Окислительное фосфорилирование.

После завершения цикла Кребса водород, отобранный от окисленных субстратов, находится в форме НАДН+Н⁺, то есть связан с коферментами дегидрогеназ. На следующем этапе происходит окисление восстановленных коферментов путем дегидрирования до воды, одновременно с этим за счет энергии окисления образуется АТФ. Эти окислительные процессы можно представить следующим образом:

S*Н₂ + ½ О₂ → S + H₂О

Очевидно, что этот процесс по конечному результату сходен с реакцией горения водорода в кислороде:

Н₂ + ½ О₂ Н₂О Δ G₀ = -100 кДж/моль

2Н – 2е 2Н⁺

О⁰ + 2е О^-2

За счет этой энергии происходит синтез АТФ. Известно, что максимально полезная работа получается при полностью обратимом процессе, реальные же процессы всегда не обратимы, поэтому величина полезной работы будет тем больше, чем в большей степени процесс приближается к равновесному. Организм превращает в полезную работу приблизительно 40% той энергии, которая выделяется при окислении субстратов и достигается это постепенным переносом протонов и электронов от субстратов к молекулярному кислороду. Увеличение числа промежуточных стадий способствует приближению реального процесса к равновесному, весь процесс тканевого дыхания протекает в митохондриях клетки. Митохондрия имеет форму цилиндра с закругленными краями, количество митохондрий в клетках различно: от 100-2 тысяч, они имеют внутреннюю и наружную мембраны, разделенные межмембранным пространством. Внутренние мембраны образуют складки – это так называемые кристы, содержимое пространство, которое ограничено внутренней мембраной, называется матриксом. Внутренние и внешние мембраны отличаются по составу и функциям, так, внешние мембраны проницаемы для молекул с молекулярной массой до 5 тысяч, а проницаемость внутренних мембран ограничена, следовательно, состав матрикса и состав межмембранного пространства отличается. Матрикс на 50 % состоит из белков, а во внутренней мембране митохондрий встроен ферментный ансамбль дыхательной цепи, который называется цепью передачи электронов – ЦПЭ. Ансамбль состоит из трех жесткозакрепленных ферментных комплексов, первый ферментный комплекс состоит из дегидрогеназ с коферментом ФМН, который переносит водород с НАДН на ФМН и далее на кофермент Q (убихинон).

НАДН + Н⁺ + ФМН ФМН*Н₂ + НАД⁺

ФМН*Н₂ + Q ФМН + Q* Н₂

Перенос водорода включает в себя много этапов, участвует ряд промежуточных переносчиков, разделяющих отдельно перенос электронов и протонов, в этом переносе участвуют цитохромы, представляющие собой гемопротеины. Атом железа в геммах цитохрома может менять валентность:

Fe³⁺ + e Fe²⁺

Рис.: Сопряжение дыхания и синтеза АТР (окислительного фосфорилирования).

I – NADH – дегидрогеназа; II – сукцинатдегидрогеназа; III – OH₂ – дегидрогеназа; IV - цитохромоксидаза; V – АТР – синтаза.

Наружная мембрана митохондрий

Межмембранное пространство

nH⁺ nH⁺ nH⁺

+ + ++ + +

Внутренняя 2e^- Q 2e^-

Мембрана 2e^- 2e^- 2e^-

Митохондрий

NADH NAD⁺ Фумарат 1/2О₂ Н₂О

Сукцинат V

Оксалоацетат Малат ADP + H₃PO₄

H⁺

ATP

АТР

Матрикс

АDP

Присоединение электрона в такой структуре и его отдача вызывают изменение лишь электронной конфигурации атома металла, не затрагивая структуру белков. Цитохромы дыхательных путей обозначаются как: b, c₁, с, a a₃ и располагаются в цепи между убихиноном и кислородом: b c₁ с a a₃

Кроме железа, входящего в состав цитохромов, в митохондриях имеются белки, содержащие негемовое железо, их называют железосерными белками. В них атомы железа связаны с атомами серы боковых цистеиновых остатков аминокислот:

цис - S S – цис

Железосерные белки входят в комплекс дыхательной цепи, выполняя роль простетической группы в процессе переноса электронов. Комплекс III, цитохромов b, c₁ действует как QH₂ - дегидрогеназа:

QH₂ + 2с (Fe³⁺) Q + 2Н⁺ + 2с (Fe²⁺)

Электроны последовательно проходят через атомы железа цитохромов b, c₁ функционируют как Q∙ H₂ - дегидрогеназа, а протоны высвобождаются в раствор. Стехиометрический коэффициент 2 перед цитохромом с означает, что с QH₂ передается 2 электрона, а цитохромы за один цикл могут передать только 1 электрон. Комплекс IV, действует как цитохромоксидаза, он помимо гемма содержит ионы меди, которые тоже участвуют в переносе электронов с цитохрома с на кислород, при этом электроны соединяются последовательно к ионам железа а1, а3, затем к меди, затем к кислороду. Кислород, поступающий в митохондрии из крови, связывается с атомом железа в цитохроме а3 в форме молекулы кислорода в молекулярном виде. Затем каждый из атомов молекулы кислорода последовательно присоединяет по два электрона и по два протона, превращаясь в молекулу воды. В дыхательной цепи имеется комплекс II, где осуществляется перенос электронов от сукцината, образующегося в цикле Кребса, направление потока электронов в дыхательной цепи при сопряжении одной окислительно-восстановительной системы с другой определяется их стандартными окислительно-восстановительными Red/Ox потенциалами. Эти величины для компонентов цепи и субстратов приведены в таблице, их величины:

В связи с тем, что Red/Ox потенциалы определяют сродство к электрону, то для любых двух пар система с более положительным потенциалом будет стремиться принимать электроны и, как видно, в дыхательной цепи Red/Ox потенциалы переносчика электронов становятся более положительными. Поэтому, электроны передаются в дыхательной цепи внутри мембраны, а протоны высвобождаются в межмембранное пространство. Протоны необходимы для восстановления той ФМН, которая поступает из матрикса.

Таким образом, ЦПЭ работает как протонный насос, перекачивая ионы водорода из матрикса на наружную сторону мембраны, в результате, по разные стороны от внутренней мембраны возникает разность концентраций ионов водорода и одновременно разность потенциалов на поверхности. Следовательно, разность окислительно-восстановительных потенциалов трансформируется в энергию Δ µН⁺. Электрохимический потенциал заставляет протоны двигаться с наружной поверхности во внутреннюю, однако, мембраны в обратном направлении не проницаема для них, за исключением протонных каналов (V комплекс). В области этих каналов на внутренней поверхности внутренней мембраны располагается фермент Н⁺ АТФ-синтетаза, катализирующая синтез АТФ. Образующиеся молекулы, которые транспортируются из матрикса на наружную сторону мембраны и попадают в цитозоль. На синтез 1-ой молекулы АТФ, Δ Е⁰> 0, 2 В, требуется энергия не менее 31 кДж/моль, то есть в дыхательной цепи имеются 3 участка (I, III, IV), где высвобождение энергии достаточно для синтеза АТФ, следовательно, перенос пары электронов от НАДН в итоге дает нам образование 3-х молекул АТФ, а ФАД – 2-х молекул АТФ. Известно, что человек за сутки из воздуха потребляет приблизительно 67 литров (27 молей) кислорода, подавляющая его часть (90%) восстанавливается до воды при участии дыхательной цепи, за это же время в митохондриях синтезируется 62 кг АТФ, однако, содержание АТФ в организме составляет около 50 грамм, вследствие того, что каждая молекула АТФ расщепляется и регенерируется 2, 5 тыс. раз в сутки, средняя продолжительность ее жизни меньше 1-ой минуты.