Окислительное фосфорилирование
-
Окислительное фосфорилирование
- Метаболический путь, при котором клетки используют ферменты для окисления питательных веществ и высвобождения энергии.
- Происходит внутри митохондрий у эукариот и во внешней мембране у прокариот.
- Высвобождает больше энергии, чем анаэробный гликолиз.
-
Процесс окислительного фосфорилирования
- Электроны передаются от доноров к акцепторам через цепь переноса электронов.
- Энергия используется для переноса протонов через мембрану, создавая электрохимический градиент.
- АТФ-синтаза использует энергию для синтеза АТФ.
-
Цепь переноса электронов
- Состоит из пяти основных белковых комплексов у эукариот и множества ферментов у прокариот.
- Включает цитохром с, убихинон Q10 и железосерные кластеры.
- Электроны перемещаются через белки с помощью квантового туннелирования.
-
АТФ-синтаза
- Использует энергию для синтеза АТФ из ADP.
- Вращается под действием потока протонов.
- Является мишенью для многих лекарств и ядов.
-
Хемиосмос
- Энергия передается от цепи переноса электронов к АТФ-синтазе через мембрану.
- Протоны перемещаются с отрицательной стороны на положительную, создавая электрохимический градиент.
- АТФ-синтаза завершает цикл, позволяя протонам течь обратно.
-
Выход АТФ
- Окислительное фосфорилирование дает больше АТФ, чем анаэробная ферментация.
- При гликолизе образуются 2 молекулы АТФ, при окислительном фосфорилировании — 30-36 АТФ.
- На практике выход АТФ снижается из-за просачивания протонов через мембрану.
-
Реакция окисления NADH
- NADH окисляется коферментом Q10 или убихиноном
- Электроны передаются через комплекс I и железо-серные кластеры
- Восстановление убихинона способствует образованию протонного градиента
-
Сукцинат-Q оксидоредуктаза
- Комплекс II участвует в цикле лимонной кислоты и цепи переноса электронов
- Окисляет сукцинат до фумарата и восстанавливает убихинон
- Не переносит протоны через мембрану
-
Флавопротеин-убихиноноксидоредуктаза
- Принимает электроны от флавопротеина и восстанавливает убихинон
- Важна для бета-окисления жирных кислот и катаболизма аминокислот
-
Q-оксидоредуктаза цитохрома с
- Окисляет убихинол и восстанавливает цитохром с
- Механизм реакции включает Q-цикл
- Чистый перенос протонов через мембрану увеличивает протонный градиент
-
Цитохром с-оксидаза
- Конечный комплекс в цепи переноса электронов
- Переносит электроны к кислороду и водороду, перекачивая протоны через мембрану
- Окисление цитохрома с и восстановление кислорода
-
Альтернативные редуктазы и оксидазы
- У растений есть альтернативные NADH-оксидазы и оксидазы
- Альтернативные пути имеют более низкий выход АТФ, но могут повышать устойчивость к стрессам
-
Организация комплексов
- Комплексы могут образовывать суперкомплексы или «респирасомы»
- Ассоциации увеличивают скорость и эффективность переноса электронов
-
Прокариотические цепи переноса электронов
- Бактерии и археи обладают большим разнообразием ферментов переноса электронов
- Используют широкий набор химических веществ для окисления субстратов
-
Различия между эукариотическим и прокариотическим окислительным фосфорилированием
- Прокариоты используют множество веществ для передачи электронов, что позволяет им расти в различных условиях.
- E. coli может использовать различные восстановители и окислители, такие как формиат, водород, лактат, нитраты, ДМСО и кислород.
- Сукцинат/фумарат является необычной парой, так как её средний потенциал близок к нулю.
-
Гибкость прокариотических окислительных систем
- Прокариоты контролируют использование доноров и акцепторов электронов, варьируя количество ферментов.
- Разные оксидазы и редуктазы используют один и тот же запас убихинонов, что позволяет множеству комбинаций ферментов функционировать совместно.
- Прокариоты обладают изоферментами, такими как два типа убихинолоксидазы в E. coli.
-
АТФ-синтаза и её роль
- АТФ-синтаза является конечным ферментом окислительного фосфорилирования, использующим энергию протонного градиента для синтеза АТФ.
- Фермент состоит из 16 субъединиц и имеет массу около 600 килодальтон.
- АТФ-синтаза использует механизм изменения связывания для синтеза АТФ.
-
Энергетика окислительного фосфорилирования
- Перенос электронов от NAD+/NADH к O2/H2O приводит к образованию трех АТФ.
- Эффективность окисления NADH составляет около 42%, а оставшаяся энергия теряется в виде тепла.
-
Активные формы кислорода и их роль
- Молекулярный кислород является конечным акцептором электронов, но при его восстановлении образуются активные формы кислорода.
- Эти формы кислорода вредны для клеток и могут способствовать развитию заболеваний.
- Митохондрии регулируют свою активность для поддержания мембранного потенциала в узком диапазоне.
-
Окислительное фосфорилирование в условиях гипоксии
- Недостаток кислорода может повлиять на скорость выработки АТФ.
-
Окислительное фосфорилирование в бескислородных условиях
- АТФ-синтаза работает в обратном направлении, вытесняя протоны из матрикса обратно во внутреннее пространство мембраны.
- Протонная движущая сила и выработка АТФ поддерживаются за счет внутриклеточного ацидоза.
- Цитозольные протоны могут проникать через внешнюю мембрану митохондрий и подкислять межмембранное пространство.
-
Ингибиторы окислительного фосфорилирования
- Олигомицин ингибирует АТФ-синтазу, что останавливает протонный градиент и цикл лимонной кислоты.
- Ротенон, амитал и пиерицидин А ингибируют NADH и кофермент Q.
- Монооксид углерода, цианид, сероводород и азид ингибируют цитохромоксидазу.
- Антимицин А и антилюизит ингибируют участок между цитохромами В и С1.
-
Регулируемые протонные каналы в бурой жировой ткани
- Разобщающие белки могут отделять дыхание от синтеза АТФ, выделяя тепло.
- Эти белки важны для поддержания температуры тела у животных в спячке и в реакции клеток на стресс.
-
История изучения окислительного фосфорилирования
- Артур Харден в 1906 году отметил важность фосфата в клеточной ферментации.
- Герман Калькар в 1940-х годах установил связь между окислением сахаров и образованием АТФ.
- Альберт Л. Леннингер доказал связь между NADH и синтезом АТФ.
- Владимир Белицер ввел термин «окислительное фосфорилирование» в 1939 году.
- Питер Д. Митчелл в 1961 году предложил хемиосмотическую теорию, за что получил Нобелевскую премию в 1978 году.
- Дэвид Э. Грин и Эфраим Ракер внесли значительный вклад в очистку и характеристику ферментов.
- Пол Д. Бойер разработал механизм «изменения связывания» и ротационный катализ.
- Джон Э. Уокер и Пол Д. Бойер получили Нобелевскую премию в 1997 году за структурные исследования ферментов.