Материал: Биохимия учебное пособие

Рис. 11. Общаясхемареакций циклаКребса

2.3. Тканевое дыхание и окислительное фосфорилирование

Заключительным этапом энергетического обмена служат протекающие в митохондрияхтканевоедыханиеиокислительноефосфорилирование.Тканевоедыхание– потреблениекислорода в дыхательной цепи митохондрий сэнергетической целью. Функциютканевогодыханиявыполняеткомплексферментов,локализованныхнавнутренней мембране митохондрий. Окислительноефосфорилирование– синтез АТФ навнутреннеймембранемитохондрийвприсутствиикислорода.Процессокислитель- ногофосфорилированиякатализируетсяферментомАТФ-синтазой.Краткаяхаракте- ристика структуры компонентов, необходимых для синтеза АТФ в митохондриях, представлена в табл. 4. Перейдем к рассмотрению механизма их работы.

Компонентыдыхательной цепи располагаютсяв мембранев порядкеповышения их сродства к электрону (ē). Таким образом, ē перемещается по дыхательной цепи от веществ с низким сродством к ē к веществам с более высоким сродством к ē. Окисление НАДН2 происходит следующим образом:

а) пара ē и протонов (Н+) переносятся с НАДН2 на флавопротеин – НАДН-де- гидрогеназу, которая направляет пару Н+ в межмембранное пространство, а пару ē – на железо-серные центры (FeS-центры) дыхательной цепи.

б)убихинон принимаетпаруēотжелезо-серныхцентров и паруН+ изматрикса, превращаясьввосстановленный убихинон,затемпереноситпаруН+ вмежмембранное пространство, а пару ē – на цитохром b566.

35

в) ē от цитохрома b566 передаются на цитохром b582, а затем на убихинон, принимающий паруН+ изматрикса ипревращающийсяв восстановленный убихинон. Затем восстановленный убихинон вновь передает пару Н+ в межмембранное пространство, а ē направляет на железо-серный центр.

г) с этого момента дыхательная цепь осуществляет транспорт толькоē, транспортН+ вматриксзавершен.Электроны,полученныеотжелезо-серногоцентра,транс- портируются по системе цитохромов с1, с, а и а3 на конечный акцептор – кислород.

д) цитохромы а и а3 тесно связаны друг с другом и получили общее название цитохромоксидаза, поскольку они непосредственно контактируют с молекулярным кислородом. В состав цитохромоксидазы входит не только гемовое железо, но и медь. В активном центре цитохромоксидазы происходит реакция

4ē + 4Н+ + О2 2Н2О.

Такимобразом,вдыхательнойцепимитохондрийосуществляетсячетырехэлектронное восстановление кислорода с образованием «метаболической воды».

В случае окисления ФАДН2 последовательность событий та же, но начинается с пункта (б): убихинон принимает пару ē и Н+ непосредственно от ФАДН2.

Установлено,чторазностьокислительно-восстановительныхпотенциаловмеж- ду первым (НАДН2) и последним (кислородом) компонентом дыхательной цепи составляет около 1,14 В, что создает запас энергии около 220 кДж, достаточный для синтеза 3 молекул АТФ. Поэтому вся дыхательная цепь условно может быть поделена на 3 участка, разность окислительно-восстановительных потенциалов в которых достаточна для синтеза 1 молекулы АТФ – 3 пункта сопряжения дыха- нияифосфорилирования:1-й–междуНАДН2 иНАДН-дегидрогеназой,2-й–между цитохромами b582 и с, 3-й – между цитохромами а и а3. Таким образом, окисление 1 молекулы НАДН2 в дыхательной цепи дает возможность синтезировать 3 молекулы АТФ, а 1 молекулы ФАДН2 – только 2 молекулы АТФ.

2.3.1. Хемиосмотическая теория

Для объяснения механизма окислительного фосфорилирования в 1961 г. П. Митчеллом была предложена хемиосмотическая теория. В обобщенном виде суть хемиосмотической теории можнопредставить следующимобразом: внутренняя мембрана митохондрий разделяет потоки ē и Н+ – первые транспортируются вдольмембраны, вторые–поперек, приэтомсоздаетсятрансмембранный электрохимический потенциал, обусловленный разностьюзарядов и концентраций протоновв матриксеимежмембранномпространствемитохондрий.Энергияэтогоэлектрохимическогопотенциала используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата,т.е. дляфосфорилирования. Согласноконцепции П. Митчелла тканевое дыханиеи окислительноефосфорилирование сопряжены, а сопрягающим звеном междуними служитэлектрохимический потенциал:дыханиесоздаетего, а фосфорилирование расходует.

При переносе Н+ из матрикса в межмембранное пространство на внутренней мембране создается осмотический градиент протонов (химический потенциал)

37

рН = 60 мВ (при рН = 1) (в матриксе рН выше, чем в межмембранном пространстве). Так как каждый Н+ несет положительный заряд, на внутренней мемб-

ране также появляется разность электрических потенциалов V= 160 мВ, внут-

ренняя сторона мембраны заряжается отрицательно, внешняя – положительно. В сумме осмотический градиент протонов и разность потенциалов образуют

электрохимический потенциал, который составляет около 220 мВ.

Энергия образовавшегося на внутренней мембране митохондрий электрохимическогопотенциала можетиспользоватьсядля фосфорилированияАДФв АТФ, транспорта веществ через мембрану митохондрий и теплопродукции.

Сведенияоструктуреи функциях компонентов дыхательной цепи и АТФ-син- тазы обобщены в табл. 4.

2.3.2. Механизм окислительного фосфорилирования

Процесс фосфорилирования осуществляется АТФ-синтазой (Н+-АТФ-аза), которая потребляет 40–45 % свободной энергии, выделившейся при окислении. АТФ-синтаза представляетсобой интегральный белок, состоящий издвухсубъединиц –F0 и F1. Субъединица F0 –каналв мембране, предназначенный длятранспорта протонов из межмембранного пространства в матрикс. Субъединица F1 – каталитическая – именно она катализирует реакцию синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Когда значение трансмембранного потенциала достигает критической величины 200–250 мВ, Н+ устремляются из межмембранного пространства в матрикс по открывшемуся каналу. Выделяющаяся в результате этого энергия расходуется ферментом на образование макроэргической связи АТФ из АДФ и фосфата – окислительноефосфорилирование. При каждомпереносеН+ черезканалF0 энергияэлектрохимического потенциала расходуется на поворот стержня субъединицы F1, в результате чего изменяется конформация фермента, облегчается связывание АДФ и фосфата.

2.4. Регуляция энергетического обмена

ЦиклКребса,тканевоедыханиеи окислительноефосфорилированиефункционируют в клетке согласованно. Главный принцип их согласованной регуляции: синтез АТФ должен отвечать потребностям клетки в нем. Когда в клетке активно происходит потребление АТФ, накапливается АДФ. Именно АДФ является главным стимулятором всех этапов энергетического обмена. Зависимость скорости дыхания клеток от концентрации АДФ получила название дыхательный контроль.

Дыхательный контроль осуществляется с участием 4 регуляторных ферментов ЦТК: цитратсинтазы, изоцитратдегидрогеназы, -кетоглутаратдегидрогеназ- ногокомплекса и малатдегидрогеназы. Эти ферменты ЦТК ингибируются НАДН2 и АТФ, которыеявляютсяпродуктами ЦТК и окислительногофосфорилирования. НАД+ и АДФ активируют эти ферменты ЦТК. Кроме того, скорость окислительного фосфорилирования напрямую лимитируется доступностью АДФ, который поступает в матрикс в обмен на АТФ.

38

Энергетический обмен находится также и под гормональным контролем. Инсулин через ряд промежуточных посредников активирует ЦТК на уровне -ке- тоглутаратдегидрогеназного комплекса, а также активирует окислительное декарбоксилированиепирувата, поставляющегоацетилкоэнзим А циклуКребса, и гликолиз, продуцирующий пируват. Хорошоизвестно, чтопри дефицитеинсулина,который развивается при сахарном диабете, эти аэробныепроцессы ингибированы, а пируват превращается в лактат. Стимулируют энергетический обмен в клетке гормоныщитовидной железы–тироксин и трийодтиронин. Поддействиемтиреоидных гормонов активируется перенос АДФ в матрикс митохондрии, ускоряются тканевое дыхание и синтез АТФ, а также увеличивается теплопродукция.

2.5. Другие пути использования кислорода

Известны также пути использования кислорода с пластическими целями. Реакции микросомальногоокисления, активнопротекающиев печени и надпочечниках, приводят к внедрению кислорода в окисляемый субстрат. Эндогенными субстратами микросомального окисления являются холестерин, стероидные гормоны, ненасыщенные жирныекислоты. Велико значениеэтогопроцесса для обезвреживания ксенобиотиков (чужеродных организмусоединений).

Небольшое количество кислорода в клетках превращается в активные формы– свободныерадикалы и их предшественники, способные нарушатьструктуру липидов, белков, нуклеиновых кислот. Для защиты от подобного повреждения

вклетках имеется антиоксидантная система, включающая ряд ферментов (каталаза, супероксиддисмутаза, глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза) и низкомолекулярных органических веществ, в том числе витаминов А, С, Е, липоевой кислоты и глутатиона.

Сравнительная характеристика различных путей использования кислорода

вклетке представлена в табл. 5.

Вопросы для проверки усвоения материала

1.Понятие об обмене энергии в живых системах, биоэнергетике и биологическомокислении. Макроэргическиесвязи имакроэргическиесоединения, ихвиды

изначение. АТФ как универсальный энергоноситель. Пути генерации и использования АТФ в клетке, сравнительная характеристика окислительного и субстратногофосфорилирования.

2.Этапы утилизации энергии питательных веществ: подготовительный, промежуточный обмен и митохондриальный, сущность и значение. Образование и экскреция СО2 и Н2О – конечных продуктов метаболизма.

3.Цикл трикарбоновыхкислот(цикл Кребса):сущностьи биологическоезначение. Реакции цикла Кребса:субстраты, ферменты, коферменты. Регуляция цикла Кребса.

39