Основы молекулярной биологии. Часть 1: Молекулярная биология клетки - А.Н. Огурцов 2011

Генерация протондвижущей силы и синтез АТФ
Транспорт АТФ и АДФ через внутреннюю мембрану митохондрии

Протондвижущая сила не только служит источником энергии для синтеза АТФ, но и обеспечивает перенос через внутреннюю мембрану тех молекул АТФ, которые были синтезированы в матриксе митохондрии в процессе окислительного фосфорилирования в обмен на АДФ и Рi из межмембранного пространства. Такой обмен, необходимый для того, чтобы процесс окислительного фосфорилирования продолжался постоянно, осуществляется двумя транспортными белками во внутренней мембране митохондрии (рисунок 173):

1) транспортёр фосфата (НР0₄^2-/OH^- антипорт),

2) АТФ/АДФ антипорт.

Транспортёр фосфата сопрягает транслокацию одного иона НРO₄^2- внутрь матрикса и одного гидроксил-иона ОРТ наружу из матрикса митохондрии. Аналогично АТФ/АДФ антипорт транслоцирует одну молекулу АДФ внутрь матрикса одновременно с переносом одной молекулы АТФ наружу из матрикса. АТФ/АДФ антипорты, составляющие 10-15% белков внутренней мембраны митохондрии, являются самыми многочисленными митохондриальными белками.

Гидроксил-ионы ОН^-, выкачиваемые наружу, соединяются с протонами Н⁺, которые выкачиваются из матрикса системами электронного транспорта, в результате образуются молекулы воды Н₂O. Образование воды поддерживает градиенты протонов и гидроксил-ионов на уровне, обеспечивающем непрерывность работы транспортных антипортов.

Рисунок 173 - Транспортные системы АТФ, АДФ и Р_i во внутренней мембране митохондрии

Те протоны, которые были предварительно выкачаны из матрикса в ходе переноса электронов, и которые в результате рекомбинации с гидроксил-ионами были использованы на обеспечение трансмембранного транспорта АТФ, АДФ и Р_i, очевидно, не будут принимать участие в токе протонов, обеспечивающем работу АТФ-синтаз.

По оценкам, из четырех транслоцированных протонов три используются на синтез АТФ, а четвертый расходуется на вывод этой молекулы АТФ в результате совместной работы двух транспортных антипортов.

В результате в цитозоле клетки достигается и высокий уровень концентрации АТФ, который далее используется в различных энергозависимых клеточных процессах, и необходимая для непрерывного синтеза АТФ концентрация АДФ и Р_i в матриксе митохондрии.

Роль концентрации АДФ. Если изолированную митохондрию снабжать необходимым количеством НАДН, О₂ и Р_i, но не обеспечивать молекулами АДФ, то процессы окисления НАДН и восстановления O₂ быстро прекратятся, поскольку запасы АДФ быстро будут исчерпаны в результате синтеза АТФ. Если же затем добавить в систему АДФ, то окисление НАДН начнется снова. Следовательно, митохондрия может окислять ФАДН₂ и НАДН только тогда, когда существует источник пополнения запаса АДФ и P_i для синтеза АТФ.

Это явление, которое носит название дыхательный контроль (или респираторное регулирование), происходит вследствие того, что окисление НАДН, сукцината или ФАДН₂ обязательно сопряжено с транспортом протонов через внутреннюю мембрану митохондрии.

Если же образующаяся протондвижущая сила не расходуется в процессах синтеза АТФ из АДФ и Р_i (или по любой другой причине), то и трансмембранный градиент протонов и мембранный потенциал увеличивается до очень больших значений. А в этом случае продолжение перекачки протонов будет требовать таких больших затрат энергии, что этот процесс неизбежно затормозится и заблокирует сопряженные с ним процессы окисления НАДН и других метаболитов.

Вопросы для самоконтроля

1. Какая часть свободной энергии, выделяющейся при полном окислении глюкозы, запасается в коферментах НАДН и ФАДН₂?

2. Какой процесс называется окислительным фосфорилированием?

3. Из каких мультибелковых комплексов состоит дыхательная цепь?

4. Окисление каких коферментов является источником энергии для создания протондвижущей силы на внутренней мембране митохондрии?

5. Какие акцепторы электронов используются в дыхательной цепи?

6. Каким образом структура гемов цитохромов позволяет устанавливать значение восстановительного потенциала данного цитохрома?

7. Какие переносчики электронов используются в дыхательной цепи?

8. В чем сходство и различие мобильных электронных переносчиков убихинон и цитохром с?

9. В чем заключается специфика комплекса I дыхательной цепи?

10. В чем заключается специфика комплекса II дыхательной цепи?

11. В чем заключается специфика комплекса III дыхательной цепи?

12. В чем заключается специфика комплекса IV дыхательной цепи?

13. Сколько протонов суммарно транслоцируется через внутреннюю мембрану митохондрии на каждую прошедшую по дыхательной цепи от НАДН к О₂ пару электронов?

14. Какова биологическая функция мультибелкового комплекса F₀F₁?

15. Какие субъединицы входят в состав мембранного компонента F₀?

16. Какие субъединицы входят в состав цитозольного компонента F₁?

17. Каким образом трансмембранный ток протонов через комплекс F₀ приводит к синтезу АТФ в комплексе F₁?

18. Какие мембранные системы обеспечивают непрерывность процесса окислительного фосфорилирования? Какая сила служит источником энергии для этого процесса?

19. Что такое респираторное регулирование?

20. Каким образом дыхательный контроль координирует процессы окисления и фосфорилирования в митохондрии?