Окислительное фосфорилирование: Механизмы и значение

Введение

Окислительное фосфорилирование (UK /ɒ//k/'/s//ɪ//d//.//ə//.//t//ɪ//v/, US '/ɑː//k//.//s//ɪ/,/d//eɪ//.//t//ɪ//v/) или фосфорилирование, связанное с транспортом электронов, или терминальное окисление – это метаболический путь, в котором клетки используют ферменты для окисления питательных веществ, тем самым высвобождая химическую энергию для производства аденозинтрифосфата (АТФ). У эукариот этот процесс происходит внутри митохондрий. Почти все аэробные организмы осуществляют окислительное фосфорилирование. Этот путь настолько распространен, поскольку он высвобождает больше энергии, чем альтернативные процессы ферментации, такие как анаэробный гликолиз. Энергия, запасенная в химических связях глюкозы, высвобождается клеткой в цикле лимонной кислоты, в результате чего образуются углекислый газ и энергетические доноры электронов NADH и FADH. Окислительное фосфорилирование использует эти молекулы и O2 для производства АТФ, который используется во всей клетке при необходимости энергии. Во время окислительного фосфорилирования электроны передаются от доноров электронов к серии акцепторов электронов в последовательности окислительно-восстановительных реакций, завершающихся кислородом, реакция которого высвобождает половину от общей энергии. У эукариот эти окислительно-восстановительные реакции катализируются серией белковых комплексов во внутренней мембране митохондрий клетки, в то время как у прокариот эти белки расположены во внешней мембране клетки. Эти связанные наборы белков называются цепью переноса электронов. У эукариот участвуют пять основных белковых комплексов, а у прокариот присутствует множество различных ферментов, использующих разнообразные доноры и акцепторы электронов. Энергия, передаваемая электронами, протекающими через эту цепь переноса электронов, используется для переноса протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану в процессе, называемом транспортом электронов. Это создает потенциальную энергию в виде градиента pH и результирующего электрического потенциала через эту мембрану. Этот запас энергии используется, когда протоны возвращаются через мембрану и движутся вниз по градиенту потенциальной энергии через крупный фермент, называемый АТФ-синтазой, в процессе, называемом хемиосмосом. АТФ-синтаза использует эту энергию для преобразования аденозиндифосфата (АДФ) в аденозинтрифосфат в реакции фосфорилирования. Реакция обусловлена потоком протонов, который заставляет вращаться часть фермента. АТФ-синтаза – это роторный механический двигатель. Хотя окислительное фосфорилирование является жизненно важной частью метаболизма, оно производит реактивные формы кислорода, такие как супероксид и перекись водорода, которые приводят к образованию свободных радикалов, повреждают клетки и способствуют развитию заболеваний и, возможно, старению и сенильности. Ферменты, осуществляющие этот метаболический путь, также являются мишенью для многих лекарств и ядов, которые ингибируют их активность.

Metabolic pathway

Oxidative phosphorylation (UK /ɒ//k/'/s//ɪ//d//.//ə//.//t//ɪ//v/, US '/ɑː//k//.//s//ɪ/,/d//eɪ//.//t//ɪ//v/ ) or electron transport linked phosphorylation or terminal oxidation is the metabolic pathway in which cells use enzymes to oxidize nutrients, thereby releasing chemical energy in order to produce adenosine triphosphate (ATP). In eukaryotes, this takes place inside mitochondria. Almost all aerobic organisms carry out oxidative phosphorylation. This pathway is so pervasive because it releases more energy than alternative fermentation processes such as anaerobic glycolysis. The energy stored in the chemical bonds of glucose is released by the cell in the citric acid cycle, producing carbon dioxide and the energetic electron donors NADH and FADH. Oxidative phosphorylation uses these molecules and O2 to produce ATP, which is used throughout the cell whenever energy is needed. During oxidative phosphorylation, electrons are transferred from the electron donors to a series of electron acceptors in a series of redox reactions ending in oxygen, whose reaction releases half of the total energy. In eukaryotes, these redox reactions are catalyzed by a series of protein complexes within the inner membrane of the cell's mitochondria, whereas, in prokaryotes, these proteins are located in the cell's outer membrane. These linked sets of proteins are called the electron transport chain. In eukaryotes, five main protein complexes are involved, whereas in prokaryotes many different enzymes are present, using a variety of electron donors and acceptors. The energy transferred by electrons flowing through this electron transport chain is used to transport protons across the inner mitochondrial membrane, in a process called electron transport. This generates potential energy in the form of a pH gradient and the resulting electrical potential across this membrane. This store of energy is tapped when protons flow back across the membrane and down the potential energy gradient, through a large enzyme called ATP synthase in a process called chemiosmosis. The ATP synthase uses the energy to transform adenosine diphosphate (ADP) into adenosine triphosphate, in a phosphorylation reaction. The reaction is driven by the proton flow, which forces the rotation of a part of the enzyme. The ATP synthase is a rotary mechanical motor. Although oxidative phosphorylation is a vital part of metabolism, it produces reactive oxygen species such as superoxide and hydrogen peroxide, which lead to propagation of free radicals, damaging cells and contributing to disease and, possibly, aging and senescence. The enzymes carrying out this metabolic pathway are also the target of many drugs and poisons that inhibit their activities.

Химиосмоз

Окислительное фосфорилирование работает, используя химические реакции, высвобождающие энергию, для приведения в движение реакций, требующих энергии. Эти две группы реакций считаются сопряженными. Это означает, что одна не может происходить без другой. Цепь окислительно-восстановительных реакций, обеспечивающая поток электронов через цепь переноса электронов от доноров электронов, таких как NADH, к акцепторам электронов, таким как кислород и водород (протоны), является экзергоническим процессом – она высвобождает энергию, в то время как синтез АТФ является эндогоническим процессом, требующим затрат энергии. И цепь переноса электронов, и АТФ-синтаза встроены в мембрану, и энергия передается от цепи переноса электронов к АТФ-синтазе посредством перемещения протонов через эту мембрану в процессе, называемом хемиосмосом. Поток протонов направляется от отрицательной N-стороны мембраны к положительной P-стороне через протонные насосы цепи переноса электронов. Перемещение протонов создает электрохимический градиент через мембрану, называемый протон-движущей силой. Он имеет два компонента: разность в концентрации протонов (градиент H+, ΔpH) и разность в электрическом потенциале, при этом N-сторона имеет отрицательный заряд. АТФ-синтаза высвобождает эту накопленную энергию, замыкая цепь и позволяя протонам двигаться по электрохимическому градиенту обратно к N-стороне мембраны. Электрохимический градиент приводит к вращению части структуры фермента и связывает это движение с синтезом АТФ. Два компонента протон-движущей силы термодинамически эквивалентны: в митохондриях большая часть энергии обеспечивается потенциалом, в алкалифильных бактериях электрическая энергия даже должна компенсировать противодействующую обратную разницу pH. И наоборот, хлоропласты работают в основном на ΔpH. Однако для кинетики синтеза АТФ им также требуется небольшой мембранный потенциал. В случае бактерии *Propionigenium modestum* это приводит к обратному вращению субъединиц a и c FO-мотора АТФ-синтазы. В то время как каждый цикл бета-окисления жирной кислоты дает около 14 молекул АТФ. Эти выходы АТФ являются теоретическими максимальными значениями; на практике некоторые протоны просачиваются через мембрану, снижая выход АТФ.

Oxidative phosphorylation works by using energy releasing chemical reactions to drive energy requiring reactions. The two sets of reactions are said to be coupled. This means one cannot occur without the other. The chain of redox reactions driving the flow of electrons through the electron transport chain, from electron donors such as NADH to electron acceptors such as oxygen and hydrogen (protons), is an exergonic process – it releases energy, whereas the synthesis of ATP is an endergonic process, which requires an input of energy. Both the electron transport chain and the ATP synthase are embedded in a membrane, and energy is transferred from the electron transport chain to the ATP synthase by movements of protons across this membrane, in a process called chemiosmosis. A current of protons is driven from the negative N side of the membrane to the positive P side through the proton pumping enzymes of the electron transport chain. The movement of protons creates an electrochemical gradient across the membrane, is called the proton motive force. It has two components: a difference in proton concentration (a H+ gradient, ΔpH) and a difference in electric potential, with the N side having a negative charge. ATP synthase releases this stored energy by completing the circuit and allowing protons to flow down the electrochemical gradient, back to the N side of the membrane. The electrochemical gradient drives the rotation of part of the enzyme's structure and couples this motion to the synthesis of ATP. The two components of the proton motive force are thermodynamically equivalent: In mitochondria, the largest part of energy is provided by the potential; in alkaliphile bacteria the electrical energy even has to compensate for a counteracting inverse pH difference. Inversely, chloroplasts operate mainly on ΔpH. However, they also require a small membrane potential for the kinetics of ATP synthesis. In the case of the fusobacterium Propionigenium modestum it drives the counter rotation of subunits a and c of the FO motor of ATP synthase. while each cycle of beta oxidation of a fatty acid yields about 14 ATPs. These ATP yields are theoretical maximum values; in practice, some protons leak across the membrane, lowering the yield of ATP.

Молекулы для переноса электронов и протонов

Транспортная цепь электронов переносит как протоны, так и электроны, передавая электроны от доноров к акцепторам и транспортируя протоны через мембрану. В этих процессах используются как растворимые, так и связанные с белком молекулы переноса. В митохондриях электроны переносятся в межмембранном пространстве водорастворимым белком цитохромом c. Он переносит только электроны, и они передаются посредством восстановления и окисления атома железа, который белок содержит в гемовой группе своей структуры. Цитохром c также обнаруживается в некоторых бактериях, где он расположен в периплазматическом пространстве. Внутри внутренней митохондриальной мембраны липидорастворимый переносчик электронов кофермент Q10 (Q) переносит как электроны, так и протоны посредством окислительно-восстановительного цикла. Эта небольшая молекула бензохинона очень гидрофобна, поэтому она свободно диффундирует внутри мембраны. Когда Q принимает два электрона и два протона, он восстанавливается до формы убихинола (QH2); когда QH2 отдает два электрона и два протона, он окисляется обратно в форму убихинона (Q). В результате, если два фермента расположены таким образом, что Q восстанавливается с одной стороны мембраны, а QH2 окисляется с другой, убихинон связывает эти реакции и переносит протоны через мембрану. Некоторые бактериальные цепи транспорта электронов используют различные хиноны, такие как менахинон, в дополнение к убихинону. Внутри белков электроны передаются между кофакторами флавина, железо-серными кластерами и цитохромами. Существует несколько типов железо-серных кластеров. Самый простой тип, встречающийся в цепи переноса электронов, состоит из двух атомов железа, соединенных двумя атомами неорганической серы; они называются кластерами [2Fe–2S]. Второй тип, называемый [4Fe–4S], содержит куб из четырех атомов железа и четырех атомов серы. Каждый атом железа в этих кластерах координирован дополнительной аминокислотой, обычно атомом серы цистеина. Металл-ионные кофакторы подвергаются окислительно-восстановительным реакциям без связывания или высвобождения протонов, поэтому в цепи транспорта электронов они служат исключительно для переноса электронов через белки. Электроны проходят довольно большие расстояния через белки, перескакивая по цепям этих кофакторов. Это происходит посредством квантового туннелирования, которое происходит быстро на расстояниях менее 1,4 м.

The electron transport chain carries both protons and electrons, passing electrons from donors to acceptors, and transporting protons across a membrane. These processes use both soluble and protein bound transfer molecules. In mitochondria, electrons are transferred within the intermembrane space by the water soluble electron transfer protein cytochrome c. This carries only electrons, and these are transferred by the reduction and oxidation of an iron atom that the protein holds within a heme group in its structure. Cytochrome c is also found in some bacteria, where it is located within the periplasmic space. Within the inner mitochondrial membrane, the lipid soluble electron carrier coenzyme Q10 (Q) carries both electrons and protons by a redox cycle. This small benzoquinone molecule is very hydrophobic, so it diffuses freely within the membrane. When Q accepts two electrons and two protons, it becomes reduced to the ubiquinol form (QH2); when QH2 releases two electrons and two protons, it becomes oxidized back to the ubiquinone (Q) form. As a result, if two enzymes are arranged so that Q is reduced on one side of the membrane and QH2 oxidized on the other, ubiquinone will couple these reactions and shuttle protons across the membrane. Some bacterial electron transport chains use different quinones, such as menaquinone, in addition to ubiquinone. Within proteins, electrons are transferred between flavin cofactors, iron–sulfur clusters and cytochromes. There are several types of iron–sulfur cluster. The simplest kind found in the electron transfer chain consists of two iron atoms joined by two atoms of inorganic sulfur; these are called [2Fe–2S] clusters. The second kind, called [4Fe–4S], contains a cube of four iron atoms and four sulfur atoms. Each iron atom in these clusters is coordinated by an additional amino acid, usually by the sulfur atom of cysteine. Metal ion cofactors undergo redox reactions without binding or releasing protons, so in the electron transport chain they serve solely to transport electrons through proteins. Electrons move quite long distances through proteins by hopping along chains of these cofactors. This occurs by quantum tunnelling, which is rapid over distances of less than 1.4 m.

История

Область окислительного фосфорилирования началась с доклада в 1906 году Артура Хардена о жизненно важной роли фосфата в клеточной ферментации, но изначально было известно, что в ней участвуют только сахарные фосфаты. Однако в начале 1940-х годов связь между окислением сахаров и образованием АТФ была чётко установлена Германом Калькаром, подтвердив центральную роль АТФ в передаче энергии, предложенную Фрицем Альбертом Липманом в 1941 году. Позже, в 1949 году, Моррис Фридкин и Альберт Л. Ленингер доказали, что коэнзим NADH связывает метаболические пути, такие как цикл лимонной кислоты и синтез АТФ. Термин «окислительное фосфорилирование» был предложен Володимиром Белицером в 1939 году. В течение последующих двадцати лет механизм образования АТФ оставался загадкой, и ученые искали неуловимый «промежуточный продукт с высокой энергией», который связал бы реакции окисления и фосфорилирования. Эта загадка была решена Питером Д. Митчеллом с публикацией химиосмотической теории в 1961 году. Первоначально это предложение вызвало большие споры, но постепенно было принято, и Митчеллу была присуждена Нобелевская премия в 1978 году. Последующие исследования были сосредоточены на очистке и характеристике участвующих ферментов, с важным вкладом Дэвида Э. Грина в изучение комплексов электрон-транспортной цепи, а также Эфраима Рэкера в изучение АТФ-синтазы. Критический шаг к пониманию механизма АТФ-синтазы был сделан Полом Д. Бойером, который в 1973 году разработал механизм «изменения конформации», а в 1982 году выдвинул радикальное предложение о ротационном катализе. Более поздние работы включали структурные исследования ферментов, участвующих в окислительном фосфорилировании, проведённые Джоном Э. Уолкером, а Уолкер и Бойер были удостоены Нобелевской премии в 1997 году.