Окислительное фосфорилирование

Механизм транспорта электронов по ЭТЦ дыхания следующий. На внутренней стороне мембраны, обращенной к матриксу, два электрона и два протона от НАД-Н поступают на ФМН комплекса I.

Электроны передаются на FeS-центры. Пара электронов от FeS-центров захватывается двумя молекулами окисленного убихиноа, которые принимают два иона Н⁺, образуя семихиноны (2QН^•) и диффундируя к комплексу III. На эти семихиноны поступает еще пара электронов от цитохрома b₅₆₀ комплекса III, что делает возможной реакцию семихинонов с еще двумя протонами из матрикса с образованием 2QН₂. Полностью восстановленный убихинон (убихинол) отдает два электрона цитохрому b₅₅₆ и два электрона FeS_R – цитохрому с₁. В результате высвобождаются четыре иона Н⁺, выходящие в межмембранное пространство митохондрии. Окисленные молекулы убихинона вновь диффундируют к комплексу I и готовы принимать от него (или комплекса II) новые электроны и протоны. Таким образом, цитохромы b служат донорами двух электронов для переноса двух дополнительных протонов через липидную фазу мембраны на каждые два электрона, поступающие из комплекса I.

Водорастворимый цитохром с на наружной стороне мембраны, получив два электрона от FeS_R – цитохрома с₁, передает их на цитохром a – Cu_A комплекса IV. Цитохром а3 – Cu_B, связывая кислород, переносит на него эти электроны, в результате чего с участием двух протонов образуется вода. Цитохромоксидазный комплекс способен также переносить ионы Н⁺ через митохондриальную мембрану.

Таким образом, из матрикса митохондрии при транспорте каждой пары электронов от НАД-Н к ½ О₂ в трех участках ЭТЦ (комплексы I, III, IV) через мембрану наружу переносится по крайней мере шесть протонов. Именно в этих трех участках окислительные процессы в ЭТЦ сопрягаются с синтезом АТФ. Передача двух электронов от сукцината на убихинон в комплексе II не сопровождается трансмембранным переносом протонов. Это приводит к тому, что при использовании сукцината в качестве субстрата дыхания в эТЦ остается тольо два участка, где функционирует протонная помпа.

Особенность растительных митохондрий, отличающей их от митохонрий животных, является способность окислять эндогенный НАД-Н, т.е. НАД-Н, поступающий из цитоплазмы. Это окисление осуществляется по крайней мере двумя флавиновыми НАД-Н-дегидрогеназами, из которых одна локализована на наружной стороне внутренней мембраны митохондрий, а другая - в их наружной мембране. Первая из них передает электроны в ЭТЦ митохондрий на убихинон, а вторая – на цитохром с.

Другое отличие растительных митохондрий состоит в наличии альтернативного пути переноса электронов от убихинона к кислороду.

На каждую молекулу НАД-Н, передающую свои электроны в ЭТЦ, синтезируются три молекулы АТФ, а на каждую молекулу ФАДН₂ - две. Процесс фосфорилирования АДФ с образованием АТФ, сопряженный с транспортом электронов от дыхательного субстрата к О₂, получил название окислительного фосфорилиро­вания. Этот процесс является основным источником энергии АТФ в клетке в нормальных физиологических условиях, требую­щим достаточно сложной структуры как ЭТЦ дыхания, так и самих митохондрий. Нарушение в любой точке цепи переноса электронов при стрессе полностью блокирует транспорт электро­нов. Так, дыхательные яды (цианид, окись углерода) могут со­единиться с железом цитохромов, вследствие чего Fe³⁺ не пере­ходит в Fe²⁺. В этом случае функция энергообеспечения клетки переходит к гликолизу как к более надежному и филогенетичес­ки относительно старому механизму и к окислительному пентозофосфатному циклу, который не блокируется при обработке динитрофенолом. Не случайно активность ПФП заметно возрас­тает при дефиците питания, влаги, света, а также при старении.

Окислительное фосфорилирование. Главной особенностью внут­ренней мембраны митохондрий является присутствие в ней бел­ков - переносчиков электронов. Эта мембрана непроницаема для ионов водорода, поэтому перенос последних через мембрану осу­ществляется с помощью специфических переносчиков. Так, напри­мер, в мембране локализована система цитохромоксидазы, вклю­чающая цитохром с, локализованный вблизи внешней поверхности мембраны, цитохром а, расположенный в центре мембранного матрикса, и цитохром а₃, примыкающий к ее внутренней поверхности.

По мнению П. Митчелла, именно особенности структу­ры внутренней мембраны, локализации в ней переносчиков и функционирования ферментных белков обеспечивают разделе­ние зарядов атома водорода: протонов на внешней, а электро­нов - на внутренней поверхности мембраны. Вследст­вие этого на внутренней митохондриальной мембране возникает протонный градиент DmН, поддерживаемый непроницаемостью мембраны для протонов. Большая его часть приходится на гра­диент электрического заряда (DY), меньшая - на градиент кон­центрации (DрН). Если же применять ядовитые вещества, обра­зующие протонные каналы через мембрану, то происходит «утеч­ка» ионов водорода, и протонный градиент исчезает.

В мембране имеются три петли, организованные белками - переносчиками электронов, «прошивающими» мембрану на­сквозь при переносе электронов от НАД-Н на кислород. В результате этого электроны трижды выносятся на внутреннюю поверхность, а протоны остаются снаружи, что и создает между сторонами мем­браны протонный градиент DmН. При этом с внутренней сторо­ны митохондриальная мембрана оказывается более щелочной, а с наружной - более кислой.

Кроме этой в мембране имеются еще несколько систем, гене­рирующих мембранный потенциал. Например, АТФ-аза создает на мембране DmН за счет гидролиза макроэргической связи АТФ и активного переноса протона на внешнюю поверхность мембра­ны. Энергетическая емкость сопрягающих мембран невелика, что не дает возможности запасать большое количество энергии в форме DmН. Поэтому последняя превращается в более стабильную и универсальную химическую форму макроэргических свя­зей в молекулах АТФ в ходе окислительного фосфорилирования. Суть его заключается в образовании молекулы АТФ из АДФ и неорганического фосфата Рн. Суммарный заряд молекулы АДФ равен -6, а продукта реакции АТФ -4. Поэтому превращение АДФ в АТФ требует двух положительных зарядов:

АДФ^-6 + Рн + 2Н⁺ ® АТФ^-4 + Н₂О.

Эти два протона переносятся по каналам, имеющимся в грибовидных выростах с внешней поверхности мембраны, за счет DmН, в результате чего с помощью встроенной в мембрану АТФ-синтетазы образуется АТФ. Поскольку движение прото­нов, АДФ и Рн через мембрану происходит по градиенту концентрации (осмотически), теория окислительного фосфорили­рования получила название хемиосмотической. АТФ - молекула, богатая энергией, поскольку ее трифосфатный компонент со­держит две фосфоангидридные связи. Образующаяся при гид­ролизе молекулы АТФ энергия может быть использована на синтез веществ, активный транспорт против электрического градиента, всякого рода движения, сократительную деятельность белков, генерацию заряда на мембране, биохемилюминесценцию. АТФ является главным донором свободной энергии в растении, а не формой ее запасания. АТФ в клетке исполь­зуется в течение минуты после ее образования, т.е. оборот АТФ очень высок.

Альтернативный путь дыхания. Наряду с широко распростра­ненным цитохромным путем переноса электронов по ЭТЦ в растениях может функционировать альтернативный, устойчивый к действию цианида транспорт электронов. В этом случае поток электронов может обходить комплексы III и IV переносчиков ЭТЦ, где транспорт электронов сопряжен с активным транспор­том протонов и фосфорилированием. В результате отношение Р:О и, следовательно, эффективность дыхания значительно сни­жаются. Альтернативный путь дыхания характерен практически для всех видов растений. Доля этого пути в общем поглощении О₂ может доходить до 50 %, причем она выше в корнях, чем в листьях. Физиологическая роль этого пути не вполне ясна.

По мнению Г. Ламберса, альтернативный путь служит в качестве «клапана» сброса избытка энергии в растении, особенно для тех органов, куда поступают ассимиляты с высоким отноше­нием C:N и где невозможно хранение избыточных количеств углеводов, например, в корнях. Так, в молодых корнях моркови и сахарной свеклы вклад альтернативного пути в общее дыхание составил 50 %, а в зрелых корнеплодах - лишь 25 %. Альтерна­тивный путь может также способствовать окислению НАД-Н при высоком содержании АТФ, обеспечивая таким образом быстрое функционирование гликолиза и ЦТК в отсутствие ингибирования избытком НАД-Н. Альтернативный путь действует тогда, когда предложение ассимилятов превышает спрос и скорость переноса электронов на убихинон превосходит способность цитохромного пути транспорта электронов или последний насы­щен.

Однако оценить вклад альтернативного пути в общее дыхание достаточно сложно, поскольку установлены факты переключения переноса электронов с альтернативного на цитохромный путь и обратно. Механизмы, регулирующие переключение, пока не вы­явлены. Задача усложняется тем, что вклад альтернативного пути в значительной мере определяется условиями выращивания культур.