окисного фосфорилювання , синтез АТФ з аденозиндифосфата і неорг. фосфату , Який наразі триває в живих клітинах , Завдяки енергії, що виділяється при окисленні орг. в-в в процесі клітинного дихання . У загальному вигляді окислительное фосфорилирование і його місце в обміні в-в можна представити схемою:

АН2-орг. в-ва, окислюються в дихат. ланцюга (т. зв. субстрати окислення , або дихання ), АДФ-аденозиндифосфат, Р-неорг. фосфат .

оскільки АТФ необхідний для здійснення мн. процесів, що вимагають витрати енергії ( біосинтез , Вчинення хутро. роботи, транспорт в-в та ін.), Окислительное фосфорилирование відіграє найважливішу роль в життєдіяльності аеробних організмів . Освіта АТФ в клітці відбувається також завдяки ін. процесів, напр. в ході гліколізу і разл. типів бродіння , Що протікають без участі кисню . Їх внесок у синтез АТФ в умовах аеробного дихання складає незначну. частина від вкладу окисного фосфорилювання (Бл. 5%).

У тварин, рослин і грибів окислительное фосфорилирование протікає в спе-ціалізір. субклітинних структурах-мітохондріях (рис. 1); у бактерій ферментні системи, що здійснюють цей процес, знаходяться в клітинній мембрані .

мітохондрії оточені білково-фосфоліпідної мембраною . усередині мітохондрій (В т. Зв. Матриксе) йде ряд метаболич. процесів розпаду харч. в-в, що постачають субстрати окислення АН2 для окисного фосфорилювання . Наїб. Найважливіші з цих процесів -трікарбонових кислот цикл і т. зв. -Окислення жирних к-т (оксиди. розщеплення жирної к-ти з утворенням ацетил-коферменту А і к-ти, що містить на 2 атома З менше, ніж вихідна; знову утворюється жирна к-та також може піддаватися -Окислення). інтермедіати цих процесів піддаються дегидрированию ( окислення ) за участю ферментів дегидрогеназ ; потім електрони передаються в дихат. ланцюг мітохондрій-ансамбль окісліт.-відновить. ферментів , Вбудованих у внутр. мітохонд-ріальну мембрану . Дихат. ланцюг здійснює багатоступінчастий екзергоніч. перенос електронів (Супроводжується зменшенням своб. Енергії) від субстратів до кисню , А вивільняється енергія використовується розташованим в тій же мембрані ферментом АТФ-синтетазой, для фос-форілірованія АДФ до АТФ . У интактной (неушкодженої) мітохондріальної мембрані перенос електронів в дихат. ланцюга і фосфорилирование тісно пов'язані між собою. Так, напр., Вимикання фосфорилювання після вичерпання АДФ або неорг. фосфату супроводжується гальмуванням дихання (Ефект дихат. Контролю). Велике число ушкоджують мітохондріальну мембрану впливів порушує сполучення між окисленням і фосфор-лирование, дозволяючи йти переносу електронів і під час відсутності синтезу АТФ (Ефект роз'єднання).

механізм окислювального фосфорилювання можна представити схемою: Перенесення електронів ( дихання ) А ~ В АТФ А ~ В-високоенергетіч. интермедиат Передбачалося, що А ~ В - хім. соед. з макроергіч. зв'язком, напр. фосфорилюються. фермент дихат. ланцюга (хім. гіпотеза сполучення), або напружена конформація до.-л. білка , Який бере участь в окислювальному фосфорилировании (Конформації. Гіпотеза сполучення). Однак ці гіпотези не отримали т фіз. підтвердження. Наїб. визнанням користується хеміосмотіч. концепція сполучення, запропонована в 1961 П. Мітчеллом (за розвиток цієї концепції в 1979 йому присуджено Нобелівську премію). Відповідно до цієї теорії, своб. енергія транспорту електронів в дихат. ланцюга витрачається на перенесення з мітохондрій через мітохондріальну мембрану на її зовнішню сторону іонів Н + (рис. 2, процес 1). В результаті на мембрані виникає різниця електричні. потенціалів і різниця хім. активностей іонів Н + (всередині мітохондрій рН вище, ніж зовні). У сумі ці компоненти дають трансмембранну різниця ЕлектроХіт. потенціалів іонів водню між матриксом мітохондрій і зовн. водною фазою, розділеними мембраною :

де R-універсальна газова постійна , T-абс. т-ра, F- число Фарадея. величина зазвичай становить бл. 0,25 В, причому осн. частина (0,15-0,20 В) представлена ​​електричні. складовою . енергія , Що виділяється при русі протонів всередину мітохондрій по електричні. полю в бік меншої їх концентрації (Рис. 2, процес 2), використовується АТФ-синтетазой для синтезу АТФ . Т. обр., Схему окисного фосфорилювання , Згідно з цією концепцією, можна уявити у слід. вигляді:

перенесення електронів ( дихання ) АТФ

сполучення окислення і фосфорилювання через дозволяє пояснити, чому окислительное фосфорилирование , На відміну від гліколітіч. ( "Субстратного") фосфорилювання , Що протікає в розчині, можливо лише в замкнутих мембранних структурах, а також чому всі впливи, що знижують електричні. опір і збільшують протонну провідність мембрани , Пригнічують ( "роз'єднують") окислительное фосфорилирование . енергія , крім синтезу АТФ , Може безпосередньо використовуватися кліткою для ін. цілей - транспорту метаболітів , Руху (у бактерій), відновлення нико-тінамідних коферментів та ін.

У дихат. ланцюга є дек. ділянок, к-які характеризуються значить. перепадом окісліт.-відновить. потенціалу і пов'язані з запасанием енергії (генерацією ). Таких ділянок, наз. пунктами або точками сполучення, зазвичай три: НАДН: убіхінон-редуктазної ланка ( 0,35-0,4 В), убіхінол: цитохром-c-редуктазної ланка ( ~ ~ 0,25 В) і цитохром-с-оксидазний комплекс ( ~ 0,6 В) -пункт сполучення 1, 2 і 3 соотв. (Рис. 3). Кожен з пунктів сполучення дихат. ланцюга м.б. виділений з мембрани у вигляді індивідуального ферментного комплексу, що володіє окісліт.-відновить. активністю . Такий комплекс, вбудований в фосфоліпідну мембрану , Здатний функціонувати як протонний насос .

Зазвичай для характеристики ефективності окисного фосфорилювання використовують величини Н + / 2е або q / 2 e, що вказують скільки протонів (Або електричні. Зарядів) переноситься через мембрану при транспорті пари електронів через дану ділянку дихат. ланцюги, а також ставлення Н + / АТФ , Що показує, скільки протонів потрібно перенести зовні всередину мітохондрій через АТФ-синтетазу для синтезу 1 молекули АТФ . Величина q / 2 e складає для пунктів сполучення 1, 2 і 3 соотв. 3-4, 2 і 4. Величина Н + / АТФ при синтезі АТФ всередині мітохондрій дорівнює 2; однак ще один Н + може витрачатися на винос синтезованого АТФ 4 з матриксу в цитоплазму переносником аденінових нуклеотидів в обмін на АДФ -3. Тому що здається величина Н + / АТФ наружн дорівнює 3.

В організмі окислительное фосфорилирование пригнічується мн. токсичними в-вами, к-які за місцем їх дії можна розділити на три групи: 1) інгібітори дихат. ланцюги, або т. зв. дихат. отрути (див. дихання ). 2) інгібітори АТФ-синтетази. Наїб. поширені інгібітори цього класу, що вживаються в лаб. дослідженнях, - антибіотик олігоміцін і модифікатор карбоксильних груп білка діціклогексілкарбодііміда. 3) Т. зв. разобщители окисного фосфорилювання . Вони не пригнічують ні перенесення електронів , Ні власне фосфорилирование АДФ , Але мають здатність зменшувати величину на мембрані , Завдяки чому порушується енергетичних. сполучення між диханням і синтезом АТФ . Роз'єднує дію проявляє велику кількість сполуки. найрізноманітнішої хім. структури. Классич. разобщители - в-ва, що володіють слабкими кислотними св-вами, здатні проникати через мембрану як в іонізованої (депротонованої), так і в нейтральній (протоновану) формах. До таких в-вам відносять, напр., 1- (2-діціанометілен) гідразин-4-трифторо-метоксібензол, або карбонілціанід-n-трифторметокси-фенілгідразон, і 2,4-динитрофенол (соотв. Ф-ли I і II; показані протонір. і депротоніруется. форми).

рухаючись через мембрану в електричні. поле в іонізованої формі, разобщитель зменшує ; повертаючись назад в протонір. стані, разобщитель знижує (Рис. 4). Т. обр., Такий "човниковий" тип дії роз'єднувача призводить до зменшення

Роз'єднувальним дію мають також іонофори (Напр., грамицидин ), Що підвищують електропровідність мембрани в результаті утворення іонних каналів або в-ва, що руйнують мембрану (Напр., детергенти ).

Про кіслітельное фосфорилирование відкрито В. А. Енгельгардтом в 1930 при роботі з еритроцитами птахів. У 1939 В. А. Беліцер та Е. Т. Цибакова показали, що окисне фосфорилирование пов'язане з перенесенням електронів в процесі дихання ; до такого ж висновку трохи пізніше прийшов Г. М. Калькар.

Літ .: Рекер Е., Біоенергетичні механізми, пров. з англ., М., 1967; Ленинджер А., Основи біохімії , Пров. з англ., т. 2, М., 1985, с. 508-46; Страйер Л., біохімія , Пров. з англ., т. 2, М., 1985, с. 71-94; Ніколc Д., біоенергетика . Введення в хеміосмотіческой теорію, пров. з англ., М., 1985; Скулачов В. П., Енергетика біологічних мембран , М., 1989.

А. А. Константинов.