If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Если вы используете веб-фильтр, пожалуйста, убедитесь, что домены *.kastatic.org и *.kasandbox.org разблокированы.

Основное содержание

Окислительное 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

Упрощённая схема электрон-транспортной цепи. Электрон-транспортная цепь — это группа белков, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрии.
В матриксе молекулы НАДH и ФАДH2 передают свои электроны на электрон-транспортную цепь (в первый и второй комплекс цепи соответственно).
Электроны движутся по цепи, постепенно снижая свой энергетический уровень. Попутно первый, третий и четвёртый комплексы используют высвобождающуюся энергию для переноса протонов в межмембранное пространство митохондрии.
Наконец, электроны переходят к кислороду, который принимает их вместе с протонами, образуя воду.
Протонный градиент, созданный электрон-транспортной цепью, используется для синтеза АТФ. Протоны под действием силы градиента переходят обратно в матрикс, проходя через мембранный белок АТФ-синтазу, заставляя его вращаться (примерно так же, как вода вращает водяную мельницу) и вызывая преобразование АДФ в АТФ.
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 ФАДH2. Восстановленные переносчики электронов (НАДH и ФАДH2), 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.
Иллюстрация электрон-транспортной цепи. Все звенья электрон-транспортной цепи либо встроены во внутреннюю мембрану митохондрии, либо присоединены к ней. В матриксе НАДH отдаёт электроны комплексу I, превращаясь в НАД+ и выпуская в матрикс протон. Там же в матриксе ФАДH2 отдаёт электроны комплексу II, превращаясь в ФАД и высвобождая два иона H+ (протона). Электроны из комплексов I и II переходят на небольшой переносчик электронов — кофермент Q—, который переносит электроны к комплексу III, который затем передаёт их на цитохрому C, который в свою очередь переносит электроны в комплекс IV, а оттуда они переходят на находящийся в матриксе кислород, в результате образуется вода. Для одной молекулы воды требуются два электрона, половина молекулы кислорода и два протона. Комплексы I, III и IV используют энергию, высвободившуюся при переносе электронов с более высокого энергетического уровня на более низкий, для переноса протонов из матрикса в межмембранное пространство, приводя к образованию протонного градиента.
Иллюстрация: оригинал взят из "Окислительное фосфорилирование: Рисунок 1", College, Biology (CC BY 3,0).
Все электроны, поступающие в электрон-транспортную цепь, доставляются в неё молекулами НАДH и ФАДH2, 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.
  • ФАДH2 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 2 участвует в переносе меньшего количества протонов (и вносит меньший вклад в протонный градиент), чем НАДH.
За исключением первых двух комплексов молекулы НАДH и ФАДH2 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 QH2, 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 O2, которая распадается на два атома кислорода и принимает протоны из матрикса с образованием воды. Для восстановления каждой молекулы O2 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 ФАДH2, 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.
Общая схема окислительного фосфорилирования. Электрон-транспортная цепь и АТФ-синтаза встроены во внутреннюю мембрану митохондрии. НАДH и ФАДH2, образовавшиеся в цикле трикарбоновых кислот (в матриксе митохондрии) передают электроны на электрон-транспортную цепь в комплексы I и II соответственно. На этом шаге образуются окисленные формы переносчиков электронов НАД+ и ФАД, которые снова используются в цикле трикарбоновых кислот. Электроны, проходя через электрон-транспортную цепь, способствуют переносу протонов из матрикса в межмембранное пространство. В итоге эти электроны передаются атомам кислорода, которые, соединяясь с двумя протонами, образуют молекулу воды. Образовавшийся в результате переноса протонов сквозь мембрану протонный градиент представляет собой «хранилище» потенциальной энергии. Вернуться из межмембранного пространства в матрикс вдоль градиента протоны могут только под действием силы градиента, пройдя через АТФ-синтазу — ферментный комплекс, встроенный во внутреннюю мембрану митохондрии. Проходя через АТФ-синтазу, протоны заставляют её вращаться подобно водяной мельнице, и это движение катализирует превращение АДФ в АТФ.
Иллюстрация: оригинал взят из "Окислительное фосфорилирование: Рисунок 3", College, Biology (CC BY 3,0).
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 АТФ2,3,4. 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 ФАДH2, попадающие в электрон-транспортную цепь на более позднем этапе, способствуют переносу всего лишь шести ионов H+, в результате на каждую молекулу ФАДH2 приходится около 1,5 молекул АТФ.
Зная это, мы можем сделать небольшую схему для расщепления одной молекулы глюкозы:
СтадииПрямые продукты (итого)Конечный выход АТФ (итого)
Гликолиз2 АТФ2 АТФ
2 НАДH3-5 АТФ
Окисление пирувата2 НАДH5 АТФ
Цикл трикарбоновых кислот2 АТФ/ГТФ2 АТФ
6 НАДH15 АТФ
2 ФАДH23 АТФ
Итого30-32 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 ФАДH2. 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

  1. Цианид является ядом, поскольку ингибирует комплекс IV, блокируя транспорт электронов. Как отравление цианидом влияет на: 1) электрон-транспортную цепь; 2) протонный градиент на внутренней митохондриальной мембране?
    Выберите 1 ответ:
  2. Динитрофенол (ДНФ) — это химическое вещество, повреждающее внутреннюю мембрану митохондрий и делая ее проницаемой для протонов. До 1938 года он использовался как препарат для похудения. Как ДНФ влияет на количество молекул АТФ, образующихся в результате клеточного дыхания? Как вы считаете, почему его перестали использовать?*
    Выберите 1 ответ:


Хотите присоединиться к обсуждению?

Пока нет ни одной записи.
Знаете английский? Нажмите здесь, чтобы увидеть обсуждение, которое происходит на английской версии сайта.