If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Окислително фосфорилиране

Преглед на оксидативно фосфорилиране. Електронната транспортна верига създава протонен градиент през вътрешната митохондриална мембрана, което задвижва синтеза на АТФ чрез хемиосмоза.

Защо се нуждаем от кислород?

Ти, както и много други организми, се нуждаеш от кислород, за да живееш. Както сигурно знаеш – ако опиташ да задържиш дъха си твърде дълго, липсата на кислород може да те замае или дори да те накара да изгубиш съзнание, а продължителната липса на кислород може дори да причини смърт. Но било ли ти е чудно някога защо това е така и какво точно прави тялото ти с всичкия този кислород?
Както се оказва, нуждаем се от кислород, защото клетките ни го използват по време на окислителното фосфорилиране – крайният етап на клетъчното дишане. Окислителното фосфорилиране се състои от два тясно свързани компонента: електрон-транспортна верига и хемиосмоза. В електрон-транспортната верига електроните се прехвърлят от една молекула на друга и енергията, освободена в тези преноси на електрони, се използва за образуването на електрохимични градиенти. В хемиосмозата енергията, съхранена в градиента, се използва за производството на АТФ.
Следователно къде се вписва кислородът в тази картина? Кислородът се намира в края на електрон-транспортната верига, където приема електрони и събира протони, за да се получи вода. Ако кислородът не е там да приеме електрони (например защото човек не вдишва достатъчно кислород), електрон-транспортната верига ще спре да работи и вече няма да се произвежда АТФ при хемиосмозата. Без достатъчно АТФ клетките не могат да извършват реакциите, от които се нуждаят, за да функционират, и след дълъг период от време могат дори да умрат.
В тази статия ще разгледаме окислителното фосфорилиране в дълбочина и ще видим как то осигурява по-голямата част от готовата химична енергия (АТФ), използвана от клетките в човешкото тяло.

Преглед: окислително фосфорилиране

Електрон-транспортната верига е серия от протеини и органични молекули, които се намират във вътрешната мембрана на митохондриите. Електроните преминават от един член на транспортната верига към друг в серия окислително-редукционни (редокс) реакции. Енергията, освободена в тези реакции, се улавя във вид на градиент на протоните, който после се използва за създаване на АТФ в процес, наречени хемиосмоза. Заедно електрон-транспортната верига и хемиосмозата представляват така нареченото окислително фосфорилиране. Ключовите стъпки от този процес, показани в опростената форма на диаграмата по-горе, включват:
  • Доставяне на електрони от НАДН и ФАДН2. Редуцираните електрон-носители (НАДН и ФАДН2) от други стъпки на клетъчното дишане прехвърлят електроните си към молекули в началото на транспортната верига. В процеса се преобразуват отново в НАД+ и ФАД, които могат да бъдат използвани отново в други стъпки на клетъчното дишане.
  • Пренос на електрони и помпане на протони. Докато електроните се прехвърлят надолу по веригата, те преминават от по-високо към по-ниско енергийно ниво, освобождавайки енергия. Част от енергията се използва за изпомпването на йони H+, премествайки ги извън матрикса и в междумембранното пространство. Това изпомпване създава електрохимичен градиент.
  • Разцепване на молекула кислород за образуването на вода. В края на електрон-транспортната верига електроните се пренасят към молекулярен кислород, който се разцепва на две и приема H+, при което се образува вода.
  • Градиент-задвижена синтез на АТФ. Когато йони H+ се стичат надолу по своя градиент и обратно в матрикса, те преминават през ензим, наречен АТФ синтаза, който впряга потока протони, за да синтезира АТФ.
Ще погледнем по-отблизо електрон-транспортната верига и хемиосмозата в секциите по-долу.

Електрон-транспортната верига

Електрон-транспортната верига е съвкупност от мембранни протеини и органични молекули, повечето от които са организирани в четири големи компекса, номерирани от I до IV. При еукариотите много копия от тези молекули се намират във вътрешната митохондриална мембрана. При прокариотите компонентите на електрон-транспортната верига се намират в плазмената мембрана.
Докато електроните пътуват през веригата, те преминават от по-високо към по-ниско енергийно ниво, от по-малко "гладни за електрони" към по-"гладни" за електрони молекули. При това движение на електроните "надолу" в енергийно отношение се освобождава енергия и няколко от протеиновите комплекси използват тази освободена енергия, за да изпомпват протони от митоходриалния матрикс в интермембранното пространство, при което се получава протонен градиент.
Изображение, модифицирано от "Окислително фосфорилиране: Фигура 1" от Колеж ОупънСтакс, Биология (CC BY 3.0).
Всички електрони, които навлязат в транспортната верига, идват от молекули НАДН и ФАДН2, получени по време на ранните етапи на клетъчното дишане: гликолиза, пируватно окисление и цикъл на лимонената киселина.
  • НАДН е много добър при даряването на електрони в редокс реакции (т.е. неговите електрони са на високо енергийно ниво), така че да може да пренесе електроните си директно до комплекс I, преобразувайки го отново в НАД+. Докато електроните се придвижват през комплекс I в поредица от редокс реакции, се освобождава енергия и комплексът използва тази енергия, за да изпомпва протони от матрикса в междумембранното пространство.
  • ФАДН2 не е толкова добър в отдаването на електрони както НАДН (т.е. неговите електрони са на по-ниско енергийно ниво), така че не може да прехвърли електроните си към комплекс I. Вместо това ги подава на електрон-транспортната верига чрез комлекс II, който не изпомпва протони през мембраната
Заради това "заобикаляне" всяка молекула ФАДН2 води до изпомпване на по-малко протони (и допринася по-малко за протонния градиент), отколкото НАДН.
След първите два комплекса електроните от НАДН и ФАДН2 се придвижват по точно същия маршрут. И комплекс I, и комплекс II прехвърлят електроните си към малък мобилен преносител на електрони, наречен убихинон (Q), който се редуцира, за да се получи QH2 и се придвижва през мембраната, доставяйки електроните на комплекс III. Докато електроните се местят през комплекс III, още H+ йони се изпомпват през мембраната и електроните накрая се доставят до друг мобилен преносвач, наречен цитохром C (cyt C). Cyt C пренася електроните до комплекс IV, където крайна купчина от H+ йони се изпомпва през мембраната. Комплекс IV прехвърля електроните към O2, който се разцепва на два кислородни атома и приема протони от матрикса, за да образува вода. За редукцията на една молекула O2 са нужни четири електрона, при което се получават две молекули вода.
Като цяло какво прави електрон-транспортната верига за клетката? Тя има две важни функции:
  • Възстановяване на преносители на електрони. НАДН и ФАДН2 прехвърлят електроните си към електрон-транспортната верига, връщайки се обратно в НАД+ и ФАД. Това е важно, защото окислените форми на тези преносители на електрони се използват в гликолизата и цикъла на Кребс и трябва да са налични, за да поддържат работата на тези процеси.
  • Създаване на протонен градиент. Транспортната верига създва протонен градиент през вътрешната митохондриална мембрана, характеризиращ се с по-висока концентрация на H+ в междумембранното пространство и по-ниска концентрация в матрикса. Този градиент представлява форма на съхранение на енергия, и както ще видим, може да се използва за синтез на АТФ.

Хемиосмоза

Комплексите I, III и IV на електрон-транспортната верига са протонови помпи. Докато електроните минават по енергийно нанадолнище, комплексите улавят освободената енергия и я използват, за да изпомпват H+ йони от матрикса към междумембранното пространство. Това изпомпване създава електрохимичен градиент през вътрешната митохондриална мембрана. Градиентът понякога се нарича протон-движеща сила и можеш да си го представиш като вид съхранена енергия, приличаща на батерия.
Като много други йони, протоните не могат да преминат директно през фосфолипидния двуслой на мембраната, понеже вътрешният ѝ слой е твърде хидрофобен. Вместо това йоните H+ могат да преминат надолу по концентрационния си градиент само с помощта на канални протеини, които образуват хидрофилни тунели през мембраната.
През вътрешната митохондриална мембрана йоните H+ могат да преминат само по един наличен канал: обхващащ мембраната протеин, познат като АТФ синтаза. Можем да оприличим АТФ синтазата на турбина във водноелектрическа централа. Вместо да се задейства от водата, тя се задейства от потока на йони H+, които се движат надолу по електрохимичния си градиент. Докато АТФ синтазата се обръща, тя катализира свързването на един фосфат към АДФ, улавяйки енергия от протонния градиент във вид на АТФ.
Изображение, модифицирано от "Окислително фосфорилиране: Фигура 3" от Колеж ОупънСтакс, Биология (CC BY 3,0).
Този процес, в който енергията на протонния градиент се използва за синтез на АТФ, се нарича хемиосмоза. По-общо казано, хемиосмозата може да представлява всеки процес, при който енергията, съхранена в даден протонен градиент, се използва за извършване на работа. Въпреки че на процеса хемиосмоза се пада над 80% от синтезирания АТФ по време на разграждането на глюкоза при клетъчното дишане, този процес не е уникален за клетъчното дишане. Например хемиосмозата е включена също така и в светлинните реакции на фотосинтезата.
Какво ще стане с енергията, съхранена в протонния градиент, ако не се използва за синтез на ATФ или за извършването на друга задача в клетката? Тя ще бъде освободена като топлина, и е интересно да се отбележи, че някои видове клетки преднамерено използват протонния градиента за генерирането на топлина, а не за синтез на АТФ. Това може да изглежда разточително, но е важна стратегия за животни, които трябва да поддържат телесната си топлина. Например животни, които спят зимен сън (като мечките), имат специализирани клетки, наречени кафяви мастни клетки. В кафявите мастни клетки се произвеждат разединяващи протеини, които се намират във вътрешната митохондриална мембрана. Тези протеини са просто канали, които позволяват на протоните да преминават от междумембранното пространство към матрикса, без да участват в синтеза на ATФ. Предоставяйки алтернативен маршрут за протоните, по който да постъпят обратно в матрикса, разединяващите протеини позволяват на енергията на градиента да се превърне в топлина.

Добив на АТФ

Колко АТФ се получава от една молекула глюкоза в процеса на клетъчното дишане? Ако погледнеш в различни учебници или попиташ различни професори, вероятно ще получиш различни отговори. Но в последните източници е изчислено, че максималният добив на АТФ от една молекула глюкоза е около 30-32 АТФ2,3,4. Този диапазон е по-нисък от предишни приблизителни изчисления, понеже отчита нужния транспорт на АДФ навътре в митохондрията и на АТФ извън нея.
Откъде идва числото 30-32 АТФ? При гликолизата се получават общо две молекули АТФ, и други две молекули АТФ (или енергийно еквивалентни ГТФ) се получават в цикъла на Кребс. Освен тези четири, всички останали АТФ идват от окислителното фосфорилиране. Въз основа на много експериментална работа се оказва, че четири H+ йона трябва да се влеят обратно в матрикса чрез АТФ синтаза, за да задействат синтеза на една молекула АТФ. Когато елетроните от НАДН се придвижат през транспортната верига, се изпомпват около 10 H+ йона от матрикса към междумембранното пространство, така че от всяка молекула НАДН се получават около 2,5 АТФ. Електроните от ФАДН2, които навлизат във веригата в по-късен етап, водят до изпомпването само на 6 H+, при което се получава само около 1,5 АТФ.
С тази информация можем да направим рекапитулация на разграждането на една молекула глюкоза:
ЕтапДиректни продукти (нето)Краен АТФ добив (нето)
Гликолиза2 АТФ2 АТФ
2 НАДН3-5 АТФ
Пируват окисляване2 НАДН5 АТФ
Цикъл на Кребс2 АТФ/ГТФ2 АТФ
6 НАДН15 АТФ
2 ФАДФ23 АТФ
Общо30-32 АТФ
Една стойност в тази статия все още не е прецизна: добивът на АТФ от НАДН в процеса на гликолизата. Причината е в това, че гликолизата протича в цитозола, а НАДН не може да пресече вътрешната митохондриална мембрана, за да достави електроните си към комплекс I. Вместо това трябва да даде електроните си на молекулярна "транспортна система", която ги доставя чрез серии от стъпки – електрон-транспортна верига.
  • Някои от клетките в тялото ти притежават транспортна система, която доставя електрони в транспортната верига чрез ФАДН2. В този случай се синтезират само 3 АТФ от две НАДН от гликолизата.
  • Други клетки в тялото ти притежават транспортна система, която доставя електроните чрез НАДН, което води до синтеза на 5 АТФ.
В бактериите и гликолизата, и цикълът на лимонената киселина протичат в цитозола, така че не е нужен транспорт и се синтезират 5 АТФ.
30-32 АТФ от разграждането на една молекула глюкоза е горната граница и реалният добив може да е по-нисък. Например някои междинни продукти от клетъчното дишане може да бъдат пренасочени от клетката и използвани в други биосинтетични пътища, което намалява броя на произведените молекули АТФ. Клетъчното дишане е пресечна точка на голям брой различни метаболитни пътища в клетката, образувайки мрежа, която е по-обширна от пътищата за разграждане само на глюкозата.

Въпроси за самооценка

  1. Цианидът действа като отрова, защото потиска комплекс IV на електрон-транспортната верига, правейки го неспособен да пренася електрони. Как отравянето с цианид въздейства на 1) електрон-транспортната верига и 2) протонния градиент през вътрешната митоходнриална мембрана?
    Избери един отговор:
  2. Динитрофенол (ДНФ) е химикал, който действа като раздвоителен агент, правейки вътрешната митохондриална мембрана пропусклива за протони. Използван е до 1938 г. като лекарство за отслабване. Как ДНФ би въздействал на количеството АТФ, произведено при клетъчното дишане? Защо мислиш, че сега е премахнат от пазара?*
    Избери един отговор:

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.