окислительное фосфорилирование
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
синтез АТФ из аденозиндифосфата и неорг. фосфата, осуществляющийся в живых клетках, благодаря энергии, выделяющейся при окислении орг. веществ в процессе клеточного дыхания. В общем виде О.ф. и его место в обмене веществ можно представить схемой:
АH2-орг. вещества, окисляемые в дыхат. цепи (т. наз. субстраты окисления, или дыхания), АДФ-аденозиндифосфат, Р-неорг. фосфат.
Поскольку АТФ необходим для осуществления мн. процессов, требующих затраты энергии (биосинтез, совершение мех. работы, транспорт веществ и др.), О.ф. играет важнейшую роль в жизнедеятельности аэробных организмов. Образование АТФ в клетке происходит также благодаря др. процессам, напр. в ходе гликолиза и разл. типов брожения, протекающих без участия кислорода. Их вклад в синтез АТФ в условиях аэробного дыхания составляет незначит. часть от вклада О.ф. (ок. 5%).
У животных, растений и грибов О.ф. протекает в спе-циализир. субклеточных структурах-митохондриях (рис. 1); у бактерий ферментные системы, осуществляющие этот процесс, находятся в клеточной мембране.
Митохондрии окружены белково-фосфолипидной мембраной. Внутри митохондрий (в т. наз. матриксе) идет ряд метаболич. процессов распада пищ. веществ, поставляющих субстраты окисления АH2 для О.ф. Наиб. важные из этих процессов -трикарбоновых кислот цикл и т. наз.
Механизм О.ф. можно представить схемой: Перенос электронов (дыхание) → А ~ В → АТФ А ~ Веществысокоэнергетич. интермедиат Предполагалось, что А ~ В — хим. соед. с макроэргич. связью, напр. фосфорилир. фермент дыхат. цепи (хим. гипотеза сопряжения), или напряженная конформация к.-л. белка, участвующего в О.ф. (конформац. гипотеза сопряжения). Однако эти гипотезы не получили эксперим. подтверждения. Наиб. признанием пользуется хемиосмотич. концепция сопряжения, предложенная в 1961 П. Митчеллом (за развитие этой концепции в 1979 ему присуждена Нобелевская премия). Согласно этой теории, своб. энергия транспорта электронов в дыхат. цепи затрачивается на перенос из митохондрий через митохондриальную мембрану на ее наружную сторону ионов H+ (рис. 2, процесс 1). В результате на мембране возникает разность электрич. потенциалов
где R — универсальная газовая постоянная, T — абс. температура, F- число Фарадея. Величина
Перенос электронов (дыхание)
Сопряжение окисления и фосфорилирования через
В дыхат. цепи имеется неск. участков, которые характеризуются значит. перепадом окислительно-восстановит. потенциала
Обычно для характеристики эффективности О.ф. используют величины H+/2е или q/2e, указывающие сколько протонов (либо электрич. зарядов) переносится через мембрану при транспорте пары электронов через данный участок дыхат. цепи, а также отношение H+/АТФ, показывающее, сколько протонов нужно перенести снаружи внутрь митохондрий через АТФ-синтетазу для синтеза 1 молекулы АТФ. Величина q/2e составляет для пунктов сопряжения 1, 2 и 3 соотв. 3–4, 2 и 4. Величина H+/АТФ при синтезе АТФ внутри митохондрий равна 2; однако еще один H+ может тратиться на вынос синтезированного АТФ4− из матрикса в цитоплазму переносчиком адениновых нуклеотидов в обмен на АДФ −3. Поэтому кажущаяся величина H+ / АТФнаружн равна 3.
В организме О.ф. подавляется мн. токсичными веществами, которые по месту их действия можно разделить на три группы: 1) ингибиторы дыхат. цепи, или т. наз. дыхат. яды (см. дыхание). 2) Ингибиторы АТФ-синтетазы. Наиболее распространенные ингибиторы этого класса, употребляемые в лаб. исследованиях, — антибиотик олигомицин и модификатор карбоксильных групп белка дициклогексилкарбодиимид. 3) Т. наз. разобщители О.ф. Они не подавляют ни перенос электронов, ни собственно фосфорилирование АДФ, но обладают способностью уменьшать величину
Двигаясь через мембрану в электрич. поле в ионизованной форме, разобщитель уменьшает
Разобщающим действием обладают также ионофоры (напр., грамицидин), повышающие электропроводность мембраны в результате образования ионных каналов или вещества, разрушающие мембрану (напр., детергенты).
О.ф. открыто В. А. Энгельгардтом в 1930 при работе с эритроцитами птиц. В 1939 В. А. Белицер и Е. Т. Цыбакова показали, что О.ф. сопряжено с переносом электронов в процессе дыхания; к такому же заключению несколько позднее пришел Г. М. Калькар.
Лит.: Рэкер Э., Биоэнергетические механизмы, пер. с англ., М., 1967; Ленинджер А., Основы биохимии, пер. с англ., т. 2, М., 1985, с. 508–46; Страйер Л., Биохимия, пер. с англ., т. 2, М., 1985, с. 71–94; Николc Д., Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию, пер. с англ., М., 1985; Скулачев В. П., Энергетика биологических мембран, М., 1989.
А. А. Константинов
Химическая энциклопедия