Основное содержание
Course: Биология > Модуль 9
Урок 5: Окислительное фосфорилированиеОкислительное фосфорилирование
Обзор окислительного фосфорилирования. В результате работы цепи переноса электронов на внутренней мембране митохондрии образуется протонный градиент, который способствует синтезу АТФ в процессе хемиосмоса.
Зачем нам нужен кислород?
Нам, как и многим другим организмам, для жизни необходим кислород. Как вы наверняка знаете, если когда-нибудь пытались задержать дыхание, недостаток кислорода быстро приведёт к головокружению, затем — к обмороку, а долгое отсутствие кислорода может даже стать причиной смерти. Но задумывались ли вы когда-нибудь, для чего конкретно нашему организму требуется кислород?
Как выясняется, причина, по которой вам нужен кислород, заключается в том, что ваши клетки используют эту молекулу для окислительного фосфорилирования, заключительной стадии клеточного дыхания. Окислительное фосфолирирование состоит из двух тесно связанных составляющих: электрон-транспортной цепи и хемиосмоса. В электрон-транспортной цепи электроны передаются от одной молекулы к другой, а выделившаяся при этом энергия используется для создания электрохимического градиента. Механизм хемиосмоса использует энергию градиента для синтеза АТФ.
Так где же на этой схеме кислород? Он находится в самом конце электрон-транспортной цепи, где принимает электроны и забирает протоны, образуя воду. Если кислорода для получения электронов не хватает (например, потому, что человек на время перестал дышать), электрон-транспортная цепь останавливается, и АТФ перестает синтезироваться из-за отсутствия воздействия хемиосмоса. Без АТФ в клетках перестают протекать жизненно важные реакции, и если такая ситуация продлится достаточно долго, клетки начинают умирать.
В этой статье мы подробно рассмотрим окислительное фосфорилирование, чтобы увидеть, как в результате него преобразуется основная часть химической энергии (АТФ), используемой клетками вашего тела.
Обзор окислительного фосфорилирования
Электрон-транспортная цепь (или цепь переноса электронов) - это система белков и органических молекул на внутренней мембране митохондрии. Электроны в результате ряда окислительно-восстановительных реакций переходят от одного элемента электрон-транспортной цепи к другому. В этих реакциях высвобождается энергия, которая используется для создания протонного градиента, а он в свою очередь приводит к синтезу АТФ в процессе под названием хемиосмосВместе электрон-транспортная цепь и хемиосмос участвуют в одном объединяющем их процессе — окислительном фосфорилировании. Ключевые этапы этого процесса, показанные в упрощенной форме на диаграмме выше, включают в себя:
- Доставка электронов при помощи НАДH и ФАДH
. Восстановленные переносчики электронов (НАДH и ФАДH ), образовавшиеся на предыдущих этапах дыхания, доставляют переносят электроны к молекулам в самое начало электрон-транспортной цепи. В процессе они превращаются обратно в НАД и ФАД, которые могут быть снова использованы на других этапах клеточного дыхания. - Перенос электронов и образование протонного градиента. По мере прохода электронов по электрон-транспортной цепи, они переходят с более высокого энергетического уровня на более низкий с высвобождением энергии. Часть этой энергии используется для перемещения ионов H
(протонов) из матрикса митохондрии в её межмембранное пространство, в результате образуется электрохимический градиент. - Расщепление молекулы кислорода с образованием воды. В конце электрон-транспортной цепи электроны переносятся на молекулу кислорода, которая расщепляется и, получив ионы Н+ (протоны), образует воду.
- Синтез АТФ под действием градиента. Ионы H
под действием силы градиента переходят обратно в матрикс, и проходят через ферментный комплекс АТФ-синтазу, который использует поток протонов для синтеза АТФ.
Мы рассмотрим более подробно цепь переноса электронов и хемиосмос в следующих разделах.
Электрон-транспортная цепь
Электрон-транспортная цепь — представляет собой совокупность встроенных в мембрану белков и органических молекул, основная часть которых сгруппирована в четыре больших комплекса, обозначенных цифрами от I до IV. У эукариот многие копии этих молекул находятся в матрице митохондрий. У прокариот компоненты цепи переноса электронов находятся в плазматической мембране.
По мере продвижения электронов по цепи они понижают свой энергетический уровень, перемещаясь от молекул, у которых способность притягивать электроны меньше, к молекулам, у которых эта способность выше. Во время таких нисходящих переходов часть белковых комплексов используют высвободившуюся энергию для переноса протонов из митохондриального матрикса в межмембранное пространство, образуя протонный градиент.
Все электроны, поступающие в электрон-транспортную цепь, доставляются в неё молекулами НАДH и ФАДH , образовавшимися на более ранних этапах клеточного дыхания: гликолиза, окисление пирувата и цикла трикарбоновых кислот.
- НАДH хороший донор электронов в окислительно-восстановительных реакциях (то есть его электроны находятся на высоком энергетическом уровне). Поэтому его электроны поступают сразу в комплекс I, после чего молекула превращается в НАД
. По мере движения электронов по комплексу I, высвобождается энергия, которая используется для переноса протонов из матрикса в межмембранное пространство. - ФАДH
отдаёт электроны менее охотно по сравнению с НАДH, то есть его электроны находятся на более низком энергетическом уровне. Поэтому он не может перенести свои электроны сразу в комплекс I. Вместо этого он передает их в транспортную цепь через комплекс II, который не участвует в переносе протонов сквозь мембрану.
Из-за этого «обхода» каждая молекула ФАДH участвует в переносе меньшего количества протонов (и вносит меньший вклад в протонный градиент), чем НАДH.
За исключением первых двух комплексов молекулы НАДH и ФАДH проходят один и тот же маршрут. Оба комплекса, как I, так и II, передают электроны небольшой молекуле-переносчику под названием убихинон (также называемый кофермент Q), который восстанавливается до QH , который затем проходит сквозь мембрану, доставляя электроны к к комплексу III. По мере передвижения электронов сквозь комплекс III, в тоже время сквозь мембрану переносится ещё некоторое количество ионов H , а сами электроны в конце концов переходят на переносчик под названием цитрохром C (CYTC). Цитрохром C переносит электроны на комплекс IV, где сквозь мембрану переносятся оставшиеся протоны H . Комплекс IV передаёт электроны молекуле O , которая распадается на два атома кислорода и принимает протоны из матрикса с образованием воды. Для восстановления каждой молекулы O требуются четыре электрона, в результате чего образуются две молекулы воды.
Итак, какую роль играет в клетке электрон-транспортная цепь? У неё есть две основные функции.
- Восстановление переносчиков электронов. НАДH и ФАДH
, отдавая электроны в электрон-транспортную цепь, превращаясь обратно в НАД и ФАД. Это важно, поскольку окисленная форма этих переносчиков электронов используется в гликолизе и цикле трикарбоновых кислот, и их наличие необходимо для дальнейшего протекания процесса. - Создание протонного градиента. Транспортная цепь создаёт протонный градиент на внутренней мембране митохондрии: в межмембранном пространстве концентрация протонов повышается, а в матриксе — понижается. Этот градиент накапливает высвободившуюся энергию и, как мы увидим дальше, используется для синтеза АТФ.
Хемиосмос
Комплексы I, III и IV электрон-транспортной цепи можно назвать «протонными помпами». По мере прохождения по ним электронов они используют высвобождающуюся энергию для переноса ионов H из матрикса в межмембранное пространство. Благодаря этому на внутренней мембране митохондрии образуется электрохимический градиент. Этот градиент иногда называют протон-движущей силой, он хранит потенциальную энергию подобно батарейке.
Как и многие другие ионы, протоны не могут пройти сквозь фосфолипидный бислой мембраны, потому что их ядро слишком гидрофобно. Вместо этого ионы H перемещаются вниз по градиенту концентрации только с помощью специальных туннельных белков, образующих своеобразные каналы в мембране митохондрии.
На внутренней мембране митохондрии ионам H доступен лишь один канал: охватывающий мембрану белок АТФ-синтаза. АТФ-синтаза похожа на турбину гидроэлектростанции, но её вращает не вода, а поток ионов H , движущийся под действием силы электрохимического градиента. Вращаясь, АТФ-синтаза осуществляет присоединение ещё одной фосфатной группы к молекуле АДФ, превращая энергию градиента в АТФ.
Этот процесс, в котором энергия протонного градиента используется для образования АТФ, называется хемиосмос. В более широком смысле, хемиосмос может относиться к любому процессу, в котором энергия протонного градиента используется для выполнения работы. Хотя во время хемиосмоса образуется около 80% всех молекул АТФ, полученных в результате расщепления глюкозы, он встречается не только в клеточном дыхании. Например, хемиосмос можно встретить в реакциях световой фазы фотосинтеза.
Что произойдёт с энергией протонного градиента, если она не используется для синтеза АТФ? Тогда она выделится в виде тепла, причём, что любопытно, некоторые типы клеток целенаправленно используют энергию протонного градиента не для синтеза АТФ, а для выработки тепла. Это действие может показаться бесполезным, но такой процесс необходим животным, которым нужно поддерживать температуру тела. У животных, впадающих в спячку (например, у медведей) есть для этого специальные клетки — так называемый «бурые жировые клетки». В бурых жировых клетках расщепляющие белки продуцируются и внедряются во внутреннюю мембрану митохондрии. Эти белки представляют собой простые каналы, по которым протоны возвращаются из межмембранного пространства в матрикс, минуя АТФ-синтазу. Предоставляя альтернативный путь для возврата протонов, энергия градиента рассеивается в виде тепла.
Выход АТФ
Сколько молекул АТФ образуются из одной молекулы глюкозы в результате клеточного дыхания? Если вы заглянете в разные учебники и спросите разных преподавателей, вы скорее всего получите немного разные ответы. Тем не менее, большинство современных источников указывают, что на одну молекулу глюкозы приходится около 30—32 молекул АТФ . Этот диапазон ниже принятых ранее оценок, поскольку учитывает потери при транспортировке АДФ внутрь митохондрии и АТФ — из неё.
Откуда взялась цифра 30-32 АТФ? Две молекулы АТФ образуются при гликолизе, ещё две молекулы АТФ (или энергетически эквивалентные им молекулы ГТФ) образуются в цикле трикарбоновых кислот. Все остальные молекулы АТФ образуются в процессе окислительного фосфорилирования. Многие эксперименты показывают, что для синтеза одной молекулы АТФ необходимо, чтобы через АТФ-синтазу назад в матрикс вернулись четыре иона H . Когда электроны с одной молекулы НАДH проходят через электрон-транспортную цепь, из матрикса в межмембранное пространство переносятся около 10 ионов H , таким образом на одну молекулу НАДH приходится около 2,5 молекул АТФ. Электроны с ФАДH , попадающие в электрон-транспортную цепь на более позднем этапе, способствуют переносу всего лишь шести ионов H , в результате на каждую молекулу ФАДH приходится около 1,5 молекул АТФ.
Зная это, мы можем сделать небольшую схему для расщепления одной молекулы глюкозы:
Стадии | Прямые продукты (итого) | Конечный выход АТФ (итого) |
---|---|---|
Гликолиз | 2 АТФ | 2 АТФ |
2 НАДH | 3-5 АТФ | |
Окисление пирувата | 2 НАДH | 5 АТФ |
Цикл трикарбоновых кислот | 2 АТФ/ГТФ | 2 АТФ |
6 НАДH | 15 АТФ | |
2 ФАДH | 3 АТФ | |
Итого | 30-32 АТФ |
Одно из чисел в этой таблице неточное — выход молекул АТФ из НАДH, полученных в результате гликолиза. Дело в том, что гликолиз протекает в цитозоле, а НАДH не может пройти сквозь внутреннюю мембрану митохондрии, чтобы доставить свои электроны в комплекс I. Вместо этого НАДH должен передать электроны специальной молекулярной «челночной системе», которая в результате нескольких этапов уже доставит электроны к электрон-транспортной цепи.
- В некоторых клетках нашего организма есть специальные челночные системы, которые доставляют электроны в транспортную цепь посредством ФАДH
. В этом случае на каждые две молекулы НАДH, полученных в результате гликолиза, синтезируются лишь 3 молекулы АТФ. - В других клетках эти челночные системы переносят электроны посредством НАДH, в результате чего образуются 5 молекул АТФ.
У бактерий и гликолиз, и цикл трикарбоновых кислот протекают в цитозоле, поэтому челночные системы оказываются не нужны, и синтезируются 5 молекул АТФ.
От 30 до 32 молекул АТФ из одной молекулы глюкозы — это максимальный уровень, реальный выход может оказаться ниже. Например, некоторые промежуточные продукты клеточного дыхания могут быть выведены из процесса для использования в других реакциях, при этом итоговое количество АТФ будет меньше. Клеточное дыхание — это связующее звено для многих метаболических путей клетки, образующих целую сеть, которая гораздо больше, чем просто пути расщепления глюкозы.
Вопросы для самопроверки
Хотите присоединиться к обсуждению?
Пока нет ни одной записи.