Окисне фосфорилювання

Введення

Окислювальне фосфорилювання - це складний процес, в ході якого окислюються NADH та FADH², в результаті чого вивільнюються електрони та протони.Протони спочатку потрапляють в матрикс мітохондрії, після чого перекачуються в міжмембранний простір, таким чином утворюється градієнт концентрації - в матриксі протонів менше, ніж в міжмембранному просторі.З міжмембранного простору протони потрапляють назад в матрикс мітохондрії за допомогою ферменту АТФ-синтаза, яка одночасно з цим синтезує АТФ.
В внутрішній мембрані мітохондрії знаходяться складні білки-ферменти(комплекси), які каталізують окиснення нуклеотидів та транспортують електрони між собою, вони отримали назву - електрон транспортний ланцюг.

Електрон транспортний ланцюг

Існує 5 комплексів на внутрішній мембрані мітохондрії:

• NADH дегідрогеназа(комплекс І)
• Сукцинат дегідрогеназа(комплекс ІІ)
• Цитохром С(це) редуктаза(комплекс ІІІ)
• Цитохром С оксидаза(комплекс IV)
• АТФ-синтаза(комплекс V)

Комплекс І

Ми вже говорили про те, як NADH транспортується з цитоплазму в матрикс мітохондрії, ну і також в результаті реакцій циклу Кребса утворюється декілька відновлених версій цього нуклеотиду, зараз ми його будемо використовувати для синтезу енергії.
Комплекс І або NADH дегідрогеназа являється величезним білком, складається з 46 окремих поліпептидних ланцюгів та має L-подібну форму, знаходиться в внутрішній мембрані мітохондрії.В склад цього ферменту входить флавін мононуклеотид(ФМН) та численні залізо-сульфурні групи(Fe-S).

Спочатку флавін мононуклеотид забирає два електрони від NADH , а протони просто плавають в матриксі мітохондрії.Пара електронів передається від ФМН до залізо-сульфурних груп, які потім передають ці електрони до убіхінону(кофермент Q або Q10), в результаті чого утвориться відновлена версія - убіквінол, яка приєднає ще два протони з матриксу мітохондрії та утвориться QH₂.
Важливо сказати ще одне: в процесі того, як електрони рухаються між залізо-сульфурними групами комплексу І, протони виходять з матриксу в міжмембранний простір мітохондрії, що утворює градієнт концентрації.Зараз просто запам'ятайте те, що у нас утворився убіквінол(QH₂).

Комплекс ІІ

Комплекс ІІ або сукцинат дегідрогеназа знаходиться на внутрішньому шарі внутрішньої мембрани мітохондрії, і також являється важливим ферментом реакцій циклу Кребса.Можливо ви вже знаєте, що цей фермент каталізує перетворення сукцинату в фумарат, в результаті чого FAD відновлюється до FADH₂.Так ось, цей нуклеотид відразу іде до комплексу ІІ, де два новоприбулі атоми гідрогену конфіскуються і передаються до залізо-сульфурних груп, які потім передають ці атоми гідрогену до коферменту Q(механізм майже такий самий, як і в комплексі І), тобто утворюється ще один убіквінол(QH₂).

Тепер тут важливо запам'ятати, що в результаті руху електронів між залізо-сульфурними групами комплексу ІІ не відбувається транспорт протонів з матриксу в міжмембранний простір мітохондрії.

Комплекс ІІІ

Цей комплекс має деякі дуже важливі структури:

• Цитохром С₁
• Цитохром Б
• Центр Ріске

Тепер згадуємо про убіквінол, який утворився в результаті діяльності комплексів І та ІІ.Цей кофермент вільно плаває в внутрішній мембрані мітохондрії, таким чином досягає комплексу ІІІ.
Наш убіквінол має два атоми гідрогену, тобто два електрони та два протони.Після того, як QH₂ провзаємодіє з комплексом ІІІ, то протони від убіквінолу відразу тікають в міжмембранний простір, тобто в нас залишилось лише два електрони, в кожного з них буде різна доля:один електрон з'єднається з центром Ріске, потім перейде в цитохром С₁, після чого з'єднається з особливим білком - цитохромом С( до речі цей білок має атом Fe³⁺, який після приєднання електрону перейде в стан Fe²⁺).Інший же електрон піде до цитохрому Б, після чого перейде на убіквінон(кофермент Q, невідновлена форма), таким чином ми отримаємо семі-хінон(напів відновлена форма убіхінона).
Цитохром С від'єднується та прямує до комплексу IV, замість нього прибуває нова молекула цитохрому С, і ось тепер буде трохи складно: той семі-хінон так і залишається зв'язаним з комплексом ІІІ, але так справа не піде, тому до комплексу ІІІ приходить ще одна молекула убіквінола(QH₂), яка віддає електрон до цитохрому С, який після цього від'єднується, а інший електрон іде до семі-хінону, тобто ми повністю відновлюємо семі-хінон до убіквінолу(QH₂), разом з цим сюди приєднаються два протони з матриксу мітохондрії, і ця молекула убіквінолу дисоціюється від комплексу ІІІ і піде плавати по внутрішній мембрані мітохондрії, і знову буде взаємодіяти з комплексом ІІІ, це може бути дуже важко, але подивіться на зображені нижче - це називається Q-цикл.

Комплекс IV

Це напевно найскладніше з усієї цієї повісті.
Комплекс IV містить важливі частини:

• Гем a₃
• Cu_B

Відновлений цитохром С дисоціює від комплексу ІІІ, плаває в внутрішній мембрані мітохондрії та потрапляє в руки до комплексу IV, який забирає від нього електрон, в результаті чого цей електрон вчіпиться з Cu_B, таким чином відновить його(іон купруму перейде з Cu²⁺ в Cu⁺), після чого цитохром С дисоціює від комплексу IV та далі плаває в окисненому вигляді в товщі внутрішньої мембрани мітохондрії.Наступним кроком приєднується ще одна відновлена молекула цитохрому С, яка передає свій електрон на Гем a₃, таким чином відновлює його.
Після цього, між Гем a₃ та Cu_B формується зв'язок за допомогою оксигенів(див. малюнок нижче).Тепер ми знову приєднуємо дві молекули цитохрому С(по черзі), в результаті чого Гем a₃ та Cu_B приймають ще по одному електрону, але разом з електронами сюди ще приєднуються два протони з матриксу мітохондрії, таким чином утворюються -OH групи, а зв'язок між цими структурами(гемом та купрумом) руйнується.
Далі ми приєднуємо ще два протони, таким чином -OH групи відщеплюються, взаємодіють з цими протонами та утворюють дві молекули води, разом з цим комплекс IV проштовхує протони з матриксу в міжмембранний простір мітохондрії(так само як і комплекс І).

АТФ-синтаза

АТФ синтаза - супер складний білок, який знаходиться на внутрішній мембрані мітохондрії, має дві частини:

• F₀ знаходиться в товщі внутрішньої мембрани мітохондрії
• F₁ виступає в матрикс мітохондрії

Взагалі, за принципом будови та функціональністю цей білок дещо схожий на електричний двигун, має наступні субодиниці:

• А субодиниця(не альфа, а саме А)
• С субодиниця
• b₂ субодиниця
• γ-субодиниця з'єднує F₀ та F₁
• α-субодиниця
• β-субодиниця
• δ-субодиниця

А-субодиниця слугує каналом для протонів, тобто пропускає протони з міжмембранного середовища в матрикс мітохондрії, разом з цим це спричинює рух С-субодиниці, що в свою чергу передається на γ-субодиницю, що призводить до руху α-субодиниці та β-субодиниці.
β-субодиниця має спеціальні ділянки, куди прикріплюється молекула АДФ та фосфатна група(Pi), коли відбувається рух, тобто, коли протон проходить через А-субодиниці, то АДФ та фосфатна група об'єднуються і утворюють АТФ, ось це і називається окислювальним фосфорилюванням.

Хеміосмотична теорія

Найважливішим твердженням хеміосмотичної теорії або теорії Мітчелла являється наступне: електрохімічний потенціал протонів на спрягаючих(тобто внутрішній мембрані мітохондрії) мембранах, який створюється завдяки дії протонних помп дихального ланцюга, є рушійною силою синтезу АТФ з АДФ та фосфатної групи.

Коефіцієнт P/O

Коефіцієнт P/O - відношення кількості неорганічного фосфату, який прореагував з АДФ до кількості атомів оксигену, які увішли в молекулу води(H₂O) при переносі однієї пари електронів по дихальному ланцюгу.
Для того, щоб утворити одну молекулу води нам потрібно пара електронів(рівно стільки ми отримуємо від NADH та FADH₂).Запам'ятайте наступне:

• Коли пара електронів проходить через комплекси І, ІІІ та IV, то з матриксу мітохондрії виходить в міжмембранний простір така кількість протонів, яка необхідна для синтезу трьох молекул АТФ, тобто, ми можемо приєднати три фосфатні групи до трьох молекул АДФ.Коли ця пара електронів пройде всі комплекси, то утвориться молекула води.Коефіцієнт P/O(скільки АТФ утворилось/скільки води утворилось) = 3.Тому можна зробити висновок, що 3 молекули АТФ утвориться з однієї молекули NADH + H⁺.
• Коли пара електронів проходить через комплекси ІІІ та IV, то з матриксу мітохондрії потрапляє така кількість протонів в міжмембранний простір, що можна утворити 2 молекули АТФ.Знову ж таки, ці електрони дойдуть до IV комплексу і утворять воду, а ми зможемо приєднати дві фосфатні групи до двох молекул АДФ, тобто, коефіцієнт P/O = 2.Таким чином, можна сказати, що з однієї молекули FADH₂> утвориться 2 молекули АТФ, чому? тому-що окиснення цього нуклеотиду починається з комплексу ІІ, а не з комплексу І.