Сопряжения и разобщения окислительного фосфорилирования

Процесс окисления создает электрохимический потенциал, а процесс фосфорилирования его использует. Таким образом, электрохимический потенциал обеспечивает сопряжение (связывание) процессов окисления и фосфорилирования (окислительного фосфорилирования).

Так как необходимый для сопряжения электрохимический потенциал создают I, III и IV комплексы дыхательной цепи, их называют пунктами сопряжения окисления и фосфорилирования.

Повреждение внутренней мембраны митохондрий или увеличение ее проницаемости под действием разобщителей вызывает исчезновение электрохимического потенциала, разобщение процессов окисления и фосфорилирования, и прекращение синтеза АТФ.

Разобщение дыхания и фосфорилирова­ния назы­вают явление исчезновения на мембране электрохимического потенциала под действием разобщителей и прекращение синтеза АТФ.

Разобщителями являются вещества, которые могут переносить протоны (протонофоры) или другие ионы (ионофоры) через мембрану минуя каналы АТФ-синтетазы. В результате разобщения количество АТФ снижается, АДФ увеличивается, возра­стает скорость потребления О₂, окисления НАДН₂, ФАДН₂, а образовавшаяся свободная энергия выделяется в виде теп­лоты.

Как правило, разобщители — липофильные веще­ства, легко проходящие через мембраны. Например, вещество 2,4-динитрофенол (переносит Н⁺), лекарство - дикумарол, метаболит - билирубин, гормон щитовидной железы - ти­роксин, антибиотики - валиномицин и грамицидин.

Коэффициент окислитель­ного фосфорилирования Для оценки эффективности окислительного фосфорилирования используют коэффициент окислительного фосфорилирования (Р/О).

Коэффициентом окислитель­ного фосфорилирования называют от­ношение количества фосфорной кислоты (Р), использованной на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), поглощённого в процессе дыхания.

При окисление молекулы НАДН₂, е^- по дыхательной цепи проходят 3 пункта сопряжения, что обеспечивает синтез 3 АТФ при затрате 3 Н₃РО₄ и 3 АДФ на 1 атом кислорода. Соответственно для НАДН₂ Р/О=3.

При окисление молекулы ФАДН₂, е^- по дыхательной цепи проходят только 2 пункта сопряжения, что обеспечивает синтез 2 АТФ при затрате 2 Н₃РО₄ и 2 АДФ на 1 атом кислорода. Соответственно для ФАДН₂ Р/О=2.

Эти величины Р/О отражают теоретический максимум синтеза АТФ, фактически эта величи­на меньше из-за затрат на транспорт.

Транспорт веществ через мембрану митохондрий

1). Внутренняя мембрана митохондрии проницаема для незаряженных простых молекул О₂, Н₂О,

СО₂, NH₃, а также для монокарбоновых кислот. Эти вещества проходят мембрану самостоятельно по градиенту концентраций.

2). Для ионов мембрана не проницаема, через мембрану их переносят специальные насосы за счет энергии электрохимического потенциала. Только на транспорт АТФ и АДФ расходуется около четверти всей энергии электрохимического потенциала.

Симпортом с Н⁺ в матрикс перемещается ПВК и Са²⁺.

Антипортом перемещаются:

В результате обменных механизмов антипорта поддерживается осмотическое равновесие.

Теплопродукция

30-35% свободной энергии рассеива­ется в виде теплоты и используется теплокровными животными на поддержание темпе­ратуры тела. Кроме того, дополнительное образование теплоты может происходить при paзобщении дыхания и фосфорилирования в бурой жировой ткани. Она содержит много митохондрий с большим количеством дыхательных ферментов и разобщающего бе­лка термогенина (РБ-1, около 10% всех белков). Ра­зобщение окислительного фосфорилирования в бурой жировой ткани позволяет генерировать тепло для поддержания температуры тела у новорождённых, зимнеспящих животных и у всех млекопитающих в процессе адаптации к холоду.

У взрослых людей важную роль в термогенезе при переохлаждении играют жирные кислоты. Охлаждение стимулирует выделение норадреналина, который активирует липазу в жировой ткани и гидролиз ТГ. Образующиеся свободные жирные кислоты способны не только быть топливом дыхательной цепи, но и переносить протоны через мембрану в матрикс митохондрий разобщая дыхание и фосфорилирование. Обратно жирные кислоты в ионизированной форме возвращаются с помощью переносчиков.

Дыхательный контроль

В норме субстраты тканевого дыхания и О₂ находятся в достаточном количестве и не лимитируют окислительное фосфорилирование. Активность окислительного фосфорилирования ограничивает только концентрация АДФ, которая обратно пропорциональна концентрации АТФ.

При нагрузке концентрация АТФ снижается, а АДФ увели­чивается, что ускоряет дыхание и фосфорилирование. В состоянии покоя количество АТФ увеличивается, а АДФ снижается, что тормозит дыхание и фосфорилирование.

Зависимость ин­тенсивности дыхания митохондрий от концент­рации АДФ называют дыхательным контролем. В результате дыхательного контроля скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клет­ки в энергии. Общее содержание АТФ в организме 30—50 г, но каждая молекула АТФ в клетке «живёт» мень­ше минуты. В сутки у человека синтезируется 40—60 кг АТФ и столько же распадается.

Макроэргические связи и макроэргические соединения, роль в организме. АТФ как важнейший аккумулятор и источник энергии

В живых организмах существует целая группа органических фосфатов, гидролиз которых приводит к освобождению большого количества свободной энергии. Такие соединения называют высокоэнергетическими фосфатами. Разные фосфорилированные соединения обладают разным запасом свободной энергии. К группе высокоэнергетических фосфатов, помимо АТФ, относят енолфосфаты, ангидриды и фосфогуанидины.

При гидролизе концевой фосфоангидридной связи АТФ превращается в АДФ и Рн. При этом изменение свободной энергии составляет —7,3 ккал/моль.

Величина свободной энергии гидролиза АТФ делает возможным его образование из АДФ за счёт переноса фосфатного остатка от таких высокоэнергетических фосфатов, как, например, фосфоенолпируват или 1,3-бисфосфоглицерат; в свою очередь, АТФ может участвовать в таких эндергонических реакциях, как фосфорилирование глюкозы или глицерина. АТФ выступает в роли донора энергии в эндергонических реакциях многих анаболических процессов. Некоторые биосинтетические реакции в организме могут протекать при участии других нуклеозидтрифосфатов, аналогов АТФ; к ним относят гуанозинтрифосфат (ГТФ), уридинтрифосфат (УТФ) и цитидинтрифосфат (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.

Таким образом, АТФ — главный, непосредственно используемый донор свободной энергии в биологических системах. В клетке молекула АТФ расходуется в течение одной минуты после её образования. У человека количество АТФ, равное массе тела, образуется и разрушается каждые 24 ч.

Использование АТФ как источника энергии возможно только при условии непрерывного синтеза АТФ из АДФ за счёт энергии окисления органических соединений. Цикл АТФ—АДФ — основной механизм обмена энергии в биологических системах, а АТФ — универсальная «энергетическая валюта».

ЛЕКЦИЯ № 6