Гипотезы сопряжения дыхания и окислительного фосфорилирования.

Для объяснения механизмов сопряжения дыхания и фосфорилирования выдвинут ряд гипотез:

1. Гипотеза химического сопряжения. Согласно химической гипотезе, впервые выдвинутой Липманном в 1946 г. и развитой Слейтером в 1953 г., в мембране происходит прямое преобразование химической энергии, освобождающейся при окислении и восстановлении переносчиков электронов, в химическую энергию промежуточных соединений («сопрягающих» веществ), которые с помощью фермента АТФ-азы, находящейся в мембране, обеспечивают синтез АТФ. Таким образом «сопрягающие» вещества акцептируют протоны и электроны и взаимодействуют с Н₃РО₄, при этом в момент отдачи протонов и электронов связь с фосфатом становится макроэргической и фосфатная группа передается на АДФ с образованием АТФ путем субстратного фосфорилирования. Эта гипотеза вызвала возражения в связи с тем, что до сих пор не удалось выделить из митохондриальной мембраны ни одного из постулированных промежуточных продуктов.

2. Механохимическая или конформационная (Грина-Бойера). В процессе переноса протонов и электронов изменяется конформация белков-ферментов. Они переходят в новое, богатое энергией конформационное состояние, а затем при возвращении в исходную конформацию отдают энергию для синтеза АТФ.

Против конформационной гипотезы сопряжения иногда высказывается возражение, основанное на несовпадении времен окислительного фосфорилирования и конформационных изменений. Этот вопрос требует специального рассмотрения. Не исключено, что движение электронов адиабатически сопровождается движением конформационного изменения. Это приводит к значительному увеличению эффективной массы электрона и к снижению его скорости.

Гипотеза П. Митчелла.

В 1961-1966гг. английский биохимик Питер Митчелл создал хемиоосмотическую теорию окислительного фосфорилирования, в которой связал синтез молекул АТФ в митохондриях с транспортом протонов через мембрану митохондрий (Нобелевская премия, 1978 года). Большой вклад в развитие этой теории внесли советские ученые
В.П. Скулачев и Е. А. Либерман.

Окислительное фосфорилирование - это процесс образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Фн) в процессе тканевого дыхания. Согласно хемиосмотической теории Митчела синтез АТФ осуществляется за счет электрохимического потенциала, который создается градиентом концентраций ионов водорода. Комплексы I, III и IV расположены асимметрично во внутренней мембране митохондрий (образуют, так называемых, три петли) и обеспечивают перекачивание протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство.

То есть комплексы I, III и IV, по сути, служат протонными насосами. С каждой парой электронов, которые передаются от субстрата к кислороду, эти три петли транспортируют в межмебранное пространство 8-10 протонов (Н⁺). Источником протонов является диссоциация эндогенной воды, а энергия необходимая для транспорта ионов Н⁺ черпается за счет движения электронов.

Согласно этой теории процесс протекает следующим образом:

1. Электрохимический эквивалент поступает в дыхательную цепь в виде восстановленного NADН+Н⁺, который передает пару электронов на комплекс I, а пару протонов в межмембранное пространство.

2. Принятие двух электронов NADН–дегидрогеназой способствует присоединению к ней двух протонов водорода из матрикса, которые выталкиваются в последующем в межмембранное пространство при передачи электронов на убихинон.

3. Убихинон, переходя в восстановленную форму за счет электронов полученных от белкового комплекса I, получает возможность присоединения из внутримитохондриального матрикса пары протонов, которые и выталкивает в межмембранное пространство. Электроны же передаются на комплекс цитохромов b-c₁.

4. Белковый комплекс III передает электроны на цитохром с, который несет их комплексу IV, функционирующему как цитохромоксидаза и имеющему большое сродство к кислороду.

5. Комплекс IV передает пару электронов на кислород, который связывается с протонами водорода матрикса с образованием воды.

Последовательный переход электронов по цепочке возможен только при наличии разности потенциалов. т.е. электродный потенциал предыдущего переносчика должен быть меньше, чем последующего. Общая разность потенциалов начиная от NAD и заканчивая О₂ составляет 1,44 В, что соответствует 220 кДж энергии в пересчете на каждую пару электронов.

Однако, наиболее выражена разность потенциалов только в трех участках дыхательной цепи, а именно в местах где протоны переходят в межмембранное пространство, т.е. на участках NAD - комплекс I, комплекс I – убихинон и комплекс IV - кислород. Возможно, что энергия, выделяющаяся в этих участках, трансформируется в энергию переноса протонов и создание трансмембранного водородного потенциала.

Таким образом, в матриксе накапливаются ОН^-, а в межмембранном пространстве ионы Н⁺ - т.е. формируется трансмембранный электрохимический градиент концентрации ионов Н+. Внешняя поверхность внутренней мембраны, обращенная в межмембранное пространство, заряжается положительно (+), а внутренняя отрицательно (-). Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ионов Н+, однако, они могут проходить назад в матрикс через протонный канал (фрагмент F₀) Н+-АТФ-синтазы (см. рисунки ↓). Второй фрагмент F₁ фермента является каталитическим и осуществляет синтез АТФ.

Каталитическая часть АТФ-синтазы катализирует три последовательные стадии синтеза АТФ:

1. Связывание АДФ и неорганического фосфата.

2. Образуется фосфоангидридная связь.

3. Освобождается конечный продукт реакции.

F₁ фрагмент АТФ-синтазы функционирует как молекулярная машина и состоит из неподвижной части – статора и вращающейся части - ротора. Статор закреплен в липидном слое мембраны и осуществляет синтез АТФ из АДФ и фосфата. Ротор работает как подвижный клапан протонного канала. Протонный канал ( фрагмент F₀) состоит из двух половинок (полуканалов), смещенных одна относительно другой. Структура этой машины такова, что протон проваливается через полуканал с наружной стороны митохондриальной мембраны, но попасть внутрь митохондрии он не может. Сваливается протон на подставленную ему аминокислоту ротора и эту аминокислоту протонирует, на аминокислоте появляется дополнительный положительный заряд. Затем, когда протонированная аминокислота на вращающемся роторе доедет до следующей половинки канала, ведущей уже внутрь митохондрии (а внутри протонов мало и, кроме того, там протон поджидают отрицательно заряженные ионы), то протон наконец "падает" внутрь и аминокислота освобождается от положительного заряда. Заряды в роторе и статоре расположены таким образом, что протонирование – депротонирование приводит к повороту машины. Таким образом, протон в два приема проваливается внутрь митохондрии, и за счет этого мотор проворачивает. Энергия и заряд протона используется для высвобождения в водную фазу молекулы АТФ, образованной в каталитической части АТФ-синтазы (считается, что образование самой АТФ не требует больших затрат энергии, поскольку происходит в липидной фазе мембраны).

!!!!Коэфициент окислительного фосфорилирования (Р/О) этот число молекул неорганического фосфата (Фн), которое перешло в органическую форму (в форму АТФ) в расчете на каждый поглощенный атом кислорода. Он равняется числу молекул АТФ, которые образуются при перенесении 2-х электронов по дыхательной цепи на один атом кислорода (максимальное значение Р/О – 3). При окисления субстратов через НАДН-КоQ-редуктазу (через I,III, IV комплексы), образуется 3 молекулы АТФ (Р/О = 3). При окислении субстратов через сукцинат-КоQ–редуктазу (II, III, IV комплексы) образуется 2 молекулы АТФ (Р/О = 2).

Уровень АТФ является главным регулятором энергетического обмена в организме. Если в клетке идут процессы с потреблением АТФ, то это автоматически приводит к повышению скорости гидролиза АТФ и накоплению АДФ, а это ведет к усилению окислительного фосфорилирования. Наоборот повышение концентрации АТФ является сигналом для уменьшения потребности клетки в АТФ и ведет к торможению окислительного фосфорилирования.

В пользу хемиоосмотической теории говорят следующие экспериментальные данные:

1. Добавление протонов в среду, в которой находятся митохондрии, приводит к образованию АТФ.

2. Окислительное фосфорилирование не происходит в системах, в которых не может существовать АТФ-синтетаза. Для протекания окислительного фосфорилирования необходимо наличие замкнутой мембранной системы.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: