Окисли́тельное фосфорили́рование — метаболический путь, при котором энергия, образовавшаяся при окислении питательных веществ, запасается в митохондриях клеток в виде АТФ. Хотя различные формы жизни на Земле используют разные питательные вещества, АТФ является универсальным соединением, в котором запасается энергия, необходимая для других метаболических процессов. Почти все аэробные организмы осуществляют окислительное фосфорилирование. Вероятно, широкому распространению этого метаболического пути способствовала его высокая энергетическая эффективность по сравнению с анаэробным брожением.
При окислительном фосфорилировании происходит перенос электронов от соединений-доноров к соединениям-акцепторам в ходе окислительно-восстановительных реакций. В ходе этих реакций выделяется энергия, которая далее запасается в виде АТФ. У эукариот эти окислительно-восстановительные реакции осуществляются несколькими белковыми комплексами, локализованными во внутренней митохондриальной мембране, а у прокариот они располагаются в клетки. Этот набор связанных белков составляет электрон-транспортную цепь (ЭТЦ). У эукариот в состав ЭТЦ входит пять белковых комплексов, в то время как у прокариот её составляют множество различных белков, работающих с различными донорами и акцепторами электронов.
Энергия, выделяющаяся при движении электронов по ЭТЦ, используется для перекачки протонов из митохондриального матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. При этом увеличивается электрохимический градиент, то есть возрастает разность концентраций протонов и разность электрических потенциалов по обе стороны внутренней мембраны, и тем самым накапливается энергия, которая высвобождается при возвращении протонов в матрикс. Обратно в матрикс протоны проходят через особый белковый комплекс — АТФ-синтазу; сам процесс перемещения протонов по их электрохимическому градиенту получил название хемиосмос. АТФ-синтаза использует выделяющуюся при хемиосмосе энергию для синтеза АТФ из АДФ в реакции фосфорилирования. Эта реакция запускается при вращении части АТФ-синтазы, которое поддерживается благодаря потоку протонов: таким образом, АТФ-синтаза работает как вращающийся молекулярный мотор.
Хотя окислительное фосфорилирование обеспечивает энергией клетки и поддерживает жизнь клеток, в ходе этого процесса также образуются активные формы кислорода, в частности, супероксид и пероксид водорода. Они способствуют образованию в клетках свободных радикалов, которые разрушают белки и причиняют вред клеткам, приводя к болезням и старению. Ферменты окислительного фосфорилирования являются мишенями для многих биологически активных веществ и ядов, которые подавляют их активность.
Окислительное фосфорилирование следует отличать от субстратного фосфорилирования, при котором АТФ синтезируется не за счёт энергии переноса электронов и протонов по цепи переносчиков, а при фосфорилировании АДФ до АТФ при отрыве фосфата от соединений с высоким потенциалом переноса фосфата.
Общий обзор Механизм окислительного фосфорилирования основан на использовании реакций, в ходе которых энергия высвобождается (экзергонических), для проведения реакций, которые протекают с затратой энергии (эндергонических). Переход электронов по электрон-транспортной цепи от доноров электронов (например, НАДН) к акцепторам (например, кислороду) является экзергоническим процессом: в ходе него выделяется энергия. Напротив, синтез АТФ — эндергонический процесс, для него необходим приток энергии. Белковые комплексы ЭТЦ и АТФ-синтаза располагаются в мембране, и энергия переносится от ЭТЦ к АТФ-синтазе опосредованно благодаря переносу протонов через мембрану в ходе хемиосмоса. По сути, этот механизм напоминает электрическую цепь, в которой протоны переносятся с отрицательно заряженной стороны мембраны (N-сторона) на положительно заряженную под действием ферментов ЭТЦ, выполняющих роль источника тока и функционирующих как протонные помпы, а АТФ-синтаза выполняет роль полезной нагрузки в цепи. Ферменты ЭТЦ могут быть образно описаны как батарейка, поддерживающая электрический ток в цепи и вращающая моторчик АТФ-синтазы, штампующий молекулы АТФ. Перекачка протонов через мембрану создаёт электрохимический градиент, который часто также называют протонодвижущей силой. Этот градиент слагается из двух составляющих: разницы в концентрации протонов (Н+-градиент, ΔpH) и разности электрических потенциалов, причём N-сторона заряжена отрицательно.
Запасённая при переносе протонов энергия используется для работы АТФ-синтазы. Протоны перемещаются по электрохимическому градиенту обратно на N-сторону мембраны, запуская вращение некоторых частей молекулы фермента. Благодаря вращению молекулярной машины фермента молекулы АДФ и неорганического фосфата подводятся друг к другу в оптимальной конфигурации, преодолевается энергетический барьер химической реакции синтеза АТФ и тем самым осуществляется требующее затрат энергии фосфорилирование АДФ.
Работа ЭТЦ и АТФ-синтазы тесно связаны друг с другом. При блокировании переноса электронов по ЭТЦ образование АТФ приостанавливается («батарейка» разряжается). Верно и обратное: подавление АТФ-синтазы блокирует работу ЭТЦ и переход электронов по её белкам. Это объясняется тем, что АТФ-синтаза, синтезируя АТФ, возвращает в матрикс протоны, накачанные в межмембранное пространство белками ЭТЦ за счёт особого канала в ферменте. Если же его заблокировать, то белки ЭТЦ будут накачивать протоны в межмембранное пространство до тех пор, пока электрохимический градиент не станет настолько большим, что остановит дальнейший перенос протонов. «Электрическая цепь» размыкается, движение электронов прекращается, и реакции в системе останавливаются.
Две составляющих электрохимического потенциала — электрический мембранный потенциал и химический потенциал — вносят разный вклад в энергообеспечение синтеза АТФ. В митохондриях большая часть синтезируемой АТФ образуется за счёт разности потенциалов, а у алкалифильных бактерий часть электрической энергии даже идёт на компенсацию внешнего pH (отрицательный заряд бактерии помогает отталкивать гидроксильные ионы). В хлоропластах, напротив, больший вклад в синтез АТФ вносит ΔpH, хотя и там тоже есть небольшой мембранный потенциал, который необходим для синтеза АТФ. У фузобактерии он вызывает противонаправленное вращение субъединиц а и с в мембранном FO-домене АТФ-синтазы. Из этих данных следует, что электрический потенциал так же важен для синтеза АТФ, как и химический потенциал.
По сравнению с брожением, окислительное фосфорилирование даёт существенно больший энергетический выход. При гликолизе суммарный выход АТФ составляет всего 2 молекулы, однако в ходе окислительного фосфорилирования синтезируется от 30 до 36 молекул АТФ за счёт 10 НАДН и 2 молекул сукцината, образовавшихся при окислении одной молекулы глюкозы до углекислого газа и воды, в то время как β-окисление жирных кислот даёт около 14 молекул АТФ. Следует учитывать, что выше представлены теоретические, максимально возможные значения выхода АТФ. В действительности же некоторые протоны просачиваются сквозь мембрану, минуя АТФ-синтазу, что снижает выход АТФ.
В отличие от нормальных дифференцированных клеток, у которых основным источником энергии служит окислительное фосфорилирование, злокачественные клетки преимущественно полагаются на аэробный гликолиз. Этот феномен получил название эффекта Варбурга. По-видимому, для раковых и других быстро пролиферирующих клеток, нуждающихся в быстром увеличении биомассы, более быстрый гликолиз оказывается выгоднее трудоёмкого окислительного фосфорилирования. Такая отличительная особенность раковых клеток (увеличенные по сравнению с нормальными клетками темпы гликолиза) позволяет определять местоположение раковой опухоли в теле при помощи позитронно-эмиссионной томографии.
Молекулы-переносчики электронов и протонов
В электрон-транспортной цепи происходит движение электронов, перемещающихся от донора к акцептору, параллельно с этим через мембрану переносятся и протоны. В этих процессах участвуют и растворимые, и связанные с белками транспортные молекулы. В митохондриях перенос электронов в межмембранном пространстве осуществляется водорастворимым белком-переносчиком цитохромом c. Этот белок переносит исключительно электроны за счёт окисления и восстановления атома железа, который располагается в гемовой группе белка. Цитохром c также обнаружен у некоторых бактерий, у которых он располагается в периплазматическом пространстве.
Во внутренней митохондриальной мембране функционирует жирорастворимый переносчик кофермент Q, который переносит за счёт окислительно-восстановительных циклических реакций и электроны, и протоны. Эта небольшая бензохиноновая молекула чрезвычайно гидрофобна и свободно перемещается в мембране. Когда Q получает два электрона и два протона, он восстанавливается до убихинола (QH2); когда QH2 высвобождает два электрона и два протона, он вновь окисляется до убихинона (Q). Поэтому, когда два фермента располагаются так, что Q восстанавливается на одной стороне мембраны и QH2 окисляется на другой, убихинон связывает эти реакции и обеспечивает челночный транспорт протонов между ними. В некоторых ЭТЦ бактерий помимо убихинона задействованы другие хиноны, например, менахинон.
Перенос электронов между белками осуществляется посредством флавиновых кофакторов, железо-серных кластеров и цитохромов. Существует несколько типов железо-серных кластеров. В простейшем случае железо-серный кластер состоит из двух атомов железа, соединённых посредством двух атомов неорганической серы; кластеры такого рода обозначаются как [2Fe-2S]. Кластеры второго рода, обозначаемые как [4Fe-4S], содержат организованные в куб четыре атома железа и четыре атома серы; каждый атом железа в таких кластерах координируется дополнительной аминокислотой — обычно цистеином за счёт его атома серы. Ионы металла участвуют в окислительно-восстановительных реакциях без присоединения или отдачи протонов, поэтому в ЭТЦ они могут быть задействованы только в передаче электронов от белка к белку. Электроны преодолевают довольно большое расстояние между белками, «перепрыгивая» под энергетическим барьером с одного из вышеуказанных кофакторов на другой. Такие «прыжки» электронов становятся возможными благодаря квантовому туннельному эффекту, который действует на расстояниях примерно до .
Эукариотические ЭТЦ Многие катаболические процессы, в частности, гликолиз, цикл трикарбоновых кислот и β-окисление, сопровождаются восстановлением кофермента НАДH. Содержащиеся в нём электроны имеют высокий потенциал переноса, иными словами, при окислении они высвобождают большое количество энергии. Однако клетка не извлекает из них всю энергию единовременно — такая реакция была бы неконтролируемой. Вместо этого электроны отрываются от НАДH и доходят до кислорода через серию ферментов, при этом при переходе на каждый из них выделяется небольшое количество энергии. Эти ферменты, составляющие комплексы I—IV ЭТЦ, расположены на внутренней митохондриальной мембране. В ЭТЦ также окисляется сукцинат, однако он включается в окислительное фосфорилирование в другой точке.
У эукариот ферменты этой электрон-транспортной системы используют энергию, выделяющуюся при окислении НАДН, для «накачивания» протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану в межмембранное пространство. Накопление протонов в межмембранном пространстве создаёт электрохимический градиент, и заключённая в нём энергия далее используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ. Окислительное фосфорилирование в митохондриях эукариот изучено наиболее хорошо. Митохондрии имеются у практически всех эукариот, исключение составляет анаэробное простейшее Trichomonas vaginalis, которое вместо окислительного фосфорилирования осуществляет восстановление протонов до водорода в видоизменённых митохондриях — гидрогеносомах.