Окиснювальне та субстратне фосфорилування

Синтез АТФ із АДФ і фосфорної кислоти, який відбувається з використанням енергії, вивільненої при окисненні речовин в живих клітинах, і спряжений з перенесенням електронів в дихальному ланцюзі називають окиснювальним фосфорилуванням.

Фосфорилування може здійснюватись на рівні субстрату (субстратне фосфорилування).Це фосфорилування проходить шляхом безпосередньої передачі молекули активного фосфату із субстратів, які містять макроергічний зв’язок на АДФ з утворенням АТФ. Наприклад, проміжний продукт розпаду глюкози і триацилгліцеринів 2-фосфоенолпіровиноградна кислота віддає свій активний фосфат на АДФ з утворенням АТФ за реакцією:

Субстратне фосфорилування дає незначну кількість молекул АТФ. Основна її кількість синтезується в процесі фосфорилування, яке спряжене з тканинним диханням. Сумарно процес біологічного окиснення, спряжений з процесом фосфорилування, можна записати:

На основі даних термодинаміки були встановлені три ділянки (пункти) в дихальному ланцюзі, які супроводжувались синтезом АТФ. Досліди з використанням специфічних інгібіторів певних ферментів дихального ланцюга підтвердили ці дані. Так, ротенон (інсектицид-токсична речовина, яка виробляється одним з видів рослин і використовується індіанцями як отрута) блокує перенесення електронів від НАДН₂ до КоQ, при цьому всі компоненти дихального ланцюга переходять в окиснений стан, тобто знижується швидкість транспорту електронів. Антибіотик антиміцин А блокує перенесення електронів від цитохрома b на цитохром с₁, ціанідазид натрію, сірководень зв’язуються з цитохромоксидазою і порушують перенесення електронів з ЦХО на молекулярний кисень.

Зі схеми, наведеної на рис.3.5 випливає, що перша молекула АТФ синтезується під час перенесення електронів і протонів на етапі: нікотинамідні коферменти – флавопротеїни – КоQ, друга – при перенесенні електронів від цитохрому b на цитохром с₁ і третя - на ділянці перенесення електронів від цитохромоксидази на молекулярний кисень. При перенесенні двох атомів водню в дихальному ланцюзі утворюється три молекули АТФ.

Рис.3.5. Локалізація пунктів фосфорилування в дихальному ланцюгу та місць дії інгібіторів електронного транспорту

Таким чином, при перенесенні однієї пари електронів від НАДН до кисню утворюється три молекули АТФ, а від ФАДН₂ - дві молекули АТФ.

3.4.1. Мітохондрії, їх роль в окиснювальному фосфорилуванні. Мітохондрії особливі органели клітини, внутрішньоклітинні центри аеробного дихання. Вони виділені з багатьох тваринних і рослинних тканин. Містять овальні тільця довжиною 1-4 мкм, шириною 0,3-0,7 мкм. У клітині в залежності від її типу та функцій може знаходитись від декількох десятків до декількох тисяч мітохондрій. Здебільшого у тканинах мітохондрії розташовуються таким чином, щоб забезпечити доступ АТФ до структур, які використовують енергію.

Вони складаються з двох окремих мембран зовнішньої та внутрішньої, які суттєво відрізняються одна від одної за складом, властивостями та функціями і є ліпопротеїновими структурами завтовшки 5-7 нм. Зовнішня мембрана гладка, добре проникна для речовин, що мають молекулярну масу до 10 000Да. Для неї характерно співвідношення фосфоліпідів і білків у співвідношенні приблизно 1:1. У зовнішній мембрані міститься низка ферментів, які приймають участь в подовженні молекул насичених жирних кислот, монооксидази тощо.

Внутрішня мембрана утворює багаточисленні виступи – так звані кристи, загальна поверхня яких величезна. Внутрішня мембрана відокремлена від зовнішньої водним міжмембранним простором. (рис. 3.6).

Рис.3.6. Схема будови та функціонування мітохондрій

Внутрішня мембрана вкрита з боку матриксу грибоподібними виростами, які в основному утворені Н+-АТФ-синтетазою. Вона непроникна для більшості речовин, зокрема, для НАД⁺, НАДФ⁺, НАДН+Н, а також іонів Н⁺, ОН^-, К⁺, Сl^- та інших. Проникають тільки вода та нейтральні молекули з молекулярною масою менше 150 Да. Відношення фосфоліпідів до білків приблизно 1:3. Внутрішня мембрана в усіх клітинах виконує однакову функцію: спряження біологічного окиснення із синтезом АТФ.

Вона містить ферменти дихального ланцюга і синтезу АТФ, різноманітні ферменти, які забезпечують транслокацію, в тому числі ті, що здійснюють перенесення АДФ із цитозолю через внутрішню мембрану в матрикс і зворотній вихід АТФ (АДФ-АТФ-транслоказа).

Внутрішньомітохондріальний простір обмежений внутрішньою мембраною, заповнений матриксом – гелеподібною, напіврідкою масою. Матрикс мітохондрій містить систему ферментів циклу Кребса, окиснення жирних кислот, НАД-; ФАД-залежні дегідрогенази та інші.