АТФ-синтаза как молекулярная мельница
Клетка не имеет розетки для зарядки АТФ, поэтому энергия для её синтеза извлекается с помощью особого молекулярного механизма, расположенного во внутренней мембране митохондрий. Этот механизм — фермент АТФ-синтаза, работающий по принципу ветряной мельницы.
АТФ-синтаза состоит из двух частей: мембранной F0 (ротор, через который проходят протоны) и каталитической F1 (где происходит присоединение неорганического фосфата к АДФ). Поток протонов через F0 вращает ротор: каждые три протона поворачивают его на 120°, и при каждом таком повороте на одной из субъединиц синтезируется одна молекула АТФ. Полный оборот даёт примерно три молекулы АТФ.
Протонный градиент и межмембранное пространство
Чтобы АТФ-синтаза вращалась, в межмембранном пространстве митохондрии должна поддерживаться высокая концентрация протонов H+, а в матриксе — низкая. Эта разность создаёт электрохимический градиент, обозначаемый как ΔμH+, и складывается из двух составляющих: химического потенциала (разница концентраций) и электрического потенциала (разница зарядов на сторонах мембраны).
Стороны внутренней мембраны принято называть:
- P-сторона (positive) — обращена в межмембранное пространство, заряжена положительно из-за избытка протонов;
- N-сторона (negative) — обращена в матрикс, заряжена отрицательно.
Протоны стремятся вернуться из P-стороны в N-сторону, но мембрана непроницаема, и единственный путь — через ротор АТФ-синтазы.
Источники электронов: НАДН и ФАДН2
Протоны в межмембранное пространство закачиваются за счёт энергии, высвобождаемой при переносе электронов. Источниками электронов служат восстановленные коферменты, образующиеся в цикле Кребса и других реакциях:
- НАДН + H+ — несёт фактически гидрид-ион (H−) с двумя электронами;
- ФАДН2 — также является донором двух электронов и двух протонов.
Электроны передаются по белковым комплексам внутренней мембраны последовательно, теряя энергию, которая идёт на перекачку протонов.
Комплексы I и II дыхательной цепи
Комплекс I — НАДН-убихинон-оксидоредуктаза (НАДН-дегидрогеназа). Принимает два электрона от НАДН через флавинмононуклеотид (FMN), передаёт их на убихинон (Q). Убихинон, получив два электрона и два протона из матрикса, превращается в убихинол (QH2). При этом из матрикса в межмембранное пространство выкачивается 4 протона.
Комплекс II — сукцинатдегидрогеназа. Не перекачивает протоны. Его задача — поддерживать пул убихинола за счёт окисления сукцината до фумарата (реакция цикла Кребса) с образованием ФАДН2 и последующей передачей электронов на убихинон. Гем B в составе комплекса препятствует утечке электронов на кислород, что предотвращает образование перекиси водорода и активных форм кислорода.
Комплекс III и Q-цикл
Комплекс III — убихинол-цитохром-c-оксидоредуктаза. Использует энергию повторного окисления убихинола. Имеет два активных центра: один на P-стороне, другой на N-стороне. Электроны от QH2 расщепляются: один уходит на цитохром c через железосерный белок Риске, второй — на гем B и далее обратно на убихинон, восстанавливая его на N-стороне (Q-цикл).
Разрыв ковалентных связей при перераспределении электронов высвобождает энергию, благодаря которой комплекс перекачивает 4 протона в межмембранное пространство. Цитохром c — подвижный переносчик, который доставляет электроны к следующему комплексу.
Комплекс IV и образование воды
Комплекс IV — цитохром-c-оксидаза. Принимает по одному электрону от четырёх молекул цитохрома c. В активном центре содержит биметаллический кластер с атомами железа и меди. Электроны последовательно передаются на молекулярный кислород O2.
Контролируемое восстановление кислорода исключает образование перекиси: к нему постепенно присоединяются протоны из матрикса, и в результате образуются две молекулы H2O. Энергия процесса используется для перекачки 2 протонов в межмембранное пространство. Так дыхательная цепь безопасно «сбрасывает» электроны на конечный акцептор — кислород.
Энергетический баланс
Суммарное количество перекачанных протонов:
- Окисление одной молекулы НАДН: 4 (комплекс I) + 4 (комплекс III) + 2 (комплекс IV) = 10 протонов;
- Окисление одной молекулы ФАДН2: 4 (комплекс III) + 2 (комплекс IV) = 6 протонов.
Поскольку на синтез одной АТФ затрачивается около 3–4 протонов, выход составляет приблизительно 2,5 АТФ на НАДН и 1,5 АТФ на ФАДН2 (округлённо 3 и 2 соответственно).
Ключевые моменты
- АТФ-синтаза — F0F1-фермент, синтезирующий АТФ за счёт энергии протонного градиента.
- Электрохимический градиент H+ создаётся комплексами I, III и IV дыхательной цепи.
- НАДН отдаёт электроны комплексу I, ФАДН2 — комплексу II через сукцинатдегидрогеназу.
- Убихинон (Q) и цитохром c — подвижные переносчики электронов.
- Комплекс II не перекачивает протоны, а лишь поддерживает пул убихинола.
- Комплекс IV восстанавливает O2 до H2O, предотвращая образование перекиси.
- Окисление НАДН даёт ~2,5 АТФ, окисление ФАДН2 — ~1,5 АТФ.
- Утечка электронов на кислород ведёт к образованию активных форм кислорода и повреждению клетки.