Синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, сопряженный с переносом протонов и электронов по дыхательной цепи от субстратов к кислороду, называется окислительным фосфорилированием .

Для количественного выражения окислительного фосфорилирования введен коэффициент окислительного фосфорилирования, который представляет собой отношение числа молекул неорганического фосфата, перешедших в состав АТФ в процессе дыхания, на каждый поглощенный атом кислорода . Отношение Р/О для полной дыхательной цепи равно 3, для укороченной – 2.

Энергия окисления, достаточная для образования молекулы АТФ выделяется в ЦПЭ в следующих стадиях: 1) НАД - ФМН (НАДН-дегидрогеназа); 2) цит b - цит с (убихинол- цитохром с редуктаза); 3) цит а - 1/2 О 2 (цитохром с -оксидаза). На этих стадиях изменения ОВП превышают 0,22 В, что достаточно для образования макроэргической связи АТФ (>30,2 кДж/моль). Уменьшение свободной энергии, сопровождающее перенос протонов и электронов на кислород в результате одного дегидрирования, составляет примерно 220 кДж/моль. При этом на синтез АТФ в полной дыхательной цепи может быть израсходовано 30,2×3=90,6 кДж/моль. Отсюда КПД ЦПЭ около 40%. Остальная энергия рассеивается в виде тепла (поддержание температуры тела).

Известны три основных гипотезы окислительного фосфорилирования.

1. Механохимическая, или конформационная (Грин, Бойер, 60-е гг. ХХ в.). В процессе переноса протонов и электронов изменяется Конформация белков-ферментов. Они переходят в новое богатое энергией состояние, а затем при возвращении в исходную конформацию отдают энергию для синтеза АТФ. Гипотеза частично подтверждена: Еокисл.→ Еконформ. сдвигов → Е АТФ.

2. Гипотеза химического сопряжения (Липман, Слейтер, Ленинджер, 30-40-е гг. ХХ в.). В сопряжении дыхания и фосфорилирования участвуют сопрягающие вещества, например вещество Х. Вещество «Х» акцептирует протоны и электроны от первого фермента в пункте сопряжения, взаимодействует с Н 3 РО 4 . В момент отдачи протонов и электронов второму ферменту пункта сопряжения связь становится макроэргической. Далее макроэрг передается на АДФ с образованием АТФ. До настоящего времени не выделены сопрягающие вещества.

3. Хемиосмотическая гипотеза П.Митчелла (1961). По современным представлениям дыхание и фосфорилирование связаны между собой электрохимическим потенциалом (ЭХП) на внутренней мембране митохондрий. Для объяснения необходимы следующие понятия: а) внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для Н + и ОН - ; б) во внутреннюю мембрану митохондрий вмонтирована АТФ-синтаза, катализирующая обратимую реакцию: АТФ + Н 2 О « АДФ + Рн. АТФ-синтаза состоит из следующих субъединиц: F 0 – гидрофобный сегмент из 13 полипептидных цепей, связанный с внутренней мембраной митохондрий; F 0 – это протонный канал, по которому в норме только могут перемещаться протоны через мембрану; F 1 – сопрягающий фактор, катализирующий синтез АТФ при перемещении протонов. В укороченной цепи переноса электронов отсутствует только первый этап, остальной перенос электронов такой же, как и в полной цепи; в) синтез АТФ осуществляется при перемещении протонов через АТФ-синтазу в направлении от ММП (межмембранное пространство) к матриксу.

Суть окислительного фосфорилирования: за счет энергии переноса электронов в ЦПЭ (Е окисления) происходит движение протонов через мембрану в ММП и создается электрохимический потенциал (Е ЭХП). При возвращении протонов назад через АТФ-синтазу энергия ЭХП трансформируется в энергию АТФ – Е АТФ. Итак: Е Окисл. ® Е ЭХП ® Е АТФ.

НАДН-КоQ редуктаза, цитохром редуктаза и цитохромоксидаза выталкивают протоны в межмембранное пространство. Протоны берутся из Н 2 О матрикса или за счет конформационных изменений в ферментах. Со стороны матрикса на мембране будет преобладать отрицательный заряд (избыток ОН -), а со стороны ММП положительный (за счет Н +). Возникает ЭХП, который состоит из двух компонентов: осмотического (разности концентраций ионов Н +) и электрического (разности электрических потенциалов):ΔmН + = Dj + DрН . Эта величина измерена, она равна ~0,25 В (хемиосмотическая гипотеза П.Митчела). При обратном токе протонов через канал АТФ-синтазы (разрядка мембраны) возникает 3 молекулы АТФ в полной ЦПЭ и 2 молекулы АТФ в укороченной. Таким образом внутренняя мембрана митохондрий выполняет роль сопрягающей мембраны. Теперь можно суммировать все строение ЦПЭ в виде 5 ферментативных комплексов, привязав их положение к шкале ОВП (таблица 6.3).

Таблица 6.3

Компоненты митохондриальной цепи переноса протонов и электронов

ОВП, В	Компоненты ЦПЭ
-0,4	Субстраты 2 и 3 рода
-0,3	Комплекс I (полная ЦПЭ)
НАДН-дегидрогеназа (КФ 1.6.5.3.). 700-800 кДа, 25-30 субъединиц, 1 ФМН, 2 Fe 2 S 2 , 4-5 Fe 4 S 4
~0	Субстраты I рода
Комплекс II (укороченная ЦПЭ)
Сукцинатдегидрогеназа (КФ 1.3.5.1.). 125 кДа, 4-6 субъединиц, 1 ФАД, 1 Fe 2 S 2 , 1Fe 4 S 4 , 1 Fe 3 S 4 , 2 убихинона, 1 гем цитохрома b
Комплекс III (обе ЦПЭ)
Убихинол-цитохром с -редуктаза (КФ 1.10.2.2.). Около 400 кДа, 11 субъединиц, 2 Fe 2 S 2 , 2 гема цитохрома b , 1 гем цитохрома с 1
+0,3	Комплекс IV (обе ЦПЭ)
Цитохром с -оксидаза (КФ 1.9.3.1.). Около 200 кДа, 8-13 субъединиц, 2 Cu, 1 Zn, 1 гем цитохрома а и 1 гем цитохрома а 3
Комплекс V (обе ЦПЭ при сопряжении дыхания и фосфорилирования)
Н + -транспортирующая АРФ-синтаза (КФ 3.6.1.34.). Больше 400 кДа, 8-14 субъединиц
+0,8	Кислород

Полная ЦПЭ - 1,3,4 и 5 комплексы, укороченная ЦПЭ – 2,3,4 и 5 комплексы.

В англоязычной литературе указывается, что на каждую пару электронов, переносимых от НАДН в межмембранное пространство выталкивается 10 протонов, а при окислении сукцината – 6 протонов. В результате проведенных исследований установлено, что для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо 4 протона, 3 из которых используется для образования АТФ, а 1 протон используется для транспорта Рн, АТФ и АДФ через митохондриальную мембрану. Следовательно, если 10 протонов выталкивается в межмембранное пространство, а 4 используется для синтеза АТФ, то коэффициент окислительного фосфорилирования равен 2,5 (10/4) в полной дыхательной цепи и 1,5 (6/4) в укороченной дыхательной цепи. Однако, окончательный вывод можно будет сделать только при полной расшифровке механизма функционирования АТФ-азы.

У некоторых морских бактерий возникновение электрохимического потенциала на мембране связано с возникновением ΔmNa, что определяет синтез АТФ, создание солевых градиентов и движение жгутиков.

Дыхательный контроль – это регуляция скорости переноса электронов по дыхательной цепи отношением АТФ/АДФ . Чем меньше это отношение (преобладает АДФ), тем интенсивнее идет дыхание (это обеспечивает реакцию АДФ + Рн ® АТФ). Это видно по увеличению потребления кислорода митохондриями после добавки АДФ (эксперименты Чанса) или по усиленному дыханию бегущего человека.

Вещества, прекращающие поток электронов по дыхательной цепи ферментов, называют ингибиторами дыхания . Ротенон и амитал специфически ингибируют перенос электронов в НАДН-дегидрогеназном комплексе и таким образом предотвращают генерирование протонного градиента в 1-м комплексе. В то же время указанные ингибиторы не нарушают окисление сукцината. Антимицин А тормозит ток электронов между цитохромами b и c 1 , предотвращая синтез АТФ, сопряженный с генерированием протонного градиента в 3-м комплексе. Этот блок можно обойти добавлением аскорбата , который непосредственно восстанавливает цитохром с. Наконец, ток электронов может быть блокирован между цитохромоксидазным комплексом и кислородом под действием CN - , N 3 - и СО . В присутствии этих ингибиторов из-за блокирования тока электронов не происходит фосфорилирования, сопряженного с генерированием протонного градиента в 4-м комплексе.

Разобщение дыхания и окислительного фосфорирования возникает при повышении проницаемости мембраны митохондрий для протонов в любом месте, а не только в канале АТФ-синтазы. При этом не создается электрохимический потенциал и энергия окисления рассеивается в виде тепла. Так действуют ионофоры (2,4-динитрофенол, валиномицин и др.). Они переносят обратно протоны через мембрану, выравнивая градиенты рН и мембранного потенциала. Лекарственные препараты (аминобарбитал ), продукты жизнедеятельности микроорганизмов, избыток тиреоидных гормонов (вызывают накопление ненасыщенных жирных кислот, являющихся ионофорами) и др. приводят к разобщению дыхания и фосфорилирования, обеспечивая гипертермию.

На разобщении дыхания и фосфорилирования базируется терморегуляторная функция тканевого дыхания. Тканевое дыхание, протекающее в митохондриях и не сопровождающееся образованием макроэргов, называют свободным или нефосфорилирующим окислением .

Природным разобщающим агентом является термогенин , протонный канал в митохондриях бурых жировых клеток. Бурый жир обнаружен у новорожденных и животных, впадающих в зимнюю спячку и служит для теплообразования. При охлаждении организма норадреналин активирует гормонзависимую липазу. Благодаря активному липолизу в организме образуется большое количество свободных жирных кислот, которые распадаются в результате β-окисления и в дыхательной цепи. Так как жирные кислоты одновременно открывают протонный канал термогенина, их распад не зависит от наличия АДФ, т.е. протекает с максимальной скоростью и генерирует энергию в форме тепла.

Образованная в результате окислительного фосфорилирования в митохондриях АТФ обменивается на внемитохондриальную АДФ с помощью специальных белков транслоказ (транслоказы составляют до 6% от всех белков внутренней мембраны митохондрий).

Гипоэнергетические состояния возникают 1) при нарушении поступления субстратов для дегидрирования (на всех этапах от пищи до матрикса митохондрий); 2) при нарушении поступления О 2 в митохондрии (на всех этапах от дыхания, связь с кислорода с гемоглобином, транспорт и пр.); 3) при нарушении мембран митохондрий, композиции липидного бислоя и ферментативных ансамблей внутренней мембраны митохондрий. Предложено вычислять энергетическое состояние клетки , вычисляя «заполнение» системы АТФ-АДФ-АМФ макроэргами. Если все три компонента представлены АТФ, то система энергетически полностью заполнена и ее энергетический заряд равен 1,0. Если же система представлена только АМФ, то ее энергетический заряд равен 0.

Энергетический заряд клетки является важной величиной, определяющей соотношение катаболических и анаболических процессов в ней. В тканях животных важную регуляторную роль выполняет величина отношения АТФ/АДФ.

В сутки человек потребляет в среднем 27 моль кислорода. Основное его количество (примерно 25 моль) используется в митохондриях в ЦПЭ. Следовательно, ежесуточно синтезируется 125 моль АТФ, или 62 кг (при расчете использован коэффициент Р/О = 2,5, т.е. среднее значение коэффициента фосфорилирования). Масса всей АТФ, содержащейся в организме, составляет примерно 20-30 г. Следовательно, каждая молекула АТФ за сутки 2500 раз проходит процесс гидролиза и синтеза.

Молекулярные моторы – это ферменты, трансформирующие химическую энергию гидролиза АТФ в механическую работу (Schliwa M., 2006). В эукариотических клетках выделяют три различных класса моторов: 1) миозин; 2) кинезин и 3) динеин. Для них характерны: 1) протяженная полярная структура, вдоль которой в одном направлении перемещаются актиновые филаменты (миозин) или микротрубочки (кинезины и динеины); 2) молекулярная организация взаимодействующих субъединиц должна обеспечивать однонаправленное движение; 3) связывающие центры для АТФ и подвижных элементов локализуются в глобулярных каталитических доменах, называемых головками; 3) энергию для движения получается при гидролизе АТФ и реализуется через конформационные изменения белков (поворот головки); 5) взаимодействие субъединиц молекулярных моторов обеспечивает перемещение структур в вязкой цитоплазме. В настоящее время известны 18 классов миозинов (мышцы и др. ткани), 10 семейств кинезинов (цитозоль клеток) и 2 группы динеинов (плазма крови). Три типа моторов различаются по молекулярной массе: кинезины – 45 кДа, миозины – 100 кДа и динеины – 500 кДа. По структуре близки кинезины и миозины. Молекулярные моторы используются различными живыми организмами для клеточной активности – контракция, транспорт органелл, подвижность клеток, клеточное деление, передача информации, процессы развития и др.

Фосфорилирование АДФ в митохондриях;

Аэробное окисление питательных веществ с образованием углекислого газа и воды.

При менее интенсивной нагрузке - при умеренной мышечной активности - когда к мышечным клеткам доставляется достаточное количество кислорода, происходит образование АТФпреимущественно путем окислительного фосфорилирования - аэробное окисление углеводов и жиров с образованием углекислого газа, воды и АТФ. В течение первых 5-10 мин главным ресурсом для этого служит гликоген. В последующие ~30 мин доминирующими становятся источники энергии, доставляемые кровью, причем глюкоза и жирные кислоты участвуют примерно в одинаковой мере. На более поздних этапах сокращения преобладает утилизация жирных кислот, а глюкоза расходуется меньше. Процесс протекает в митохондриях – энергетических станциях клеток – длительный путь, включающий цикл Кребса (ЦТК – цикл трикарбоновых кислот) и электрон- транспортную цепь (где собственно происходит окисление), детально описанный в учебниках биохимии

Любые питательные вещества, которые могут превращаться в ацетил-КоА, метаболизируются в цикле Кребса и в процессе окислительного фосфорилирования.

Окислительное фосфорилирование включает в себя превращение пирувата в ацетил-КоА и, в конечном счете, его полное окисление до углекислого газа и воды. Это превращение совершается в цикле Кребса и в цепи переноса электронов (ЦПЭ). Реакции общего пути катаболизма происходят в матриксе митохондрий и восстановленные коферменты передают водород непосредственно на компоненты ЦПЭ, расположенные во внутренней мембране митохондрий.

Рис.18. Схема получения энергии мышечной клеткой.

Пути получения энергии мышечной клеткой взаимосвязаны и могут пересекаться. Сначала рассмотрим этот процесс на примере использования самого универсального источника энергии - глюкозы (рис.18 ).

В цитоплазме молекула глюкозы превращаются в пируват в процессе гликолиза. Параллельно с этим синтезируется АТФ. Гликолиз не требует присутствия кислорода. Однако образовавшийся пируват может быть и дальше использован клеткой для получения энергии, в этом случае получится синтезировать гораздо больше АТФ, чем при гликолизе. Этот процесс, который носит название окислительного фосфорилирования, происходит в митохондриях, и для него клетке уже нужен кислород. Пируват попадает в митохондрию, где вступает в Цикл Кребса. Основным продуктом этого цикла является NADН (НАДАН) (читается «над-аш»). NADН вступает в процесс окислительного фосфорилирования, который протекает во внутренней мембране митохондрии. В результате синтезируется АТФ, причем в гораздо большем количестве, чем при гликолизе

Рис.19. Катаболизм основных пищевых веществ. 1-3 - пищеварение; 4-8 - специфические пути катаболизма; 9-10 - заключительный (общий путь) катаболизма; 11 - ЦПЭ; 12 - окислительное фосфорилирование.

Какие вещества используются в различных метаболических путях?

Для гликолиза могут использоваться только углеводы. Почти все легко усваиваемые углеводы могут превращаться в глюкозу или запасаться в форме гликогена. Гликоген и глюкоза метаболизируются в процессе гликогенолиза и гликолиза. Любые питательные вещества, которые могут превращаться в ацетил-КоА (рис. 19), метаболизируются в цикле Кребса и в процессе окислительного фосфорилирования. В частности, жиры расщепляются до глицерина, который затем превращается в пируват и жирные кислоты. Жирные кислоты окисляются в митохондриях в процессе р-окисления до ацетил-КоА. Белки расщепляются до аминокислот, которые после дезаминирования (удаления NH3) превращаются в пируват или в ацетил-КоА и поступают в цикл Кребса. Ни в одной реакции цикла Кребса и р-окисления не используется кислород, однако, если ЦПЭ не включается, то возникает дефицит акцепторов электронов (НАД, ФАДН), что приводит к замедлению, а затем и полному прекращению обмена веществ.

Превращение пирувата в ацетил-КоА происходит при участии набора ферментов, структурно объединённых в пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК). Ацетильный остаток - ацетил- Ко А далее окисляется в цикле лимонной кислоты до СО 2 и Н 2 О. В этих реакциях окисления принимают участие NAD- и FAD-зависимые дегидрогеназы, поставляющие электроны и протоны в ЦПЭ, по которой они передаются на О 2 .

Таким образом, каждый оборот цикла лимонной кислоты сопровождается синтезом 11 молекул АТФ путём окислительного фосфорилирования. Одна молекула АТФ образуется путём субстратного фосфорилирования.

Рис. 20.Эффективность и экономичность основных путей энергообеспечения

Известно, что при аэробном окислении из одной молекулы молочной кислоты происходит ресинтез в углевод 4–6 других молекул молочной кислоты, а окисление углеводов в полных кислородных условиях сопровождается значительно большим освобождением энергии для ресинтеза глюкозы, чем при анаэробном процессе. В связи с этим в аэробных условиях глюкоза может образовать в 19 раз больше АТФ по сравнению с анаэробными. Следовательно, аэробный путь энергообеспечения является более эффективным и экономичным (рис.20 ).

Сравним три пути ресинтеза АТФ.

Сравнение:	три пути ресинтеза	АТФ.
	КРЕАТИНФОСФАТНЫЙ	ГЛИКОЛИЗ	ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
Локализация	Сократительный участок мышцы	Цитоплазма	Митохондрия
Субстрат	КФ	Глюкоза/гликоген	Пируват (или ацетил-коэнзим А [КоА])
Продукт	Креатин + Рi|	Пируват или лактат	Углекислый газ и вода
Количество стадий			11 + перенос электронов
Выход АТФ, молекул
Использование кислорода	Нет	Нет	Да
Скорость	Быстрый	Быстрый	Медленный
Тип	Анаэробный	Анаэробный	Аэробный

Рис.21. Последовательность включение разных путей синтеза АТФ в начале легкой физической нагрузке

Как показано на рис.21 в первые секунды почти вся энергия обеспечивается аденозинтрифосфатом (АТФ); следующим источником служит креатинфосфат (КФ). Анаэробный процесс–гликолиз достигает максимума приблизительно через 45 с, тогда как за счет окислительных реакций мышца не может получить основную часть энергии ранее, чем через 2 мин.

Даже при легкой работе (рис.21 ) получение энергии происходит по анаэробному пути в течение короткого переходного периода после начала работы; в дальнейшем метаболизм осуществляется полностью за счет аэробных реакций (рис. 21 ) с использованием в качестве субстратов глюкозы, а также жирных кислот и глицерола. В отличие от этого во время тяжелой работы получение энергии частично обеспечивается анаэробными процессами. Кроме этих «узких мест» в процессах энергообеспечения и тех, что временно возникают сразу же после начала работы (рис. 21), при экстремальных нагрузках образуются «узкие места», связанные с активностью ферментов на различных этапах метаболизма.

Рис. 22. Потребление кислорода во время легкой динамической работы постоянной интенсивности

Пути ресинтеза АТФ и их вклад в энергообеспечение мышечной деятельности будут зависеть от интенсивности, длительности нагрузок и способности систем обеспечить энергетические процессы в мышце кислородом.

Как показано на рис. 22, способность нашего организма адекватно удовлетворять потребности мышц в кислороде далека от совершенства. Когда вы начинаете выполнять упражнение, система транспорта кислорода (дыхание и кровообращение) не сразу поставляет необходимое количество его активным мышцам. После начала работы требуется некоторое время для увеличения интенсивности аэробных энергетических процессов в мышце. Лишь через несколько минут достигается стабильный уровень потребления кислорода, при котором полностью функционируют аэробные процессы, однако потребность организма в кислороде резко повышается именно в момент начала выполнения упражнения. В этот период дефицит энергии компенсируется за счет легкодоступных анаэробных энергетических резервов (АТФ и креатин–фосфата). Количество макроэргических фосфатов невелико по сравнению с запасами гликогена, однако они незаменимы как в течение указанного периода, так и для обеспечения энергией при кратковременных перегрузках во время выполнения работы.

Поглощение кислорода и, следовательно, образование АТФ увеличиваются до того момента, пока не будет достигнуто устойчивое состояние, при котором образование АТФ адекватно его потреблению при работе мышц. Постоянный уровень потребления кислорода (образование АТФ) поддерживается, пока не изменится интенсивность работы. Между началом работы и увеличением потребления кислорода до какого-то постоянного уровня происходит задержка, называемая кислородным долгом или дефицитом. Дефицит кислорода - период времени между началом мышечной работы и ростом потребления кислорода до достаточного уровня.

На рис. 22 показано потребление кислорода до, во время и после лёгкой равномерной работы.Показаны дефицит кислорода и избыток потребления кислорода после физической нагрузки.

Что такое дефицит кислорода?

Период времени между началом физической нагрузки и увеличением поглощения кислорода до достаточного уровня; то есть длительность выравнивания разницы между поглощением кислорода в первые минуты работы и потребностью в кислороде для синтеза достаточного количества АТФ. Потребность в АТФ возрастает мгновенно, однако для достижения необходимого уровня поглощения кислорода требуется некоторое время; в результате чего создается дефицит кислорода. Существуют различные точки зрения на механизмы обеспечения АТФ в этот период. Возможно, АТФ синтезируется в процессе анаэробного метаболизма или поступает из запасов клетки, возможно, просто измерение количества АТФ запаздывает по сравнению с его содержанием. При тренировках дефицит кислорода уменьшается, что свидетельствует о возможности более быстрого подключения систем, обеспечивающих быструю доставку кислорода при физической нагрузке.

Кислородный дефицит (дефицит кислорода) –

разность между кислородным запросом и кислородным приходом.

период времени между началом физической нагрузки и увеличением поглощения кислорода до достаточного уровня.

длительность выравнивания разницы между поглощением кислорода в первые минуты работы и потребностью в кислороде для синтеза достаточного количества АТФ.

Оксидазный путь использования кислорода в клетке

Причины и последствия повреждений митохондрий

Метаболические и гомеостатические функции митохондрий

Локализации ферментов митохондрий

1). Наружная мембрана содержит: а). элонгазы, ферменты удлиняющие молекулы насыщенных жирных кислот; б). кинуренингидроксилазу; в). моноаминооксидазу (маркер) и др.

2). Межмембранное пространство содержит: а). аденилатциклазу; б). нуклеозиддифосфаткиназы.

3). Внутренняя мембрана содержит: а). ферменты цепи окислительного фосфорилирования, из них цитохромоксидаза - маркер; б). СДГ в). β-оксибутират ДГ; г). карнитинацилтрансферазу.

4). Матрикс содержит: а). ферменты ЦТК; б). ферменты β-окисления жирных кислот; в). аминотрансферазы АСТ, АЛТ; г). глутамат ДГ д). фосфоенолпируваткарбоксилазу е). пируват ДГ.

В клетке содержится от сотни до тысячи митохондрий, их размер 2-3 мкм в длину и 1 мкм в ширину.

В митохондриях происходит: синтез АТФ и теплопродукция в реакция окислительного фосфорилирования; β-окисления жирных кислот; реакции ЦТК, через ЦТК протекают некоторые реакции глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования, липогенеза и синтеза гема, осуществляется интеграция белкового, липидного и углеводного обмена.

Повреждение внутренней мембраны митохондрий химическими и физическими факторами приводит к нарушению процесса синтеза АТФ, торможению анаболических реакций, межмембранного транспорта и всех видов обмена веществ.

- окислительное фосфорилирование

Оксидазный путь использования кислорода состоит из процессов окисления и фосфорилирования, которые между собой сопряжены. В нем участвует около 40 различных белков. Оксидазный путь потребляет 90% О 2 , является основным источником АТФ в аэробных клетках.

Окислительным фосфорилированием называют синтез АТФ из АДФ и Н 3 РО 4 за счет энергии переноса электронов по ЦПЭ. При окислении выделяется 220 кДж/моль свободной энергии. На синтез 3 АТФ расходуется: 30,5*3=91,5 кДж/моль. В виде тепла выделяется: 220-91,5=128,5 кДж/моль. КПД = 40%.НАДН 2 + ½О 2 → НАД + + Н 2 О + 220 кДж/мольАДФ + Н 3 РО 4 + 30,5 кДж/моль = АТФ + Н 2 О1). Цепь окисления (дыхательная цепь) состоит из 4 белковых комплексов, которые определенным образом встроены во внутреннюю мембрану митохондрий и небольших подвижных молекул убихинона и цитохрома С, которые циркулируют в липидном слое мембраны между белковыми комплексами.Комплекс I – НАДН 2 дегидрогеназный комплекс – самый большой из дыхательных ферментных комплексов – имеет молекулярную массу свыше 800КДа, состоит из более 22 полипептидных цепей, в качестве коферментов содержит ФМН и 5 железо-серных (Fe 2 S 2 и Fe 4 S 4) белков. Комплекс II – СДГ . В качестве коферментов содержит ФАД и железо-серный белок.Комплекс III – Комплекс b-c 1 (фермент QH 2 ДГ) , имеет молекулярную массу 500КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, и вероятно существует в виде димера. Каждый мономер содержит 3 гема, связанных с цитохромами b 562 , b 566 , с 1 , и железо-серный белок.Комплекс IV – Цитохромоксидазный комплекс имеет молекулярную массу 300КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, существует в виде димера. Каждый мономер содержит 2 цитохрома (а и а 3) и 2 атома меди.Коэнзим Q (убихинон). Липид, радикал которого у млекопитающих образован 10 изопреноидными единицами (Q 10). Убихинон переносит по 2Н + и 2е - . убихинон ↔ семихинон ↔ гидрохинонЦитохром с . Периферический водорастворимый мембранный белок с массой 12,5КДа, содержит 1 полипептидную цепь из 100 АК, и молекулу гема.Молекулярные соотношения между компонентами дыхательной цепи отличаются в разных тканях. Например, в миокарде, на 1 молекулу НАДН 2 дегидрогеназного комплекса приходиться 3 молекулы комплекса b-c 1 , 7 молекул цитохромоксидазного комплекса, 9 молекул цитохрома С и 50 молекул убихинона.2). Фосфорилирование осуществляется АТФ-синтетазой (Н + -АТФ-аза) - интегральным белком внутренней мембраны митохондрий. АТФ-синтаза состоит из 2 белковых комплексов, обозначаемых как F 0 и F 1 . Гидрофобный комплекс F 0 погружён в мембрану.

14.1.1. В пируватдегидрогеназной реакции и в цикле Кребса происходит дегидрирование (окисление) субстратов (пируват, изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат, малат). В результате этих реакций образуются НАДН и ФАДН2 . Эти восстановленные формы коферментов окисляются в митохондриальной дыхательной цепи. Окисление НАДН и ФАДН2 , протекающее сопряжённо с синтезом АТФ из АДФ и Н3 РО4 называется окислительным фосфорилированием .

Схема строения митохондрии показана на рисунке 14.1. Митохондрии представляют собой внутриклеточные органеллы, имеющие две мембраны: наружную (1) и внутреннюю (2). Внутренняя митохондриальная мембрана образует многочисленные складки - кристы (3). Пространство, ограниченное внутренней митохондриальной мембраной, носит название матрикс (4), пространство, ограниченное наружной и внутренней мембранами, - межмембранное пространство (5).

Рисунок 14.1. Схема строения митохондрии.

14.1.2. Дыхательная цепь - последовательная цепь ферментов, осуществляющая перенос ионов водорода и электронов от окисляемых субстратов к молекулярному кислороду - конечному акцептору водорода. В ходе этих реакций выделение энергии происходит постепенно, небольшими порциями, и она может быть аккумулирована в форме АТФ. Локализация ферментов дыхательной цепи - внутренняя митохондриальная мембрана.

Дыхательная цепь включает четыре мультиферментных комплекса (рисунок 14.2).

Рисунок 14.2. Ферментные комплексы дыхательной цепи (обозначены участки сопряжения окисления и фосфорилирования):

I. НАДН-KoQ-редуктаза (содержит промежуточные акцепторы водорода: флавинмононуклеотид и железосерные белки). II. Сукцинат-KoQ-редуктаза (содержит промежуточные акцепторы водорода: ФАД и железосерные белки). III. KoQН2 -цитохром с-редуктаза (содержит акцепторы электронов: цитохромы b и с1 , железосерные белки). IV. Цитохром с-оксидаза (содержит акцепторы электронов: цитохромы а и а3 , ионы меди Cu2+ ).

14.1.3. В качестве промежуточных переносчиков электронов выступают убихинон (коэнзим Q) и цитохром с.

Убихинон (KoQ) - жирорастворимое витаминоподобное вещество, способен легко диффундировать в гидрофобной фазе внутренней мембраны митохондрий. Биологическая роль коэнзима Q - перенос электронов в дыхательной цепи от флавопротеинов (комплексы I и II) к цитохромам (комплекс III).

Цитохром с - сложный белок, хромопротеин, простетическая группа которого - гем - содержит железо с переменной валентностью (Fe3+ в окисленной форме и Fe2+ в восстановленной форме). Цитохром с является водорастворимым соединением и располагается на периферии внутренней митохондриальной мембраны в гидрофильной фазе. Биологическая роль цитохрома с - перенос электронов в дыхательной цепи от комплекса III к комплексу IV.

14.1.4. Промежуточные переносчики электронов в дыхательной цепи расположены в соответствии с их окислительно-восстановительными потенциалами. В этой последовательности способность отдавать электроны (окисляться) убывает, а способность присоединять электроны (восстанавливаться) возрастает. Наибольшей способности отдавать электроны обладает НАДН, наибольшей способностью присоединять электроны - молекулярный кислород.

На рисунке 14.3 представлено строение реакционноспособного участка некоторых промежуточных переносчиков протонов и электронов в окисленной и восстановленной форме и их взаимопревращение.

Рисунок 14.3. Взаимопревращения окисленных и восстановленных форм промежуточных переносчиков электронов и протонов.

14.1.5. Механизм синтеза АТФ описывает хемиосмотическая теория (автор - П. Митчелл). Согласно этой теории, компоненты дыхательной цепи, расположенные во внутренней митохондриальной мембране, в ходе переноса электронов могут «захватывать» протоны из матрикса митохондрий и передавать их в межмембранное пространство. При этом наружная поверхность внутренней мембраны приобретает положительный заряд, а внутренняя - отрицательный, т.е. создаётся градиент концентрации протонов с более кислым значением рН снаружи. Так возникает трансмембранный потенциал (ΔµН+ ). Существует три участка дыхательной цепи, на которых он образуется. Эти участки соответствуют I, III и IV комплексам цепи переноса электронов (рисунок 14.4).

Рисунок 14.4. Расположение ферментов дыхательной цепи и АТФ-синтетазы во внутренней мембране митохондрий.

Протоны, выведенные в межмембранное пространство за счёт энергии переноса электронов, снова переходят в митохондриальный матрикс. Этот процесс осуществляется ферментом Н+ -зависимой АТФ-синтетазой (Н+ -АТФ-азой). Фермент состоит из двух частей (см. рисунок 10.4): водорастворимой каталитической части (F1 ) и погружённого в мембрану протонного канала (F0 ). Переход ионов Н+ из области с более высокой в область с более низкой их концентрацией сопровождается выделением свободной энергии, за счёт которой синтезируется АТФ.

14.1.6. Энергия, аккумулированная в форме АТФ, используется в организме для обеспечения разнообразных биохимических и физиологических процессов. Запомните основные примеры использования энергии АТФ:

1) синтез сложных химических веществ из более простых (реакции анаболизма); 2) сокращение мышц (механическая работа); 3) образование трансмембранных биопотенциалов; 4) активный транспорт веществ через биологические мембраны.

Живые организмы находятся в постоянной и неразрывной связи с окружающей средой. Эта связь осуществляется в процессе обмена веществ. Обмен веществ состоит из 3 этапов: поступление веществ в организм, метаболизм и выделение конечных продуктов из организма.

Поступление веществ в организм происходит в результате дыхания (кислород) и питания. Источником энергии для человека служит распад органических веществ пищи. С питательными веществами поступают преимущественно белки, полисахариды, жиры, которые в процессе пищеварения расщепляются на более мелкие молекулы (глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, глицерол). В клетках эти вещества подвергаются превращениям, включаясь в метаболизм (обмен веществ). Они могут использоваться для синтеза более сложных молекул (анаболизм ) либо распадаются до конечных продуктов в процессах катаболизма .

Катаболизм - процесс расщепления органических молекул до конечных продуктов. Конечные продукты превращений органических веществ у животных и человека - СО 2 , Н 2 О и мочевина. В процессы катаболизма включаются метаболиты, образующиеся как при пищеварении, так и при распаде структурно-функциональных компонентов клеток.

Анаболизм объединяет биосинтетические процессы, в которых простые строительные блоки соединяются в сложные макромолекулы, необходимые для организма. В анаболических реакциях используется энергия, освобождающаяся при катаболизме.

Биологическое окисление

Распад веществ в тканях сопровождается потреблением кислорода и выделением СО 2 . При этом выделяется энергия, необходимая для функционирования клеток. Вдыхаемый кислород используется для синтеза метаболической воды с участием водорода окисляемых субстратов в процессе тканевого дыхания .

SH 2 + ½ О 2 S + Н 2 О + энергия

Например, окисление 1 моль глюкозы происходит с выделением 2780 кДж энергии. Энергия окисляющихся веществ используется клетками для синтеза АТФ из АДФ. Фосфорилирование АДФ в клетках происходит путем присоединения Н 3 РО 4 . Реакция идет с затратой энергии.

АТФ - молекула, богатая энергией, поскольку она содержит две макроэргические связи. Некоторые биосинтетические реакции в организме могут протекать при участии других нуклеозидтрифосфатов, аналогов АТФ; к ним относят ГТФ, УТФ и ЦТФ. Все эти нуклеотиды, в свою очередь, образуются при использовании свободной энергии концевой фосфатной группы АТФ. Наконец, за счёт свободной энергии АТФ совершаются различные виды работы, лежащие в основе жизнедеятельности организма, например, такие как мышечное сокращение или активный транспорт веществ.

При использовании АТФ в качестве источника энергии чаще всего происходит гидролиз только одной макроэргической связи, при этом выделяется около 50 кДж/моль энергии и опять образуется АДФ. Содержание АТФ в организме человека невелико и составляет около 50 г. учитывая, что клетки не способны накапливать АТФ, а расход энергии происходит постоянно, в организме также постоянно идет синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата Н 3 РО 4 . За сутки в организме человека может синтезироваться до 60 кг АТФ.

В зависимости от источника энергии, обеспечивающего присоединение фосфатного остатка, выделяют два типа фосфорилирования АДФ: окислительное и субстратное.

Субстратное фосфорилирование АДФ идет за счет энергии макроэргических связей соединений (1,3-бисфосфоглицерата и фосфоенолпирувата, сукцинил-СоА). Этот процесс может происходить как в матриксе митохондрий, так и в цитоплазме клеток независимо от присутствия кислорода.

Окислительное фосфорилирование АДФ - превращение АДФ в АТФ происходит с использованием энергии переноса электронов от органических веществ к кислороду. Энергию для окислительного фосфорилирования поставляют ОВР. Процесс может происходить только в аэробных условиях с участием ферментов цепи переноса электронов (ЦПЭ) и АТФ-синтазы.

Окислительное фосфорилирование АДФ – основной механизм синтеза АТФ в организме. Оно происходит в митохондриях, которые являются основными поставщиками АТФ и могут рассматриваться как «энергетические станции» клетки.

Мембраны митохондрий сильно различаются по составу и функциям. Внешняя мембрана свободно проницаема для многих небольших молекул до 5000кДа. Проницаемость внутренней мембраны ограничена и определяется наличием белков-переносчиков. Внутренняя мембрана митохондрии богата белками (80%). В нее включены все ферментные комплексы и компоненты ЦПЭ, отвечающей за окислительное фосфорилирование АДФ.

Одним из самых крупных белков внутренней мембраны митохондрий является АТФ-синтаза.

Это белок, состоящий из двух олигомерных комплексов (F 0 и F 1). F 0 состоит из 6 гидрофобных протомеров типа a, b, c, погруженных во внутреннюю мембрану митохондрий и формирующих Н + - проводящий канал. 3 дополнительные субъединицы связывают комплекс F 0 с комплексом F 1 . Комплекс F 1 выступает в матриксе митохондрии и образует «пузырек» на внутренней поверхности мембраны митохондрии, имеющий активный центр для связывания АДФ иН 3 РО 4 . В нем происходит фосфорилирование и образование АТФ.

Межмембранное пространство также играет роль в производстве АТФ, так как может накапливать протоны, создающие заряд на поверхности внутренней мембраны, необходимый для активации АТФ-синтазы.

Матрикс митохондрий состоит из ферментов, ДНК, РНК и рибосом. ОВР в клетке происходят в матриксе митохондрий. Важнейшими источниками энергии служат реакции дегидрирования. В реакциях дегидрирования электроны и протоны переходят от органических субстратов на коферменты NAD- и FAD-зависимых дегидрогеназ. Электроны, обладающие высоким энергетическим потенциалом, передаются от восстановленных коферментов NADH и FADH 2 к кислороду через цепь переносчиков, локализованных во внутренней мембране митохондрий. Восстановление молекулы О 2 происходит в результате переноса 4 электронов. При каждом присоединении к кислороду 2 электронов, поступающих к нему по цепи переносчиков, из матрикса поглощаются 2 протона, в результате чего образуется молекула Н 2 О.