Биологическое окисление

электрохимического протонного градиента и направлять ее на те процессы,

которые наиболее важны в данный момент.

Быстрое превращение АДФ в АТФ в митохондриях позволяет поддерживать

высокое отношение концентраций ATФ/AДФ в клетках. С помощью особого белка,

встроенного во внутреннюю мембрану, AДФ транспортируется в матрикс в обмен

на АТФ по принципу антипорта. В результате молекулы AДФ, высвобождаемые при

гидролизе АТФ в цитозоле, быстро поступают в митохондрию для «перезарядки»,

в то время как молекулы АТФ, образующиеся в матриксе в процессе

окислительного фосфорилирования, тоже быстро выходят в цитозоль, где они

нужны. В организме человека молекулы АТФ за сутки, что позволяет

поддерживать в клетке концентрацию АТФ, более чем в 10 раз превышающую

концентрацию АДФ.

В процессе окислительного фосфорилирования каждая пара электронов НАДH

обеспечивает энергией образование примерно трех молекул АТФ. Пара

электронов ФАДH2, обладающая меньшей энергией, дает энергию для синтеза

только двух молекул АТФ. В среднем каждая молекула ацетил-СоА поступающая в

цикл лимонной кислоты, дает около 12 молекул АТФ. Это означает, что

при окислении одной молекулы глюкозы образуются 24 молекулы АТФ,

а при окислении одной молекулы пальмитата - жирной кислоты с 16

углеродными атомами - 96 молекул АТФ. Если учесть также экзотермические

реакции, предшествующие образованию ацетил-СоА, окажется, что полное

окисление одной молекулы глюкозы дает около 36 молекул АТФ, тогда как при

полном окислении пальмитата образуется примерно 129 молекул АТФ. Это

максимальные величины, так как фактически количество синтезируемого в

митохондриях АТФ зависит от того, какая доля энергии протонного градиента

идет на синтез АТФ, а не на другие процессы. Если сравнитъ изменение

свободной энергии при сгорании жиров и углеводов прямо до СО2 и Н2О с общим

количеством энергии, запасаемой в фосфатных связях АТРФ в

процессах биологического окисления, окажется, что эффективность

преобразования, энергии окисления в энергию АТФ часто превышает 50%.

Поскольку вся неиспользованная энергия высвобождается в виде тепла, крупные

организмы нуждались бы в более эффективных способах отвода тепла в

окружающую среду.

Огромное количество свободной энергии, высвобождаемое при окислении,

может эффективно использоваться только мелкими порциями. В сложном

процессе окисления участвует много промежуточных продуктов, каждый из

которых лишь незначительно отличается от предыдущего. Благодаря этому

высвобождаемая энергия дробится на меньшие количества, которые можно

эффективно преобразовывать с помощью сопряженных реакций в

высокоэнергетические связи молекул АТФ и НАДH .

В 1960 г. было впервые показано, что различные мембранные белки,

участвующие в окислительном фосфорилировании, могут быть выделены без

потери активности. От поверхности субмитохондриальных частиц удалось

отделить и перевести в растворимую форму усеивающие их крошечные белковые

структуры. Хотя субмитохондриальные частицы без этих сферических структур

продолжали окислять НАДH в присутствии кислорода, синтеза АТФ при этом не

происходило. С другой стороны, выделенные структуры действовали как

АТФазы, гидролизуя АТФ до АДФ и Фн. Когда сферические структуры

(названные F1-АТФазами) добавляли к лишенным их субмитохондриальным

частицам, реконструированные частицы вновь синтезировали АТФ из AДФ и Фн.

F1- АТФаза - это часть большого, пронизывающего всю толщу мембраны

комплекса, который состоит по меньшей мере из девяти различных

полипептидных цепей. Этот комплекс получил название АТФ-синтетаза; он

составляет около 15% всего белка внутренне митохондриальнои мембраны.

Весьма сходные АТФ-синтетазы имеются в мембранах хлоропластов и бактерий.

Такой белковый комплекс содержит трансмембранные каналы для

протонов, и происходит только тогда, когда через эти каналы проходят

протоны вниз по своему электрохимическому градиенту.

АТФ-синтетаза может действовать в обратном направлении - расщеплять

АТФ и перекачивать протоны. Действие АТФ-синтетазы обратимо: онa способна

использовать как энергию гидролиза АТФ для перекачивания протонов через

внутреннюю митохондриальную мембрану, так и энергию потока протонов по

электрохимическому градиенту для синтеза АТФ. Таким образом, АТФ-синтетаза

- это обратимая сопрягающая система, которая осуществляет взаимопревращение

энергии электрохимического протонного градиента и химических связей.

Направление ее работы зависит от соотношения между крутизной протонного

градиента и локальной величиной (G для гидролиза АТФ.

АТФ-синтетаза получила свое название в связи с тем, что в обычных

условиях npoтоннoro градиента, поддерживаемого дыхательной цепью,

синтезирует большую часть всего АТФ клетки. Число протонов, необходимое для

синтеза одной молекулы АТФ, в точности не известно. При прохождении

через АТФ-синтетазу протонов синтезируется одна молекула АТФ.

Как будет работать в данный момент АТФ-синтетаза - в направлении

синтеза или гидролиза АТФ, - зависит от точного баланса между изменениями

свободной энергии для прохождения трех протонов через мембрану в матрикc и

для синтеза АТФ в матриксе. Как уже говорилось, величина (Gсинт.АТФ

определяется концентрациями трех веществ в матриксе митохондрии - АТФ, AДФ

и Фн. При постоянной протонодвижущей силе АТФ-синтетаза будет синтезировать

ATФ тех пор, пока отношение АТФ к AДФ и Фн не достигнет такого значения,

при котором величина (Gсинт.АТФ станет в точности равна +15,2ккaл/мoль. При

таких условиях синтез АТФ будет точно уравновешиваться его гидролизом.

Предположим, что в связи с реакциями, требующими затраты энергии, в

цитозоле внезапно гидролизовалось большое количество АТФ, и это привело к

падению отношения АТФ:AДФ в матриксе митохондрии. В этом случае (Gсинт.

понизится и АТФ-синтетаза вновь переключится на синтез АТФ, пока не

восстановится исходное отношение АТФ:AДФ. Если же протонодвижущая сила

внезапно снизится и будет поддерживаться на постоянном уровне, то АТФ-

синтетаза начнет расщеплять АТФ, и эта реакция будет продолжаться до тех

пор, пока соотношение между концентрациями ATФ и AДФ не достигнет какого-то

нового значения (при котором (Gсинт.АТФ = +13,8 ккал/моль), и так далее.

Если АТФ-синтетаза в норме не транспортирует Н+ из матрикса, то

дыхательная цепь, находящаяся во внутренней митохондриальной мембране, при

нормальных условиях переносит через эту мембрану протоны, создавая таким

образом электрохимический протонный градиент, доставляющий энергию, для

синтеза AТФ.

Большинство переносчиков электронов, входящих в состав дыхательной

цепи, поглощают свет, и их окисление или восстановление сопровождается

изменением цвета. Обычно спектр поглощения и реакционноспособность каждого

переносчика достаточно характерны, что позволяет даже в неочищенном

экстракте прослеживать изменения его состояний с помощью спектроскопии. Это

дало возможность выделить такие переносчики задолго до того, как стала

понятна их истинная функция. Например, цитохромы были открыты в 1925 г. как

соединения, которые быстро окисляются и восстанавливаются у таких различных

организмов, как дрожжи, бактерии и насекомые. Наблюдая клетки и ткани с

помощью спектроскопа, удалось идентифицировать три типа цитохромов, которые

различались по спектрам поглощения и названы цитохромами а, b и c. Клетки

содержат несколько видов цитохромов каждого типа, и классификация по

типам не отражает их функцию.

Самый простой переносчик электронов представляет собой небольшую

гидрофобную молекулу, растворенную в липидном бислое и называемую

убихиноном или коферментом Q. Он способен принять или отдать как один, так

и два электрона и временно захватывает из среды протон при переносе каждого

электрона.

Рисунок 4. Структура убихинона.[10,1993]

Дыхательная цепь содержит три больших ферментных комплекса, встроенных

во внутреннюю мембрану

Мембранные белки трудно выделить в виде интактных комплексов,так как

они нерастворимы в большинстве водных растворов, а такие вещества, как

детергенты и мочевина, необходимые для их солюбилизации, могут нарушать

нормальное белок-белковое взаимодействие. Однако в начале 1960-х гг. было

обнаружено, что с помощью относительно мягких ионных детергентов, таких как

дезоксихолат, можно солюбилизировать некоторые компоненты митохондриальной

внутренней мембраны в нативной форме. Это позволило идентифицировать и

выделить три главных связанных с мембраной комплекса дыхательных ферментов

на пути от НАДH до кислорода.

Рисунок 5. Дыхательные ферментные комплексы.[1,1994]

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