Следующая фаза называется окислительным фосфорилированием и происходит во внутренней мембране митохондрии. При окислительном фосфорилировании происходит перенос несколькими белковыми комплексами электронов от НАДН и ФАДН2 по ЭТЦ к соединениям-акцепторам в ходе окислительно-восстановительных реакций. В конце ЭТЦ электроны попадают на кислород и восстанавливают его до воды. Энергия, выделяющаяся при каждом этапе движения электронов по дыхательной электрон-транспортной цепи, используется для транспорта протонов (атомов водорода) через матрикс в межмембранное пространство. Это приводит к высокой концентрации протонов между мембранами и их низкой концентрации в матриксе. Разница между уровнями концентрации протонов называется протонным (электрохимическим) градиентом и является потенциальной энергией. Эта энергия высвобождается при возвращении протонов обратно в митохондриальный матрикс под влиянием электрохимического градиента. Возвращение осуществляется через особые каналы, в которых происходит синтез молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), представляющей собой универсальный источник энергии и использующейся всеми живыми клетками. Все это можно представить себе так: вода (протоны) перекачивается в резервуар (межмембранное пространство) и накапливается перед плотиной (внутренней мембраной), стремясь вернуться в матрикс. По мере того как вода течет сквозь плотину по специальным каналам, она приводит в движение турбины, в результате чего высвобождается гидроэлектрическая энергия (рис. 1.2).
Это очень эффективный процесс по извлечению скрытой в пище энергии для синтеза АТФ. Все подлинно жизненно важные действия (дыхание и поглощение пищи) осуществляются для того, чтобы обеспечить митохондрии материалом для производства энергии. Если занять депрессивно-редукционистскую позицию, то мы живем, чтобы давать работу нашим митохондриям.
Рис. 1.2. Процесс производства энергии в митохондриях подчиняется тем же базовым принципам, что и работа гидроэлектростанции. По мере того как вода (протоны) перекачивается в резервуар (межмембранное пространство) и накапливается перед плотиной (внутренней мембраной), давление на нее становится все более сильным. Оно заставляет воду пробиваться сквозь находящиеся в плотине каналы, что приводит в действие генерирующие энергию турбины
Игра в «горячую картошку»: электрон-транспортная цепь (ЭТЦ)
В митохондриях находятся четыре мембраносвязанных комплекса: три из них — это протонные насосы. Каждый характеризуется чрезвычайно сложной структурой, встроенной во внутреннюю мембрану. На рис. 1.3 показаны компоненты ЭТЦ. Следуя за потоком электронов (е) вниз по ЭТЦ, можно увидеть, куда направляются протоны (H). Комплекс I забирает электроны у молекул НАДН и передает их коферменту Q10 (CoQ10, обозначенному на рисунке как Q). CoQ10 также получает электроны от комплекса II. Затем CoQ10 передает электроны комплексу III, который, в свою очередь, передает их цитохрому c. Цитохром с передает электроны комплексу IV, который принимает их и два иона водорода (H) и вступает в реакцию с кислородом, что приводит к образованию воды (H2O).
Рис. 1.3. Дыхательная электрон-транспортная цепь (ЭТЦ), включая АТФ-синтазу. Цикл Кребса (ЦТК) производит НАДН и ФАДН2, которые включаются в ЭТЦ на этапе первого и второго комплексов соответственно. Оба комплекса передают электроны (е) коферменту Q10, после чего электроны продолжают свой путь до тех пор, пока не вступают в реакцию с кислородом (О2), для того чтобы синтезировать воду (H2O). Протоны (H+) накачиваются комплексами I, III и IV, создавая градиент концентрации протонов, или протонный градиент. Затем протоны возвращаются с помощью АТФ-синтазы, и в результате синтезируется АТФ
Важно понимать, что передача электронов вниз по ЭТЦ не всегда является на сто процентов эффективной. Небольшая часть электронов сбивается с курса и вовлекается в молекулярную игру «горячая картошка», в результате чего происходит их утечка в матрикс. Такие электроны слишком рано вступают в реакцию с кислородом, что приводит к формированию супероксида — потенциально опасного свободного радикала. Свободные радикалы — это молекулы с высокой реакционной способностью. Они играют огромную роль в окислительном стрессе, приводящем к развитию множества болезней и даже старению как таковому (об этом я вкратце расскажу ниже).
ОТРАВЛЕНИЕ УГАРНЫМ ГАЗОМ (МОНООКСИДОМ УГЛЕРОДА)
При отравлении угарным газом этот токсин подменяет кислород в качестве конечного пункта следования электронов, спускающихся по ЭТЦ. Если это происходит, то клеточное дыхание останавливается, так как электроны не могут двигаться дальше. Если угарный газ не удалить из клетки, митохондрии умрут, что в свою очередь приведет к смерти клеток, а затем к гибели всего организма.
Тем, кто знаком с концепцией свободных радикалов, может быть интересно узнать, что электрон-транспортная цепь — это основной участок производства эндогенных свободных радикалов (то есть свободных радикалов, возникающих в самом организме, в отличие от внешних вредоносных факторов, таких как промышленные выбросы). Все это вскоре соберется в единый пазл. А пока давайте закончим обзор ЭТЦ и ее компонентов.
Комплекс I — первый шаг в ЭТЦ
Известный также как НАДН-дегидрогеназа, комплекс I представляет собой большую молекулу, состоящую из 46 белковых субъединиц. Он забирает два электрона у НАДН и передает их жирорастворимому коферменту убихинону (окисленному CoQ10, или просто Q). В рамках двухшагового процесса CoQ10 восстанавливается до убихинола (QH2) и проталкивает 4 протона (H) через мембрану, создавая таким образом протонный градиент. Это — основной участок в ЭТЦ, откуда электроны ускользают, чтобы сформировать вредоносные супероксиды.
Комплекс II: второй шаг, или короткий путь к ЭТЦ
Этот уникальный комплекс, также называемый сукцинатдегидрогеназой (или сукцинат-убихинон-оксидорекдуктазой), прямо участвует как в цикле Кребса, так и в ЭТЦ. Он состоит всего из четырех белковых субъединиц и является единственным комплексом в ЭТЦ, который не выкачивает протоны. Его функция заключается в переносе дополнительных электронов от сукцината к CoQ10 (через ФАДН2). Другие доноры электронов (такие как жирные кислоты) также вводятся в ЭТЦ через ФАДН2.
Комплекс III: близнецы, жонглирующие электронами
Комплекс III, известный как цитохром-bc1-комплекс, является димером, то есть состоит из двух идентичных и сравнительно простых комплексов. Каждая часть димера включает в себя 11 белковых субъединиц, что в совокупности равняется 22.
