19. Пути синтеза атф в клетках, клеточная локализация процессов синтеза атф, примеры реакций. Молекулярные механизмы окислительного фосфорилирования (теория Митчелла).

Окислительное фосфорилирование - процесс образования АТФ из АДФ и Н₃РО₄ за счёт энергии переноса электронов в дыхательной цепи.

Субстратное фосфорилирование - это процесс образования АТФ из АДФ и Н₃РО₄ за счёт энергии распада какого-либо субстрата.

В основной дыхательной цепи выделяются 3 пункта, где может образоваться АТФ: 1.) НАД KоQ; •НАДН₂ — 3 АТФ 2.) ЦИТ.b ЦИТ.с •ФАДН₂ — 2 АТФ З.) ЦИТ.а ЦИТ.а3

Теория окислительного фосфорилирования (Питер Митчелл, 1961). Основные положения теории: 1.) Мембрана митохондрий в норме не проницаема для протонов. 2.) В процессе транспорта электронов протоны «перекачиваются» в межмембранное пространство - образуется электрохимический потенциал. 3.) Обратный транспорт протонов в матрикс митохондрий сопряжен с синтезом АТФ.

Процесс транспорта электронов происходит во внутренней мембране, где расположены ферменты ЦПЭ. Реакции окисления субстратов происходят в матриксе митохондрий. Протоны переносятся в межмембранное пространство, а электроны продвигаются по дыхательной цепи.

Тканевое дыхание. Дегидрирование без пламени и взрыва с образованием эндогенной воды при участии оксидаз (оксидазный путь окисления): • процесс транспорта электронов и протонов; • происходит в митохондриях; • конечным акцептором является кислород; • конечный продукт тканевого дыхания – Н₂О; • энергия выделяется постепенно; • процесс многоступенчатый; • процесс полиферментативный.

Тканевое дыхание многоступенчатый процесс транспорта электронов. И протонов от субстрата на кислород с образованием эндогенной воды, осуществляемый комплексом ферментов, сопряженный с постепенным выделением энергии.

Во время тканевого дыхания создаётся электрохимический потенциал: • концентрационный (протонный); • разности потенциалов (электрический). При этом наружная сторона внутренней мембраны заряжается «+», а внутренняя «-». Т.е. создается градиент концентрации протонов; • электрический и концентрационный потенциал составляют протондвижущую силу, которая перемещает протоны обратно в матрикс митохондрий; • через протонные каналы, образованные ферментом - АТФ-синтазой. АДФ + Н₃РО₄ → АТФ Протоны проходят обратно в матрикс, при этом активность АТФ-синтазы повышается. Образуется АТФ.

АТФ-синтаза: • интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. • гидрофобная часть F₀ пронизывает мембрану и образует канал, по которому протоны переносятся обратно в матрикс. • каталитическая часть F₁ выступает в матрикс, соединяется с F₀ при помощи γ-субъединицы, образующей вращающийся за счет изменения конформации стержень. • электрохимический потенциал заставляет двигаться протоны по каналу АТФ-синтазы обратно в матрикс и параллельно происходят конформационные изменения в F1. • в результате из АДФ и Фн образуется АТФ. • для синтеза 1АТФ используется электрохимический потенциал, генерируемый при перепаде напряжения в одном из пунктов сопряжения (перекачка 4H⁺).

Модель синтеза АТФ: - протон проваливается через полуканал с наружной стороны митохондриальной мембраны, протонирует аминокислоту ротора, на аминокислоте появляется дополнительный положительный заряд. - протонированная аминокислота на роторе перемещается к следующей половинке канала, ведущей внутрь митохондрии, протон попадает во второй полуканал и матрикс, аминокислота освобождается от положительного заряда. - заряды в роторе и статоре расположены таким образом, что протонирование – депротонирование приводит к повороту белка.

В соответствии с хемоосмотической теорией Митчелла окисление НАДH + H⁺ и ФАДН₂ в дыхательной цепи создаёт сначала электрохимический протонный потенциал, градиент концентрации ионов на внутренней мембране, а обратный транспорт протонов через мембрану сопряжен с фосфорилированием АДФ, т.е. образованием АТФ.

Коэффициент окислительного фосфорилирования (Р/О): отношение количества фосфорной кислоты (Р), использованной на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), поглощённого в процессе дыхания. для НАДН⁺ + Н⁺ Р/О = 3, для ФАДН₂ Р/О = 2. Дыхательный контроль - зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ. АТФ/(АДФ+АМФ)

Условия образования АТФ: 1.) Целостность мембраны - непроницаемость её для протонов. 2.) Наличие специальных каналов. 3.) Движение протонов в матрикс сопровождается выделением энергии, используемой для синтеза АТФ.

В обычных условиях процессы окисления и фосфорилирования сопряжены и сопровождаются синтезом АТФ. Разобщение окислительного фосфорилирования (свободное окисление) - окисление идёт, а фосфорилирования нет, вся энергия выделяется в виде тепла.

Причиной разобщения окислительного фосфорилирования могут стать: - нарушение целостности /функции мембран митохондрий; - протонофоры, ионофоры (липофильные вещества): 2,4–динитрофенол, билирубин, тироксин, высшие жирные кислоты.

Пути использования кислорода в организме (альтернативный путь окисления):

Свободнорадикальный

1% О₂

Неферментативно

Не сопровождается синтезом АТФ

синтезом АТФ

Оксигеназный

9% О₂

Не сопровождается синтезом АТФ

Оксидазный

90% О₂

О₂ + 4ē + 4Н⁺→2Н₂О

в митохондриях

сопровождается синтезом АТФ

синезом АТФ

Оксигеназный путь

Монооксигеназный

Диоксигеназный

+Н

S-Н +O₂ S-OOH

S-Н + O₂ + Н S-OH + H₂O

НАДФН

Стадии: 1.) Связывание кислорода с активным центром фермента. 2.) Восстановление кислорода и перенос его на субстрат. Биологическое значение: 1.) Обезвреживание чужеродных и эндогенных токсических веществ; 2.) Синтез гормонов и других биологически активных соединений; 3.) Метаболизм лекарств.

бензол

(цит.Р⁴⁵⁰)

гидроксилаза

+ НАДФ⁺ + Н₂О

фенол

+ О₂ + НАДФН₂