермент может не

только использовать энергию гидролиза АТФ для переноса Н + через мембрану,

но при достаточно большом протонном градиенте протоны начинают «течь» через

АТФ-синтетазу в обратном направлении, что сопровождается синтезом АТФ.

3. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для Н +, ОН- и вообще

всех анионов и катионов.

4. Внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд белков-

переносчиков, осуществляющих транспорт необходимых метаболитов и

неорганических ионов.

При прохождении высокоэнергетических электронов, доставляемых НАДН и

ФАДH2, по дыхательной цепи внутренней митохондриальной мембраны от

одного переносчика к следующему высвобождается энергия, которая

используется для перекачивания протонов (Н+) через внутреннюю мембрану из

матрикса в межмембранное пространство. (см.рисунок 2)

Рисунок 2. Перенос протонов при участии АТФ-синтазной системы (модель

Митчелла).[10,1993]

В результате на внутренней мембране создается электрохимический

протонный градиент; энергию о6ратного тока протонов «вниз» по этому

градиенту используется связанный с мембраной фермент АТФ-синтетаза,

катализирующий образование ATФ из АДФ и Фн, т.е. завершающий этап

окислительного фосфорилирования.

Редокс-цепь окислительного фосфорилирования.

Электроны переносятся с НАДН на кислород с помощью трех больших

ферментных комплексов дыхательной цепи. Хотя механизмы извлечения энергии в

дыхательной цепи и в других катаболических реакциях различны, в их основе

лежат общие принципы. Реакция Н2 + 1/2 О2 ( Н2О разбита на много небольших

«шагов», так что высвобождаемая энергия может переходить в связанные формы,

а не рассеивается в виде тепла. Как и в случае образования АТФ и НАДH при

гликолизе или в цикле лимонной кислоты, это связано с использованием

непрямого пути. Но уникальность дыхательной цепи заключается в том, что

здесь прежде всего атомы водорода расщепляются на электроны и протоны.

Электроны передаются через серию переносчиков, встроенных во внутреннюю

митохондриальную мембрану. Когда электроны достигают конца этой

электронтранспортной цепи, протоны оказываются там же для нейтрализации

отрицательного заряда, возникающего при переходе электронов на молекулу

кислорода.

Проследим процесс окисления, начиная с

образования НАДH - главного акцептора реактивных электронов, извлекаемых

при окислении молекул питательных веществ. Каждый атом водорода

состоит из одного электрона и одного протона. Каждая молекула НАДH несет

гидрид-ион (водородный атом + добавочный электрон, Н:-), а не просто атом

водорода. Однако из-за присутствия в окружающем водном растворе свободных

протонов перенос гидрид-иона в составе НАДH эквивалентен переносу двух

атомов водорода или молекулы водорода (Н:- + Н+ ( Н2).

Перенос электронов по дыхательной цепи начинается с отнятия гидрид-иона

(Н:-) от НАДH; при этом регенерируется НАД+ , a гидрид-ион превращается

в протон и два электрона (Н:- ( Н+ + 2е-). Эти электроны переходят на

первый из более чем 15 различных переносчиков электронов в дыхательной

цепи. В этот момент электроны обладают очень большой энергией, запас

которой постепенно уменьшается по мере прохождения их по цепи. Чаще

всего электроны переходят от одного атома металла к другому, причем каждый

из этих атомов прочно связан с белковой молекулой, которая влияет на его

сродство к электрону. Важно отметить, что все белки – переносчики

электронов – группируются в три больших комплекса дыхательных ферментов,

каждый из которых содержит трансмембранные белки, прочно закрепляющие

комплекс во внутренней мембране митохондрии. Каждый последующий комплекс

обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий. Электроны

последовательно переходят с одного комплекса на другой, пока наконец не

перейдут на кислород, имеющий наибольшее сродство к электрону.

Энергия, высвобождаемая в процессе переноса электронов по дыхательной

цепи, запасается в форме электрохимического протонного градиента на

внутренней мембране митохондрий.

Окислительное фосфорилирование возможно благодаря тесной ассоциации

переносчиков электронов с белковыми молекулами. Белки направляют электроны

по дыхательной цепи так, что они последовательно переходят от одного

ферментного комплекса к другому, не «перескакивая» через промежуточные

звенья. Особенно важно то, что перенос электронов сопряжен с

аллостерическими изменениями определенных белков молекул, в pезультате чего

энергетически выгодный поток электронов вызывает перекачивание протонов

(Н+) через внутреннюю мем6рану из матрикса в межмембранное пространство и

далее за пределы митохондрии. Передвижение протонов приводит к двум важным

следствиям: 1) между двумя сторонами внутренней мембраны создается

градиент рН - в матриксе рН выше, чём в цитозоле, где значение рН обычно

близко к 7,0 (так как малые молекулы свободно проходят через наружную

мембрану митохондрии, рН в межмембранном пространстве будет таким же как в

цитозоле); 2) на внутренней мембране создается градиент напряжения

(мембранный потенциал), причем внутренняя сторона мембраны заряжается

отрицательно, а наружная - положительно. Градиент рН ((рН) заставляет ионы

Н+ переходить обратно в матрикс, а ионы ОН- из матрикса, что усиливает

эффект мембранного потенциала, под действием которого любой положительный

заряд притягивается в матрикс, а любой отрицательный выталкивается из него.

Совместное действие этих двух сил приводит к возникновению

электрохимического протонного градиента. Электорохимический протонный

градиент создает протонодвижущую силу, измеряемую в милливольтах (мВ).

Энергия электрохимического протонного градиента используется для

синтеза АТФ и транспорта метаболитов и неорганических ионов в матрикс.

Внутренняя мембрана митохондрий отличается необычно высоким

содержанием белка - в ней по весу примерно 70% белка и

30%фосфолипидов. Многие из этих белков входят в состав электронтранспортной

цепи, поддерживающей протонный градиент на мембране. Другой важный

компонент - фермент АТФ-синтетаза, катализирующий синтез АТФ. Это большой

белковый комплекс, через который протоны перетекают обратно в матрикс

по электрохимическому градиенту. Подобно турбине, АТФ-синтетаза

преобразует одну форму энергии в другую, синтезируя АТФ из AДФ и Фн в

митохондриальном матриксе в ходе реакции, сопряжённой с током протонов в

матрикс (см. рисунок 3).

Рисунок 3. Общий механизм окислительного фосфорилирования.[1,1994]

Но синтез АТФ - это не единственный процесс, идущий за

счет энергии электрохимического градиента. В матриксе, где находятся

ферменты, участвующие в цикле лимонной кислоты и других метаболических

реакциях, необходимо поддерживать высокие концентрации различных

субстратов; в частности, для АТФ-синтетазы требуются AДФ и фосфат. Поэтому

через внутреннюю мембрану должны транспортироваться разнообразные несущие

заряд субстраты. Это достигается с помощью различных белков-переносчиков,

встроенных в мембрану, многие из которых активно перекачивают определенные

молекулы против их электрохимических градиентов, т.е. осуществляют процесс,

требующий затраты энергии. Для большей части метаболитов источником этой

энергии, служит сопряжение с перемещением каких-то других молекул «вниз» по

их электрохимическому градиенту. Например, в транспорте АДФ

участвует система антипорта АДФ-АТФ: при переходе каждой молекулы AДФ в

матрикс из него выходит по своему электрохимическому градиенту одна

молекула АТФ. В то же время система симпорта сопрягает переход фосфата

внутрь митохондрии с направленным туда же потоком Н+: протоны входят в

матрикс по своему градиенту и при этом “тащат” за собой фосфат. Подобны

образом переносится в матрикс и пируват. Энергия электрохимического

протонного градиента используется также для переноса в матрикс ионов Са2+ ,

которые, по-видимому, играют важную роль в регуляции активности некоторых

митохондриальных ферментов.

Чем больше энергии электрохимического градиента затрачивается на

перенос молекул и ионов в митохондрию, тем меньше остается для синтеза АТФ.

Например, если изолированные митохондрии поместить в среду с высоким

содержанием Са2 + , то они полностью прекратят синтез АТФ; вся энергия

градиента будет расходоваться на транспорт Ca2+ в матьрикс. В некоторых

специализированных клетках электрохимический протонный градиент

«шунтируется» таким образом, что митохондрии вместо синтеза АТФ образуют

тепло. Очевидно, клетки способны регулировать использование энергии

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10