Окислительного фосфорилирования -Oxidative phosphorylation

Цепь переноса электронов в клетке является местом окислительного фосфорилирования. НАДН и сукцинат, образующиеся в цикле лимонной кислоты , окисляются, высвобождая энергию О 2 для питания АТФ-синтазы .

Окислительное фосфорилирование (UK / ɒ k s ɪ d . ə . t ɪ v / , US / ˈ ɑː k . s ɪ ˌ d . t ɪ v / ) или фосфорилирование, связанное с переносом электронов, или терминальное окисление является метаболическим путем в какие клетки используют ферменты для окисления питательных веществ, тем самым высвобождая химическую энергию для производства аденозинтрифосфата (АТФ). У эукариот это происходит внутри митохондрий . Почти все аэробные организмы осуществляют окислительное фосфорилирование. Этот путь настолько распространен, потому что он высвобождает больше энергии, чем альтернативные процессы ферментации , такие как анаэробный гликолиз .

Энергия, запасенная в химических связях глюкозы , высвобождается клеткой в ​​цикле лимонной кислоты с образованием углекислого газа и доноров энергичных электронов НАДН и ФАДН . Окислительное фосфорилирование использует эти молекулы и O 2 для производства АТФ , который используется всей клеткой всякий раз, когда требуется энергия. Во время окислительного фосфорилирования электроны передаются от доноров электронов к ряду акцепторов электронов в серии окислительно-восстановительных реакций , заканчивающихся кислородом, реакция которых высвобождает половину общей энергии.

У эукариот эти окислительно-восстановительные реакции катализируются серией белковых комплексов во внутренней мембране митохондрий клетки, тогда как у прокариот эти белки расположены на внешней мембране клетки. Эти связанные наборы белков называются цепью переноса электронов . У эукариот участвуют пять основных белковых комплексов, тогда как у прокариот присутствует множество различных ферментов, использующих множество доноров и акцепторов электронов.

Энергия, передаваемая электронами, текущими по этой цепи переноса электронов, используется для переноса протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану в процессе, называемом переносом электронов . Это генерирует потенциальную энергию в виде градиента pH и электрического потенциала на этой мембране. Этот запас энергии используется, когда протоны возвращаются через мембрану и вниз по градиенту потенциальной энергии через большой фермент, называемый АТФ-синтазой , в процессе, называемом хемиосмосом . АТФ-синтаза использует энергию для превращения аденозиндифосфата (АДФ) в аденозинтрифосфат в реакции фосфорилирования . Реакцией управляет поток протонов, заставляющий часть фермента вращаться . АТФ-синтаза представляет собой вращающийся механический двигатель.

Хотя окислительное фосфорилирование является жизненно важной частью метаболизма, оно производит активные формы кислорода , такие как супероксид и перекись водорода , которые приводят к распространению свободных радикалов , повреждая клетки и способствуя заболеванию и, возможно, старению и старению . Ферменты, осуществляющие этот метаболический путь, также являются мишенью для многих лекарств и ядов, подавляющих их активность.

хемиосмос

Окислительное фосфорилирование работает, используя химические реакции, высвобождающие энергию , для запуска реакций, требующих энергии. Два набора реакций называются связанными . Это означает, что одно не может происходить без другого. Цепь окислительно-восстановительных реакций, управляющая потоком электронов через цепь переноса электронов, от доноров электронов, таких как НАДН , к акцепторам электронов , таким как кислород и водород (протоны), представляет собой экзергонический процесс — он высвобождает энергию, тогда как синтез АТФ — это экзергонический процесс. эндергонический процесс, требующий затрат энергии. И цепь переноса электронов, и АТФ-синтаза встроены в мембрану, и энергия передается от цепи переноса электронов к АТФ-синтазе за счет движения протонов через эту мембрану в процессе, называемом хемиосмосом . Поток протонов направляется от отрицательной N-стороны мембраны к положительной P-стороне через ферменты перекачки протонов электрон-транспортной цепи. Движение протонов создает через мембрану электрохимический градиент , называемый протондвижущей силой . Он имеет две составляющие: разницу в концентрации протонов (градиент H + , Δ pH ) и разницу в электрическом потенциале , при этом N-сторона имеет отрицательный заряд.

АТФ-синтаза высвобождает эту накопленную энергию, замыкая цепь и позволяя протонам течь вниз по электрохимическому градиенту обратно к N-стороне мембраны. Электрохимический градиент управляет вращением части структуры фермента и связывает это движение с синтезом АТФ.

Две составляющие протонодвижущей силы термодинамически эквивалентны: в митохондриях наибольшая часть энергии обеспечивается потенциалом; у алкалофильных бактерий электрическая энергия даже должна компенсировать противодействующую обратную разницу рН. И наоборот, хлоропласты действуют в основном на ΔpH. Однако они также требуют небольшого мембранного потенциала для кинетики синтеза АТФ. В случае фузобактерии Propionigenium Modetum он управляет вращением в противоположных направлениях субъединиц а и с FO- мотора АТФ-синтазы.

Количество энергии, высвобождаемой при окислительном фосфорилировании, велико по сравнению с количеством энергии, выделяемой при анаэробной ферментации . При гликолизе образуется только 2 молекулы АТФ, но где-то от 30 до 36 АТФ образуется в результате окислительного фосфорилирования 10 молекул НАДН и 2 молекул сукцината, образующихся путем превращения одной молекулы глюкозы в углекислый газ и воду, в то время как каждый цикл бета-окисления жирной кислоты кислота дает около 14 АТФ. Эти выходы АТФ являются теоретическими максимальными значениями; на практике некоторые протоны просачиваются через мембрану, снижая выход АТФ.

Молекулы переноса электрона и протона

Восстановление кофермента Q из его убихиноновой формы (Q) в восстановленную убихинольную форму (QH 2 ).

Цепь переноса электронов переносит как протоны, так и электроны, передавая электроны от доноров к акцепторам и транспортируя протоны через мембрану. В этих процессах используются как растворимые, так и связанные с белком транспортные молекулы. В митохондриях перенос электронов в межмембранном пространстве осуществляется водорастворимым белком переноса электронов цитохромом с . Он переносит только электроны, и они переносятся путем восстановления и окисления атома железа , который белок удерживает внутри группы гема в своей структуре. Цитохром с также обнаружен у некоторых бактерий, где он расположен в периплазматическом пространстве .

Во внутренней митохондриальной мембране липидорастворимый переносчик электронов кофермент Q10 (Q) переносит как электроны, так и протоны посредством окислительно -восстановительного цикла. Эта небольшая молекула бензохинона очень гидрофобна , поэтому она свободно диффундирует внутри мембраны. Когда Q принимает два электрона и два протона, он восстанавливается до убихинольной формы (QH 2 ); когда QH 2 высвобождает два электрона и два протона, он снова окисляется до формы убихинона (Q). В результате, если два фермента расположены так, что Q восстанавливается на одной стороне мембраны, а QH 2 окисляется на другой, убихинон будет связывать эти реакции и перемещать протоны через мембрану. Некоторые бактериальные цепи переноса электронов используют различные хиноны, такие как менахинон , в дополнение к убихинону.

Внутри белков электроны переносятся между кофакторами флавина , железо-серными кластерами и цитохромами. Существует несколько типов железо-серных кластеров. Простейший вид цепи переноса электрона состоит из двух атомов железа, соединенных двумя атомами неорганической серы ; они называются кластерами [2Fe–2S]. Второй вид, называемый [4Fe–4S], содержит куб из четырех атомов железа и четырех атомов серы. Каждый атом железа в этих кластерах координируется дополнительной аминокислотой , обычно атомом серы цистеина . Кофакторы ионов металлов вступают в окислительно-восстановительные реакции без связывания или высвобождения протонов, поэтому в цепи переноса электронов они служат исключительно для переноса электронов через белки. Электроны перемещаются в белках на довольно большие расстояния, перескакивая по цепочкам этих кофакторов. Это происходит за счет квантового туннелирования , которое происходит быстро на расстояниях менее 1,4 × 10–9 м .

Эукариотические цепи переноса электронов

Многие катаболические биохимические процессы, такие как гликолиз , цикл лимонной кислоты и бета-окисление , производят восстановленный кофермент НАДН . Этот кофермент содержит электроны с высоким передаточным потенциалом ; другими словами, они высвобождают большое количество энергии при окислении. Однако клетка не высвобождает всю эту энергию сразу, так как это была бы неконтролируемая реакция. Вместо этого электроны удаляются из НАДН и передаются кислороду через ряд ферментов, каждый из которых высвобождает небольшое количество энергии. Этот набор ферментов, состоящий из комплексов с I по IV, называется цепью переноса электронов и находится во внутренней мембране митохондрии. Сукцинат также окисляется электрон-транспортной цепью, но вступает в этот путь в другом месте.

У эукариот ферменты в этой системе переноса электронов используют энергию, высвобождаемую из О 2 с помощью НАДН, для перекачки протонов через внутреннюю мембрану митохондрии. Это вызывает накопление протонов в межмембранном пространстве и создает электрохимический градиент через мембрану. Энергия, запасенная в этом потенциале, затем используется АТФ-синтазой для производства АТФ. Окислительное фосфорилирование в митохондриях эукариот является наиболее изученным примером этого процесса. Митохондрия присутствует почти у всех эукариот, за исключением анаэробных простейших, таких как Trichomonas vaginalis , которые вместо этого восстанавливают протоны до водорода в остатке митохондрии, называемом гидрогеносомой .

Типичные дыхательные ферменты и субстраты у эукариот.
Дыхательный фермент Редокс-пара Средний потенциал 

(Вольты)

НАДН-дегидрогеназа НАД + / НАДН −0,32
Сукцинатдегидрогеназа FMN или FAD / FMNH 2 или FADH 2 −0,20
Комплекс цитохрома bc 1 Коэнзим Q10 бык / Коэнзим Q10 красный +0,06
Комплекс цитохрома bc 1 Цитохромная коробка / Цитохром b красный +0,12
Комплекс IV Цитохром c ox / Цитохром c красный +0,22
Комплекс IV Цитохром бык / Цитохром красный +0,29
Комплекс IV О 2 / НО - +0,82
Условия: рН = 7

НАДН-коэнзим Q-оксидоредуктаза (комплекс I)

Комплекс I или NADH-Q-оксидоредуктаза . Сокращения обсуждаются в тексте. На всех схемах дыхательных комплексов в этой статье матрикс находится внизу, а межмембранное пространство вверху.

НАДН-коэнзим Q-оксидоредуктаза , также известная как НАДН-дегидрогеназа или комплекс I , является первым белком в цепи переноса электронов. Комплекс I представляет собой гигантский фермент с комплексом I млекопитающих, имеющим 46 субъединиц и молекулярную массу около 1000 килодальтон (кДа). Структура известна в деталях только по бактерии; у большинства организмов комплекс напоминает ботинок с большим «шариком», торчащим из мембраны в митохондрию. Гены, кодирующие отдельные белки, содержатся как в ядре клетки , так и в митохондриальном геноме , как и многие ферменты, присутствующие в митохондриях.

Реакция, катализируемая этим ферментом, представляет собой двухэлектронное окисление НАДН коферментом Q10 или убихиноном (обозначенным буквой Q в приведенном ниже уравнении), жирорастворимым хиноном , который содержится в митохондриальной мембране:

 

 

 

 

( 1 )

Началом реакции, да и всей электронной цепи, является связывание молекулы НАДН с комплексом I и отдача двух электронов. Электроны входят в комплекс I через простетическую группу , присоединенную к комплексу, флавинмононуклеотид (ФМН). Добавление электронов к FMN превращает его в восстановленную форму FMNH 2 . Затем электроны переносятся через серию железо-серных кластеров: второй вид простетической группы, присутствующей в комплексе. В комплексе I присутствуют как железо-серные кластеры [2Fe-2S], так и [4Fe-4S].

Когда электроны проходят через этот комплекс, четыре протона перекачиваются из матрикса в межмембранное пространство. Как именно это происходит, неясно, но, по-видимому, это связано с конформационными изменениями в комплексе I, которые заставляют белок связывать протоны на N-стороне мембраны и высвобождать их на P-стороне мембраны. Наконец, электроны переходят от цепочки железо-серных кластеров к молекуле убихинона в мембране. Восстановление убихинона также способствует созданию протонного градиента, так как два протона поглощаются из матрикса, когда он восстанавливается до убихинола (QH 2 ).

Сукцинат-Q-оксидоредуктаза (комплекс II)

Сукцинат-Q-оксидоредуктаза , также известная как комплекс II или сукцинатдегидрогеназа , является второй точкой входа в цепь переноса электронов. Это необычно, потому что это единственный фермент, который является частью как цикла лимонной кислоты, так и цепи переноса электронов. Комплекс II состоит из четырех белковых субъединиц и содержит связанный кофактор флавинадениндинуклеотида (FAD), железо-серные кластеры и гемовую группу, которая не участвует в переносе электрона на кофермент Q, но считается важной для снижения продукции реактивных виды кислорода. Он окисляет сукцинат до фумарата и восстанавливает убихинон. Поскольку в этой реакции выделяется меньше энергии, чем при окислении НАДН, комплекс II не переносит протоны через мембрану и не вносит вклад в протонный градиент.

 

 

 

 

( 2 )

У некоторых эукариот, таких как паразитический червь Ascaris suum , фермент, сходный с комплексом II, фумаратредуктаза (менахинол:фумаратоксидоредуктаза, или QFR), действует в обратном порядке, окисляя убихинол и восстанавливая фумарат. Это позволяет червю выживать в анаэробной среде толстой кишки , осуществляя анаэробное окислительное фосфорилирование с использованием фумарата в качестве акцептора электронов. Другая нетрадиционная функция комплекса II наблюдается у малярийного паразита Plasmodium falciparum . Здесь обратное действие комплекса II как оксидазы важно для регенерации убихинола, который паразит использует в необычной форме биосинтеза пиримидина .

Флавопротеин-Q-оксидоредуктаза с переносом электронов

Флавопротеин-убихиноноксидоредуктаза с переносом электронов (ETF-Q-оксидоредуктаза), также известная как флавопротеиндегидрогеназа с переносом электронов , является третьей точкой входа в цепь переноса электронов. Это фермент, который принимает электроны от переносящего электроны флавопротеина в митохондриальном матриксе и использует эти электроны для восстановления убихинона. Этот фермент содержит флавин и кластер [4Fe–4S], но, в отличие от других респираторных комплексов, прикрепляется к поверхности мембраны и не пересекает липидный бислой.

 

 

 

 

( 3 )

У млекопитающих этот метаболический путь играет важную роль в бета-окислении жирных кислот и катаболизме аминокислот и холина , поскольку он принимает электроны от нескольких ацетил-КоА- дегидрогеназ. У растений оксидоредуктаза ETF-Q также играет важную роль в метаболических реакциях, которые обеспечивают выживание в длительные периоды темноты.

Q-цитохром с оксидоредуктаза (комплекс III)

Две стадии переноса электрона в комплексе III: Q-цитохром с оксидоредуктаза . После каждого шага Q (в верхней части рисунка) покидает фермент.

Q-цитохром с-оксидоредуктаза также известна как цитохром с-редуктаза , комплекс цитохрома bc 1 или просто комплекс III . У млекопитающих этот фермент представляет собой димер , причем каждый комплекс субъединиц содержит 11 белковых субъединиц, железо-серный кластер [2Fe-2S] и три цитохрома : один цитохром с1 и два цитохрома b . Цитохром — это разновидность белка, переносящего электроны, который содержит по крайней мере одну гемовую группу. Атомы железа внутри гемовых групп комплекса III чередуются между восстановленным двухвалентным (+2) и окисленным трехвалентным (+3) состоянием по мере переноса электронов через белок.

Реакция, катализируемая комплексом III, представляет собой окисление одной молекулы убихинола и восстановление двух молекул цитохрома с , слабо связанного с митохондрией гемового белка. В отличие от кофермента Q, который несет два электрона, цитохром с несет только один электрон.

 

 

 

 

( 4 )

Поскольку только один из электронов может передаваться от донора QH 2 к акцептору цитохрома с за раз, механизм реакции комплекса III более сложен, чем у других дыхательных комплексов, и происходит в две стадии, называемые циклом Q. На первом этапе фермент связывает три субстрата, сначала QH 2 , который затем окисляется, при этом один электрон передается второму субстрату, цитохрому с. Два протона, высвобождаемые из QH 2 , проходят в межмембранное пространство. Третьим субстратом является Q, который принимает второй электрон от QH 2 и восстанавливается до Q .- , свободного радикала убисемихинона . Первые два субстрата высвобождаются, но этот промежуточный убисемихинон остается связанным. На втором этапе вторая молекула QH 2 связывается и снова передает свой первый электрон акцептору цитохрома с. Второй электрон передается связанному убисемихинону, восстанавливая его до QH 2 , поскольку он получает два протона из митохондриального матрикса. Затем этот QH 2 высвобождается из фермента.

Поскольку кофермент Q восстанавливается до убихинола на внутренней стороне мембраны и окисляется до убихинона на другой, происходит чистый перенос протонов через мембрану, увеличивая протонный градиент. Довольно сложный двухступенчатый механизм, посредством которого это происходит, важен, так как увеличивает эффективность переноса протона. Если бы вместо цикла Q одна молекула QH 2 использовалась для непосредственного восстановления двух молекул цитохрома с, эффективность уменьшилась бы вдвое, при этом на каждый цитохром с восстанавливался бы только один переносимый протон.

Цитохром с оксидаза (комплекс IV)

Комплекс IV: цитохром-с-оксидаза .

Цитохром с-оксидаза , также известная как комплекс IV , является конечным белковым комплексом в цепи переноса электронов. Фермент млекопитающих имеет чрезвычайно сложную структуру и содержит 13 субъединиц, две гемовые группы, а также несколько кофакторов ионов металлов — всего три атома меди , один атома магния и один атома цинка .

Этот фермент опосредует конечную реакцию в цепи переноса электронов и переносит электроны на кислород и водород (протоны), перекачивая протоны через мембрану. На этом этапе кислород, являющийся конечным акцептором электронов , восстанавливается до воды. Как прямая накачка протонов, так и потребление матричных протонов при восстановлении кислорода вносят свой вклад в протонный градиент. Катализируемой реакцией является окисление цитохрома с и восстановление кислорода:

 

 

 

 

( 5 )

Альтернативные редуктазы и оксидазы

Многие эукариотические организмы имеют цепи переноса электронов, которые отличаются от хорошо изученных ферментов млекопитающих, описанных выше. Например, у растений есть альтернативные НАДН-оксидазы, которые окисляют НАДН в цитозоле, а не в митохондриальном матриксе, и передают эти электроны в пул убихинонов. Эти ферменты не переносят протоны и, следовательно, восстанавливают убихинон без изменения электрохимического градиента на внутренней мембране.

Другим примером расходящейся цепи переноса электронов является альтернативная оксидаза , которая встречается у растений , а также у некоторых грибов , простейших и, возможно, у некоторых животных. Этот фермент переносит электроны непосредственно от убихинола к кислороду.

Пути транспорта электронов, продуцируемые этими альтернативными NADH и убихиноноксидазами, имеют более низкий выход АТФ , чем полный путь. Преимущества укороченного пути не совсем ясны. Однако альтернативная оксидаза вырабатывается в ответ на такие стрессы, как холод, активные формы кислорода и инфекции патогенами, а также другие факторы, которые ингибируют полную цепь переноса электронов. Таким образом, альтернативные пути могут повышать устойчивость организма к травмам за счет снижения окислительного стресса .

Организация комплексов

Первоначальная модель организации комплексов дыхательной цепи заключалась в том, что они свободно и независимо диффундируют в митохондриальную мембрану. Однако последние данные свидетельствуют о том, что комплексы могут образовывать структуры более высокого порядка, называемые суперкомплексами или « респирасомами ». В этой модели различные комплексы существуют как организованные наборы взаимодействующих ферментов. Эти ассоциации могут позволить субстратам перемещаться между различными комплексами ферментов, увеличивая скорость и эффективность переноса электронов. В таких суперкомплексах млекопитающих некоторые компоненты должны присутствовать в большем количестве, чем другие, при этом некоторые данные предполагают соотношение между комплексами I/II/III/IV и АТФ-синтазой примерно 1:1:3:7:4. Однако споры по поводу этой сверхсложной гипотезы не полностью разрешены, поскольку некоторые данные не соответствуют этой модели.

Прокариотические цепи переноса электронов

В отличие от общего сходства строения и функции электронтранспортных цепей у эукариот, бактерии и археи обладают большим разнообразием ферментов переноса электронов. Они используют столь же широкий набор химических веществ в качестве субстратов. Как и у эукариот, прокариотический транспорт электронов использует энергию, высвобождаемую при окислении субстрата, для прокачки ионов через мембрану и создания электрохимического градиента. У бактерий наиболее подробно изучено окислительное фосфорилирование в Escherichia coli , тогда как архейные системы в настоящее время изучены плохо.

Основное различие между эукариотическим и прокариотическим окислительным фосфорилированием заключается в том, что бактерии и археи используют множество различных веществ для передачи или приема электронов. Это позволяет прокариотам расти в самых разных условиях окружающей среды. В E. coli , например, окислительное фосфорилирование может быть вызвано большим количеством пар восстановителей и окислителей, которые перечислены ниже. Потенциал средней точки химического вещества измеряет, сколько энергии высвобождается при его окислении или восстановлении, при этом восстановители имеют отрицательный потенциал, а окислители - положительный потенциал.

Дыхательные ферменты и субстраты E. coli .
Дыхательный фермент Редокс-пара Средний потенциал 

(Вольты)

Формиатдегидрогеназа Бикарбонат / формиат −0,43
гидрогеназа Протон / водород −0,42
НАДН-дегидрогеназа НАД + / НАДН −0,32
Глицерин-3-фосфатдегидрогеназа ДГАФ / Gly-3-P −0,19
Пируватоксидаза Ацетат + Углекислый газ / Пируват ?
Лактатдегидрогеназа Пируват / лактат −0,19
Дегидрогеназа D -аминокислот 2-оксокислота + аммиак / D - аминокислота ?
Глюкозодегидрогеназа Глюконат / Глюкоза −0,14
Сукцинатдегидрогеназа фумарат / сукцинат +0,03
Убихинолоксидаза Кислород / вода +0,82
Нитратредуктаза Нитрат / Нитрит +0,42
Нитритредуктаза Нитриты / Аммиак +0,36
Диметилсульфоксидредуктаза ДМСО / ДМС +0,16
Триметиламин - N -оксидредуктаза ТМАО / ТМА +0,13
Фумаратредуктаза фумарат / сукцинат +0,03

Как показано выше, E. coli может расти с восстановителями, такими как формиат, водород или лактат, в качестве доноров электронов и нитратами, ДМСО или кислородом в качестве акцепторов. Чем больше разница потенциалов средней точки между окислителем и восстановителем, тем больше энергии высвобождается при их реакции. Из этих соединений пара сукцинат/фумарат является необычной, так как ее средний потенциал близок к нулю. Таким образом, сукцинат может быть окислен до фумарата, если доступен сильный окислитель, такой как кислород, или фумарат может быть восстановлен до сукцината с использованием сильного восстановителя, такого как формиат. Эти альтернативные реакции катализируются сукцинатдегидрогеназой и фумаратредуктазой соответственно.

Некоторые прокариоты используют окислительно-восстановительные пары, которые имеют лишь небольшую разницу в потенциале средней точки. Например, нитрифицирующие бактерии, такие как Nitrobacter , окисляют нитрит до нитрата, отдавая электроны кислороду. Небольшого количества энергии, выделяемой в этой реакции, достаточно для прокачки протонов и образования АТФ, но недостаточно для производства НАДН или НАДФН непосредственно для использования в анаболизме . Эта проблема решается с помощью нитрит-оксидоредуктазы для создания достаточной протон-движущей силы, чтобы запустить часть цепи переноса электронов в обратном направлении, заставляя комплекс I генерировать НАДН.

Прокариоты контролируют использование этих доноров и акцепторов электронов, варьируя вырабатываемые ферменты в зависимости от условий окружающей среды. Такая гибкость возможна, потому что разные оксидазы и редуктазы используют один и тот же пул убихинонов. Это позволяет множеству комбинаций ферментов функционировать вместе, связанных общим промежуточным соединением убихинолом. Таким образом, эти дыхательные цепи имеют модульную конструкцию с легко взаимозаменяемыми наборами ферментных систем.

В дополнение к этому метаболическому разнообразию прокариоты также обладают рядом изоферментов  — различных ферментов, катализирующих одну и ту же реакцию. Например, в E. coli существует два разных типа убихинолоксидазы, использующих кислород в качестве акцептора электронов. В высокоаэробных условиях клетка использует оксидазу с низким сродством к кислороду, которая может транспортировать два протона на электрон. Однако, если уровень кислорода падает, они переключаются на оксидазу, которая переносит только один протон на электрон, но имеет высокое сродство к кислороду.

АТФ-синтаза (комплекс V)

АТФ-синтаза, также называемая комплексом V , является конечным ферментом в пути окислительного фосфорилирования. Этот фермент встречается во всех формах жизни и действует одинаково как у прокариот, так и у эукариот. Фермент использует энергию, хранящуюся в градиенте протонов через мембрану, для запуска синтеза АТФ из АДФ и фосфата (P i ). Оценки количества протонов, необходимых для синтеза одного АТФ, колеблются от трех до четырех, при этом некоторые предполагают, что клетки могут варьировать это соотношение в зависимости от различных условий.

 

 

 

 

( 6 )

Эта реакция фосфорилирования представляет собой равновесие , которое можно сдвинуть, изменяя протондвижущую силу. В отсутствие протонно-движущей силы реакция АТФ-синтазы будет проходить справа налево, гидролизуя АТФ и выталкивая протоны из матрикса через мембрану. Однако, когда протондвижущая сила велика, реакция вынуждена идти в противоположном направлении; он идет слева направо, позволяя протонам течь по градиенту их концентрации и превращая АДФ в АТФ. Действительно, в близкородственных Н+-АТФазах вакуолярного типа реакция гидролиза используется для подкисления клеточных компартментов путем перекачки протонов и гидролиза АТФ.

АТФ-синтаза представляет собой массивный белковый комплекс грибовидной формы. Комплекс ферментов млекопитающих состоит из 16 субъединиц и имеет массу около 600 килодальтон . Часть, встроенная в мембрану, называется FO и содержит кольцо из с-субъединиц и протонный канал. Стебель и головка в форме шара называются F 1 и являются местом синтеза АТФ. Шарообразный комплекс на конце участка F 1 содержит шесть белков двух разных типов (три α-субъединицы и три β-субъединицы), тогда как «стебель» состоит из одного белка: γ-субъединицы с кончиком стебля. расширяющийся в клубок α- и β-субъединиц. И α-, и β-субъединицы связывают нуклеотиды, но только β-субъединицы катализируют реакцию синтеза АТФ. Сбоку от части F 1 и обратно в мембрану тянется длинная палочковидная субъединица, которая закрепляет α- и β-субъединицы в основании фермента.

Когда протоны пересекают мембрану через канал в основании АТФ-синтазы, двигатель, управляемый протонами FO, вращается . Вращение может быть вызвано изменениями в ионизации аминокислот в кольце с-субъединиц, вызывающими электростатические взаимодействия, которые продвигают кольцо с-субъединиц мимо протонного канала. Это вращающееся кольцо, в свою очередь, приводит во вращение центральную ось (стебель γ-субъединицы) внутри α- и β-субъединиц. Субъединицы α и β не могут вращаться благодаря боковому рычагу, который действует как статор . Это движение кончика γ-субъединицы внутри клубка α- и β-субъединиц обеспечивает энергией активные участки β-субъединиц для прохождения цикла движений, который производит, а затем высвобождает АТФ.

Механизм АТФ-синтазы . АТФ показан красным, АДФ и фосфат - розовым, а вращающаяся субъединица γ - черным.

Эта реакция синтеза АТФ называется механизмом изменения связывания и включает в себя активный центр β-субъединицы, который переключается между тремя состояниями. В «открытом» состоянии АДФ и фосфат попадают в активный центр (показан на схеме коричневым цветом). Затем белок замыкается вокруг молекул и слабо связывает их — «рыхлое» состояние (показано красным). Затем фермент снова меняет форму и сталкивает эти молекулы вместе, при этом активный центр в результирующем «плотном» состоянии (показан розовым цветом) связывает вновь продуцируемую молекулу АТФ с очень высоким сродством . Наконец, активный центр возвращается в открытое состояние, высвобождая АТФ и связывая больше АДФ и фосфата, готовый к следующему циклу.

У некоторых бактерий и архей синтез АТФ осуществляется за счет движения ионов натрия через клеточную мембрану, а не движения протонов. Археи, такие как Methanococcus , также содержат А1Ао- синтазу , форму фермента, которая содержит дополнительные белки с небольшим сходством последовательности с субъединицами АТФ-синтазы других бактерий и эукариот. Возможно, что у некоторых видов A 1 A o форма фермента представляет собой специализированную АТФ-синтазу, управляемую натрием, но это может быть не так во всех случаях.

Окислительное фосфорилирование - энергетика

Транспорт электронов от окислительно-восстановительной пары НАД + / НАДН к конечной окислительно-восстановительной паре 1/2 О 2 / Н 2 О можно обобщить как

1/2 О 2 + НАДН + Н + → Н 2 О + НАД +

Разность потенциалов между этими двумя окислительно-восстановительными парами составляет 1,14 вольта, что эквивалентно -52 ккал/моль или -2600 кДж на 6 молей O 2 .

Когда один NADH окисляется через цепь переноса электрона, образуются три АТФ, что эквивалентно 7,3 ккал/моль x 3 = 21,9 ккал/моль.

Сохранение энергии можно рассчитать по следующей формуле

Эффективность = (21,9 х 100%) / 52 = 42%

Таким образом, мы можем заключить, что при окислении НАДН около 42 % энергии сохраняется в виде трех АТФ, а оставшаяся часть (58 %) энергии теряется в виде тепла (если только не была занижена химическая энергия АТФ в физиологических условиях).

Активные формы кислорода

Молекулярный кислород является хорошим терминальным акцептором электронов , поскольку он является сильным окислителем. Восстановление кислорода включает потенциально вредные промежуточные продукты. Хотя перенос четырех электронов и четырех протонов восстанавливает кислород до безвредной воды, перенос одного или двух электронов приводит к образованию супероксидных или пероксидных анионов, которые обладают опасной реакционной способностью.

 

 

 

 

( 7 )

Эти активные формы кислорода и продукты их реакции, такие как гидроксильный радикал, очень вредны для клеток, так как окисляют белки и вызывают мутации в ДНК . Это клеточное повреждение может способствовать заболеванию и предлагается в качестве одной из причин старения .

Комплекс цитохром с-оксидазы очень эффективно восстанавливает кислород до воды и высвобождает очень мало частично восстановленных промежуточных соединений; однако небольшие количества супероксид-аниона и пероксида продуцируются электрон-транспортной цепью. Особенно важно восстановление кофермента Q в комплексе III, так как высокореакционноспособный свободный радикал убисемихинон образуется как промежуточное соединение в цикле Q. Этот нестабильный вид может привести к «утечке» электронов, когда электроны переходят непосредственно к кислороду, образуя супероксид. Поскольку производство активных форм кислорода этими комплексами протонной перекачки является максимальным при высоких мембранных потенциалах, было высказано предположение, что митохондрии регулируют свою активность, чтобы поддерживать мембранный потенциал в узком диапазоне, который уравновешивает производство АТФ против образования оксидантов. Например, окислители могут активировать разобщающие белки , которые снижают мембранный потенциал.

Чтобы противодействовать этим активным формам кислорода, клетки содержат многочисленные антиоксидантные системы, включая витамины -антиоксиданты , такие как витамин С и витамин Е , и антиоксидантные ферменты, такие как супероксиддисмутаза , каталаза и пероксидазы , которые детоксифицируют реактивные формы, ограничивая повреждение клетки.

Окислительное фосфорилирование в условиях гипоксии

Поскольку кислород необходим для окислительного фосфорилирования, дефицит уровня О 2 , вероятно, изменяет скорость образования АТФ. Однако протонная движущая сила и продукция АТФ могут поддерживаться за счет внутриклеточного ацидоза. Цитозольные протоны, которые накапливаются при гидролизе АТФ и лактоацидозе , могут свободно диффундировать через внешнюю мембрану митохондрий и закислять межмембранное пространство, таким образом, непосредственно способствуя протонной движущей силе и продукции АТФ.

Ингибиторы

Есть несколько хорошо известных препаратов и токсинов , ингибирующих окислительное фосфорилирование. Хотя любой из этих токсинов ингибирует только один фермент в цепи переноса электронов, ингибирование любого этапа этого процесса остановит остальную часть процесса. Например, если олигомицин ингибирует АТФ-синтазу, протоны не могут вернуться в митохондрию. В результате протонные насосы не могут работать, так как градиент становится слишком сильным для их преодоления. Затем НАДН больше не окисляется, и цикл лимонной кислоты прекращается, потому что концентрация НАД + падает ниже концентрации, которую могут использовать эти ферменты.

Многие сайт-специфические ингибиторы цепи переноса электронов внесли свой вклад в современные знания о митохондриальном дыхании. Синтез АТФ также зависит от цепи переноса электронов, поэтому все сайт-специфические ингибиторы также ингибируют образование АТФ. Рыбий яд ротенон , барбитуратный препарат амитал и антибиотик пиерицидин А ингибируют НАДН и кофермент Q.

Угарный газ, цианид, сероводород и азид эффективно ингибируют цитохромоксидазу. Окись углерода реагирует с восстановленной формой цитохрома, а цианид и азид реагируют с окисленной формой. Антибиотик антимицин А и британский антилюизит , противоядие, используемое против химического оружия, являются двумя важными ингибиторами участка между цитохромом В и С1.

Соединения Использовать Место действия Влияние на окислительное фосфорилирование
Цианид
Монооксид углерода
Азид
Сероводород
Яды Комплекс IV Ингибируют транспортную цепь электронов, связываясь сильнее, чем кислород, с центром Fe - Cu в цитохром-с-оксидазе, предотвращая восстановление кислорода.
Олигомицин Антибиотик Комплекс В Ингибирует АТФ-синтазу, блокируя поток протонов через субъединицу F o .
CCCP
2,4-динитрофенол
Яды, потеря веса Внутренняя мембрана Ионофоры , которые нарушают протонный градиент, перенося протоны через мембрану. Этот ионофор отделяет протонную перекачку от синтеза АТФ, потому что он переносит протоны через внутреннюю митохондриальную мембрану.
Ротенон пестицид Комплекс I Предотвращает перенос электронов от комплекса I к убихинону, блокируя сайт связывания убихинона.
Малонат и оксалоацетат Яды Комплекс II Конкурентные ингибиторы сукцинатдегидрогеназы (комплекс II).
Антимицин А Писцид Комплекс III Связывается с сайтом Qi цитохром-с-редуктазы , ингибируя тем самым окисление убихинола .

Не все ингибиторы окислительного фосфорилирования являются токсинами. В бурой жировой ткани регулируемые протонные каналы, называемые разобщающими белками, могут отделять дыхание от синтеза АТФ. Это быстрое дыхание производит тепло и особенно важно как способ поддержания температуры тела для спящих животных, хотя эти белки могут также иметь более общую функцию в реакциях клеток на стресс.

История

Область окислительного фосфорилирования началась с доклада Артура Хардена в 1906 году о жизненно важной роли фосфата в клеточном брожении , но первоначально было известно, что в нем участвуют только сахарофосфаты . Однако в начале 1940-х годов связь между окислением сахаров и образованием АТФ была твердо установлена ​​Германом Калькаром , подтвердив центральную роль АТФ в переносе энергии, что было предложено Фрицем Альбертом Липманном в 1941 году. Позже, в 1949 году , Моррис Фридкин и Альберт Л. Ленингер доказали, что кофермент НАДН связан с такими метаболическими путями, как цикл лимонной кислоты и синтез АТФ. Термин окислительное фосфорилирование был введен Владимиром Белицером  [ uk ] в 1939 году.

Еще двадцать лет механизм образования АТФ оставался загадкой, пока ученые искали неуловимое «высокоэнергетическое промежуточное соединение», которое могло бы связать реакции окисления и фосфорилирования. Эта загадка была решена Питером Д. Митчеллом с публикацией хемиосмотической теории в 1961 году. Сначала это предложение было весьма спорным, но постепенно оно было принято, и Митчелл был удостоен Нобелевской премии в 1978 году. Последующие исследования были сосредоточены на очистке и характеристике задействованные ферменты, при этом основной вклад внесли Дэвид Э. Грин в комплексы цепи переноса электронов, а также Эфраим Рэкер в АТФ-синтазу. Решающий шаг к разгадке механизма АТФ-синтазы был сделан Полом Д. Бойером , когда он разработал в 1973 году механизм «изменения связывания», за которым последовало его радикальное предложение вращательного катализа в 1982 году. Более поздние работы включали структурные исследования . Джона Э. Уокера о ферментах, участвующих в окислительном фосфорилировании , а Уокер и Бойер были удостоены Нобелевской премии в 1997 году.

Смотрите также

Заметки

использованная литература

дальнейшее чтение

Вводный

  • Нельсон Д.Л., Кокс М.М. (2004). Принципы биохимии Ленинджера (4-е изд.). У.Х. Фримен. ISBN 0-7167-4339-6.
  • Шнайдер ЭД, Саган Д. (2006). В прохладу: поток энергии, термодинамика и жизнь (1-е изд.). Издательство Чикагского университета. ISBN 0-226-73937-6.
  • Лейн Н (2006). Власть, секс, самоубийство: митохондрии и смысл жизни (1-е изд.). Издательство Оксфордского университета, США. ISBN 0-19-920564-7.

Передовой

  • Николлс Д.Г., Фергюсон С.Дж. (2002). Биоэнергетика 3 (1-е изд.). Академическая пресса. ISBN 0-12-518121-3.
  • Хейни Д. (2001). Биологическая термодинамика (1-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-79549-4.
  • Раджан С.С. (2003). Введение в биоэнергетику (1-е изд.). Анмол. ISBN 81-261-1364-2.
  • Викстром М., изд. (2005). Биофизические и структурные аспекты биоэнергетики (1-е изд.). Королевское химическое общество. ISBN 0-85404-346-2.

Общие ресурсы

Структурные ресурсы