Окислительное фосфорилирование

Термодинамика переноса электронов

В цепи переноса электронов (ЦПЭ) частицы движутся от отрицательного окислительно-восстановительного потенциала (-0,4 В) к положительному (+0,8 В). По мере прохождения электронов по цепи их свободная энергия снижается. На определенных этапах происходит резкое падение свободной энергии — именно в этих точках (пунктах сопряжения) создаются оптимальные условия для синтеза молекул АТФ.

Энергия, которая выделяется при прохождении электронов через Комплексы I, III и IV, расходуется на активный транспорт протонов водорода ($H^+$) из матрикса митохондрии в межмембранное пространство. В результате возникает протонный электрохимический потенциал ($\Delta\mu H^+$), основу которого составляет разница концентраций протонов по обе стороны внутренней мембраны.

Работа АТФ-синтазы и обмен нуклеотидов

Когда протонный градиент достигает критического уровня, в дело вступает АТФ-синтаза (Комплекс V). В этом ферменте открывается специальный ионный канал. Протоны устремляются по градиенту из межмембранного пространства обратно в матрикс митохондрии.

Энергия электрохимического потенциала трансформируется в энергию химических связей. Происходит реакция фосфорилирования: АДФ + $P_i \rightarrow$ АТФ

Чтобы новообразованная АТФ могла использоваться клеткой в энергозатратных процессах, ее необходимо вывести в цитоплазму. Этим занимается АТФ-АДФ транслоказа — белок-переносчик, встроенный во внутреннюю мембрану митохондрий. Он работает по механизму антипорта: выводит молекулу АТФ из матрикса и одновременно запускает внутрь молекулу АДФ для последующего ресинтеза.

Коэффициент окислительного фосфорилирования (P/O)

Эффективность синтеза АТФ оценивают с помощью коэффициента P/O. Это отношение количества использованного неорганического фосфата к количеству атомов кислорода, который был поглощен и восстановлен до воды.

Значения коэффициента зависят от того, какой кофермент отдает водород в дыхательную цепь:

• P/O = 3 (Максимальное значение): Наблюдается, когда водород поступает от NADH. Электроны проходят через три пункта сопряжения (Комплексы I, III и IV), каждый из которых создает градиент, достаточный для синтеза одной молекулы АТФ.
• P/O = 2: Возникает, если водород поступает от FAD-зависимых дегидрогеназ (например, в реакции окисления сукцината). Электроны минуют Комплекс I, передаются сразу на убихинон и проходят только через два пункта сопряжения — Комплексы III и IV.

Примечание: В живой клетке реальные значения P/O всегда немного ниже теоретических максимумов (3 и 2), так как часть энергии электрохимического потенциала неизбежно рассеивается в виде теплоты.

Реакции в пунктах сопряжения

Каждый из трех ключевых комплексов выполняет свою специфическую реакцию, сопровождающуюся перекачкой протонов:

1. Комплекс I (NADH-дегидрогеназа). Окисляет NADH и восстанавливает убихинон (Q) до $QH_2$.
2. Комплекс III (Q-цитохром c-оксидоредуктаза). Осуществляет перенос электронов с убихинола ($QH_2$) на цитохром c.
3. Комплекс IV (Цитохром c-оксидаза). Переносит электроны с цитохрома c непосредственно на кислород, восстанавливая его с образованием молекулы воды.

Комплекс II (Сукцинатдегидрогеназа) не обладает функцией протонной помпы, поэтому не участвует в создании градиента и не является пунктом сопряжения.

5 этапов трансформации энергии

Превращение энергии в организме от субстрата до макроэргической связи — это строгая последовательность из пяти стадий:

1. Энергия химических связей окисляемых веществ (субстратов).
2. Энергия электронов в составе восстановленных коферментов (NADH и $FADH_2$).
3. Энергия электронов, переносимых по ЦПЭ на кислород (окислительно-восстановительный потенциал).
4. Энергия трансмембранного электрохимического потенциала (градиент $\Delta\mu H^+$).
5. Энергия макроэргических химических связей в молекуле АТФ.

Что ещё разобрать по теме

• Подробное химическое строение Комплексов I, III, IV и V
• Механизм работы роторного двигателя внутри АТФ-синтазы
• Структура и окислительно-восстановительные свойства коферментов NADH и FADH2
• Роль убихинона (коэнзима Q) и цитохрома c как подвижных переносчиков
• Разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования

Другие темы раздела «Энергетический обмен»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.