Окислительное фосфорилирование
Окислительное фосфорилирование происходит в дыхательной цепи переноса электронов, функционирующей на внутренней мембране митохондрий. Приводит к синтезу АТФ и является конечным этапом клеточного дыхания.
При гликолизе и в цикле Кребса происходит отщепление атомов водорода от промежуточных продуктов реакций. Водород соединяется с НАД и ФАД, в результате образуются НАД · H2 и ФАД · H2, которые поступают в дыхательную цепь. Здесь водород в конечном итоге окисляется молекулярным кислородом до воды. Одновременно с этим происходит фосфорилирование большого количества молекул АДФ до АТФ.
Окислительное фосфорилирование есть процесс многоступенчатый. Водород отделяется от НАД · H2 и ФАД · H2, после чего передается по цепи переносчиков: флавопротеин, кофермент Q (убихинон), цитохромы. И только в конце своего пути он соединяется с кислородом. При этом переносчики претерпевают ряд окислительно-восстановительных реакций.
В нескольких местах дыхательной цепи при переходе атомов водорода и электронов от одного переносчика к другому выделяется энергия в количестве достаточном для синтеза АТФ.
На первых участках цепи переносится водород на наружную сторону мембраны, на последних — электроны с помощью цитохромов.
Пара цитохромов представляет собой белковые пигменты с железосодержащей группой - гемом. При окислительно-восстановительных реакциях железо оказывается попеременно в окисленной (Fe3+) или восстановленной (Fe2+) форме.
Последний цитохром в цепи содержит медь, он катализирует восстановление молекулярного кислорода до воды.
Перенос водорода и электронов по дыхательной цепи
НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) — коферменты, производные никотиновой кислоты. Первый отличается от второго отсутствием остатка фосфорной кислоты при молекуле рибозы. Эти молекулы электроположительны, так как у них отсутствует один электрон. Поэтому могут переносить как электроны, так и атомы водорода. Акцептируется пара атомов водорода, при этом один диссоциирует на протон и электрон. Хотя часто пишут НАД(Ф) · H2, но свободный протон оказывается не связанным с молекулой, а находится в среде: НАД · H + Н+.
При переносе водорода от НАД к флавопротеину происходит первый синтез АТФ в дыхательной цепи.
Водород переносится флавопротеином в виде целых атомов. Кофермент Q принимает водород от флавопротеина и передает его первому цитохрому (b). Цитохромы переносят только электроны с помощью входящего в их состав атома железа, который восстанавливается из Fe3+ в Fe2+. Поэтому водород распадается на ион H+ и e-. Ионы водорода оказываются в окружающей среде с внешней стороны внутренней митохондриальной мембраны.
При передаче электронов по цепи цитохромов происходит синтез АТФ. Последний цитохром передает электроны молекулярному кислороду, который превращается в отрицательно заряженный анион.
Между наружной поверхностью внутренней мембраны, где накапливаются катионы водорода (H+), и внутренней поверхностью мембраны, где накапливаются анионы кислорода (O2-), возникает разность потенциалов. В мембрану встроен фермент АТФ-синтетаза, благодаря которому образуется АТФ. Когда разность потенциалов достигает критической величины, H+ перемещаются через канал фермента. За счет энергии этого перемещения происходит синтез АТФ, а кислород присоединяет ионы водорода с образованием воды.