17. Окислительное фосфорилирование в этц, энергетическая эффективность. Субстратное окислительное фосфорилирование. Сопряжённость электронного транспорта с синтезом атф.

Транспорт водорода с участием компонентов дыхательной цепи сопровождается протеканием ряда окислительно-восстановительных реакций. В некоторых из них выделяется достаточно энергии для образования АТФ и такой процесс носит название окислительного фосфорилирования. Механизм окислительного фосфорилирования. Отданные субстратами восстановительные эквиваленты (протоны и электроны) переносятся на внутреннюю мембрану митохондрий. Через мембрану они транспортируются таким образом, что между внутренней и внешней стороной мембраны создается электрохимический градиент с положительным потенциалом снаружи и отрицательным внутри. Этот перепад заряда возникает благодаря определенному расположению компонентов дыхательной цепи в мембране. Некоторые из этих компонентов переносят электроны, другие переносят водород. Можно представить себе, что электроны в мембране проходят зигзагообразный путь и при этом переносят протоны изнутри наружу. Эта система, транспортирующая электроны и протоны, получила название дыхательной или электрон-транспортной цепи. Иногда ее образно называют «протонным насосом», так как главная функция этой системы – перекачивание протонов. Мембрана содержит специальный фермент АТФ-синтазу, который катализирует превращение АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Этот фермент поступает из мембраны с ее внутренней стороны. А в процессе синтеза АТФ протоны переходят обратно с наружной стороны мембраны на внутреннюю. Синтез АТФ за счет энергии транспорта электронов через мембрану называют окислительным фосфорилированием в дыхательной цепи. Субстратное фосфорилирование может происходить при различных реакциях промежуточного метаболизма. При этом фосфатная группа переносится на АДФ от вещества (субстрата), более богатого энергией, чем АТФ:

S ~ Ф + АДФ → S + АТФ. В клетке реакции субстратного фосфорилирования не связаны с мембранными структурами и катализируются растворимыми ферментами промежуточного метаболизма. Во всех этих случаях окислительные процессы приводят к образованию высокоэнергетических соединений: 1,3-дифосфоглицерата (гликолиз), сукцинил-КоА (цикл трикарбоновых кислот), которые при участии соответствующих ферментов способны фосфорилировать АДФ и образовывать АТФ.

Механизм сопряжения процесса транспорта электронов с образованием АТФ.

Экспериментально установлено, что передача пары электро­нов от NADH на О₂ сопровождается образованием по край­ней мере трех молекул АТР. По поводу механизма окислительного фосфорилирования существуют теории:

1.механохимическая гипотеза образования АТР в ходе окислительного фосфорилирования. Согласно этим гипотезам энергия, высвобождающаяся в процессе переноса электронов, непосредственно используется для перевода белков внутренней мембраны митохондрий в новое, богатое энергией конформационное состояние приводящее к образованию АТР. В настоящее время наибольшим признанием пользуется хемиосмотическая теория английского биохимика П. Митчелла (1961). Он высказал пред­положение, что поток электронов через систему молекул-переносчиков сопровождается транспортом ионов Н⁺ через внутреннюю мембрану митохондрий. В результате на мембра­не создается электрохимический потенциал ионов Н, который является источником энергии для син­теза АТР. Механизм синтеза АТР. Сопряжение диффузии протонов назад через внутреннюю мембрану митохондрии с синтезом АТР осуществляется с помощью АТРазного комплекса, полу­чившего название фактора сопряжения F_1. Белок F₁ представ­ляет собой АТРазу и связан с мембраной через другой белковый комплекс F_o, который перешнуровывает мембрану. F_o не проявляет каталитической активности, а служит каналом для транспорта ионов Н⁺ через мембрану к F₁.

18. Пять состояний дыхательной цепи переноса электронов (по Чансу). Дыхательный контроль. Изучение функций митохондрий и их нарушения производится после выделения этих органелл из ткани. 5 состояний по Чансу:

- это состояние митохондрий, к которым не добавлены ни субстраты, ни АДФ (- SH2, - АДФ). Состояние неопределенное, т.к. сколько-то эндогенных субстратов и АДФ есть в самих митохондриях;

- состояние окислительного фосфорилирования (+ SH2, + АДФ). Окисление субстратов приводит к энергизации митохондрий, мембранный потенциал тянет протоны внутрь через АТФ-синтазу и происходит синтез АТФ из добавленного АДФ;

- состояние дыхательного контроля (+ SH2, - АДФ): митохондрии энергизованы, но дыхание подавлено, поскольку в отсутствие АДФ высокий мембранный потенциал останавливает перенос протонов через мембрану и следовательно - перенос электронов по дыхательной цепи;

- состояние анаэробиоза (в среде кончился кислород). Митохондрии деэнергизованы и, разумеется, не фосфорилируют независимо от того, есть в среде субстраты и АДФ или нет

- состояние ионного транспорта. При добавлении субстратов и ионов кальция последние втягиваются внутрь электрическим полем, снижая мембранный потенциал;

Дыхательный контроль

Возрастание функциональной актив­ности клеток сопровождается усилением дыхания. В значитель­ной степени это достигается благодаря механизму дыхатель­ного контроля. Дыха­тельным контролем называют зависимость скорости потреб­ления О₂ митохондриями, от концентрации ADP, который служит акцептором фосфата при окислительном фосфорилировании. В условиях полного сопряжения транспорта элект­ронов по ЭТЦ с синтезом АТР интенсивность дыхательного процесса в митохондриях зависит от отношения действующих масс АТР-системы: [ATP]/[ADP] [P_н]. В клетке, находящейся в состоянии покоя, это отношение достаточно велико, так как почти весь ADP фосфорилирован. При увеличении функциональной активности клеток АТР расходуется на энергозависимые процессы, в результате чего возрастает концентрация АДФ, что приводит к повышению скорости переноса электронов и интенсивности окислительного фосфорилирования. АДФ регулирует скорость процесса не как аллостерический фактор, а как субстрат фосфорилирования.

Более полно характеризует меру заполнения всей адениннуклеотидной системы высокоэнергетическими фосфатными группами отношение, получившее название энергетического заряда:

. [АТФ] +1/2[АДФ] .

[АТФ] + [АДФ] + [АМФ]