Кіріспе

Метаболистік жол Окистендіру фосфорилирлеу (UK /ɒ//k/'/s//ɪ//d//.//ə//.//t//ɪ//v/, US '/ɑː//k//.//s//ɪ/,/d//eɪ//.//t//ɪ//v/) немесе электрондық тасымалдаумен байланысты фосфорилирлеу немесе соңғы окистену – бұл жасушалар ферменттерді пайдаланып қоректік заттарды тотықтыратын және осы арқылы аденозин трифосфатын (АТФ) өндіру үшін химиялық энергияны босататын метаболистік жол. Эукариоттарда бұл митохондрия ішінде жүзеге асады. Көптеген аэробикалық организмдер окистендіру фосфорилирлеуін жүзеге асырады. Бұл жол кең таралған, себебі ол анаэробты гликолиз сияқты баламалы ашыту процестеріне қарағанда көбірек энергия шығарады. Глюкозаның химиялық байланыстарында сақталған энергия цитрус қышқылы циклында жасуша арқылы босатылады, нәтижесінде көмірқышқыл газы және энергетикалық электрон донорлары NADH және FADH пайда болады. Окистендіру фосфорилирлеуі осы молекулалар мен O2 арқылы АТФ-ты өндіреді, ол энергия қажет болған кезде жасушада қолданылады. Окистендіру фосфорилирлеу кезінде электрондар электрон донорларынан электрон қабылдаушыларға бірнеше редокс реакциялары арқылы беріледі, олардың реакциясы жалпы энергияның жартысын босатады. Эукариоттарда бұл редокс реакциялары жасушаның митохондриясының ішкі мембранасындағы бірқатар белок кешендерімен катализделеді, ал прокариоттарда бұл белоктар жасушаның сыртқы мембранасында орналасқан. Бұл байланысқан белок жиынтығы электрондық тасымалдау тізбегі деп аталады. Эукариоттарда бес негізгі белок кешені қатысады, ал прокариоттарда әртүрлі электрон берушілер мен қабылдаушыларды пайдаланатын көптеген ферменттер бар. Электрондық тасымалдау тізбегі арқылы ағып жатқан электрондардың энергиясы протондарды ішкі митохондриялық мембрана арқылы тасымалдау үшін қолданылады, бұл процесс электрондық тасымалдау деп аталады. Бұл pH градиенті түріндегі потенциалдық энергияны және осы мембрана арқылы туындайтын электр потенциалын жасайды. Бұл энергия қоры протондар мембрана арқылы кері ағып, потенциалдық энергия градиенті бойынша ATP синтетазасы деп аталатын үлкен фермент арқылы химиосмоз процесінде пайдаланылады. АТФ синтетазасы энергияны фосфорильдеу реакциясында аденозин дифосфатын (АДФ) аденозин трифосфатына айналдыру үшін пайдаланады. Реакция протон ағынымен басқарылады, ол ферменттің бөлігінің айналуын қамтамасыз етеді. АТФ синтетазасы – айналмалы механикалық қозғалтқыш. Окистендіру фосфорилирлеуі метаболизмнің маңызды бөлігі болғанымен, ол супероксид және сутек пероксиді сияқты реактивті оттегі түрлерін өндіреді, бұл еркін радикалдардың таралуына, жасушаларға зиян келтіруге және ауруларға, сондай-ақ қартаю мен қарттыққа әкелуі мүмкін. Бұл метаболистік жолды катализдейтін ферменттер көптеген дәрі-дәрмектер мен улардың әсер ету нысаны болып табылады.

Химиосмоз

Окистендіру фосфорилирлеу энергияны қажет ететін реакцияларды жүргізу үшін энергияны босататын химиялық реакцияларды пайдалану арқылы жұмыс істейді. Реакциялардың екі жиынтығы біріктірілген деп есептеледі. Бұл біреуі екінсізісіз жүрмейді дегенді білдіреді. Электрондарды тасымалдау тізбегі арқылы электрондардың ағынын, NADH сияқты донорлардан оттегі мен сутек (протон) сияқты қабылдағыштарға дейін қамтамасыз ететін редокс реакциялар тізбегі – эксергондық процесс, ол энергияны босатады, ал АТФ синтезі – эндергондық процесс, ол энергияны қабылдауды талап етеді. Электронды тасымалдау тізбегі де, АТФ синтетазасы да мембранаға енген, ал энергия электронды тасымалдау тізбегінен АТФ синтетазасына протонның осы мембрана арқылы қозғалысы арқылы беріледі, бұл процесс химиосмоз деп аталады. Протон ағыны мембрананың теріс N жағынан оң P жағына электронды тасымалдау тізбегінің протон сорғылау ферменттері арқылы жүзеге асырылады. Протонның қозғалысы мембрана арқылы электрохимиялық градиентті құрайды, ол протондық қозғаушы күш деп аталады. Оның екі компоненті бар: протон концентрациясының айырмашылығы (H+ градиенті, ΔpH) және электр потенциалының айырмашылығы, N жағы теріс зарядталған. АТФ синтетазасы осы жинақталған энергияны босатып, электрохимиялық градиент бойынша протондардың мембрананың N жағына қайта ағып түсуіне мүмкіндік береді. Электрохимиялық градиент фермент құрылымының бөлігінің айналуын қозғалысқа келтіреді және бұл қозғалысты АТФ синтезімен байланыстырады. Протондық қозғаушы күштің екі компоненті термодинамикалық тұрғыдан эквивалентті: митохондрияларда энергияның басым бөлігі потенциал арқылы қамтамасыз етіледі, ал алкалифил бактерияларда электр энергиясы тіпті теріс pH айырмашылығын толықтыруға қажет. Керісінше, хлоропластар негізінен ΔpH арқылы жұмыс істейді. Дегенмен, олар АТФ синтезінің кинетикасы үшін шағын мембраналық потенциалды да қажет етеді. Propionigenium modestum бактериясында ол АТФ синтетазасының FO қозғалтқышының a және c субъединицаларының кері айналуын қозғалысқа келтіреді. Ал май қышқылының бета-окистену циклының әр айналымы шамамен 14 АТФ молекуласын береді. Бұл АТФ мөлшері теориялық максимум болып табылады; іс жүзінде кейбір протондар мембрана арқылы сүзіліп өтеді, бұл АТФ мөлшерін азайтады.

Электрондар мен протондарды тасымалдау молекулалары

Электронды тасымалдау тізбегі протондар мен электрондарды тасымалдайды, электронды донорлардан акцепторларға өткізеді және протондарды мембрана арқылы тасымалдайды. Бұл процестерде ерігіш және белокқа байланысқан трансфер молекулалары қолданылады. Митохондрияда электрондар мембранааралық кеңістікте суға ерігіш электрон тасымалдаушы белок – цитохром c арқылы беріледі. Бұл тек электрондарды тасымалдайды, ал олар белок құрылымындағы гема тобы бар темір атомын тотықсыздандыру және тотықтыру арқылы беріледі. Цитохром c кейбір бактерияларда да кездеседі, онда ол периплазмалық кеңістікте орналасқан. Ішкі митохондриялық мембрананың ішінде липидке ерігіш электрон тасымалдаушы коэнзим Q10 (Q) электрондар мен протондарды редокс цикл арқылы тасымалдайды. Бұл кішкентай бензохинон молекуласы өте гидрофобты, сондықтан ол мембрана ішінде еркін таралады. Q екі электрон мен екі протонды қабылдағанда убиквинол түріне (QH2) тотықсызданады; QH2 екі электрон мен екі протонды босатқанда, ол қайтадан убиквинон (Q) түріне тотықтырылады. Нәтижесінде, егер екі фермент мембрананың бір жағында Q тотықсызданып, екінші жағында QH2 тотықтырылса, онда убиквинон бұл реакцияларды байланыстырып, протондарды мембрана арқылы тасымалдайды. Кейбір бактериялардың электронды тасымалдау тізбегі убиквиноннан басқа менаквинон сияқты басқа хинондарды да қолданады. Белоктер ішінде электрондар флавин кофакторлары, темір-күкірт кластерлері және цитохромдар арасында беріледі. Темір-күкірт кластерлерінің бірнеше түрі бар. Электронды тасымалдау тізбегінде кездесетін ең қарапайым түрі – екі темір атомы екі бейорганикалық күкірт атомымен байланысқан; бұлар [2Fe–2S] кластерлері деп аталады. Екінші түрі, [4Fe–4S] деп аталатын, төрт темір және төрт күкірт атомынан тұрады. Бұл кластерлердегі темір атомының әрқайсыы қосымша аминқышқылымен, әдетте цистеиннің күкірт атомымен координацияланады. Металл иондары кофакторлары протондарды байланыстырмай немесе босатпай, редокс реакцияларына қатысады, сондықтан электронды тасымалдау тізбегінде олар тек электрондарды белоктер арқылы тасымалдау үшін қызмет етеді. Электрондар осы кофакторлардың тізбектерімен секіріп, белоктер арқылы ұзақ қашықтыққа жылжуы мүмкін. Бұл кванттық туннельдеу арқылы жүзеге асады, ол 1,4 м-ден аз қашықтықта жылдам болады.

Тарих

Окистендіру фосфорилирлеу саласы 1906 жылы Артур Харденнің жасушалық ферментацияда фосфаттың маңызды рөлі туралы хабарлауымен басталды, бірақ бастапқыда тек қант фосфаттарының қатысы бар екені белгілі болды. Алайда, 1940-шы жылдардың басында Герман Калькар қанттың тотығуы мен АТФ генерациясы арасындағы байланысты нақты анықтады, соның нәтижесінде 1941 жылы Фриц Альберт Липман ұсынған энергияны берудегі АТФ-ның орталық рөлі расталды. Кейін, 1949 жылы Моррис Фридкин мен Альберт Л. Ленингер NADH коферментінің лимон қышқылы циклы және АТФ синтезі сияқты метаболикалық жолдарды байланыстыратынын дәлелдеді. Окистендіру фосфорилирлеу терминін 1939 жылы Володимир Белицер енгізді. Келесі жиырма жыл бойы АТФ қалай пайда болады деген механизм құпия болып қалды, ғалымдар тотығу және фосфорилирлеу реакцияларын байланыстыратын "жоғары энергиялы аралық" іздеді. Бұл мәселені Питер Д. Митчелл 1961 жылы химиосмотикалық теорияны жариялағанда шешті. Бастапқыда бұл ұсыныс қатты дау тудырды, бірақ ол бірте-бірте қабылданды және Митчелл 1978 жылы Нобель сыйлығымен марапатталды. Келесі зерттеулер электрондық тасымалдау тізбегінің кешендері бойынша Дэвид Э. Гриннің және АТФ синтетазасы бойынша Эфраим Рэкердің үлкен үлесімен қатар, қатысты энзимдерді тазарту мен сипаттауға бағытталды. АТФ синтетазасының механизмін шешуге маңызды қадамды Пол Д. Бойер 1973 жылы "байланудың өзгеруі" механизмін әзірлеу арқылы жасады, одан кейін 1982 жылы айналмалы катализ туралы радикалды ұсынысы жасалды. Жақында Джон Э. Уокердің окистендіру фосфорилирлеуге қатысатын ферменттердің құрылымдық зерттеулері жүргізілді, нәтижесінде Уокер мен Бойер 1997 жылы Нобель сыйлығын алды.