 |
Строение дыхательной цепи и механизм окислительного фосфорилирования
|
|
|
|
3. Здесь атомы водорода (от НАДН и ФАДН2) передают свои ē в дыхательную ферментативную цепь, по которой ē движутся (50-200 шт/сек) к своему конечному акцептору – кислороду. В результате образуется вода.
4. Поступающие в дыхательную цепь ē богаты свободной энергией. По мере их продвижения по цепи они теряют энергию.
Энергетические соотношения в дыхательной цепи митохондрий и
участки переноса ионов Н+ через мембрану
Часть энергии ē используется I, III, IV комплексами дыхательных ферментов для перемещения ионов водорода через мембрану в межмембранное пространство. Другая часть рассеивается в виде тепла. Упрощенно сказанное представить в виде равенства:
5. Перенос Н+ через мембрану (выкачивание) происходит не случайно, а в строго определенных участках мембраны. Эти участки называются участки сопряжения (или, не совсем точно, пункты фосфорилирования). Они представлены I, III, IV комплексами дыхательных ферментов. В результате работы этих комплексов формируется градиент ионов водорода между внутренней и наружной поверхностями внутренней митохондриальной мембраны. Такой градиент обладает потенциальной энергией.
Градиент (Δμ, "дельта мю") получил название электрохимический градиент или протонный градиент. Он имеет две составляющие – электрическую (ΔΨ, "дельта пси") и концентрационную (ΔрН):
Δμ = ΔΨ + ΔрН
Название " участки сопряжения " возникло из-за того, что появление протонного градиента в результате окислительных процессов обеспечивает в дальнейшем фосфорилирование АДФ до АТФ (см п.п.6). Именно благодаря этим трем ферментным комплексам энергия реакций окисления может передаваться на фосфорилирование, т.е. существует сопряжение (связывание) двух процессов.
|
|
|
6. Как завершение всех предыдущих событий и необходимый их результат происходит наработка АТФ: ионы H+ теряют свою энергию, проходя через АТФ-синтазу (Н+-транспортирующая АТФ-аза, КФ 3.6.3.14.). Часть этой энергии тратится на синтез АТФ. Другая часть рассеивается в виде тепла:
Механизм вращательного катализа
Фермент АТФ-синтаза состоит из множества белковых цепей, формирующих два больших компонента:
· компонент Fо (о лигомицин-чувствительный) – его функция каналообразующая, через него выкачанные наружу ионы водорода устремляются в матрикс,
· компонент F1 (fraction 1, англ. - часть 1) – его функция каталитическая, именно он, используя энергию протонов, синтезирует АТФ.
Строение – компонента Fо
Данный компонент погружен в мембрану, является интегральным белком цилиндрической формы, образован субъединицами типов a и b, и 10-12 субъединицами типа с, собранными в единый комплекс. В каждой из c- субъединиц есть отрицательно заряженные центры связывания протонов – остатки аспарагиновой кислоты. Эти центры взаимодействуют с полуканалами для ионов H+, открывающимися наружу (в межмембранное пространство), и внутрь (в матрикс).
a - и b - Субъединицы являются структурными. Их задача - обеспечить прикрепление к мембране F1-компонента.
Строение АТФ-синтазы
Строение - компонента F1
Молекулы этого компонента состоят из девяти субъединиц пяти различных типов (3α, 3β, γ, δ, ε). Основной функциональной субъединицей F1 -компонента является гексамер, состоящий из 3α- и 3β-субъединиц. Через δ- субъединицу гексамер присоединен к b -субъединице (Fo), которая в свою очередь зацеплена в мембране за a- субъединицу Fo -компонента. Таким образом, гексамер 3αβ фиксирован и неподвижен. Каталитический центр, в котором и происходит синтез АТФ, находится в β-субъединице.
|
|
|
γ -Субъединица одним концом прочно связана с комплексом c -субъединиц (Fo), другим концом она входит внутрь гексамера 3αβ. С ней дополнительно связана минорная субъединица ε.
Взаимодействие F1 и Fo
Синтез АТФ происходит за счет энергии, высвобождающейся при прохождении протонов через каналы комплекса Fo.
Протоны из межмембранного пространства достигают своих центров связывания на с- субъединицах (Fo) через входной полуканал и прикрепляются к аспартату, нейтрализуя его отрицательный заряд. Лишенный заряда белок способен вращаться вокруг своей оси, доставляя протоны к другому полуканалу, который направлен уже в матрикс митохондрий. Поскольку концентрация ионов H+ в матриксе низка, то они легко отрываются от аспартата и уходят внутрь, а оставшийся заряженный аспартат не позволяет ротору вращаться в обратном направлении.
При связывании ионов H+ происходит поворот комплекса c -субъединиц Fo -компонента и жестко связанной с ним γ- субъединицы F1- компонента. Стержень γ–субъединицы проворачивается внутри неподвижного гексамера 3αβ и при каждом повороте на 120° она поочередно вступает в контакт с каталитическими β-субъединицами, что меняет их функционирование.
β-субъединицы могут находиться в трех конформациях, выполняющих разную функцию:
· loose, L (англ. слабо связано) – удерживает АДФ и ион фосфата,
· tight, T (англ. тесно) – "прижимает" молекулы АДФ и фосфат-иона, т.е. происходит синтез АТФ,
· open, O (англ. открыто) – в этом состоянии субъединица высвобождает АТФ и захватывает АДФ и ион фосфата.
При каждом обороте γ- субъединицы на 360º синтезируются три молекулы АТФ.
Взаимодействие γ- субъединицы с β-субъединицами при синтезе АТФ
Синтез АТФ регулируется
Работа дыхательных ферментов регулируется с помощью эффекта, который получил название дыхательный контроль.
Дыхательный контроль
Дыхательный контроль – это прямое влияние электрохимического градиента на скорость движения ē по дыхательной цепи (т.е. на величину дыхания). В свою очередь, величина градиента напрямую зависит от соотношения АТФ / АДФ, количественная сумма которых в клетке практически постоянна ([АТФ] + [АДФ] = const). Реакции катаболизма направлены на поддержание постоянно высокого уровня АТФ и низкого АДФ.
|
|
|
Возрастание протонного градиента возникает при снижении количества АДФ и накоплении АТФ (состояние покоя), т.е. когда АТФ-синтаза лишена своего субстрата и ионы Н+ не проникают в матрикс митохондрии. При этом ингибирующее влияние градиента усиливается и продвижение ē по цепи замедляется. Ферментные комплексы остаются в восстановленном состоянии. Следствием является уменьшение окисления НАДН и ФАДН2 на I и II комплексах, ингибирование ферментов ЦТК при участии НАДН и замедление катаболизма в клетке.
Зависимость электрохимического градиента от скорости движения ē
Снижение протонного градиента возникает при исчерпании резервов АТФ и избытке АДФ, т.е. при работе клетки. В этом случае активно работает АТФ-синтаза и через канал Fо проходят в матрикс ионы Н+. При этом протонный градиент, естественно, снижается, поток ē по цепи возрастает, и в результате повышается выкачивание ионов Н+ в межмембранное пространство и снова их быстрое "проваливание" через АТФ-синтазу внутрь митохондрий с синтезом АТФ. Ферментные комплексы I и II усиливают окисление НАДН и ФАДН2 (как источников ē) и снимается ингибирующее влияние НАДН на цикл лимонной кислоты и пируватдегидрогеназный комплекс. Как итог – активируются реакции катаболизма углеводов и жиров.
|
|
|
