Окислительное фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование — это процесс, посредством которого энергия, высвобождающаяся при прохождении электронов по митохондриальной цепи переноса электронов к кислороду, используется для синтеза АТФ. Это конечная, доминирующая стадия аэробного производства энергии, обеспечивающая основную часть АТФ, образующегося из углеводов и жиров.

Definition

Окислительное фосфорилирование — это митохондриальный процесс, в котором электроны от восстановленных коферментов переносятся по цепи переносчиков к молекулярному кислороду, при этом высвобождающаяся энергия используется для перекачивания протонов через внутреннюю мембрану, а образующийся электрохимический градиент стимулирует синтез АТФ АТФ-синтазой.

Scope

Статья охватывает комплексы дыхательной цепи, создание протон-движущей силы, сопряжение переноса электронов с фосфорилированием через АТФ-синтазу и хемиосмотический принцип, объясняющий эту связь. Окислительное фосфорилирование рассматривается как биоэнергетическая тема в биохимии, а не как клиническое руководство.

Core questions

• Как перенос электронов к кислороду сопряжен с синтезом АТФ?
• Что такое протон-движущая сила и как она генерируется?
• Как АТФ-синтаза использует протонный градиент для синтеза АТФ?
• Почему большая часть АТФ от окисления топлива поступает на этой стадии?

Key concepts

• Комплексы цепи переноса электронов
• Восстановленные коферменты НАДН и ФАДН2 как доноры электронов
• Молекулярный кислород как конечный акцептор электронов
• Перекачивание протонов и протон-движущая сила
• АТФ-синтаза и ротационный катализ
• Сопряжение окисления с фосфорилированием
• Дыхательные суперкомплексы

Key theories

Хемиосмотическая теория

Питер Митчелл предположил, что окисление и фосфорилирование сопряжены не через общий химический промежуточный продукт, а через протонный электрохимический градиент: дыхательные комплексы перекачивают протоны через внутреннюю митохондриальную мембрану по мере переноса электронов к кислороду, и созданная таким образом протон-движущая сила стимулирует АТФ-синтазу к фосфорилированию АДФ.

Mechanisms

Электроны, отдаваемые НАДН и ФАДН2, поступают в цепь дыхательных комплексов, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану, и проходят через ряд переносчиков с возрастающим сродством к электронам, заканчиваясь на молекулярном кислороде, который восстанавливается до воды. В нескольких комплексах высвобождающаяся энергия используется для перекачивания протонов из матрикса в межмембранное пространство, создавая электрохимический протонный градиент — протон-движущую силу. Протоны, протекающие обратно через АТФ-синтазу, приводят в действие вращательный механизм, который катализирует образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Поскольку каждая пара электронов проходит через несколько протон-перекачивающих участков, эта стадия дает гораздо больше АТФ, чем реакции субстратного фосфорилирования на предыдущих этапах. Данные указывают на то, что комплексы могут собираться в суперкомплексы более высокого порядка, которые влияют на поток электронов.

Clinical relevance

Наследственные и приобретенные дефекты дыхательной цепи лежат в основе известной группы митохондриальных заболеваний, которые, как правило, поражают энергоемкие ткани, такие как мышцы и нервы, а нарушение окислительного фосфорилирования является центральным в ишемическом повреждении и в действии некоторых токсинов. Эта статья описывает биохимию и не является основанием для индивидуальной диагностики или лечения.

History

После того как переносчики дыхательной цепи были охарактеризованы в начале двадцатого века, главной загадкой оставалось, как их перенос электронов стимулирует синтез АТФ. Хемиосмотическая гипотеза Питера Митчелла 1961 года разрешила эту проблему, предложив протонный градиент в качестве промежуточного звена сопряжения, что превалировало над конкурирующими моделями с химическим промежуточным звеном. Механизм АТФ-синтазы как вращающегося фермента был позднее установлен благодаря работам, связанным с Полом Бойером и Джоном Уокером.

Key figures

• Peter Mitchell
• Paul Boyer
• John Walker
• David Keilin

Seminal works

• mitchell-1961
• saraste-1999
• lapuente-brun-2013

Frequently asked questions

Почему окислительное фосфорилирование производит гораздо больше АТФ, чем гликолиз?

Каждая пара электронов от НАДН или ФАДН2 проходит через несколько протон-перекачивающих комплексов, и образующийся протонный градиент стимулирует АТФ-синтазу к синтезу множества молекул АТФ, тогда как гликолиз производит лишь небольшое чистое количество путем прямого субстратного фосфорилирования.

Какова роль кислорода в окислительном фосфорилировании?

Кислород является конечным акцептором электронов; принимая электроны в конце цепи и восстанавливаясь до воды, он позволяет продолжаться потоку электронов и перекачиванию протонов, что и обеспечивает синтез АТФ.