Оксидазный путь использования кислорода в клетке

Оксидазный путь потребления кислорода протекает в митохондриях, потребляет 90% О₂ и обеспечивает процесс окислительного фосфорилирования.

Окислительным фосфорилированием называют синтез АТФ из АДФ и Н₃РО₄ за счет энергии движении электронов по дыхательной цепи. Окислительное фосфорилирование является основным источником АТФ в аэробных клетках. Хемиосмотическая теория Митчелла Для объяснения механизма окислительного фосфорилирования в 1961 году Митчеллом была предложена хемиосмотическая теория, которая включала четыре независимых постулата, касавшиеся функции митохондрий:

1. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для всех ионов.

2. Она содержит ряд белков-переносчиков, осуществляющих транспорт необходимых метаболитов и неорганических ионов.

3. При прохождении электронов по дыхательной цепи внутренней мембраны происходит перемещение Н⁺ из матрикса в межмембранное пространство.

4. При достаточно большом протонном градиенте протоны начи­нают «течь» через АТФ-синтетазу, что сопровож­дается синтезом АТФ.

Современные представления о механизме окислительного фосфорилирования В настоящее время открыты все основные компоненты окислительного фосфорилирования, изучено их строение и свойства. Открыты основные принципы окислительного фосфорилирования, регуляция и механизмы некоторых стадий. МЕХАНИЗМ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ

Окислительное фосфорилирование состоит из процессов окисления и фосфорилирования, которые между собой сопряжены.

Процесс окисления

Процесс окисления происходит при движении электронов по дыхательной цепи от субстратов тканевого дыхания на кислород. Дыхательная цепь окислительного фосфорилирования состоит из 4 белковых комплексов, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий и небольших подвижных молекул убихинона и цитохрома С, которые циркулируют в липидном слое мембраны между белковыми комплексами. Комплекс I – НАДН₂ дегидрогеназный комплекс – самый большой из дыхательных ферментных комплексов – имеет молекулярную массу свыше 800КДа, состоит из более 22 полипептидных цепей, в качестве коферментов содержит ФМН и 5 железо-серных (Fe₂S₂ и Fe₄S₄) белков. Комплекс II – СДГ. В качестве коферментов содержит ФАД и железо-серный белок. Комплекс III – Комплекс b-c₁ (фермент QH₂ ДГ), имеет молекулярную массу 500КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, и вероятно существует в виде димера. Каждый мономер содержит 3 гема, связанных с цитохромами b₅₆₂, b₅₆₆, с₁, и железо-серный белок. Комплекс IV – Цитохромоксидазный комплекс имеет молекулярную массу 300КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, существует в виде димера. Каждый мономер содержит 2 цитохрома (а и а₃) и 2 атома меди. Коэнзим Q (убихинон). Липид, радикал которого у млекопитающих образован 10 изопреноидными единицами (Q₁₀). Убихинон переносит по 2Н⁺ и 2е^-. убихинон ↔ семихинон ↔ гидрохинон Цитохром с. Периферический водорастворимый мембранный белок с массой 12,5КДа, содержит 1 полипептидную цепь из 100 АК, и молекулу гема.Молекулярные соотношения между компонентами дыхательной цепи отличаются в разных тканях. Например, в миокарде, на 1 молекулу НАДН₂ дегидрогеназного комплекса приходиться 3 молекулы комплекса b-c₁, 7 молекул цитохромоксидазного комплекса, 9 молекул цитохрома С и 50 молекул убихинона. Электрохимический потенциал. Компоненты дыхательной цепи располагаются в мембране в порядке повышения их редокс-потенциала. При переходе е^- от комплекса с низким редокс-потенциалом к комплексу с более высоким редокс-потенциалом происходит выделение свободной энергии. При окислении 1 НАДН₂ выделяется 220 кДж/моль свободной энергии.I, III и IV комплексы дыхательной цепи используют 65-70% этой свободной энергии для переноса Н⁺ из матрикса митохондрий в межмембранное пространство, 30-35% свободной энергии рассеивается в виде тепла. Этапы движения е^- по дыхательной цепи 1. 2е^- от НАДН₂, проходят через I комплекс (ФМН→SFe белок) на КоQ, высвобождаемая при этом энергия обеспечивает перекачку Н⁺ (механизм переноса Н⁺ неизвестен).2. КоQ с 2е^- забирает у воды 2Н⁺ из матрикса и превращается в КоQН₂ (восстановление КоQ проходит также с участием комплекса II).3. КоQН₂ переносит 2е^- на комплекс III, а 2Н⁺ в межмембранное пространство.4. Цитохром С переносит е^- c III комплекса на IV комплекс.5. IV комплекс сбрасывает е^- на О₂, высвобождаемая при этом энергия обеспечивает перекачку Н⁺ (механизм переноса Н⁺ неизвестен). При переносе Н⁺ из матрикса в межмембранное пространство на внутренней мембране создается осмотический градиент протонов ∆рН = 60 мВ (при ∆рН=1) (в матриксе рН выше, чем в цитозоле). Так как каждый Н⁺ несет положительный заряд, на внутренней мембране также появляется разность потенциалов ∆V=160мВ, внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно, внешняя – положительно. В сумме осмотический градиент протонов и разность потенциалов образуют электрохимический потенциал, который в типичной клетке составляет около 60+160=220 мВ. Механизм переноса Н⁺ через мембрану до конца не изучен. Вероятно, у разных компонентов дыхательной цепи существуют разные механизмы сопряжения транспорта е^- с перемещением Н⁺. Образовавшийся на внутренней мембране митохондрий электрохимический потенциал используется для:1) фосфорилирования АДФ в АТФ; 2) транспорта веществ через мембрану митохондрий; 3) теплопродукцию. Процесс фосфорилирования Процесс фосфорилирования осуществляется АТФ-синтетазой (Н⁺-АТФ-аза), которая потребляет 40-45% свободной энергии, выделившейся при окислении. Н⁺-АТФ-аза интегральный белок внутренней мембраны митохондрий, она состоит из 2 белковых комплексов F₀ и F₁.

Гидрофобный комплекс F0 погружён в мембрану и служит основанием, которое фиксирует АТФ-синтазу в мембране. Он состоит из нескольких субъединиц, образующих канал, по которому протоны переносятся в матрикс. Комплекс F1 выступает в митохондриальный матрикс. Он состоит из 9 субъединиц (3α, 3β, γ, δ, ε). Субъединицы α и β уложены попарно, образуя «головку»; между а- и β-субъединицами располагаются 3 активных центра, в которых происходит синтез АТФ; γ, δ, ε – субъединицы связывают комплекс F1, с F0.

АТФ-синтетаза обеспечивает обратимое взаимопревращение энергии электрохимического потенциала и энергии химических связей.Электрохимический потенциал внутренней мембраны заставляет Н⁺ двигаться из межмебранного пространства по каналу АТФ-синтазы в матрикс митохондрий. При каждом переносе протонов через канал F_o энергия электрохимического потенциала расходуется на поворот стержня, в результате которого циклически изменяется конформация а- и β-субъединиц и все 3 активных центра, образованных парам α- и β-субъединиц, катализируют очередную фазу цикла: 1) связывание АДФ и Н₃РО₄; 2) образование фосфоангидридной связи АТФ; 3) освобождение конечного продукта АТФ.