Синтез АТФ з АДФ та неорганічного фосфату, пов'язаний з перенесенням протонів та електронів по дихальному ланцюгу від субстратів до кисню, називається окисним фосфорилюванням.

Для кількісного виразу окисного фосфорилювання введено коефіцієнт окислювального фосфорилювання, який є відношенням числа молекул неорганічного фосфату, що перейшли до складу АТФ в процесі дихання, на кожен поглинений атом кисню. Відношення Р/О для повного дихального ланцюга дорівнює 3, для укороченого - 2.

Енергія окислення, достатня освіти молекули АТФ виділяється в ЦПЭ у наступних стадіях: 1) НАД - ФМН (НАДН-дегидрогеназа); 2) цит b- Цит з(Убіхінол-цитохром зредуктазу); 3) цит а- 1/2 Про 2 (цитохром з-оксидаза). На цих стадіях зміни ОВП перевищують 0,22, що достатньо для утворення макроергічного зв'язку АТФ (>30,2 кДж/моль). Зменшення вільної енергії, що супроводжує перенесення протонів та електронів на кисень внаслідок одного дегідрування, становить приблизно 220 кДж/моль. При цьому на синтез АТФ у повному дихальному ланцюгу може бути витрачено 30,2×3=90,6 кДж/моль. Звідси ККД ЦПЕ близько 40%. Решта енергії розсіюється у вигляді тепла (підтримання температури тіла).

Відомі три основні гіпотези окисного фосфорилювання.

1. Механохімічна, чи конформаційна(Грін, Бойєр, 60-ті рр. ХХ ст.). У процесі перенесення протонів та електронів змінюється Конформація білків-ферментів. Вони переходять у новий багатий енергією стан, та був при поверненні у вихідну конформацію віддають енергію для синтезу АТФ. Гіпотезу частково підтверджено: Еокисл.→ Еконформ. зрушень → Е АТФ.

2. Гіпотеза хімічного сполучення(Ліпман, Слейтер, Ленінджер, 30-40-ті рр. ХХ ст.). У поєднанні дихання та фосфорилювання беруть участь сполучні речовини, наприклад речовина Х. Речовина «Х» акцептує протони та електрони від першого ферменту в пункті сполучення, взаємодіє з Н 3 РО 4 . У момент віддачі протонів та електронів другому ферменту пункту сполучення зв'язок стає макроергічною. Далі макроерг передається на АДФ з утворенням АТФ. До цього часу не виділені сполучні речовини.

3. Хеміосмотична гіпотеза П.Мітчелла (1961). За сучасними уявленнями дихання та фосфорилювання пов'язані між собою електрохімічним потенціалом(ЕХП) на внутрішній мембрані мітохондрій. Для пояснення необхідні такі поняття: а) внутрішня мембрана мітохондрій непроникна для Н+ та ОН-; б) у внутрішню мембрану мітохондрій вмонтовано АТФ-синтазу, що каталізує оборотну реакцію: АТФ + Н 2 О «АДФ + Рн. АТФ-синтаза складається з наступних субодиниць: F 0 - гідрофобний сегмент з 13 поліпептидних ланцюгів, пов'язаний з внутрішньою мембраною мітохондрій; F 0 – це протонний канал, яким у нормі тільки можуть переміщатися протони через мембрану; F 1 - сполучний фактор, що каталізує синтез АТФ при переміщенні протонів. У вкороченому ланцюзі переносу електронів відсутня тільки перший етап, решта перенесення електронів такий самий, як і в повному ланцюзі; в) синтез АТФ здійснюється при переміщенні протонів через АТФ-синтазу у напрямку від ММП (міжмембранний простір) до матрикса.

Суть окисного фосфорилювання:за рахунок енергії перенесення електронів у ЦПЕ (Е окислення) відбувається рух протонів через мембрану в ММП та створюється електрохімічний потенціал (Е ЕХП). При поверненні протонів назад через АТФ-синтазу енергія ЕХП трансформується на енергію АТФ – Е АТФ. Итак: Е Окисл. ® Е ЕХП ® Е АТФ.

НАДН-КоQ редуктазу, цитохром редуктазу та цитохромоксидазу виштовхують протони в міжмембранний простір. Протони беруться з Н 2 Про матриксу або за рахунок конформаційних змін у ферментах. З боку матриксу на мембрані переважатиме негативний заряд (надлишок ВІН -), а з боку ММП позитивний (за рахунок Н+). Виникає ЕХП, що складається з двох компонентів: осмотичного (різниці концентрацій іонів Н+) та електричного (різниці електричних потенціалів): ΔmН + = Dj + DрН. Ця величина виміряна, вона дорівнює ~0,25 (хеміосмотична гіпотеза П.Мітчела). При зворотному струмі протонів через канал АТФ-синтази(Розрядка мембрани) виникає 3 молекули АТФ в повній ЦПЕ і 2 молекули АТФ в укороченій. Таким чином внутрішня мембрана мітохондрій виконує роль сполучної мембрани. Тепер можна підсумовувати всю будову ЦПЕ у вигляді 5 ферментативних комплексів, прив'язавши їхнє положення до шкали ОВП (таблиця 6.3).

Таблиця 6.3

Компоненти мітохондріального ланцюга перенесення протонів та електронів

ОВП, В	Компоненти ЦПЕ
-0,4	Субстрати 2 та 3 роду
-0,3	Комплекс I (повна ЦПЕ)
НАДН-дегідрогеназу (КФ 1.6.5.3.). 700-800 кДа, 25-30 субодиниць, 1 ФМН, 2 Fe 2 S 2 , 4-5 Fe 4 S 4
~0	Субстрати I роду
Комплекс II (укорочена ЦПЕ)
Сукцінатдегідрогеназу (КФ 1.3.5.1.). 125 кДа, 4-6 субодиниць, 1 ФАД, 1 Fe 2 S 2 , 1Fe 4 S 4 , 1 Fe 3 S 4 , 2 убіхінону, 1 гем цитохрому b
Комплекс III (обидві ЦПЕ)
Убіхінол-цитохром з-Редуктаза (КФ 1.10.2.2.). Близько 400 кДа, 11 субодиниць, 2 Fe 2 S 2 , 2 гема цитохрому b, 1 гем цитохрому з 1
+0,3	Комплекс IV (обидві ЦПЕ)
Цитохром з-оксидаза (КФ 1.9.3.1). Близько 200 кДа, 8-13 субодиниць, 2 Cu, 1 Zn, 1 гем цитохрому ата 1 гем цитохрому а 3
Комплекс V (обидві ЦПЕ при поєднанні дихання та фосфорилювання)
Н+-транспортуюча АРФ-синтаза (КФ 3.6.1.34.). Більше 400 кДа, 8-14 субодиниць
+0,8	Кисень

Повна ЦПЕ – 1,3,4 та 5 комплекси, укорочена ЦПЕ – 2,3,4 та 5 комплекси.

В англомовній літературі вказується, що на кожну пару електронів, що переносяться від НАДН у міжмембранний простір, виштовхується 10 протонів, а при окисленні сукцинату – 6 протонів. В результаті проведених досліджень встановлено, що для синтезу 1 молекули АТФ необхідно 4 протони, 3 з яких використовується для утворення АТФ, а 1 протон використовується для транспорту РН, АТФ та АДФ через мітохондріальну мембрану. Отже, якщо 10 протонів виштовхується в міжмембранний простір, а 4 використовується для синтезу АТФ, коефіцієнт окислювального фосфорилювання дорівнює 2,5 (10/4) у повному дихальному ланцюгу і 1,5 (6/4) в укороченому дихальному ланцюгу. Однак, остаточний висновок можна буде зробити тільки за повної розшифровкимеханізму функціонування АТФ-ази

У деяких морських бактерій виникнення електрохімічного потенціалу на мембрані пов'язане із виникненням ΔmNa,що визначає синтез АТФ, створення сольових градієнтів та рух джгутиків.

Дихальний контроль- це регуляція швидкості перенесення електронів по дихальному ланцюгу ставленням АТФ/АДФ. Чим менше це відношення (переважає АДФ), тим інтенсивніше йде дихання (це забезпечує реакцію АДФ + РН ® АТФ). Це видно зі збільшенням споживання кисню мітохондріями після добавки АДФ (експерименти Чансу) або посиленого дихання людини, що біжить.

Речовини, що припиняють потік електронів по дихальному ланцюгу ферментів, називають інгібіторами дихання. Ротеноні аміталспецифічно інгібують перенесення електронів у НАДН-дегідрогеназному комплексі і таким чином запобігають генеруванню протонного градієнта в 1-му комплексі. У той же час ці інгібітори не порушують окислення сукцинату. Антиміцин Агальмує струм електронів між цитохромами bі з 1, запобігаючи синтезу АТФ, пов'язаний з генеруванням протонного градієнта в 3-му комплексі. Цей блок можна обійти додаванням аскорбату, що безпосередньо відновлює цитохром с. Нарешті, струм електронів може бути блокований між цитохромоксидазним комплексом та киснем під дією CN - , N 3 - та СО. У присутності цих інгібіторів через блокування струму електронів немає фосфорилування, пов'язаного з генеруванням протонного градієнта в 4-му комплексі.

Роз'єднання дихання та окисного фосфоруваннявиникає при підвищенні проникності мембрани мітохондрій для протонів у будь-якому місці, а не лише у каналі АТФ-синтази. При цьому не створюється електрохімічний потенціал та енергія окислення розсіюється у вигляді тепла. Так діють іонофори ( 2,4-динітрофенол, валіноміцинта ін). Вони переносять назад протони через мембрану, вирівнюючи градієнти рН та мембранного потенціалу. Лікарські препарати (амінобарбітал), продукти життєдіяльності мікроорганізмів, надлишок тиреоїдних гормонів(викликають накопичення ненасичених жирних кислот, що є іонофорами) та ін. Приводять до роз'єднання дихання та фосфорилювання, забезпечуючи гіпертермію.

На роз'єднанні дихання та фосфорилювання базується терморегуляторна функція тканинного дихання. Тканинне дихання, що протікає в мітохондріях і не супроводжується утворенням макроергів, називають вільним або нефосфорилуючим окисленням.

Природним роз'єднувальним агентом є термогенін, протонний канал у мітохондріях бурих жирових клітин Бурий жир виявлений у новонароджених та тварин, що впадають у зимову сплячку і служить для теплоутворення. При охолодженні організму норадреналін активує гормонзалежну ліпазу. Завдяки активному ліполізу в організмі утворюється велика кількістьвільних жирних кислот, які розпадаються в результаті β-окислення та дихального ланцюга. Оскільки жирні кислоти одночасно відкривають протонний канал термогеніна, їх розпад залежить від наявності АДФ, тобто. протікає з максимальною швидкістюта генерує енергію у формі тепла.

Утворена в результаті окисного фосфорилювання в мітохондріях АТФ обмінюється на позамітохондріальну АДФ за допомогою спеціальних білків транслоказ(транслокази становлять до 6% від усіх білків внутрішньої мембрани мітохондрій).

Гіпоенергетичні станивиникають 1) у разі порушення надходження субстратів для дегідрування (на всіх етапах від їжі до матриксу мітохондрій); 2) при порушенні надходження Про 2 в мітохондрії (на всіх етапах від дихання, зв'язок з киснем з гемоглобіном, транспорт тощо); 3) при порушенні мембран мітохондрій, композиції ліпідного бислоя та ферментативних ансамблів внутрішньої мембрани мітохондрій. Запропоновано обчислювати енергетичний стан клітиниобчислюючи «заповнення» системи АТФ-АДФ-АМФ макроергами Якщо всі три компоненти представлені АТФ, система енергетично повністю заповнена і її енергетичний заряд дорівнює 1,0. Якщо ж система представлена ​​лише АМФ, її енергетичний заряд дорівнює 0.

Енергетичний заряд клітини є важливою величиною, що визначає співвідношення катаболічних та анаболічних процесів у ній. У тканинах тварин важливу регуляторну роль виконує величина відношення АТФ/АДФ.

За добу людина споживає в середньому 27 моль кисню. Основна його кількість (приблизно 25 моль) використовується в мітохондріях ЦПЕ. Отже, щодобово синтезується 125 моль АТФ, або 62 кг (при розрахунку використано коефіцієнт Р/О = 2,5, тобто середнє значення коефіцієнта фосфорилювання). Маса всієї АТФ, що міститься в організмі, становить приблизно 20-30 г. Отже, кожна молекула АТФ за добу 2500 разів проходить процес гідролізу та синтезу.

Молекулярні двигуни- це ферменти, що трансформують хімічну енергіюгідролізу АТФ у механічну роботу (Schliwa M., 2006). В еукаріотичних клітинах виділяють три різних класумоторів: 1) міозин; 2) кінезин та 3) дінеїн. Для них характерні: 1) протяжна полярна структура, вздовж якої в одному напрямку переміщуються актинові філаменти (міозин) або мікротрубочки (кінезини та дінеїни); 2) молекулярна організація взаємодіючих субодиниць повинна забезпечувати односпрямований рух; 3) зв'язувальні центри для АТФ та рухомих елементів локалізуються в глобулярних каталітичних доменах, званих головками; 3) енергію для руху виходить при гідролізі АТФ та реалізується через конформаційні зміни білків (поворот головки); 5) взаємодія субодиниць молекулярних моторів забезпечує переміщення структур у в'язкій цитоплазмі. В даний час відомі 18 класів міозинів (м'язи та ін тканини), 10 сімейств кінезинів (цитозоль клітин) і 2 групи дінеїнів (плазма крові). Три типи моторів розрізняються за молекулярною масою: кінезини – 45 кДа, міозини – 100 кДа та дінеїни – 500 кДа. За структурою близькі кінезини та міозини. Молекулярні мотори застосовуються різними живими організмами для клітинної активності – контракція, транспорт органел, рухливість клітин, клітинний поділ, передача інформації, процеси розвитку та інших.

Фосфорилювання АДФ у мітохондріях;

Аеробне окиснення поживних речовин з утворенням вуглекислого газу та води.

При менш інтенсивному навантаженні - при помірному м'язової активності- коли до м'язових клітин доставляється достатня кількість кисню, відбувається утворення АТФ переважно шляхом окисного фосфорилювання - аеробне окисненнявуглеводів та жирів з утворенням вуглекислого газу, води та АТФ. Протягом перших 5-10 хв головним ресурсом при цьому служить глікоген. У наступні ~30 хв домінуючими стають джерела енергії, що доставляють кров'ю, причому глюкоза і жирні кислоти беруть участь приблизно однаковою мірою. На пізніших етапах скорочення переважає утилізація жирних кислот, а глюкоза витрачається менше. Процес протікає в мітохондріях – енергетичних станціях клітин – тривалий шлях, що включає цикл Кребса (ЦТК – цикл трикарбонових кислот) та електрон-транспортний ланцюг (де власне відбувається окислення), детально описаний у підручниках біохімії

Будь-які поживні речовини, які можуть перетворюватися на ацетил-КоА, метаболізуються в циклі Кребса і в процесі окисного фосфорилювання.

Окислювальне фосфорилювання включає перетворення пірувату в ацетил-КоА і, в кінцевому рахунку, його повне окислення до вуглекислого газу і води. Це перетворення відбувається в циклі Кребса та в ланцюзі перенесення електронів (ЦПЕ). Реакції загального шляху катаболізму відбуваються в матриксі мітохондрій та відновлені коферменти передають водень безпосередньо на компоненти ЦПЕ, розташовані у внутрішній мембрані мітохондрій.

Рис.18. Схема одержання енергії м'язовою клітиною.

Шляхи одержання енергії м'язовою клітиною взаємопов'язані та можуть перетинатися. Спочатку розглянемо цей процес з прикладу використання найуніверсальнішого джерела енергії - глюкози ( рис.18).

У цитоплазмі молекула глюкози перетворюються на піруват у процесі гліколізу. Паралельно із цим синтезується АТФ. Гліколіз не потребує присутності кисню. Однак піруват, що утворився, може бути і далі використаний клітиною для отримання енергії, в цьому випадку вийде синтезувати набагато більше АТФ, ніж при гліколізі. Цей процес, який зветься окислювального фосфорилювання, відбувається в мітохондріях, і для нього клітині вже потрібен кисень. Піруват потрапляє до мітохондрії, де вступає до Циклу Кребса. Основним продуктом цього циклу є NADН (НАДАН) (читається над-аш). NADН вступає у процес окисного фосфорилювання, який протікає у внутрішній мембрані мітохондрії. В результаті синтезується АТФ, причому у набагато більшій кількості, ніж при гліколізі

Рис.19. Катаболізм основних харчових речовин. 1-3 – травлення; 4-8 – специфічні шляхи катаболізму; 9-10 - заключний ( загальний шлях) катаболізму; 11 - ЦПЕ; 12 - окисне фосфорилювання.

Які речовини використовуються у різних метаболічних шляхах?

Для гліколізу можуть використовуватися лише вуглеводи. Майже всі вуглеводи, що легко засвоюються, можуть перетворюватися на глюкозу або запасатися у формі глікогену. Глікоген та глюкоза метаболізуються в процесі глікогенолізу та гліколізу. Будь-які поживні речовини, які можуть перетворюватися на ацетил-КоА (рис. 19), метаболізуються в циклі Кребса та в процесі окисного фосфорилювання. Зокрема, жири розщеплюються до гліцерину, який потім перетворюється на піруват та жирні кислоти. Жирні кислоти окислюються в мітохондріях в процесі р-окислення до ацетил-КоА. Білки розщеплюються до амінокислот, які після дезамінування (видалення NH3) перетворюються на піруват або ацетил-КоА і надходять у цикл Кребса. В жодній реакції циклу Кребса та р-окислення не використовується кисень, проте, якщо ЦПЕ не включається, виникає дефіцит акцепторів електронів (НАД, ФАДН), що призводить до уповільнення, а потім і повного припинення обміну речовин.

Перетворення пірувату на ацетил-КоА відбувається за участю набору ферментів, структурно об'єднаних у піруватдегідрогеназний комплекс (ГДК). Ацетильний залишок - ацетил-Ко А далі окислюється в циклі лимонної кислотидо СО 2 і Н 2 О. У цих реакціях окиснення беруть участь NAD-і FAD-залежні дегідрогенази, що постачають електрони та протони в ЦПЕ, за якою вони передаються на О 2 .

Таким чином, кожен оберт циклу лимонної кислоти супроводжується синтезом 11 молекул АТФ шляхом окислювального фосфорилювання. Одна молекула АТФ утворюється шляхом субстратного фосфорилювання.

Мал. 20.Ефективність та економічність основних шляхів енергозабезпечення

Відомо, що при аеробному окисленні з однієї молекули молочної кислоти відбувається ресинтез у вуглевод 4-6 інших молекул молочної кислоти, а окислення вуглеводів у повних кисневих умовахсупроводжується значно більшим визволенням енергії для ресинтезу глюкози, ніж при анаеробному процесі. У зв'язку з цим в аеробних умовах глюкоза може утворити у 19 разів більше АТФ порівняно з анаеробними. Отже, аеробний шлях енергозабезпечення є більш ефективним та економічним. рис.20).

Порівняємо три шляхи ресинтезу АТФ.

Порівняння:	три шляхи ресинтезу	АТФ.
	КРЕАТИНФОСФАТНИЙ	ГЛІКОЛІЗ	ОКИСЛЮВАЛЬНЕ ФОСФОРІЛУВАННЯ
Локалізація	Скорочувальна ділянка м'яза	Цитоплазма	Мітохондрія
Субстрат	КФ	Глюкоза/глікоген	Піруват (або ацетил-коензим А [КоА])
Продукт	Креатин + Рі |	Пірувати або лактат	Вуглекислий газ та вода
Кількість стадій			11 + перенесення електронів
Вихід АТФ, молекул
Використання кисню	Ні	Ні	Так
Швидкість	Швидкий	Швидкий	Повільний
Тип	Анаеробний	Анаеробний	Аеробний

Рис.21. Послідовність включення різних шляхів синтезу АТФ на початку легкого фізичного навантаження

Як показано на рис.21у перші секунди майже вся енергія забезпечується аденозинтрифосфатом (АТФ); наступним джерелом є креатинфосфат (КФ). Анаеробний процес-гліколіз досягає максимуму приблизно через 45 с, тоді як за рахунок окисних реакційм'яз не може отримати основну частину енергії раніше, ніж за 2 хв.

Навіть при легкоїроботі ( рис.21) отримання енергії відбувається анаеробним шляхом протягом короткого перехідного періоду після початку роботи; надалі метаболізм здійснюється повністю за рахунок аеробнихреакцій ( рис. 21) з використанням як субстратів глюкози, а також жирних кислот та гліцеролу. На відміну від цього під час важкоїроботи одержання енергії частково забезпечується анаеробними процесами.Крім цих «вузьких місць» у процесах енергозабезпечення та тих, що тимчасово виникають відразу ж після початку роботи (рис. 21), при екстремальних навантаженнях утворюються «вузькі місця», пов'язані з активністю ферментів на різних етапахметаболізму.

Мал. 22.Споживання кисню під час легкої динамічної роботи постійної інтенсивності

Шляхи ресинтезу АТФ та їх внесок у енергозабезпечення м'язової діяльності залежатимуть від інтенсивності, тривалості навантажень та здатності систем забезпечити енергетичні процеси у м'язі киснем.

Як показано на рис. 22, здатність нашого організму адекватно задовольняти потреби м'язів у кисні далека від досконалості. Коли ви починаєте виконувати вправу, система транспорту кисню (дихання та кровообіг) не відразу постачає необхідна кількістьйого активним м'язам. Після початку роботи потрібно деякий час для збільшення інтенсивності аеробних енергетичних процесів у м'язі. Лише за кілька хвилин досягається стабільний рівень споживання кисню, у якому повністю функціонують аеробні процеси, проте потреба організму у кисні різко підвищується саме у момент початку виконання вправи. У цей період дефіцит енергії компенсується за рахунок легкодоступних анаеробних енергетичних резервів(АТФ та креатин-фосфату). Кількість макроергічних фосфатів невелика порівняно із запасами глікогену, проте вони незамінні як протягом зазначеного періоду, так і для забезпечення енергією при короткочасних навантаженнях під час виконання роботи.

Поглинання кисню і, отже, освіта АТФ збільшуються доти, доки буде досягнуто стійке стан, у якому освіту АТФ адекватно його споживанню під час роботи м'язів. Постійний рівень споживання кисню (освіта АТФ) підтримується, доки не зміниться інтенсивність роботи. Між початком роботи та збільшенням споживання кисню до якогось постійного рівня відбувається затримка, яка називається кисневим боргом чи дефіцитом. Дефіцит кисню- період часу між початком м'язової роботи та зростанням споживання кисню до достатнього рівня.

На рис. 22 показано споживання кисню до, під час та після легкої рівномірної роботи. Показано дефіцит кисню та надлишок споживання кисню після фізичного навантаження.

Що таке дефіцит кисню?

Період часу між початком фізичного навантаження та збільшенням поглинання кисню до достатнього рівня; тобто тривалість вирівнювання різниці між поглинанням кисню в перші хвилини роботи та потребою в кисні для синтезу достатньої кількості АТФ. Потреба АТФ зростає миттєво, проте досягнення необхідного рівня поглинання кисню потрібен деякий час; у результаті створюється дефіцит кисню. Існують різні погляди на механізми забезпечення АТФ у період. Можливо, АТФ синтезується в процесі анаеробного метаболізму або надходить із запасів клітини, можливо, просто вимірювання кількості АТФ запізнюється порівняно з його вмістом. При тренуваннях дефіцит кисню зменшується, що свідчить про можливість швидше підключення систем, що забезпечують швидку доставку кисню при фізичному навантаженні.

Кисневий дефіцит(дефіцит кисню) –

різниця між кисневим запитом та кисневим приходом.

період часу між початком фізичного навантаження та збільшенням поглинання кисню до достатнього рівня.

тривалість вирівнювання різниці між поглинанням кисню в перші хвилини роботи та потребою в кисні для синтезу достатньої кількості АТФ.

Оксидазний шлях використання кисню у клітині

Причини та наслідки пошкоджень мітохондрій

Метаболічні та гомеостатичні функції мітохондрій

Локалізації ферментів мітохондрій

1). Зовнішня мембрана містить: а). елонгази, ферменти, що подовжують молекули насичених жирних кислот; б). кінуренінгідроксилазу; в). моноамінооксидазу (маркер) та ін.

2). Міжмембранний простір містить: а). аденілатциклазу; б). нуклеозиддіфосфаткінази.

3). Внутрішня мембрана містить: а). ферменти ланцюга окисного фосфорилювання, їх цитохромоксидаза - маркер; б). СДГ в). β-оксибутират ДГ; г). карнітінацилтрансферазу.

4). Матрікс містить: а). ферменти ЦТК; б). ферменти β-окислення жирних кислот; в). амінотрансферази АСТ, АЛТ; г). глутамат ДГ буд). фосфоенолпіруваткарбоксилазу е). піруват ДГ.

У клітині міститься від сотні до тисячі мітохондрій, їх розмір 2-3 мкм у довжину та 1 мкм у ширину.

У мітохондріях відбувається: синтез АТФ та теплопродукція в реакцію окисного фосфорилювання; β-окислення жирних кислот; реакції ЦТК, через ЦТК протікають деякі реакції глюконеогенезу, переамінування, дезамінування, ліпогенезу та синтезу гему, здійснюється інтеграція білкового, ліпідного та вуглеводного обміну.

Пошкодження внутрішньої мембрани мітохондрій хімічними та фізичними факторами призводить до порушення процесу синтезу АТФ, гальмування анаболічних реакцій, міжмембранного транспорту та всіх видів обміну речовин.

- окисне фосфорилювання

Оксидазний шлях використання кисню складається з процесів окислення та фосфорилювання, які між собою пов'язані. У ньому бере участь близько 40 різних білків. Оксидазний шлях споживає 90% Про 2 є основним джерелом АТФ в аеробних клітинах.

Окислювальним фосфорилюванням називають синтез АТФ з АДФ та Н 3 РО 4 за рахунок енергії перенесення електронів за ЦПЕ. При окисненні виділяється 220 кДж/моль вільної енергії. На синтез 3 АТФ витрачається: 30,5 * 3 = 91,5 кДж / моль. У вигляді тепла виділяється: 220-91,5 = 128,5 кДж/моль. ККД = 40%. НАДН 2 + ½О 2 → НАД + + Н 2 О + 220 кДж/мольАДФ + Н 3 РО 4 + 30,5 кДж/моль = АТФ + Н 2 О 1). Ланцюг окислення (Дихальний ланцюг) складається з 4 білкових комплексів, які певним чином вбудовані у внутрішню мембрану мітохондрій та невеликих рухомих молекул убихинона та цитохрому С, які циркулюють у ліпідному шарі мембрани між білковими комплексами. Комплекс I – НАДН 2 дегідрогеназний комплекс– найбільший з дихальних ферментних комплексів – має молекулярну масупонад 800КДа, складається з понад 22 поліпептидних ланцюгів, як кофермент містить ФМН і 5 залізо-сірчаних (Fe 2 S 2 і Fe 4 S 4) білків. Комплекс II – СДГ . Як кофермент містить ФАД і залізо-сірчаний білок. Комплекс ІІІ – Комплекс b-c 1 (фермент QH 2 ДГ) , має молекулярну масу 500КД, складається з 8 поліпептидних ланцюгів, і ймовірно існує у вигляді димера. Кожен мономер містить 3 гема, пов'язаних з цитохромами b 562 , b 566 з 1 і залізо-сірчаний білок. Комплекс IV – Цитохромоксидазний комплекс має молекулярну масу 300КД, складається з 8 поліпептидних ланцюгів, існує у вигляді димера. Кожен мономер містить 2 цитохроми (а і а 3) та 2 атоми міді. Коензим Q (убіхінон). Ліпід, радикал якого у ссавців утворений 10 ізопреноїдними одиницями (Q 10). Убіхінон переносить по 2Н + і 2е - . убіхінон ↔ семіхінон ↔ гідрохінон Цитохром з. Периферичний водорозчинний мембранний білок з масою 12,5КДа, містить 1 поліпептидний ланцюг зі 100 АК, і молекулу гема.Молекулярні співвідношення між компонентами дихального ланцюга відрізняються різних тканинах. Наприклад, у міокарді, на 1 молекулу НАДН 2 дегідрогеназного комплексу припадає 3 молекули комплексу b-c 1 , 7 молекул цитохромоксидазного комплексу, 9 молекул цитохрому і 50 молекул убихинона. 2). Фосфорилювання здійснюється АТФ-синтетазою (Н+-АТФ-аза) – інтегральним білком внутрішньої мембрани мітохондрій. АТФ-синтаза складається з 2 білкових комплексів, що позначаються як F 0 і F 1 . Гідрофобний комплекс F0 занурений у мембрану.

14.1.1. У піруватдегідрогеназної реакції та в циклі Кребса відбувається дегідрування (окислення) субстратів (піруват, ізоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат, малат). В результаті цих реакцій утворюються НАДН та ФАДН2. Ці відновлені форми коферментів окислюються в мітохондріальному дихальному ланцюгу. Окислення НАДН і ФАДН2, що протікає сполучено з синтезом АТФ з АДФ і Н3 РО4 називається окисним фосфорилюванням.

Схема будови мітохондрії показана малюнку 14.1. Мітохондрії є внутрішньоклітинні органели, що мають дві мембрани: зовнішню (1) і внутрішню (2). Внутрішня мітохондріальна мембрана утворює численні складки – кристи (3). Простір, обмежений внутрішньою мітохондріальною мембраною, зветься матрикс (4), простір, обмежений зовнішньою та внутрішньою мембранами, - міжмембранний простір (5).

Малюнок 14.1.Схема будови мітохондрії.

14.1.2. Дихальний ланцюг- Послідовний ланцюг ферментів, що здійснює перенесення іонів водню та електронів від окислюваних субстратів до молекулярного кисню - кінцевого акцептора водню. У цих реакцій виділення енергії відбувається поступово, невеликими порціями, і може бути акумульована у вигляді АТФ. Локалізація ферментів дихального ланцюга – внутрішня мітохондріальна мембрана.

Дихальний ланцюг включає чотири мультиферментні комплекси (рисунок 14.2).

Малюнок 14.2.Ферментні комплекси дихального ланцюга (позначені ділянки сполучення окислення та фосфорилювання):

I. НАДН-KoQ-редуктаза(містить проміжні акцептори водню: флавінмононуклеотид та залізосерні білки). ІІ. Сукцинат-KoQ-редуктаза(містить проміжні акцептори водню: ФАД та залізосерні білки). ІІІ. KoQН 2-цитохром з-редуктазу(містить акцептори електронів: цитохроми b і с1 залізосерні білки). IV. Цитохром с-оксидаза(містить акцептори електронів: цитохроми а і а3, іони міді Cu2+).

14.1.3. Як проміжні переносники електронів виступають убихинон (коензим Q) і цитохром с.

Убіхінон (KoQ)- жиророзчинна вітаміноподібна речовина, здатна легко дифундувати в гідрофобній фазі внутрішньої мембрани мітохондрій. Біологічна ролькоензиму Q - перенесення електронів у дихальному ланцюгу від флавопротеїнів (комплекси I та II) до цитохромів (комплекс III).

Цитохром з- складний білок, хромопротеїн, простетична група якого - гем - містить залізо зі змінною валентністю (Fe3+ в окисленій формі та Fe2+ у відновленій формі). Цитохром є водорозчинною сполукою і розташовується на периферії внутрішньої мітохондріальної мембрани в гідрофільній фазі. Біологічна роль цитохрому з – перенесення електронів у дихальному ланцюгу від комплексу III до комплексу IV.

14.1.4. Проміжні переносники електронів у дихальному ланцюгу розташовані відповідно до їх окислювально-відновних потенціалів. У цій послідовності здатність віддавати електрони (окислятися) зменшується, а здатність приєднувати електрони (відновлюватись) зростає. Найбільшу здатність віддавати електрони має НАДН, найбільшу здатність приєднувати електрони - молекулярний кисень.

На малюнку 14.3 представлено будову реакційноздатної ділянки деяких проміжних переносників протонів та електронів в окисленій та відновленій формі та їх взаємоперетворення.

Малюнок 14.3.Взаємоперетворення окислених та відновлених форм проміжних переносників електронів та протонів.

14.1.5. Механізм синтезу АТФ описує хеміосмотична теорія(Автор - П. Мітчелл). Відповідно до цієї теорії, компоненти дихального ланцюга, розташовані у внутрішній мітохондріальній мембрані, в ході перенесення електронів можуть «захоплювати» протони з матриксу мітохондрій і передавати їх у міжмембранний простір. У цьому зовнішня поверхню внутрішньої мембрани набуває позитивного заряду, а внутрішня - негативний, тобто. створюється градієнт концентрації протонів із кислішим значенням рН зовні. Так виникає трансмембранний потенціал (? Н + ). Існує три ділянки дихального ланцюга, на яких він утворюється. Ці ділянки відповідають I, III та IV комплексам ланцюга перенесення електронів (рис. 14.4).

Малюнок 14.4.Розташування ферментів дихального ланцюга та АТФ-синтетази у внутрішній мембрані мітохондрій.

Протони, виведені в межмембранное простір рахунок енергії переносу електронів, знову перетворюються на мітохондріальний матрикс. Цей процес здійснюється ферментом Н+-залежною АТФ-синтетазою (Н+-АТФ-азою). Фермент складається з двох частин (див. малюнок 10.4): водорозчинної каталітичної частини (F1) і зануреного в мембрану протонного каналу (F0). Перехід іонів Н+ з більш високої області з нижчою їх концентрацією супроводжується виділенням вільної енергії, рахунок якої синтезується АТФ.

14.1.6. Енергія, акумульована у формі АТФ, використовується в організмі для забезпечення різноманітних біохімічних та фізіологічних процесів. Запам'ятайте основні приклади використання енергії АТФ:

1) синтез складних хімічних речовинз найпростіших (реакції анаболізму); 2) скорочення м'язів ( механічна робота); 3) утворення трансмембранних біопотенціалів; 4) активний транспорт речовин через біологічні мембрани.

Живі організми перебувають у постійному та нерозривному зв'язку з довкіллям. Цей зв'язок здійснюється у процесі обміну речовин. Обмін речовин складається з 3 етапів: надходження речовин в організм, метаболізм та виділення кінцевих продуктівз організму.

Надходження речовин в організм відбувається внаслідок дихання (кисень) та харчування. Джерелом енергії для людини є розпад органічних речовин їжі. З поживними речовинами надходять переважно білки, полісахариди, жири, які в процесі травлення розщеплюються на дрібніші молекули (глюкоза, амінокислоти, жирні кислоти, гліцерол). У клітинах ці речовини піддаються перетворенням, включаючись у метаболізм(Обмін речовин). Вони можуть використовуватися для синтезу складніших молекул ( анаболізм) або розпадаються до кінцевих продуктів у процесах катаболізму.

Катаболізм- Розщеплення органічних молекул до кінцевих продуктів. Кінцеві продукти перетворень органічних речовин у тварин і людини - СО2, Н2О та сечовина. До процесів катаболізму включаються метаболіти, що утворюються як при травленні, так і при розпаді структурно-функціональних компонентів клітин.

Анаболізмпоєднує біосинтетичні процеси, в яких прості будівельні блокипоєднуються у складні макромолекули, необхідні для організму. В анаболічних реакціях використовується енергія, що звільняється при катаболізмі.

Біологічне окиснення

Розпад речовин у тканинах супроводжується споживанням кисню та виділенням СО 2 . У цьому виділяється енергія, необхідна функціонування клітин. Вдихається кисень використовується для синтезу метаболічної води за участю водню окислюваних субстратів у процесі тканинного дихання.

SH 2 + ½ Про 2 S + Н 2 Про + енергія

Наприклад, окислення 1 моль глюкози відбувається з виділенням 2780 кДж енергії. Енергія речовин, що окислюються, використовується клітинами для синтезу АТФ з АДФ. Фосфорилювання АДФ у клітинах відбувається шляхом приєднання Н3РО4. Реакція йде із витратою енергії.

АТФ- молекула, багата на енергію, оскільки вона містить два макроергічні зв'язки. Деякі біосинтетичні реакції в організмі можуть протікати за участю інших нуклеозидтрифосфатів, аналогів АТФ; до них відносять ГТФ, УТФ та ЦТФ. Всі ці нуклеотиди у свою чергу утворюються при використанні вільної енергії кінцевої фосфатної групи АТФ. Нарешті, за рахунок вільної енергії АТФ здійснюються різні види роботи, що лежать в основі життєдіяльності організму, наприклад, такі, як м'язове скорочення або активний транспорт речовин.

При використанні АТФ як джерело енергії найчастіше відбувається гідроліз тільки одного макроергічного зв'язку, при цьому виділяється близько 50 кДж/моль енергії і знову утворюється АДФ. Зміст АТФ в організмі людини невелика і становить близько 50 р. враховуючи, що клітини не здатні накопичувати АТФ, а витрата енергії відбувається постійно, в організмі постійно йде синтез АТФ з АДФ і неорганічного фосфату Н 3 РО 4 . За добу в організмі людини може синтезуватись до 60 кг АТФ.

Залежно від джерела енергії, що забезпечує приєднання фосфатного залишку, виділяють два типи фосфорилювання АДФ: окисне та субстратне.

Субстратне фосфорилювання АДФйде за рахунок енергії макроергічних зв'язків сполук (1,3-бісфосфогліцерату та фосфоенолпірувату, сукциніл-СоА). Цей процес може відбуватися як у матриксі мітохондрій, так і в цитоплазмі клітин, незалежно від присутності кисню.

Окисне фосфорилювання АДФ- Перетворення АДФ в АТФ відбувається з використанням енергії переносу електронів від органічних речовин до кисню. Енергію для окисного фосфорилювання поставляють ОВР. Процес може відбуватися лише в аеробних умовах за участю ферментів ланцюга перенесення електронів (ЦПЕ) та АТФ-синтази.

Окисне фосфорилювання АДФ – основний механізм синтезу АТФ в організмі. Воно відбувається у мітохондріях, які є основними постачальниками АТФ і можуть розглядатися як «енергетичні станції» клітини.

Мембрани мітохондрій сильно розрізняються за складом та функціями. Зовнішня мембрана вільно проникна багатьом невеликих молекул до 5000кДа. Проникність внутрішньої мембрани обмежена та визначається наявністю білків-переносників. Внутрішня мембрана мітохондрії багата на білки (80%). До неї включені всі ферментні комплекси та компоненти ЦПЕ, що відповідає за окисне фосфорилювання АДФ.

Одним із найбільших білків внутрішньої мембрани мітохондрій є АТФ-синтаза.

Це білок, що складається з двох олігомерних комплексів (F0 і F1). F 0 складається з 6 гідрофобних протомерів типу a, b, c, занурених у внутрішню мембрану мітохондрій і формують Н + - провідний канал. 3 додаткові субодиниці пов'язують комплекс F0 з комплексом F1. Комплекс F 1 виступає в матриксі мітохондрії і утворює «бульбашка» на внутрішній поверхні мембрани мітохондрії, що має активний центр для зв'язування АДФ иН 3 РО 4 . У ньому відбувається фосфорилювання та утворення АТФ.

Міжмембранний простір також відіграє роль у виробництві АТФ, оскільки може накопичувати протони, що створюють заряд на поверхні внутрішньої мембрани, необхідний активації АТФ-синтази.

Матрикс мітохондрій складається з ферментів, ДНК, РНК та рибосом. ОВР у клітині відбуваються в матриксі мітохондрій. Найважливішими джерелами енергії є реакції дегідрування. У реакціях дегідрування електрони та протони переходять від органічних субстратів на коферменти NAD- та FAD-залежних дегідрогеназ. Електрони, що мають високий енергетичний потенціал, передаються від відновлених коферментів NADH і FADH 2 до кисню через ланцюг переносників, локалізованих у внутрішній мембрані мітохондрій. Відновлення молекули 2 відбувається в результаті перенесення 4 електронів. При кожному приєднанні до кисню 2 електронів, що надходять до нього ланцюгом переносників, з матриксу поглинаються 2 протона, в результаті чого утворюється молекула Н 2 О.