Біологічне окиснення

БІОЛОГІЧНЕ ОКИСНЕННЯ. ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ОБМІН. СУБСТРАТНЕ ТА ОКИСНЕ ФОСФОРИЛЮВАННЯ

 

Біоенергетика, або біохімічна  термодинаміка, займається досліджненням енергетичних перетворень, що супроводжують біохімічні реакції. Її головні принципи дозволяють пояснити, чому трапляються одні реакції та неможливі інші.  Небіологічні системи можуть здійснювати роботу за рахунок теплової енергії,  біологічні – за рахунок енергії хімічних процесів.

Біологічне окиснення каталізується ферментами і може відбуватися такими шляхами:

1) приєднання кисню до субстрату окиснення;

2) відщеплення водню від субстрату (дегідрування);

3) відщеплення електронів.

Але в клітинах, крім енергозабезпечувального окиснення, яке називається тканинним диханням, існує ще декілька різновидів його, призначення яких інше.

Синтез АТФ із АДФ і фосфату (фосфорилювання  АДФ) відбувається в організмі за двома шляхами, котрі відрізняються  один від іншого джерелом енергії  для утворення макроергічного звязку :

Поруч із терміном “енергетичний обмін” часто використовують терміни “тканинне дихання” й “біологічне окиснення”. Значення цих термінів збігаються лише частково. Тканинне дихання вказує на поглинання кисню й виділення вуглекислого газу. Під енергетичним обміном розуміють перетворення енергії харчових речовин в енергію АТФ або в інші форми хімічної енергії (НАДФН, НАДН, Н+) і використання цих форм енергії для виконання роботи. Назва біологічного окиснення іноді вживається в тому ж значенні, що й тканинне дихання. Але частіше під біологічним окисненням розуміють усю суму окисно-відновних процесів, що відбуваються в клітинах організму. Біоенергетика включає 3 вузлові питання:

1) джерела енергії;

2) способи перетворення і нагромадження енергії;

3) шляхи використання енергії.

Окисне фосфорилювання (головний шлях синтезу):  здійснюється за рахунок енергії окиснення  різноматітних сполук (метаболітів або  субстратів окиснення). Це процес синтезу АТФ при окисненні субстратів з участю дихального ланцюга мітохондрій, реакції цього процесу відбуваються виключно в аеробних умовах.

Субстратне фосфорилювання - процес синтезу АТФ, який відбувається як результат розщеплення субстратів без участі дихального ланцюга мітохондрій. У цьому разі перетворення субстрату в продукт супроводжується фосфорилюванням АДФ з утворенням АТФ. Цей процес можливий як в аеробних, так і анаеробних умовах.

У свою чергу енергія гідролізу АТФ використовується клітинами для виконання всіх відомих ендергонічних процесів:

 1) реакцій синтезу вуглеводів, ліпідів, білків, нуклеїнових кислот;

 2) механічної роботи, наприклад скорочення м'язів, руху хромосом при мітозі;

 3) активного перенесення речовин через мембрани проти градієнта концентрації;

 4) забезпечення точної передачі генетичної інформації;

 5) електричної роботи – проведення нервового імпульсу.

Отже, АТФ виступає як переносник хімічної енергії, який зв'язує клітинні процеси, що супроводжуються виділенням енергії, з тими головними видами клітинної активності, в яких енергія споживається.

Біологічне окиснення

Найбільш потужними процесами продукування енергії в клітинах є аеробні. Використання клітинами кисню необхідне для окиснення субстратів, кінцевими продуктами якого є Н2О, СО2, АТФ. Крім того, виділяється аміак, який у подальшому підлягає знешкодженню. Таким чином, клітини, тканини «дихають» і виробляють енергію, яка необхідна для життєдіяльності.

    Біологічне окиснення, що супроводжується споживанням кисню з наступним утворенням енергії та води, називається тканинним диханням.   Це багатостадійний процес перенесення  атомів водню (протонів і електронів) від субстарту до кисню з утворенням води та вивільненням енергії.

    Субстрати окиснення   утворюються внаслідок катаболізму вуглеводів, ліпідів і білків. Процес їхнього окиснення відбувається не за рахунок приєднання атомів кисню, а шляхом дегідрування, тобто відщеплення атомів водню.

Водень – це універсальне енергетичне паливо, котре використовується у тканнинному диханні для утворення енергії та води.   

    Тканинне дихання складається з поліферментного ланцюга перенесення електронів і протонів, котрий називається мітохондріальним дихальним ланцюгом або дихальним ансамблем. Його складові вбудовані во внутрішню мембрану мітохондрій: від 5 до 20 тисяч ансамблей в одній мітохондрії. 

Виділяють три класи реакцій біологічного окиснення:

1.         Реакції дегідрування.

У результаті цих реакцій відбувається перенесення водню з субстрату (S) на акцептор (А). Ферменти, що каталізують реакції цього класу, мають назву дегідрогенази. Коферментами дегідрогеназ можуть бути НАД, НАДФ, ФАД, ФМН. Залежно від типу акцептора водню реакції дегідрування поділяють на два підкласи: реакції, які каталізують анаеробні дегідрогенази, реакції, які каталізують аеробні дегідрогенази (оксидази).

2.         Реакції з перенесенням електрона/електронів:

Такі реакції каталізують цитохроми (наприклад, цитохроми дихального ланцюга мітохондрій).

3.         Оксигеназні реакції.

Реакції цього класу каталізують ферменти оксигенази, які приєднують до субстрату окиснення один або два атоми кисню. Тому залежно від кількості атомів кисню, що приєднуються, ферменти поділяють на: монооксигенази (відповідно реакції – монооксигеназні), диокисгенази (відповідно реакції – диоксигеназні). До диоксигеназних реакцій належать реакції перекисного окиснення ненасичених жирних кислот, що входять до складу ліпідів біомембран (реакції ПОЛ – перекисного окиснення ліпідів).

Нікотинамідні дегідрогенази

1. Піридинзалежні дегідрогенази – дегідрогенази, які містять нікотинамідні коферменти (НАД+ або НАДФ+) (нікотинамід, що входить до складу цих коферментів, належить до похідного піридину). Піридинзалежні дегідрогенази – це виключно анаеробні дегідрогенази, що каталізують різноманітні реакції в нашому організмі.

НАД-залежні дегідрогенази – це ферменти окисно-відновних реакцій процесів катаболізму, таких як гліколіз, цикл Кребса, β-окиснення жирних кислот, дихальний ланцюг мітохондрій тощо.

НАДФ-залежні дегідрогенази – це ферменти процесів відновного синтезу: синтезу жирних кислот, холестеролу. Це складні ферменти, коферментом яких є нікотинамід-аденіндинуклеотид (НАД) чи нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат (НАДФ). Білковий компонент дегідрогеназ надає їм субстратної специфічності, а кофермент служить акцептором водню. НАД і НАДФ – це коферментні форми вітаміну РР-нікотинаміду.  Два нуклеотиди з'єднані залишками фосфорної кислоти, на відміну від міжнуклеотидного зв'язку в нуклеїнових кислотах (3I,5I-фосфодіефірного). Азотною основою в одному нуклеотиді є аденін, а в другому – нікотинамід. НАДФ містить додаткову фосфатну групу при С2 рибозного залишку, зв'язаного з аденіном. Нікотинаміддинуклеотидні дегідрогенази каталізують зворотні реакції. НАД+ і НАДФ+ – це окиснені форми коферментів, в яких позитивний заряд несе атом азоту піридинового кільця нікотинаміду. НАДН і НАДФН – відновлені форми. Піридинове кільце нікотинаміду є тією частиною НАД (Ф), яка бере участь у переносі водню:

Нікотинаміддинуклеотиди знаходяться у дисоційованій формі і зв'язуються з апоферментом тільки в ході реакції. Відновлені коферменти, відділившись від дегідрогеназ, знову окиснюються шляхом перенесення електронів до акцептора, зв'язаного з іншим ферментом. При цьому НАДН і НАДФН по-різному використовуються у метаболізмі. Більша частина клітинних дегідрогеназ переносить водневі атоми від субстра­тів на НАД+, а відновлений НАДН передає електрони на дихальний ланцюг. Енергія, що звільняється при передачі електронів у дихальному ланцюгу, запасається у формі АТФ. Компоненти дихального ланцюга вмонтовані у внутрішній мембрані мітохондрій, і більшість НАД-залеж­них дегідрогеназ локалізовані у матриксі мітохондрій. НАДФ-залежні дегідрогенази знаходяться у цитоплазмі і мітохондріях, але НАДФН не віддає електрони на дихальний ланцюг, а використовується як відновник у процесах синтезу багатьох сполук, зокрема жирних кислот, стероїдів.

Флавінові дегідрогенази

Флавінзалежні дегідрогенази – дегідрогенази, які містять похідні вітаміну В2 – ФАД, ФМН. У більшості дегідрогеназ  ці коферменти мають високу спорідненість до білкової частини і не відщеплюються від неї. Флавінзалежні дегідрогенази можуть бути як анаеробними, так і аеробними дегідрогеназами. До анаеробних флавінзалежних дегідрогеназ належать: сукцинатдегідрогеназа (фермент циклу Кребса), НАДН-дегідрогеназа дихального ланцюга мітохондрій, гліцерол-3-фосфатдегідрогеназа (фермент окиснення гліцеролу), ацил-КоА-дегідрогеназа (фермент β-окиснення жирних кислот) тощо.

До аеробних флавінзалежних дегідрогеназ належать оксидази L- та D-амінокислот, ксантиноксидаза, глюкозоксидаза. На противагу нікотинамідним коферментам, ФМН і ФАД міцно зв'язані з білком. Флавінові дегідрогенази каталізують реакцію дегідрування субстратів. Приєднання двох атомів водню перетворює окиснену форму коферментів (ФМН чи ФАД) у відновлену (ФМНН2 чи ФАДН2). Активною частиною флавінових коферментів є ізоалоксазинова циклічна система. Обидва атоми водню (тобто 2 електрони і 2 протони) приєднуються до атомів азоту ізоалоксазинового кільця. Таким чином, флавінові коферменти зв'язують обидва протони, тоді як нікотинамідні коферменти, як розглянуто вище, зв'язують 1 протон, а другий залишається у середовищі.

ФМН служить простетичною групою ферменту НАДН-дегідрогенази. Цей фермент, що знаходиться у внутрішній мембрані мітохондрій, окиснює НАДН. Флавінові ферменти з простетичною групою ФАД каталізують відрив атомів водню від молекул субстратів, тобто є первинними ­дегідрогеназами. До них відносяться сукцинатдегідрогеназа, яка каталізує окиснення бурштинової кислоти у фумарову, ацил-КоА-дегідрогеназа та ряд інших ферментів.

Основні компоненти дихального ланцюга

Мітохондрії – органели клітини, функціонування яких для будь-якої обізнаної людини чітко асоціюється з продукуванням енергії. Дійсно в матриксі мітохондрій локалізовані різноманітні ферменти, що необхідні для окиснення субстратів.

Крім того, внутрішня мембрана мітохондрій містить систему білків-переносників електронів, які забезпечують термінальний етап окиснення субстратів і створюють умови для синтезу АТФ.

Ця система білків-переносників має декілька назв: дихальний ланцюг, електрон-транспортний ланцюг, ланцюг перенесення електронів, редокс-ланцюг (окисно-відновний ланцюг). Деякі з цих назв більш точно відображають суть процесів, які відбуваються за участі цього ланцюга, але найчастіше використовують більш просту назву – дихальний ланцюг.

Частка білків дихального ланцюга істотна і становить 30-40% загального білка внутрішньої мембрани мітохондрій.

У складі дихального ланцюга знаходяться:

1) піридинзалежні дегідрогенази (містять НАД+);

2) флавінзалежні дегідрогенази (ФАД- та ФМН-вмісні);

3) цитохроми (в, с, с1, а, а3);

4) залізосірчані білки;

5) вільний кофермент – убіхінон.

Саме така послі­довність компонентів не є випадковою, а зумовлена величинами їх окисно-відновного потенціалу (Ео). Ця константа кількісно характеризує здатність окисно-відновної пари, тобто здатність окисненої і відновленої форм певної сполуки зворотно віддавати електрон. Чим нижча (негативніша) величина ОВП пари, тим вища її можливість віддавати електрони, тобто окиснюватися. І навпаки, пара з більш високим (позитивним) значенням Ео буде приймати електрони і відновлюватись. Таким чином, електрони переходять від однієї ОВ пари до іншої в напрямку більш позитивного Ео. Таке перенесення електронів супроводжується зменшенням вільної енергії.

Усі учасники ланцюга перенесення електронів структурово об’єднані в чотири окисно-відновні системи – мультиферменті комплекси IIV.

Процес окиснення починається з перенесення протонів і електронів з субстрата, що окиснюється, на  НАД+  або  ФАД. Це залежить від природи субстрату. Кожен із комплексів здатний каталізувати певну частину повної послідовності реакцій ланцюга.

Ці комплекси є частиною внутрішньої мембрани мітохондрій.

Комплекс IНАДН-дегідрогеназа – флавопротеїн, що містить ФМН. Цей фермент окиснює  НАДН і передає два атоми водню (2Н+ 2е-) на коензим Q. Комплекс також містить FeS-білки. Комплекс II – сукцинатдегідрогеназа – флавопротеїн, що містить ФАД. Цей фермент окиснює сукцинат і транспортує  два атоми водню (2Н+ 2е-) на коензим Q. У складі  комплекса присутні  FeS-белки.

У матриксі мітохондрій також містяться й інші  ФАД-залежні  дегідрогенази, котрі окиснюють відповідні  субстрати (гліцерол-3-фосфат, ацил-КоА) та далі передають атоми  водню на коензим Q.

Потоки атомів водню обєднуються на стадії утворення відновленого КоQН2 .

Коензим Q є останнім компонентом ланцюгу, котрий здатний транспортувати не тільки протони, але й електрони (2Н+ 2е-). Далі протони (2Н+) переходять із внутрішньої поверхні мембрани мітохондрії на зовнішню, а електрони  (2е-) крізь ланцюг цитохромів переносяться на кисень.

Комплекс III – убіхінондегідрогеназа – це ферментний комплекс, котрий включає цитохром b, FeS-білок і цитохром с1. Цей комплекс транспортує електрони 2е- від відновленого убіхінону КоQН2 на цитохром с (невеликий за розмірами водорозчинний білок, що міститься на зовнішній стороні  внутрішньої мембрани).

Комплекс IV – цитохром с-оксидаза – ферментний комплекс, що складається з цитохромів а й а3. Ці ферменти здійснюють останню стадію біологічного окиснення – відновлення електронами (2е-) молекулярного кисню.

Відновлений кисень  О2- реагує з вільними  протонами (+) матриксу. В результаті реакції утворюється ендогенна, або метаболічна, вода.

Напрямок перенесення протонів і електронів визначають окисно-відновні потенціали. Для забезпечення  спонтанного перенесення компоненти окисно-відновного ряду повинні розташовуватися згідно зі збільшенням величин потенціалів.

Редокс-потенціал пари НАД+/НАДН = - 0,32 В, що свідчить про високу здатність віддавати електрони. Редокс-потенціал пари кисень/вода = + 0,82 В, що свідчить про високу спорідненість до електронів.

Загальна різниця редокс-потенціалів  дорівнює  1,14 В. Цьому відповідає  зміна вільної енергії  DG = - 220 кДж/моль. Ця загальна величина енергії реакції розподіляється на невеликі та більш зручні «пакети», величини котрих визначаються за різницею окисно-відновних потенціалів відповідних проміжних продуктів.

При проходженні по дихальному ланцюгу пари електронів вивільняється енергія, більша частина  котрої (60%) розсіюється у вигляді тепла, а інша акумулюється у макроергічниз зв’язках АТФ,  а саме поглинається в реакції синтезу АТФ-окисному фосфорилюванні.

Це фосфорилювання називається окисним, тому що енергія, що необхідна для утворення макроергічного зв’язку, генерується у процесі окиснення, тобто руху протонів і електронів по мітохондріальному ланцюгу транспорту електронів

Перша така ділянка – це НАД ®ФМН, друга – цитохром b ®цитохром с1, третя – цитохром аа3 ® кисень. Ці ділянки називають пунктами фосфорилювання. Термін “пункт фосфорилювання” чи “ділянка фос­форилювання” не треба розуміти як конкретну стадію, на якій без­посередньо відбувається утворення АТФ. Ідеться про те, що потік електронів через ці три ділянки ланцюга якимось чином поєднаний з утворенням АТФ (перепад ОВП тут достатній для синтезу 1 моле­кули АТФ).

При окисненні субстратів ФАД-залежними дегідрогеназами (наприклад, сукцинату сукцинатдегідрогеназою) потік електронів від ФАДН2 до кисню не проходить через перший пункт фосфорилювання. У цих випадках синтезується на 1 молекулу АТФ менше, тобто дві. Вихід АТФ при окисненні різних субстратів і в різних умовах виражають відношенням Р/О, яке відповідає кількості молекул неорганічного фосфату, включених в АТФ, у розрахунку на один атом спожитого (поглинутого) кисню. Це співвідношення називають також коефіцієнтом фосфорилювання. Таким чином, відношення Р/О при переносі пари електронів від НАДН до кисню дорівнює 3, а від ФАДН2 до кисню – 2. При дії інгібіторів тканинного дихання відношення Р/О знижується.

 

МЕХАНІЗМ ПОЄДНАННЯ ПЕРЕНесення ЕЛЕКТРОНІВ І ОКИСНЮВАЛЬНОГО ФОСФОРИЛЮВАННЯ

 

Синтез АТФ із АДФ і Фн за рахунок енергії, що звільнюється при перенесенні електронів по дихальному ланцюгу, називається окиснювальним фосфорилюванням (ОФ). Існує декілька доказів поєднання цих процесів. По-перше, окиснення НАДН чи ФАДН2 у мітохондріях дійсно су­проводжується одночасним синтезом АТФ. По-друге, при наявності інгібіторів дихального ланцюга утворення АТФ зменшується. По-третє, відкриті хімічні речовини, які роз'єднують процеси переносу електронів і синтезу АТФ, не порушуючи перенесенні електронів по дихальному ланцюгу.

Тканинне дихання й ОФ поєднані не тільки енергетично, а і просторово на внутрішній мембрані мітохондрій. У ній локалізовані компоненти дихального ланцюга і ферменти, які каталізують реакцію синтезу АТФ. Через зовнішню мембрану мітохондрій легко проникають майже всі молекули й іони невеликих розмірів, тоді як внутрішня мембрана для більшості іонів невеликого розміру є непроникною. У ній є спеціальні транспортні системи, які переносять із цитоплазми в матрикс мітохондрій піруват та інше клітинне паливо, а також АДФ і неорганічний фосфат, а з мітохондрій у цитоплазму – АТФ. Матрикс містить піруватдегідрогеназну систему, ферменти циклу лимонної кислоти (циклу Кребса), ферменти окиснення жирних кислот тощо. Саме НАД- та ФАД-залежні дегідрогенази цих метаболічних шляхів переносять атоми водню на ­дихальний ланцюг. Компоненти дихального ланцюга утворюють у внутрішній мембрані високоупорядкований ансамбль. Точна локалізація всіх компонентів поки що не вивчена, але встановлено, що деякі білки розміщені на одному боці внутрішньої мембрани, а інші – на протилежному. Крім того, деякі білки дихального ланцюга пронизують мембрану наскрізь. Фермент, який каталізує синтез АТФ (АТФ-синтаза або ­Н+‑АТФаза), складається з двох компонентів: Fо і F1.

Компонент F1 нагадує шапочку гриба і повернений у бік матрикса мітохондрій. За допомогою ніжки він прикріплений до компонента Fo, який фіксується у мембрані й пронизує її наскрізь.

Існують три основні гіпотези про механізм поєднання (спряження) дихання й ОФ: хімічна, хеміосмотична і конформаційна. Згідно з хімічною гіпотезою, енергія, що виділяється при перенесенні електронів по дихальному ланцюгу, використовується для утворення високоенергетичного проміжного комплексу. Далі цей проміжний продукт розщеплюється і передає енергію на утворення АТФ. Але всі спроби відкрити проміжний ­висо­коенергетичний комплекс не дали результату.

Гіпотеза конформа­ційного поєднання припускає, що виділення енергії при транспорті електронів зумовлює зміни конформації біл­ко­вих компонентів внут­рішньої мембрани мітохондрій. Зміни конформації передаються на АТФ-синтазу, що призводить до її активації.

Хеміосмотична теорія Мітчелла (теорія окисного фосфорилювання)

Пояснення механізмів спряження роботи дихального ланцюга та синтезу АТФ було запропоноване англійським біохіміком Пітером Мітчеллом у 1961 році, яке потім знайшло експериментальне підтвердження у роботах багатьох дослідників. За винайдення механізмів окисного фосфорилювання П. Мітчелл у 1978 році отримав Нобелівську премії в галузі хімії («За внесок у розуміння процесу перенесення біологічної енергії, який зроблений завдяки створенню хеміосмотичної теорії»).

Основними постулатами теорії Мітчелла є таке:

1)                    внутрішня мембрана мітохондрій непроникна для іонів та малих молекул (за винятком молекул води);

2)                    дихальний ланцюг працює як «помпа», що викачує протони з матриксу в міжмембранний простір – рух 2 електронів від субстрату на кисень призводить до перенесення 8-10 Н+ (протони транспортуються через I, III та IV комплекси) через мембрану;

3)                    робота дихального ланцюга створює електрохімічний градієнт протонів (∆μН+), оскільки вони вільно через внутрішню мітохондріальну мембрану повернутися в матрикс не можуть і будуть накопичуватись у міжмемб-ранному просторі; ∆μН+ - це проміжна форма зберігання енергії окиснення субстратів;

4)                    енергію протонного градієнта використовує Н+-АТФ- синтаза (V комплекс) для синтезу АТФ, коли через одну з її субодиниць протони повертаються в матрикс;

5)                    існують сполуки - роз’єднувачі окисного фосфорилю-вання, які порушують електрохімічний градієнт протонів і знижують ефективність роботи Н+-АТФ-синтази.

Протонна АТФ-синтаза – це олігомерний білок, який вмонтований у внутрішню мембрану мітохондрії і за будовою нагадує гриб. Вона містить дві субодиниці:

Foпротонний канал (о - від «олігоміцин»); лише через цей канал протони можуть повернутися в матрикс;

F1 – фермент, який використовує енергію, що вивільняється при транспорті протонів через Fo  для синтезу АТФ з АДФ та Фн.

  П.Мітчелл у своїй теорії теоретично віддав функцію спряження окиснення та фосфорилювання саме Н+-АТФ-азі. Експериментальне піддтердження цей факт знайшов у працях Джона Уокера та Пола Бойера, які за «З’ясування ензимного механізму, що лежить в основі синтезу аденозин-фосфату» в 1997 році отримали Нобелівську премію з хімії.

  На сьогодні відомо, що при транспорті протонів через Fo-субодиницю відбуваються конфірмаційні зміни в активному центрі F1-субодиниці, які призводять до її активації і відповідно до синтезу АТФ та її вивільнення. Молекули АТФ, що синтезуються, транспортуються у цитозоль за допомогою транслокази.

Для синтезу молекули АТФ, її вивільнення та транспорту у цитозоль потрібна енергія 4 протонів (40% цієї енергії іде на синтез АТФ, 60% виділяється у вигляді тепла).

  Кількість молекул неорганічного фосфату, яке перейшло у зв’язану форму (тобто у АТФ) у перерахунку на один атом кисню має назву коефіцієнт окисного фосфорилювання і позначається Р/O (коефіцієнт фосфорилювання).

Коефіцієнт Р/O чисельно дорівнює кількості молекул АТФ, що синтезувалися в результаті транспорту 2 ē на один атом кисню. Тому для субстратів, що окислюються під дією НАД-залежних дегідрогеназ Р/O= 3 (наприклад, для пірувату,  α-кетоглутарату, ізоцитрату, малату). Для субстратів, які окислюються за допомогою ФАД-залежних дегідрогеназ, цей коефіцієнт дорівнює 2 (наприклад, для сукцинату, ацил-КоА, гліцерил-3-фосфату).

Згідно з цією теорі­єю, перенесення електронів по дихальному ланцюгу супроводжується викачуванням протонів із матриксу через внутрішню мембрану у водне середовище міжмембранного простору.

 Припускають, що асиметрично розміщені в мембрані компоненти дихального ланцюга утворюють три петлі, які переносять через мембрану протони, тобто служать протонними помпами. З кожною парою елек­тронів, що передаються від субстрату до кисню, ці три петлі транспортують із матриксу мітохондрій шість протонів (за новими даними, не менше 9). Таким чином, енергія, яка виділяється при перенесенні електронів, затрачається на перекачування іонів Н+ проти градієнта концентрації. Внаслідок викачування іонів Н+ із матриксу внутрішній бік внутрішньої мембрани мітохондрій стає електронегативним, а зовнішній – електропозитивним, тобто виникає градієнт концентрації іонів водню: їх менше в матриксі й більше – в зовнішній водній фазі. Сумарний електрохімічний протонний потенціал позначається ∆μН+. Він складається із 2-х компонентів: ∆μН=∆рН і ∆V.

Внутрішня мембрана мітохондрій непроникна для іонів Н+, а також іонів ОН-, К+, Nа+, СI-, але мембранний білок Fo АТФази утворює канал, по якому іони Н+ повертаються в матрикс за градієнтом концентрації, вільна енергія, яка при цьому виділяється, використовується F1-компонентом АТФази для синтезу АТФ з АДФ і Фн.

РЕГУЛЯЦІЯ ТКАНИННОГО ДИХАННЯ Й ОКИСНЮВАЛЬНОГО ФОСФОРИЛЮВАННЯ

Швидкість окиснення субстратів клітинного палива і транспорту електронів до кисню по дихальному ланцюгу залежить від наявності АДФ і Фн.

Концентрація АДФ у клітині значно менша, ніж концентрація неорганічного фосфату, тому рівень АДФ є основним у регуляторному механізмі. Якщо в клітині інтенсивно здійснюються процеси з використанням енергії АТФ, то це призводить до зниження концентрації АТФ і зростання концентрації АДФ, а наявність АДФ автоматично підвищує швидкість перенесення електронів та поєднаного з ним окиснювального фосфорилювання. Після вичерпання запасів АДФ швидкість споживання мітохондріями кисню і фосфорилювання АДФ неодмінно зменшуються, повертаючись до рівня, що відповідає стану спокою (рис. ). Залежність дихання мітохондрій від концентрації АДФ називають дихальним контролем. Таким чином, тісне поєднання дихання з фосфорилюванням у мітохондріях створює умови, коли швидкість окиснення клітинного палива регулю­ється енергетичними потребами клітини. Величина відношення ­АТФ/АДФ•Фн служить показником енергетичного стану клітин.

Головні переносники електронів,  комплекси I, III, IV, використовуючи енергію електронів, забезпечують перенесення протонів Н+ із матриксу у міжмембранний простір. В результаті змінюється значення рН та виникає протонний електрохімічний потенціал mDН+ (хеміосмотична теорія П. Мітчела). Саме цей потенціал є  рушійною силою синтезу АТФ із АДФ і Ф.     Синтез АТФ поєднаний зі зворотним потоком протонів Н+ із міжмембранного простіру у матрикс. Внутрішня мембрана мітохондрій непроникна для цього потоку. Завдяки спеціальній ферментній системі, що називається протонною АТФ-азою або АТФ-синтетазою (комплекс V), здійснюється зворотний рух протонів. Після досягнення певної величини mDН+ активується  АТФ-аза. В ній відкривається  канал, крізь який протони повертаються у матрикс із міжмембранного  простіру,  а  енергія   mDН+    використовується  для  синтезу  АТФ.

Кожний із трьох комплексів (I, III, IV) забезпечує протонний градієнт, необхідний для активації АТФ-синтетази та синтезу 1 молекули АТФ.

Коефіцієнт окисного  фосфорилювання    P/Oце відношення кількості фосфорної кислоти (Р), котра була використана на фосфорилюваня, у розрахунку на один атом поглинутого кисню (О).

P/O залежить від ділянки  вхождення у ланцюг  транспорту електронів  відновних  еквівалентів H2 від субстратів SH2,  що окиснюються.

Субстрати SH2, що окиснюються НАД-залежними дегідрогеназами (піруват, a-кетоглутарат, ізоцитрат, малат, глутамат, лактат), мають більшу енргетичну цінність, тому що при їхньому окисненні утворюються 3 молекули АТФ (P/O = 3). При окисненні субстратів SH2 (сукцинату, ацил-КоА, гліцерол-3-фосфату)  ФАД-залежними дегідрогеназами утворюються  2 молекули АТФ (P/O=2).

Усі описані процеси перенесення протонів, електронів і  синтезу АТФ (тканинного дихання та  окисного фосфорилювання) щільно поєднані: вони відбуваються завжди одночасно.  Їхня швидкість  також змінюється одночасно.

Процеси засвоєння їжі та синтезу  АТФ повинні визначатися енергетичними потребами клітин, тобто синтез і використання   АТФ повинні бути погодженими.

При збільшенні  в клітині споживання АТФ поідвищується швидкість надходження  АДФ в мітохондрії, що означає зростання швидкості синтезу   АТФ. Це призводить до збільшення швидкості транспорту  протонів: зростає швидкість дихання. Така кореляція, а саме пришвидшення окисного фосфорилювання та дихання при підвищенні концентрації АДФ називається дихальним контролем.   Дихальний  контроль – це співвідношення АТФ/АДФ: при його зменшенні підвищується інтенсивність дихання.

 

Дихальний контроль

 

  Процес синтезу АТФ залежить від енергетичного статусу клітини, який, у свою чергу знаходить своє вираження у кількісному співвідношенні АТФ/АДФ. При зростанні потреб клітини в енергії підвищується концентрація АДФ і значення цього співвідношеня знижується. Це супроводжується активацією тканинного дихання і, відповідно, окисного фосфорилювання.

  Процес залежності дихання клітин від вмісту аденілових нуклеотидів був вивчений in vitro. Результати дослідження показали, що за наявності в середовищі всіх компонентів, за винятком АДФ, поглинання кисню клітиною не відбувається. Внесення в інкубаційну суміш АДФ стимулює дихання, активність якого знижується при зростанні концентрації АТФ. Швидкість дихання знижується до нуля, коли вся АДФ перетворюється в АТФ. Тому залежність роботи дихального ланцюга від  співвідношення АТФ/АДФ отримала назву дихальний контроль. Механізм дихального контролю відрізняється високою точністю і швидко реагує навіть на невеликі зміни концентрацій АТФ та АДФ. Незначне підвищення концентрації АДФ призводить до активації дихання та фосфорилювання.

  Зниження синтезу АТФ призводить до розвитку гіпоенергетичного стану в організмі. Синтез АТФ знижується при:

1)                    гіпоксії;

2)                    голодуванні, дефіциті деяких вітамінів (В1, В2, РР) та мінералів (Fe, Cu);

3)                    наявності інгібіторів дихального ланцюга та інгібіторів окисного фосфорилювання;

4)                    наявності роз’єднувачів окиснення та фосфорилювання.

АТФ не депонується в клітинах організму, постійно відбувається синтез та розпад молекул цього нуклеозидтрифосфату. Загальний вміст АТФ в організмі - 30-50 г, але час «життя» молекули АТФ – менше 1 хв. За добу в організмі людини синтезується та розщеплюється 40-60 кг АТФ.

 

Інгібітори та роз’єднувачі окисного фосфорилювання

 

  Робота протонної АТФ-синтази може бути порушена за наявності в клітині сполук – інгібіторів окисного фосфорилювання. Так, наприклад, олігоміцин пригнічує роботу Fo субодиниці і, таким чином, робить неможливим використання енергії протонного градієнта для синтезу АТФ.

  Деякі речовини роз’єднують окиснення та фосфорилювання, тому мають назву роз’єднувачів окисного фосфорилювання. Ці сполуки ліпофільні, легко дифундують через внутрішню мембрану мітохондрій, можуть зв’язувати протони та переносити їх у матрикс за градієнтом концен-трацій Н+ (тому вони належать до сполук протонофорів).

У разі наявності в клітині роз’єднувача окиснення субстратів відбувається дуже активно, дихальний ланцюг мітохондрій працює і намагається створити електрохімічний градієнт протонів, але цього не відбувається. Пояснення в тому, що молекули роз’єднувача захоплюють протони з міжмемб-ранного простору і транспортують їх у матрикс. За таких умов окиснення субстратів не приводить до створення протонного градієнта і, відповідно, до синтезу АТФ. Енергія окиснення перетворюється в теплову енергію, тобто коефіцієнт окисного фосфорилювання знижується і спостерігається виділення тепла (пірогенна дія).

Класичним прикладом роз’єднувача є 2,4-динітрофенол.

  Крім 2,4-динітрофенолу до синтетичних роз’єднувачів потрібно віднести деякі похідні вітаміну К, анестетики, антибіотики валіноміцин та граміцидин, ацетилсаліцилову кислоту, гербіциди. До природних роз’єднувачів належать продукти перикисного окиснення ліпідів, довголанцюгові жирні кислоти, великі дози териоїдних гормонів.

  Саме тому в людей, які хворіють на гіпертиреоз спостерігається підвищення температури тіла, активне окиснення субстратів і тому, незважаючи на підвищений апетит, вони втрачають вагу. Відомо також, що в разі купання у холод-ній воді в організмі людей-моржів спостерігається підсилена секреція тиреоїдних гормонів, що, у свою чергу, дозволяє підсилити термопродукцію і покращити терморегуляцію .

Прикладом природного роз’єднання також може бути робота білка термогеніну, який знаходиться у внутрішній мембрані мітохондрій бурої жирової тканини. Цей білок є протонним каналом, через який транспортуються протони у матрикс і тому робота дихального ланцюга не може створити необхідний електрохімічний градієнт протонів для синтезу АТФ. Тому активне окиснення субстратів бурою жировою тканиною призводить до генерації теплової енергії.