6. Мітохондрії і їх роль в окислювальному фосфорилюванні.Механізм спряженого дихання і фосфорилюваня в мітохондріях

Мітохондрії - це особливі органели клітин, внутрішньоклітинні центри аеробного дихання. Вони виділені з багатьох тваринних і рослинних тканин деяких мікроорганізмів і, як правило, являють собою овальні тільця/

Вони складаються із двох окремих мембран - зовнішньої і внутрішньої. Зовнішні мембрани мітохондрій за своїм хімічним складом та іншими властивостями досить близькі до решти внутрішньоклітинних мембран, тоді як внутрішні мембрани різко відрізняються від них. Внутрішня мембрана утворює численні виступи - так звані крісти Внутрішньоклітинний простір, обмежений внутрішньою мембраною, заповнено матриксом - гелеподібною напіврідкою масою. Внутрі-мембрана відокремлена від зовнішньої водним міжмембран-ним простором. .

Зовнішня мембрана гладка, з доброю проникністю для речовин, що мають молекулярну масу до 10000. Для неї характерне високе співвідношення кількості фосфоліпідів і білків (приблизно 1:1). Внутрішня мембрана мітохондрій вкрита з боку матриксу грибоподібними виростами, які в основному утворені Н+-АТФ-синтета-зою. Внутрішня мембрана непроникна для більшості речовин. Вона непроникна для НАД+, НАДФ+, НАД-Н+Н, а також різних іонів: Н+, ОН-, К+, C1- та ін. Проникають тільки вода й нейтральні молекули з молекулярною масою, меншою за 150. Співвідношення фосфоліпідів і білків приблизно 1:3. Внутрішня мембрана у всіх клітинах виконує однакову функцію: спряження окислення із синтезом АТФ, тобто є поєднуючою мембраною. Вона містить ферменти дихального ланцюга й синтезу АТФ,).

Матрикс мітохондрій містить систему ферментів циклу Кребса, окислення жирних кислот, НАД- і ФАД-залежні дегідрогенази і т. ін.

Механізм спряження дихання й фосфорилювання в мітохондріях

окислювальним фосфорилюванням називається процес утворення АТФ при переносі електронів і протонів по дихальному ланцюгу за рівнянням:

АДФ + Н3Р04---* АТФ + Н20

Цей процес було відкрито в 30-х рр. XX ст. російським вченим В.О. Енгельгардтом. Вивчаючи інтенсивність дихання мітохондрій голуба, він з'ясував, що одночасно з поглинанням кисню відбувається процес утворення фосфорних ефірів за участю неорганічного фосфату (Н3РО4), тобто має місце спряження дихання з фосфорилюванням.

Існує декілька гіпотез для пояснення механізму цього процесу.

Гіпотеза хімічного спряження ґрунтується на уявленні, згідно з яким передача енергії, що виділяється в процесі переносу електронів по дихальному ланцюгу на АДФ з утворенням АТФ, здійснюється через загальні проміжні сполуки, які містять макроергічний зв'язок:тобто за типом субстратного фосфорилювання.

Згідно з гіпотезою механохімічного або конформаційного спряження припускалося, що енергія, вивільнена в дихальному ланцюзі, використовується безпосередньо для переведення білків внутрішньої мембрани в новий, багатий на енергію конформаційний стан, який, у свою чергу, стає рушійною силою окислювального фосфорилюван-ня, що призводить до утворення АТФ (подібно до процесів м'язового скорочення).

На сьогодні найсерйозніше експериментальне обґрунтування одержала теорія хеміосмотичного спряження, розроблена англійським біохіміком П. Мітчеллом. Багато для її доказу зроблено російським вченим В.П. Скулачовим.

Провідну роль у хеміосмотичній теорії відіграють замкненість і цілісність внутрішньої спряжуючої мембрани мітохондрій, при порушенні яких синтез АТФ припиняється. Було звернуто увагу на те, що окислювально-відновні ферменти й коферменти, які складають дихальний ланцюг, розміщені в певній послідовності, векторно, утворюючи поперек внутрішньої мембрани петлі й перехрести (рис. 59). Це забезпечує певну спрямованість процесів у просторі. Основним проявом векторності в дихальному ланцюзі є перекидання іонів Н+ із внутрішньої сторони мембрани (з боку матриксу) на зовнішню. Зворотній перехід Н+ є неможливим, оскільки внутрішня мембрана для них непроникна.

Більшість ферментів дихального ланцюга досить міцно закріплені в ліпідно-білковій конструкції мембрани й не мають контактів з її внутрішньою і зовнішньою сторонами. Перша ж ланка дихального ланцюга, яка зв'язана з НАД- або ФАД-дегідрогеназами, знаходиться на внутрішній поверхні мембрани й має вихід у матрикс. Сюди спрямовані їхні активні центри, до яких надходять з матриксу субстрати для дегідрування. Атоми водню від НАДН+Н+ захоплюються іззовні флавопротеїдом, розташованим поперек внутрішньої мембрани, при цьому електрони надходять на залізосірчаний білок, а Н+ виштовхуються назовні. Електрони передаються далі по ланцюгу. Остання ланка - цитохромоксидаза - також локалізується близько до внутрішньої поверхні мембрани, її активний центр спрямований у матрикс, куди й надходить молекулярний кисень.