VI. Окислительное фосфорилирование

Одной из важнейших функций митохондрий является использование происходящих в них многостадийных окислительно-восстановительных процессов для синтеза АТФ. Синтез АТФ реализуется на внутренней мембране митохондрий. Впервые идея о возможном сопряжении дыхания и синтеза АТФ была высказана В.А. Энгельгардом в 30-х гг. XX века. Затем, после открытия цикла Кребса, другой биохимик В.А. Белицер установил, что в свежеприготовленных суспензиях биологического материала в аэробных условиях в присутствии различных субстратов цикла Кребса при дыхании концентрация H₃PO₄ уменьшается, а концентрация АТФ возрастает. В 1940 г. ему также удалось показать, что при переходе одной пары ē-в от субстрата к молекуле кислорода образуется около 3-х молекул АТФ. Поэтому суммарное уравнение процесса окислительного фосфорилирования в митохондриях может быть следующее:

НАД · H₂ + 3АДФ + 3H₃PO₄ + 1/2O₂ ® НАД + 3АТФ + 4H₂O

Процесс синтеза АТФ протекает вдоль дыхательной цепи, вероятно, в 3 стадии. Известно, что для генерирования АТФ из АДФ и H₃PO₄ необходима энергия порядка 7,3 Ккал. Именно такими порциями утилизируется энергия химического окисления одной пары восстановительных эквивалентов в трёх точках дыхательной цепи:

К настоящему времени фермент, катализирующий синтез АТФ, выделен и достаточно изучен. Данный фермент встроен во внутреннюю мембрану митохондрий и получил название АТФ-синтетазы или F_OF₁-АТФ-азы. Он состоит из двух главных компонентов – F_O и F₁. Компонент F₁ был выделен в чистом кристаллическом виде. M_r = 380 тыс. Да. Молекула F₁ состоит из 9 субъединиц пяти различных типов, сгруппированных вместе и содержащих несколько участков, связывающих АТФ и АДФ.

Компонент F₁ прикреплён к F_O (фактору, который встроен во внутреннюю мембрану митохондрий и пронизывает её насквозь). Индекс (O) означает букву и указывает на то, что эта часть молекулы синтетазы связывает токсичный антибиотик олигомицин, который является мощным ингибитором этого фермента, а, следовательно, и всего процесса окислительного фосфорилирования в митохондриях.

Одним из самых сложных вопросов биохимии является вопрос: каким же образом дыхательная цепь переноса ē-в взаимодействует с АТФ-синтетазой и как при этом происходит окислительное фосфорилирование с образованием АТФ?

В настоящее время постулировано 3 возможных механизма передачи энергии от процесса переноса ē к процессу синтеза АТФ:

1) Гипотеза химического сопряжения (Е. Слейтер, 1953 г.) предполагает, что перенос ē-на сопряжён с синтезом АТФ через определённую последовательность реакций. В ходе этих реакций некий высокоэнергетический ковалентный продукт расщепляется и отдаёт содержащуюся в нём энергию на синтез АТФ по типу субстратного фосфорилирования.

2) Гипотеза конформационного сопряжения (П. Бойер, 1964 г.) предполагает, что перенос ē по дыхательной цепи вызывает конформационные изменения в белковых компонентах внутренней мембраны митохондрий и тем самым переводит их в высокоэнергетическую форму. Конформационные изменения передаются АТФ-синтетазе, активируя её. Последующая релаксация активированной АТФ-синтетазы, т.е. её возвращение к обычной конформации высвобождает запасённую в ней энергию, которая используется для синтеза АТФ и для отделения АТФ от молекулы фермента.

3) Хемиосмотическая гипотеза П. Митчелла (1961 г.) исходит из нового принципа. Она была подтверждена экспериментально и наиболее точно отражает организующий принцип окислительного фосфорилирования в митохондриях.

Согласно этой теории, дыхательную цепь электронов можно представить себе как насос, перекачивающий катионы H⁺. Энергия, высвобождаемая при переносе электронов, используется для перемещения ионов H⁺ из матрикса митохондрий в межмембранное пространство, что приводит к возникновению электрохимического градиента с более высокой концентрацией катионов H⁺ в наружной водной фазе межмембранного пространства. Этот же процесс ведёт к появлению трансмембранного электрического потенциала, так как наружная сторона мембраны оказывается электроположительной. Поэтому ионы H⁺ из межмембранного пространства вновь устремляются внутрь, в матрикс, но на этот раз по электрохимическому градиенту через молекулы F_OF₁-АТФ-азы. Этот переход ионов H⁺ из зоны с более высокой в зону с более низкой их концентрацией сопровождается выделением свободной E, за счёт которой и синтезируется АТФ. Таким образом, хемиосмотическая теория предполагает, что между матриксом митохондрий и межмембранным пространством совершается непрерывный круговорот ионов H⁺, движущей силой которого является перемещение ē-в в дыхательной цепи.

Хотя хемиосмотическая теория получила широкое признание в той своей части, которая касается главного организующего принципа передачи E от переноса ē-в в синтезе АТФ, тем не менее она оставляет без ответа многие важные вопросы. Поэтому исследование молекулярной логики живых клеток продолжается.