Что происходит на самом деле
Гениальная инверсия проблемы. Электроны на NADH хочется «сжечь» в кислороде — эта реакция выделит огромную энергию (ΔG° ≈ −220 кДж/моль), но если её провести разом, получится взрыв и тепло, ATP не получится. Решение природы: пропустить электроны через каскад переносчиков с постепенно возрастающим потенциалом, и на каждом «спуске» откачать энергию в виде протонного градиента.
Комплекс I — точка входа NADH. NADH стыкуется с гигантским L-образным комплексом I (45 субъединиц). Электроны переходят на флавин (FMN), затем «прыгают» по 8 железо-серным кластерам как по ступенькам. Каждый «прыжок» меняет конформацию белка, а тот, как насос, выталкивает 4 H+ из матрикса в межмембранное пространство. Электроны в итоге передаются на убихинон (Q) — мобильный переносчик в мембране.
Комплекс II — обходной вход для FADH2. Это та же сукцинатдегидрогеназа из ЦТК. Электроны от FADH2 попадают на Q напрямую, минуя комплекс I. Поэтому FADH2 «приносит» меньше ATP — пропускается одна станция накачки протонов.
Q-цикл в комплексе III. Самый замысловатый этап. Восстановленный убихинол (QH2) отдаёт электроны через цитохромы b и c1 и кластер Риске. По дороге происходит хитрая перетасовка: один электрон уходит на цитохром c, другой возвращается обратно на Q, чтобы тот забрал ещё один протон из матрикса. На круг вытесняется 4 H+ в межмембранное пространство.
Цитохром c — шаттл. Маленький водорастворимый белок цитохром c с гемом перебегает от комплекса III к комплексу IV, перенося по одному электрону за раз.
Комплекс IV — встреча с кислородом. Цитохром-c-оксидаза собирает 4 электрона по одному и подаёт их на молекулу O2 вместе с 4 протонами из матрикса. Получается 2 молекулы H2O. Параллельно комплекс выкачивает ещё 2 H+ через мембрану. Это финальное место: дальше электронам идти некуда, кислород — последний акцептор.
Накопление протонного градиента. На каждый NADH из матрикса выкачено ~10 H+, на каждый FADH2 — ~6 H+. Возникает электрохимический градиент ~200 мВ. Митохондрия работает как биологическая батарейка с мембраной-сепаратором.
АТФ-синтаза — молекулярный мотор. Это самый красивый фермент в биологии. Состоит из «статора» F1 в матриксе и «ротора» F0 в мембране. Протоны возвращаются обратно через канал в роторе, и тот физически вращается со скоростью ~100 оборотов в секунду. На каждый оборот γ-субъединица проворачивается внутри F1 и последовательно деформирует 3 каталитических центра — каждый из них то связывает ADP+Pi, то синтезирует ATP, то отпускает его. 3 ATP на оборот.
Челноки для NADH из цитоплазмы. NADH, рождённый в гликолизе, не может пройти через внутреннюю мембрану митохондрии. Решение: его электроны передаются на челночные молекулы. Малат-аспартатный челнок (нейроны, печень, сердце) сохраняет «качество» — электроны попадают на NAD+ в матриксе → ~2.5 ATP. Глицеролфосфатный челнок (мышцы, мозг частично) теряет качество — электроны идут на FAD → только ~1.5 ATP.
Тонкая регуляция и термогенез. Если в клетке достаточно ATP, дыхание тормозится: ATP блокирует комплекс IV, NADH накапливается, гликолиз и ЦТК тоже замедляются. В буром жире младенцев и млекопитающих в спячке есть белок UCP1 — он создаёт «дырку» в мембране, через которую H+ возвращается без АТФ-синтазы, рассеивая энергию в тепло. Так природа греется.
Полная картина. 1 глюкоза → ~30–32 ATP, 6 CO2, 6 H2O. Эффективность ~40% (остальное — тепло, поэтому мы тёплые). На сутки нейрон синтезирует и расходует столько ATP, что его суммарная масса превышает массу самого нейрона в десятки раз.
NADH ──▶ I ──▶ Q ──▶ III ──▶ цит c ──▶ IV ──▶ ½ O₂ ──▶ H₂O
▲
FADH₂ ──▶ II ─────┘
Параллельно: I, III, IV качают H⁺ из матрикса в межмембранное
пространство, создавая электрохимический градиент Δp ≈ 200 мВ.
H⁺ возвращается через АТФ-синтазу (V), вращая γ-субъединицу
и катализируя: ADP + Pᵢ ──▶ ATP