Розділ біохімії, що займається питаннями перетворення і використання енергії у живих системах, називається біоенергетикою. Біоенергетика грунтується на процесах окиснення органічних речовин.
Початки вивчення енергетичних процесів у живих організмах були закладені французьким ученим Лавуазьє ще в XVIII ст. Він уперше звернув увагу на подібність згорання органічних речовин поза організмом з процесом дихання в тварин. Оскільки при згоранні речовин утворюються СО2 і Н2О, а під час дихання виділяються такі ж речовини і певна кількість тепла, то Лавуазьє цілком логічно вважав, що дихання організму – процес з'єднання кисню повітря з вуглецем і воднем органічних речовин всередині тіла. Експерименти Лавуазьє, а також його висновки послужили основою для ствердження, що живі організми підпорядковуються першому принципу термодинаміки. Це означає, що спалювання цукру поза організмом (in vitro) і окиснення його в організмі (in vivo) можна зобразити у вигляді хімічної реакції:
С6Н12O6 + 6О2 ® 6СО2 + 6 Н2О + тепло
Всі хімічні реакції в живих клітинах підпорядковуються законам термодінамики.
Перший закон: енергія не створюється з нічого та не зникає, вона лише перетворюється в еквівалентних кількостях з одного виду в інший, тобто внутрішня енергія системи залишається постійною. Самовільно хімічні процеси можуть проходити лише в одному напрямку – досягнення рівноваги, тобто максимальної ентропії. Ентропія – це міра хаосу, неупорядкованості.
Другий закон: ентропія при самовільних процесах зростає. Самовільно неупорядкована система ніколи не перетвориться в упорядковану. Для цього перетворення треба витратити додаткову енергію.
Екзергонічні і ендергонічні процеси
Життєво необхідні процеси – реакції синтезу, скорочення м’язів, проведення нервових імпульсів, активний транспорт – отримують енергію шляхом хімічного поєднання з окисними реакціями, тобто існує поєднання екзергонічних реакцій з ендергонічними.
До екзергонічних реакцій належать катаболічні реакції - реакції розщеплення або окиснення “паливних” молекул (енерговмісних нутрієнтів), котрі надходять в організм у складі харчових продуктів.
До ендергонічних реакцій належать анаболічні реакції - реакції розщеплення або окиснення “паливних” молекул (енерговмісних нутрієнтів), котрі надходять в організм у складі харчових продуктів.
В біології міцно закріпилось уявлення, що дихання в організмі (окиснення) за своєю суттю є процесом “горіння", яке відбувається дуже повільно. Отже, поживні речовини, що потрапили в організм з їжею, є “паливом", яке згорає в організмі шляхом приєднання кисню повітря. Разом з тим, було звернуто увагу на той факт, що повільне “горіння" органічних речовин в організмі істотно відрізняється від такого, що проходить поза організмом: по-перше, воно відбувається при низькій температурі, по-друге, – при відсутності полум'я і, по-третє, – за наявності води, вміст якої в тканинах досить високий.
Біологічне окиснення – це сума всіх окисно-відновних процесів, включаючи анаеробні, що відбуваються в клітинах організму (цитоплазмі, мітохондріях, ендоплазматичному ретикулумі). Основними субстратами біологічного окиснення є вуглеводи та ліпіди, саме їх катаболізм дає найбільшу кількість хімічної енергії, що акумулюється у високоенергетичних зв’язках макроергів.
Функції біологічного окиснення:
1. Забезпечення клітин енергією;
2. Забезпечення клітин пластичним матеріалом для відтворення структур організму;
3. Знешкодження токсичних речовин.
Тканинне дихання – це окиснення речовин з допомогою кисню, що відбувається на внутрішній мембрані мітохондрій, супроводжується утворенням Н2О і АТФ.
Дихальний ланцюг або дихальний ансамбль – це система ферментів і коферментів, з допомогою яких відбувається транспорт електронів і протонів водню від субстрату до кисню з утворенням Н2О і АТФ. Його складові вбудовані у внутрішню мембрану мітохондрій: від 5 до 20 тисяч ансамблів в одній мітохондрії.
Енергетичний обмін – це перетворення енергії харчових речовин в інші форми хімічної енергії (АТФ, НАДН, ФАДН2) і використання цих форм енергії для виконання роботи.
Біологічне окиснення каталізується ферментами і може відбуватися такими шляхами:
1) приєднання кисню до субстрату окиснення;
2) відщеплення водню від субстрату (дегідрування);
3) відщеплення електронів.
Біоенергетика включає 3 вузлові питання:
1) джерела енергії;
2) способи перетворення і нагромадження енергії;
3) шляхи використання енергії.
Типи реакцій біологічного окиснення
Існують різні типи реакцій окиснення органічних субстратів, в котрих використовується кисень :
1. Дегідрогеназні реакції.
2. Оксигеназні реакції.
3. Пероксидазні реакції.
4. Вільнорадикальні реакції.
Макроергічний зв’язок, макроергічні сполуки.
АТФ відноситься до сполук, що містять макроергічні зв'язки, тобто багаті енергією. Енергія може бути акумульована в різних субстратах окиснення, проте лише енергія у формі АТФ може бути використана клітинами організму. Саме тому АТФ називають «універсальним джерелом енергії». Крім АТФ, існують й інші макроерги. Це метаболіти вуглеводного, ліпідного та амінокислотного обмінів, а також фосфагени (креатинфосфат), котрі виступають як резервуари макроергічних зв’язків.
У клітинах містяться різні біофосфати з різним енергетичним потенціалом. Залежно від кількості енергії, яка акумульована в макроергічних зв’язках цих сполук, усі біофосфати умовно можна поділити на три групи.
1. Надвисокоенергетичні фосфати – це фосфати, енергія гідролізу фосфодиефірних зв’язків яких ∆Go> - 30 кДж/моль (або -7,3 ккал/моль).
До цієї групи належать: а) фосфоенолпіруват (∆Go= - 61,9 кДж/моль), б) 1,3 –дифосфогліцерат (∆Go= - 54,5 кДж/моль), в) карбамоїлфосфат (∆Go = - 51,4 кДж/моль), г) креатинфосфат (∆Go= - 43,1 кДж/моль) та ін.
2. Високоенергетичні фосфати – це фосфати, енергія гідролізу фосфодіефірних зв’язків яких приблизно дорівнює – 30 кДж/моль (∆Go≈ - 30 кДж/моль). До цієї групи належать нуклеозидтрифосфати, такі як АТФ, ГТФ та ін.
3. Низькоенергетичні фосфати – це органічні фосфати з ∆Go< - 30 кДж/моль. Енергія низькоенергетичнихфосфатів не може бути використана в ендергонічних процесах. До цієї групи сполук належать: - АМФ (∆Go= - 9,6 кДж/моль), - АДФ (∆Go= - 27,6 кДж/моль),- гліцерофосфат (∆Go= - 9,2 кДж/моль),- глюкозо-6-фосфат (∆Go= - 13,8 кДж/моль)
Зв'язок вважається високоенергетичним, якщо при гідролізі його звільняється більше 21 кДж (за іншими джерелами – 30 кДж/моль). Таким чином, у молекулі АТФ є два макроергічних зв'язки, які характеризуються величиною вільної енергії 28-37 кДж/моль. Макроергічний зв'язок містить і АДФ, але при його гідролізі до АМФ і ФН енергія вилучається у вигляді тепла.
Яка кількість АТФ синтезується і розпадається за добу? Доросла здорова людина масою 70 кг при сидячій роботі повинна споживати за день їжі калорійністю близько 12 000 кДж. Харчові продукти розщеплюються у процесі метаболізму, а вільна енергія, що звільняється при цьому, використовується для синтезу АТФ, який далі витрачається на виконання хімічної, механічної, осмотичної й електричної робіт. Ефективність перетворення енергії харчових продуктів у енергію АТФ дорівнює приблизно 50 %. Враховуючи, що при гідролізі АТФ у фізіологічних умовах звільняється 50 кДж/моль вільної енергії, можна визначити кількість АТФ, яка утилізується за добу.
В організмі людини міститься всього близько 50 г АТФ, тому ця кількість АТФ характеризує не загальну масу АТФ, а швидкість обороту АТФ-АДФ. Розраховано, що кожна молекула АТФ розпадається і знову регенерується 2,5 тисячі разів за добу, так що середня тривалість її життя менша 1 хв. Синтез АТФ із АДФ і ФН здійснюється двома шляхами – окиснювальним фосфорилюванням і субстратним фосфорилюванням. У більшості клітин головним процесом є окиснювальне фосфорилювання.
Шляхи синтезу АТФ в клітинах: субстратне та окисне фосфорилювання, їх відмінності
Синтез АТФ із АДФ і фосфату (фосфорилювання АДФ) відбувається в організмі за двома шляхами, котрі відрізняються один від іншого джерелом енергії для утворення макроергічного зв’язку.
Окисне фосфорилювання (головний шлях синтезу): здійснюється за рахунок енергії окиснення електронів і протонів водню, відщеплених від різноманітних сполук (метаболітів або субстратів окиснення), який відбувається за участю дихального ланцюга мітохондрій за рахунок електрохімічного потенціалу внутрішньої мембрани. Реакції цього процесу відбуваються виключно в аеробних умовах. Основна кількість АТФ в організмі утворюється саме в реакціях окисного фосфорилювання.
Субстратне фосфорилювання - процес синтезу АТФ, який відбувається як результат окиснення субстратів без участі дихального ланцюга мітохондрій. У цьому разі перетворення субстрату в продукт супроводжується фосфорилюванням АДФ з утворенням АТФ. В організмі є три реакції субстратного фосфорилювання (дві – в гліколізі, одна – в ЦТК). Кожна з цих реакцій супроводжується утворенням лише одної молекули АТФ. Цей процес можливий як в аеробних, так і анаеробних умовах і відбувається в цитоплазмі і матриксі мітохондрій.
Ферменти біологічного окиснення
Ферменти, які каталізують окиснення субстратів шляхом дегідрування, називаються дегідрогеназами. Розрізняють дві групи дегідрогеназ: нікотинаміддинуклеотидні (піридинові) і флавінові. Окиснення більшості субстратів каталізують ферменти першої групи.
1. Піридинзалежні дегідрогенази – ферменти, які містять нікотинамідні коферменти (НАД+ або НАДФ+) (нікотинамід, що входить до складу цих коферментів, належить до похідного піридину). Піридинзалежні дегідрогенази – це аеробні і анаеробні дегідрогенази, що каталізують різноманітні реакції в нашому організмі.
Схематично реакції, що каталізують ці ферменти, мають такий вигляд:
SH2 + НАД+→S + НАДН + Н+; та SH2 + НАДФ+→S + НАДФН + Н+.
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, стероїдних гормонів, жовчних кислот тощо. НАД і НАДФ – це коферментні форми вітаміну РР-нікотинаміду.
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.
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.
Схематично реакції, що каталізують ці ферменти, мають такий вигляд:
SH2 + ФАД→S + ФАДН2; та SH2 + ФМН→S + ФМН-Н2.
Флавінзалежні дегідрогенази можуть бути як анаеробними, так і аеробними дегідрогеназами.
До 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), оксидази L- та D-амінокислот, ксантиноксидаза (фермент катаболізму пуринових нуклеотидів), глюкозоксидаза (рослинний фермент, який використовується для визначення концентрації глюкози в крові).
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.
Кофермент Q (убіхінон, кофермент Q10) – жиророзчинний кофермент, який знаходиться у мітохондріях еукаріотичних клітин. В організмі людини цей кофермент синтезується з мевалонової кислоти та похідних фенілаланіну та тирозину. Найбільша кількість коферменту Q у серцевому м’язі.
Цікаво. Відомо, що у серцевому м’язі максимальний вміст убіхінону спостерігається приблизно у 20 років, але потім з віком поступово знижується: до 40 років – на 30%; після 60 років – на 50%. Саме тому зміни функціональних можливостей серця в процесі старіння організму пов’язують зі зниженням концентрації убіхінону у мітохондріях кардіоміоцитів. Препарати коферменту Q10 використовують з метою профілактики та у комплексному лікування серцево-судинних захворювань.
Убіхінон – це ліпофільна сполука, тому цей кофермент розчинений у ліпідній частині внутрішньої мембрани мітохондрій, і, оскільки він не зв’язаний з білком, може вільно рухатися в мембрані в різних напрямках. У дихальному ланцюзі коензим Q є колектором електронів від НАД- та ФАД(ФМН)-залежних дегідрогеназ.
Цитохроми – складні білки гемопротеїни, простетичною групою яких є гем. До складу гему цих білків входить метал зі змінною валентністю (переважно залізо, може бути також мідь). На сьогодні відомо приблизно 30 видів цитохромів.
Усі цитохроми мають різні фізико-хімічні властивості та величини стандартного окисно-відновного потенціалу (редокс-потенціалу), що забезпечує напрямок руху електронів від субстратів на кисень. Вони розташовані згідно з величинами їхніх окисно-відновних потенціалів наступним чином: цитохром b, цитохром с1, цитохром с, цитохроми а, а3. Цитохром аа3, або цитохромоксидаза, - це термінальный фермент, котрий переносить електрони безпосередньо на кисень (аеробний фермент). Він складається з 6 субодиниць та, крім гемінового заліза, містить іони міді.
У перенесенні електронів спочатку беруть участь іони заліза цитохромів а й а3, а далі - іон міді цитохрому а3.
Унікальна особливість цитохрому аа3 полягає в тому, що цей комплекс безпосередньо реагує з молекулярним киснем. Тому його також називають цитохромоксидазою. Молекула О2 зв'язується з атомом заліза цитохрому а3, після чого обидва атоми кисню приймають по два електрони і, взаємодіючи з протонами, що надходять із середовища, утворюють дві молекули води. Таким чином, цитохромоксидаза каталізує чотирьохелектронне відновлення молекули О2 до води.
Залізосірчані білки (FeS-білки) - це білки з невеликою молекулярною масою (приблизно 10 кДа). Залізо, яке вони містять не входить до складу гему, а зв’язане з атомами сірки. Відомо, що вони беруть участь у транспорті електронів у дихальному ланцюзі, але детально механізм окиснення-відновлення атомів заліза невідомий.
Ці білки локалізовані в ліпідному шарі мембран. Вони можуть зворотньо окиснюватися та відновлюватися, тобто переносити електрони. Подібні окисно-відновні системи стабільні лише у складі білків. Вони можуть мати від 2 до 6 іонів заліза, котрі утворюють комплекси різного складу з неорганічним сульфідом і SH-групами залишків цистеїну білкових молекул.
Основні компоненти дихального ланцюга
Мітохондрії – органели клітини, функціонування яких 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.
Усі учасники ланцюга перенесення електронів структурово об’єднані в чотири окисно-відновні системи – мультиферменті комплекси I – IV. Ці комплекси є частиною внутрішньої мембрани мітохондрій.
Комплекс I – НАДН-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 комплексу 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 об’єднуються на стадії утворення відновленого КоQН2.
Коензим Q є останнім компонентом ланцюга, 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 – цитохромоксидаза – ферментний комплекс, що складається з цитохромів а й а3. Ці ферменти здійснюють останню стадію біологічного окиснення – відновлення електронами ( 2е- ) молекулярного кисню:
2е + 1/2О2 = О2-
Відновлений кисень О2- реагує з вільними протонами (2Н+ ) матриксу. В результаті реакції утворюється ендогенна, або метаболічна вода. Напрямок перенесення протонів і електронів визначають окисно-відновні потенціали.
Це фосфорилювання називається окисним, тому що енергія, яка 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.
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.
Основні постулати теорії Мітчелла:
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 міжмембранному 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 фосфорилювання, які порушують електрохімічний градієнт протонів і знижують ефективність роботи Н+-АТФ-синтази.
Протонна АТФ-синтаза (Н+-АТФ-синтаза, Н+-АТФ-аза) безпосередньо використовує енергію протонного градієнта, що був створений дихальним ланцюгом, для синтезу АТФ. Протонна АТФ-синтаза – це олігомерний білок, який вмонтований у внутрішню мембрану мітохондрії і за будовою нагадує гриб. Вона містить дві субодиниці: Fo – протонний 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 .
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).
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.
Таким чином, згідно з хеміосмотичною теорією, перенесення електронів по дихальному ланцюгу створює градієнт концентраціїї іонів Н+, який служить рушійною силою синтезу АТФ. Специфічний білок-переносник, аденіннуклеотид-транслоказа переносить новосинтезований АТФ із матриксу в цитоплазму в обмін на АДФ. Ця сама транспортна система переносить у матрикс мітохондрій фосфат.
Дихальний контроль – це співвідношення АТФ/АДФ: При його зменшенні підвищується інтенсивність дихання. 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.
Інгібітори та роз’єднувачі окисного фосфорилювання
Робота протонної АТФ-синтази може бути порушена за наявності в клітині сполук – роз’єднувачів окисного фосфорилювання. Адже, розۥєднувачі – це ліпофільні сполуки, які легко дифундують через внутрішню мембрану мітохондрій, можуть зв’язувати протони та переносити їх у матрикс за градієнтом концентрацій Н+ (тому вони належать до сполук протонофорів).
Так, наприклад, олігоміцин пригнічує роботу Fo субодиниці і, таким чином, робить неможливим використання енергії протонного градієнта для синтезу АТФ.
Прикладом роз’єднувача служить 2,4-динітрофенол. Механізм токсичної дії 2,4-динітрофенолу полягає у блокуванні окиснювального фосфорилювання, що викликає утворення енергії шляхом гліколізу з використанням значної кількості кисню.
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.
Інгібітори тканинного дихання на етапах фосфорилювання блокують одну з трьох ланок утворення АТФ, перепиняючи потік електронів на певних ділянках дихального ланцюга. Перша група препаратів (снотворні препарати барбітурового ряду - амітал та ін., прогестерон - жіночий статевий гормон) припиняє надходження водню на дихальний ланцюг від субстратів, які окиснюються внаслідок дії піридинзалежних дегідрогеназ, але не заважають використанню субстратів, які окиснюються через ФАД (наприклад, янтарної кислоти).
На рівні другої ланки дихальний ланцюг блокується протигрибковим антибіотиком антиміцином А (блокується перенос електронів між цитохромами b і с,). Дихання можливе тільки в разі надходження електронів і протонів на ділянку ланцюга після блоку. Наприклад, аскорбінова кислота (вітамін C) може окиснюватися в цитохромом с. Тому в її присутності дихання в мітохондріях продовжується, незважаючи на те, що дихальний ланцюг гальмується антиміцином А.
Третя група інгібіторів дихання (ціаніди (NaCN, KCN), азиди (NaN3), оксид вуглецю (II) та ін.) блокують цитохромоксидазу й унеможливлюють сам процес дихання. Ці речовини викликають кисневе голодування для дихального ланцюга мітохондрій, хоча кисень наявний у великій кількості (блокується процес перекидання електронів на кисень). Тому вимикається утворення протонного потенціалу й поєднане з ним фосфорилювання - припиняється життєдіяльність клітин. Перелічені інгібітори цитохромоксидази є найсильнішими отрутами, отруєння якими викликає швидку загибель організму.
Іонофори (переносники іонів). До них належать речовини, здатні зв'язувати певні іони (К+, та ін.) і переносити їх через мембрани, порушуючи їхній ізолюючий бар'єр. Від роз'єднуючих агентів вони відрізняються тим, що переносять через мембрану не іони Н+, а будь-які інші катіони.