Механизм окислительного фосфорилирования

При ответе на этот вопрос следует объяснить, во-первых, каким образом перенос электронов служит источником энергии; и, во-вторых, как энергия передается реакции АДФ + Р_;. —? АТФ. Существует три основных гипотезы.

объясняющих механизм сопряжения окисления и фосфорилирования: химическая, хемиосмотическая, конформационная.

Химическая гипотеза сопряжения. Эта гипотеза была предложена более 50 лет назад. Она постулирует прямое химическое сопряжение по аналогии с субстратным фосфорилированием. Предполагается, что существуют гипотетические факторы сопряжения (интермедиаты J), которые способны при окислении образовывать макроэргическую связь (~) и затем переносить ее на синтез АТФ по нижеприведенной схеме:

где, А и В — переносчики электронов в дыхательной цепи; Е — фермент фосфорилирования.

В настоящее время эта гипотеза достаточно дискредитирована, поскольку богатых энергией промежуточных соединений типа, А — J не удалось выявить.

Хемиосмотическая теория сопряжения окисления и фосфорилирования. Эта гипотеза предложена в 1961 г. П. Митчеллом; причем значительный вклад в се доказательство был сделан В. П. Скулачсвым с соавторами. Согласно этой теории, фактором, сопрягающим окисление с фосфорилированием, является электрохимический, протонный потенциал ДрН⁺, возникающий на внутренней мембране митохондрий в процессе транспорта электронов. При этом предполагается, что мембрана непроницаема для ионов, особенно протонов, их гранслокация с внутренней стороны мембраны (из матрикса) на наружную сторону внутренней мембраны митохондрий осуществляется за счет процесса окисления в дыхательной цепи, т. е. транспорта высокоэнергетических электронов. Возникающий электрохимический потенциал ДрН ⁺ является аддитивным; он складывается из химического потенциала ДрН и электрического со знаком (+) на наружной стороне мембраны (Ду):

В настоящее время удалось измерить величину ДцН⁺, которая равна 0,25 В, следовательно, является вполне достаточной для синтеза АТФ, при этом большую часть потенциала составляет Ду, т. е. электрический потенциал.

Градиент протонов, создающий разность химических и электрических потенциалов, и является источником энергии, необходимой для реакции.

Дыхательная цепь ферментов, образующая комплексы I, III и IV, как бы трижды «перешнуровывает» мембрану митохондрий. Таким образом, каждая пара электронов, транспортирующаяся от НАДН к кислороду, извлекает из матрикса три пары Н⁺, которые транслоцируются на наружную поверхность мембраны, в результате чего образуется три молекулы АТФ (рис .15.7).

Рис. 15.7. Возможная конфигурация переносчиков электронов Н* вдыхательной цепи.

Рис. 15.8. Модель молекулярной организации Независимого АТФсинтетазного комплекса.

Каким же образом электрохимический потенциал протонов используется в синтезе ЛТФ? Процесс фосфорилирования катализируется Независимым АТФ-азным комплексом: Н⁺-АТФ-синтетаза. Этот сложный комплекс состоит из растворимого каталитического компонента F, и мембранного компонента F₀ (рис. 15.8).

Компонент F, — белок с молекулярной массой 36—38 kDa — состоит из пяти типов субъединиц: а, (3, у, 6, е. Его вероятная формула основные каталитические свойства компонента F, (синтез АТФ) обеспечиваются аи (3-субъединицами, у- и 8-белки осуществляют связь компонента F, с остальными компонентами комплекса, а е-субъсдиница является ингибитором АТФ-азной активности.

Компонент F₀ является интегральным белком мембраны и, по-видимому, насквозь пронизывает се. В состав Р₀-компонента входит четыре типа субъединиц, в том числе белок, сообщающий данному компоненту чувствительность к олигомицину (следовательно, поэтому компонент обозначается с индексом «о» — олигомицин). Компонент F₀, во-первых, участвует в связывании F, с мембраной и, во-вторых, в нем имеется протон-проводящий канал, через который происходит перенос Н⁺ с внешней стороны мембраны (по градиенту электрохимического потенциала) к компоненту F, который при этом активируется и становится способным осуществить каталитическую ступень процесса синтеза АТФ. Таким образом, так же как и комплексы дыхательных ферментов, АТФ-синтетазная система фиксирована в мембране векторно, т. е. харастеризуется определенной пространственной направленностью, а комплекс F, выступает в матрикс и обеспечивает синтез АТФ (см. рис. 15.8).

Стадией, лимитирующей синтез АТФ, является высвобождение синтезированного АТФ из активного центра фермента в матрикс. Полагают, что энергозависимое протонирование отдельных функциональных групп АТФ-азного комплекса, происходящее за счет энергии ДрН⁺, вызывает конформационные изменения в F,-компоненте, которые приводят к быстрому высвобождению синтезированного АТФ из активного центра фермента. Важным моментом является обратимость реакции, катализируемой АТФ-азным комплексом. При соответствующих условиях комплекс F₀—F, может расщеплять молекулу АТФ и использовать полученную при этом энергию для транспорта протонов, т. е. для образования на мембране ДрН⁺. Согласно концепции, постулированной В. П. Скулачевым, ДцН⁺ наряду с АТФ используется как конвертируемая «валюта» для энергетических превращений, протекающих на мембране. В связи с этим было предложено все энергетические превращения в клетке подразделить на две группы: протекающие в цитоплазме (источник энергии — АТФ, крсатинфосфат и другие макроэрги) и локализованные в мембране, использующие энергию ДцН⁺ (рис. 15.9). Следует отметить, что Н⁺ не уникален в качестве сопрягающего иона и у некоторых видов организмов при определенных условиях его может заменить ион натрия.

Рис. 15.9. Схема энергетики клетки, использующей ДцН* в качестве мембранной конвертируемой формы энергии (по В. П. Скулачеву).

Таким образом, ДцН*-зависимое образование АТФ — главный, но не единственный процесс трансформации ДцН⁺ в химическую работу. К этому же типу энергетических превращений относятся синтез неорганического пирофосфата и перенос восстановительных эквивалентов в направлении более отрицательных редокс-потенциалов, например обратный перенос электронов вдыхательной цепи и трансгидрогеназная реакция. Зависящий от ДрН⁴ транспорт через мембрану различных веществ в сторону большей их концентрации представляет собой трансформацию энергии по типу ДцН⁺ —? осмотическая работа, а вращение бактериального жгутика за счет энергии ДцН⁺ служит примером превращения ДцН⁺ —*• механическая работа. Образование теплоты митохондриями животных описывается превращениями типа ДцН⁺ —> теплопродукция.

Конфирмационная гипотеза сопряжения окисления и фосфорилирования. В соответствии с этой гипотезой перенос электронов вызывает изменение конформации липопротеиновых ансамблей в митохондриальной мембране, в том числе АТФ-синтетазы, и переводит ее из неактивного (релаксированного) состояния в напряженное, активное. Современные данные подтверждают различное конформационное состояние крист митохондрий при разных уровнях дыхательной активности. Однако, очевидно, что объяснить активацию АТФ-синтетазного комплекса лишь конформационными переходами не представляется возможным, хотя это явление имеет место.