5.4: Окислювальне фосфорилювання

Окислювальне фосфорилювання позначає фосфорилювання АДФ в АТФ, використовуючи енергію послідовних електронних транспортів (звідси і «окислювальний»). Основна концепція полягає в тому, що окислення NADH, будучи високоексергонічним, може генерувати енергію, необхідну для фосфорилату АДФ. Оскільки окислення NADH киснем потенційно може виділяти 52 ккал/моль (218 кДж/моль), а енергія, необхідна для фосфорилювання АТФ, становить приблизно 7,5 ккал/моль (30,5 кДж/моль), ми повинні бути в змозі очікувати утворення декількох АТФ на окислений NADH. Дійсно, це те, що відбувається, хоча і не безпосередньо. Як зазначалося при розпаді глюкози, одноетапне окислення генерує занадто багато енергії для обробки клітинних процесів, і більшість буде витрачено даремно. Таким чином, замість того, щоб окислювати NADH безпосередньо з O ₂, електрони переносяться на ряд поступово носіїв нижчої енергії, поки остаточно не досягнуть кисню. Ця послідовність є ланцюгом транспортування електронів.

Малюнок\(\PageIndex{6}\). Первинний шлях транспорту електронів в мітохондріях. Показані комплекси I, III і IV. Комплекс II зображений на рис\(\PageIndex{10}\). Всі комплекси поховані у внутрішню мембрану мітохондрій. Протони перекачуються з матриці в міжмембранний простір, використовуючи енергію, вилучену з електронів високої енергії, коли вони рухаються від носія вищої енергії до носія нижчої енергії.

Ланцюг транспорту електронів заснований на активності чотирьох основних ферментних комплексів (зручно називаються комплексами I-IV), вбудованих у внутрішню мембрану мітохондрій, разом з деякими дрібними легкорозсіяними носіями електронів для переміщення електронів з одного комплексу в інший. Ці комплекси присутні в надзвичайно великих кількостях, як і личить їх необхідності у виробленні енергії, що становить майже 75% маси внутрішньої мембрани (для порівняння, плазматична мембрана середньої еукаріотичної клітини має концентрацію білка ближче до 50%). Огляд процесу показаний на малюнку\(\PageIndex{6}\): як зазначалося раніше, електрони позбавляються від НАДГ, і в кінцевому підсумку потрапляють на кисень. У міру переміщення електронів до носіїв нижчої енергії енергія виділяється і використовується для перекачування протонів з мітохондріальної матриці в міжмембранний простір.

Малюнок\(\PageIndex{7}\). Хоча розмір комплексу I дещо змінюється у різних видів, груба Г-подібна тривимірна конформація є постійною. ФМН розташовується в більшій частині комплексу, в той час як місце стикування убихинона - в короткій гілці. На малюнку вище, на якому зображені два аспекти (повернуті на 90°) комплексу NADH дегідрогенази, FMN показаний сірим та червоним кольором, а центри Fe-S показані помаранчевим та жовтим кольором. Рисунок був сформований на основі даних в банку даних білка RCSB.

Комплекс I являє собою NADHдегідрогеназу. Показано жовтим кольором на малюнку\(\PageIndex{6}\), його метою є видалення пари електронів з NADH і перенесення їх на убихінон (коензим Q або CoQ), невеликий гідрофобний носій електронів, який потім може переносити електрони до комплексу III. Це багатоступінчастий процес, який передбачає спочатку перенесення електронів на асоційовану молекулу флавінового мононуклеотиду (FMN), яка потім передає електрони набору залізо-сірчаних фрагментів, з'єднаних з самим ферментним комплексом (структура на малюнку\(\PageIndex{7}\)). Нарешті, електрони переміщаються на убихінон. Коли ці передачі відбуваються, енергія, яка виділяється під час цих передач, забезпечує накачування 4 H+іонів через внутрішню мембрану мітохондрій. Комплекс I пригнічується ротеноном, пестицидом, що використовується в основному проти комах та взуття.

Ми візьмемо ментальний перехід на комплекс II на даний момент і вдарив його в кінці цього переклички. Причини будуть очевидні тоді.

Комплекс III також відомий як комплекс цитохрому bc ₁ (рис.\(\PageIndex{6}\), фіолетовий). Метою цього комплексу є передача електронів з убихінону на цитохром с, тут важливо застосування убихінону, оскільки він стабільний або з двома, або лише одним, зайвим електроном. Цитохром с, навпаки, може нести тільки один електрон. Таким чином, цей комплекс стикує убихінон і утримує його до тих пір, поки він не передасть свій перший електрон на цитохом с, який потім переходить на комплекс IV, а потім другий електрон на інший цитохром c При кожному перенесенні через мембрану перекачується два протони.

Нарешті, цитохром c скидає електрон до комплексу IV, цитохром с оксидази (рис.\(\PageIndex{6}\), червоний). Цитохром с оксидаза виконує завершальний етап: перенесення електронів на атоми кисню, щоб зробити воду. Дійсно цікава річ у цьому процесі полягає в тому, що фермент повинен утримуватися на електрони, коли вони передаються по одному з цитохрому c, поки він не утримує чотири електрони. Потім він може переносити по одній парі до кожного з атомів кисню в молекулярному кисні (O ₂). Це дуже важливо зробити, оскільки передача менше всіх чотирьох електронів призведе до створення активних форм кисню (ROS), які можуть спричинити пошкодження ферментів та мембран мітохондрій.

Насправді деякі добре відомі отрути діють саме в цей момент. Як ціанід, так і окис вуглецю можуть зв'язуватися з більшою спорідненістю, ніж кисень при гемі в комплексі IV. Оскільки жоден не може приймати електрони, ефект так само, як ніби не було доступного кисню.

Хоча цитохром с оксидаза іноді скорочується ЦОГ, він не є мішенню інгібіторів ЦОГ-2, які використовуються фармацевтично для лікування болю, наприклад Bextra, Celebrex або Vioxx. Це стосується сімейства ферментів, відомих як циклооксигенази.

Кисень абсолютно необхідний. Якщо кисень недоступний, немає куди переносити електрони, і дуже швидко ланцюг транспорту електронів зупиняється і носії, такі як цитохром c і CoQ, не можуть вивільнити свої електрони і в кінцевому підсумку немає більше доступних носіїв. Аналогічно, коли це відбувається, NAD ⁺ не регенерується, тому цикл TCA також застряг. Це залишає лише анаеробний некисневий цикл гліколізу- бродіння для генерації АТФ.

Тепер повернемося до комплексу II (див. Рис.\(\PageIndex{10}\)). Ми згадували комплекс II як сукцинатдегідрогеназу при обговоренні циклу TCA. Він також бере участь у ланцюзі транспорту електронів, передаючи електрони убихінону. Однак замість того, щоб переносити електрони, що виникли з NADH, як і інші три комплекси ланцюга транспорту електронів, електрони походять від ковалентно пов'язаного електронного носія FADH2 (флавін аденін-динуклеотид), який отримав електрони з сукцинату, як описано в циклі TCA розділ. Після того, як електрони були передані убихінону, він переходить до комплексу III, щоб скинути ці електрони до цитохрому c, а решта ланцюга транспорту електронів продовжується. FAD, окислена форма FADH2, потім готова до участі в наступному окислювально-відновному циклі.

Призначенням цього ланцюга транспорту електронів, щодо генерації АТФ, є накачування Н+ з мітохондріальної матриці в міжмембранозний простір. Оскільки концентрація протонів вище в міжмембранному просторі, знадобиться енергія, щоб перемістити їх проти градієнта концентрації, де наші високоенергетичні електрони потрапляють на картину. Коли вони рухаються від одного носія до іншого, вони переходять від вищого до більш низького енергетичного стану. Це означає, що деяка енергія втрачається від електрона, а частина цієї енергії прослуховується ферментами ланцюга транспорту електронів для переміщення протонів з матриці в міжмембранний простір.

Малюнок\(\PageIndex{10}\). Катаболічні реакції мітохондрій.

Існує два методи, за допомогою яких протони переміщуються: окислювально-відновна петля і протонний насос. Протонний насос, який є методом, за допомогою якого комплекс IV переміщує протони, легше зрозуміти: Н ⁺ зв'язується на матричній стороні ферменту в відновленому стані (після того, як він отримав електрон), а при повторному окисленні відбувається конформаційний зсув, щоб відкрити фермент аж до міжмембрани збоку, а Н ⁺ відпускається. Окислювально-відновна петля, яка виникає в комплексі I, а в комплексі III у варіації, яка називається циклом Q, по суті стверджує, що початковий окислювально-відновний центр вимагає зв'язування як електрона високої енергії, так і протона з матричної сторони мембрани. Коли електрон переноситься в наступний окислювально-відновний центр в ланцюжку, в міжмембранний простір виділяється протон.

Яким би не був механізм, який сенс всієї цієї протонної накачування? Як ви можете підозрювати, використання енергії для перекачування іона проти його градієнта концентрації не робиться для задоволення від цього. Швидше, це генерує значну потенційну енергію через внутрішню мембрану мітохондрій. І, буває так, що існує фермент, який може перетворити цю енергію в фізіологічно корисну хімічну форму АТФ. Цей фермент, що не дивно, названий АТФ-синтазою (рис.\(\PageIndex{8}\)). Він також згадується в деяких текстах як F1F0-АТФаза, заснована на його зворотній активності (за рахунок АТФ він може перекачувати протони), і той факт, що він може бути розбитий на дві основні функціональні одиниці: F1, який може гідролізувати, але не синтезувати АТФ і є розчинним білком, і F0, який є нерозчинним трансмембранний білок.

Малюнок\(\PageIndex{8}\). АТФ-синтаза. Коли протони проходять через АТФ-синтазу, вони виділяють енергію, переходячи від високої концентрації до низької. Ця енергія приводить в рух обертальний рух вала і генерацію АТФ.

АТФ-синтаза є надзвичайним прикладом ферменту, який перетворює енергію, властиву градієнту концентрації через мембрану, в механічну енергію і, нарешті, в енергію хімічного зв'язку. Його описово називають «роторним двигуном», оскільки сама узагальнена послідовність подій така: протони опускаються вниз своїм градієнтом через протонний канал субодиниці АТФ-синтази, при зниженні градієнта енергія виділяється, ця енергія викликає обертання багатосубодиниці «колесоподібної» субодиниці. прикріплений до шпинделя/осі (г субодиниці), який також обертається. Спінінг цього асиметрично сформованого шпиндельного блоку викликає конформаційні зміни в каталітичній субодиниці (виготовленої з субодиниць a і b), до якої він приєднується, змінюючи сайт зв'язування ADP+PI на каталітичний сайт, який може «стиснути» молекули разом в АТФ, а потім, нарешті, відкрити, щоб звільнити АТФ ( Малюнок\(\PageIndex{9}\)).

Малюнок\(\PageIndex{9}\). Обертання головки синтази АТФ. Обертовий шпиндель спричиняє асиметричні зміни форми трьох потенційних місць зв'язування, циклюючи їх через вільну (L) конформацію, яка пов'язує ADP та P _i, щільну (T) конформацію, яка буквально стискає дві підкладки разом в АТФ, і відкрита (O) конформація, що дозволяє АТП.

Звичайно, це не зовсім так просто (Рисунок\(\PageIndex{8}\)). Починаючи з початкового руху про- тонн, у міру просування з міжмембранного простору в АТФ-синтазу, вони потрапляють в невеликий гідрофільний канал (а) і потім зв'язуються на одній з c-субодиниць «водяного колеса» c-кільця. Зв'язування H ⁺ з c-субодиницею призводить до того, що вона втрачає спорідненість до a- субодиниці, дозволяючи їй обертатися, і одночасно викликає конформаційну зміну, яка по суті штовхає проти а-субодиниці, ініціюючи рух. Після того, як він обернувся майже повним поворотом, H ⁺ позиціонується іншим каналом (b), який направляє його з c-субодиниці в матрицю. Структура с-субодиниці з'єднана з асиметричним шпинделем, який сам з'єднаний з каталітичними субодиницями.